Прискорення старіння і скорочення тривалості життя

Радіобіологічні ефекти

Радіобіологічний ефект – це відповідь живої клітини або багатоклітинного організму на опромінення. Він реалізується в послідовності окремих явищ, які відбуваються на різних рівнях біологічної системи. Тобто це реакція живого організму на дію іонізуючого випромінювання, що характеризується зміною деяких його ознак та властивостей.

Звичайно виділяють два класи радіобіологічних ефектів — соматичні й генетичні.

Соматичними радіобіологічними ефектами є зміни, що відбуваються в організмі протягом його онтогенезу — періоду індивідуального розвитку; генетичними — ушкодження, що передаються нащадкам, тобто реалізуються в наступних поколіннях.

Серед соматичних ефектів розрізняють такі 5 основних типів:

 - радіаційна стимуляція

- морфологічні зміни

- променева хвороба

- прискорення старіння, що призводить до скорочення тривалості життя, і загибель.

Генетичні, або мутагенні, ефекти утворюють самостійний клас.

У радіобіології розрізняють такі рівні реалізації радіобіологічних ефектів у біологічних системах:

Ø радіаційно-фізичних взаємодій;

Ø первинних радіаційно-хімічних реакцій;

Ø радіаційних перетворень біологічно важливих молекул;

Ø індукованих опроміненням порушень молекулярно-біологічних процесів;

Ø радіобіологічних реакцій клітинних органел;

Ø клітинних реакцій;

Ø реакцій клітинних популяцій;

Ø реакцій органів і системи органів;

Ø реакцій інтактного організму;

Ø біоценотичний;

Ø системи, що еволюціонує.

Таблиця 1.Основні етапи формування радіобіологічних ефектів і відповідні їх міри

Етап	Міри ефектів
Поглинання енергії	Поглинута доза
Перехід молекул в іонізовані та збуджені стани	Виходи первинних продуктів дії радіації
Ушкодження біологічно важливих молекул	Виходи продуктів прямої й непрямої дії радіації
Порушення регуляції метаболізму	Параметри зміни характеристик метабо-лізму як наслідок радіаційного ураження
Порушення регуляції онтогенезу клітини	Параметри зміни клітинного циклу, пове-дінки клітинних популяцій, морфогенезу багатоклітинного організму тощо
Формування генетичних ушкоджень	Виходи цитогенетичних і генетичних ушкоджень

 

Розпочинаючись з поглинання об’єктом енергії іонізуючого випромінювання, радіобіологічний ефект завершується кінцевим проявом на відповідному рівні біологічної системи. Тому формування будь-якого радіобіологічного ефекту – кілька етапний процес, і кожному з етапів відповідають певні міри.

Оскільки основне завдання радіобіології ґрунтується на з’ясуванні функціональних зв’язків між проявами радіобіологічних ефектів і дозами опромінення, дуже важливим є визначення системи параметрів – мір радіобіологічних ефектів, які б найповніше відповідали кількісним характеристикам інтенсивності прояву цих ефектів. Головна вимога до таких кількісних параметрів полягає в тому, що вони мають однозначно характеризувати індуковані опроміненням ефекти на різних рівнях їх прояву.

Будь-яка міра радіобіологічного ефекту виражається в певних одиницях, що мають відповідну розмірність. Вибираючи одиницю міри, слід урахувати можливості експериментального вивчення й використання її в аналізі радіобіологічних ефектів. Здебільшого в процесі дослідження відповіді біологічної системи на опромінення доводиться розглядати кілька взаємопов’язаних мір радіобіологічних ефектів.

Часові характеристики радіобіологічних реакцій на зазначених рівнях дуже різні (табл. 2): від порядку 10^-15…10^-4 с (радіаційно-хімічні процеси) до десятків років (радіобіологічні відповіді на рівні популяцій клітини, системи органів, а тим паче еволюції).

У радіаційно-хімічних реакціях до прямих ефектів опромінення належать ушкодження молекул під час безпосереднього передавання їм енергії фотона або зарядженої частинки. До опосередкованих ефектів належать ушкодження молекул унаслідок дії на них активних хімічних форм, що виникли в результаті прямих радіаційно-хімічних перетворень. У клітинах опосередковані радіаційно-хімічні ефекти здебільшого зумовлюються атакуванням молекул продуктами радіолізу води.

Відповідь біологічних систем на опромінення за своєю природою є інтегральною: в ній поєднуються які прямі, так і опосередковані радіобіологічні ефекти.

 

Таблиця 2. Часова шкала радіобіологічних реакцій

Типи реакцій	Тривалість перебігу	Головні процеси радіаційного ураження
Радіаційно-хімічні	10-15…10-4 с	Утворення вільних радикалів Первинний розмін енергії іонізуючих квантів або частинок
Фізико-хімічні	Частки секунди	Дифузія вільних радикалів, іонів та кисню; репарація клітин
Клітинні	Хвилини – години	Зміни метаболізму; перебудова мембранної системи; поділ клітин; порушення морфогенезу
Соматичні	Дні роки	Канцерогенез; зміна тривалості онтогенезу; формування мутації
Генетичні	Дні роки	Міграція генних мутацій
Еволюційні	Багато десятиліть	Сукцесійні процеси

 

Залежність між дозою опромінення та ступенем прояву радіобіологічного ефекту, як правило, характеризують графічно, будуючи криві дозових залежностей ефектів (на осі абсцис відкладають значення дози, а на осі ординат – кількісні значення відповідної міри радіобіологічного ефекту – процент клітин, які в певний момент після опромінення втратили життєздатність, процент стерильних особин, відносну зміну активності ферменту, процент хімічно змінених молекул тощо).

Якщо добуту криву можна описати відповідним аналітичним виразом, то останній у разі потреби використовують як математичну модель радіобіологічного ефекту.

Найпростішою є лінійна (прямо пропорційна) залежність між дозою та кількісним значенням міри радіобіологічного ефекту (рис.1, а).

Крива сигмоїдної форми, або логістична (рис.1, б), є дуже частим випадком прояву функції відгуку системи. Сигмоїда описується логістичною функцією

 де, А, В, С – коефіцієнти, від значень яких залежить форма кривої.

 

 

 

Рис. 1. Графіки найпоширеніших у радіобіології залежностей доза (D)~(E):

а - прямопропорційних; б – логістичної; в – типу “все або нічого”; г – типу фізіологічного оптимуму; а₀, А₀, к₁, к₂, А, В, с, ,  - константи, що визначають форму кривих

 

У біології частинами є залежності типу “все або нічого” (рис.1, в). Ефект, який описується такою кривою, має пороговий характер. Реакція цілком реалізується лише тоді, коли сила фактора (або відповідно зміни внаслідок дії цього фактора) досягне певного критичного значення – порога ефекту. Наявність порога може свідчити або про здатність системи протидіяти впливу негативного фактора, або про участь у реакції сигнальної системи, яка реагує на певну інтенсивність “сигналу”.

Якщо фактор позитивно впливає на біологічну систему, то така залежність описується дзвоноподібною кривою (рис.1, г). Наявність у неї максимуму свідчить про те, що максимальний прояв ефекту спостерігається за певного середнього значення напруженості фактора (дози), з відхиленням від якого ефект зменшується. Криві такого типу можуть бути симетричними й асиметричними.

Найчастіше в радіобіології спостерігаються експоненціальні залежності, коли прояв ефекту лінійно залежить від певної константи, піднесеної до степеня дози

Під первинними процесами розуміють ушкодження біологічно важливих молекул унаслідок прямого передавання їм енергії іонізуючого випромінювання чи в результаті атакування рухомими хімічно активними продуктами, що виникають під час опромінення складних хімічних сумішей або розчинів. Отже, первинні процеси охоплюють пряму й непряму дію іонізуючого випромінювання, тобто біофізичні й радіаційно-хімічні процеси (рис. 2).

З появою змінених унаслідок опромінення біологічно важливих молекул розпочинаються вторинні процеси. Ці процеси охоплюють низку клітинних явищ, в яких беруть участь ушкоджені молекули, що спричинює формування летального ураження клітини. До таких явищ належать реплікація ДНК.

Якщо ж первинний процес завершився порушенням молекулярної структури, яка забезпечує перетворення сигналів, що визначають функціональну орієнтованість клітинних процесів, то спостерігається патологічне відхилення онтогенетичного розвитку ураженої клітини.

Ефекти опромінення біологічних систем дуже різняться за рівнем реалізації, формою прояву, а також за часом їх здійснення, який варіює від мільйонних часток секунди до багатьох десятків років.

Радіобіологічний процес відбувається за такою загальною схемою (рис. 2).

 

 

Рис. 2. Загальна схема радіобіологічного процесу

Радіаційна стимуляція

Радіаційна стимуляція — це прискорення росту та розвитку організму при дії на нього іонізуючого випромінення в дозах, в десятки, а іноді й сотні разів нижчих за ті, що спричинюють гальмування цих процесів.

Описана вперше французькими вченими М. Мальдінеєм та К. Тувіненом ще в 1898 р. ж явище прискорення проростання опроміненого ними насіння. На сьогодні доведено, що в умовах радіобіологічної лабораторії при наявності джерела іонізуючого випромінювання можна підібрати для насіння, проростків, вегетуючих рослин, мікроорганізмів, комах, лабораторних тварин та інших організмів будь-якого виду дозу, при якій спостерігається ефект радіаційної стимуляції. Ці дози варіюють у досить широких межах, що залежить від чутливості організмів до випромінювань, їх фізіологічного стану, виду випромінювання та деяких інших факторів. Наприклад, для насіння стимулюючі дози в багато разів вищі, ніж для проростків та вегетуючих рослин, для мікроорганізмів — у десятки і сотні разів вищі, ніж для ссавців та комах.

Про стимулюючу дію іонізуючого випромінювання на організм тварин можна зробити висновок за тими самими критеріями, що й при опроміненні рослин, а саме за прискоренням чи посиленням таких функцій, як ріст, розвиток, продуктивність.

Радіаційна стимуляція спостерігається не тільки при одноразовому, а й при хронічному опроміненні, коли рослини і тварини опромінюються протягом усього періоду розвитку або значної його частини. Так, спостерігалась стимуляція росту рослин кукурудзи і гречки при опроміненні їх протягом вегетаційного періоду при потужності дози опромінення 0,019 Р/доб. Якщо вважати, що потужність радіаційного фону в середньому становить 10 мкР/год, то збільшення його десь у 100 разів може зумовити стимуляцію росту рослин.

Схожа ситуація з радіаційним фоном тривалий час була в деяких регіонах України протягом весняно-літнього періоду 1986 р. після аварії на Чорнобильській АЕС. Не випадково деякі дослідники схильні пояснювати небувалий урожай зернових і деяких інших культур того року саме радіаційною стимуляцією.

 

Морфологічні зміни

Морфологічні зміни — це зміни зовнішнього вигляду організму, окремих його органів, анатомічної структури, ознак, що відрізняють його від батьківських форм. Ці ознаки не спадкові, а відхилення від норми, потворність, химерність й існують лише в поколінні опромінених організмів.

Особливо характерні вони для листя: збільшення або зменшення розмірів і кількості, зміна форми, скручуваність, зморшкуватість, порушення жилкування, асиметричність, потовщення, зрощення листкових пластинок та розсічення листка на частини, зміна кольору, мозаїчність, утворення пухлин, некротичних плям, втрата листкової пластинки та ін. Багато з цих ознак можуть виникати і стеблі, корінні, квітках, плодах, насінні, хоча у них через специфіку будови можуть з'являтися й зовсім нові зміни: у стебла—порушення філотаксису (порядку розміщення листків), поява аеральних (повітряних) коренів; у кореня — загибель головного кореня, опушування зони росту, відсутність бічних коренів; у квітів—зменшення або збільшення кількості квіток у суцвітті та ін. Найрізноманітніші морфологічні зміни рослин спостерігалися в зоні аварії на Чорнобильській АЕС у 1986 р. У 1987 р. і в наступні роки вони за­лишились переважно у хвойних рослин, що змінюють хвою раз на кілька ро­ків, а також на багаторічних органах, передусім на гілках.

У тварин цей тип радіобіологічних ефектів можна виділити не завжди, хоч різні зміни в окремих органах і тканинах тваринного організму в різні строки після опромінення описано досить змістовно. При опроміненні тварин у стадії ембріогенезу (розвитку зародка) можливі порушення росту кісток, пропорцій розвитку окремих органів, порушення росту і розвитку в цілому, що призводить до виникнення різних потворностей.

При опроміненні дорослих особин ушкоджуються клітини тканин, що перебувають у стані поділу. Саме в цих місцях виникають морфологічні зміни: кольору шкіри й волосяного покриву, випадання волосся, припинення росту рогових утворень та їх відшаровування, катаракта (помутніння кришталика ока), зміни розмірів і форм окремих органів, різні ступені дистрофії. Опромінення тварин може зумовити найрізноманітніші виразки на поверхні тіла або у внутрішніх органах з наступним утворенням на їхньому місці рубців. До цього типу ефектів опромінення відноситься виникнення під дією радіації пухлин на різних органах.

Найважливіші біологічні реакції організму людини на вплив іонізуючого випромінювання умовно розділені на дві групи. До першої відносяться гострі поразки, до другої - віддалені наслідки, що у свою чергу розділяються на соматичні (вплив на тіло і кісти) і генетичні ефекти.

 

Променева хвороба

Променева, або радіаційна, хвороба — це захворювання, що виникає при дії іонізуючих випромінювань на живий організм і характеризується конкретним комплексом ознак свого прояву. Розрізняють гостру й хронічну форми променевої хвороби.

Гостра променева хвороба виникає звичайно при одноразовому загальному опроміненні. За тяжкістю захворювання розрізняють чотири її ступені:

перша — легка, у свиней виникає при дозах опромінення 1-2 Гр;

друга — середньої тяжкості, при дозах 2-4 Гр;

третя — тяжка, розвивається при дозах 4-6 Гр,

четверта — дуже тяжка, спостерігається при дозах, вищих за 6 Гр.

Дози і можливі наслідки опромінення:

· 4,5 3в - важкий ступінь променевої хвороби (помирає 50% опромінених).

· 1 3в - нижній рівень розвитку легкого ступеня променевої хвороби.

· 0,75 Зв - незначна короткочасна зміна складу крові.

· 0,30 Зв - опромінення під час рентгенографії шлунка (місцеве)

· 0,10 Зв - припустиме разове опромінення населення.

· 0,03 Зв - опромінення при рентгенографії зубів.

· 0,005 Зв - припустиме опромінення населення при нормальних умовах за рік.

· 0,001 Зв - фонове опромінення за рік.

· 0,0001 Зв - перегляд одного футбольного матчу.

Явища, що відбуваються на початкових, фізико-хімічних етапах променевого впливу, прийнято називати первинними, оскільки саме вони визначають весь подальший хід розвитку променевих поразок.

Для більш радіо чутливих видів тварин, наприклад для великої рогатої худоби, ці форми променевої хвороби спостерігаються в діапазоні доз, що зміщений у бік менших величин — 0,5-5 Гр; для більш радіо стійких, наприклад кролів, навпаки — у бік більших величин — 6-12 Гр.

У розвитку гострої форми променевої хвороби виділяють 4 періоди, або фази.

Перший період — період первинних реакцій — може спостерігатись вже через кілька годин після опромінення і триває протягом 3-4 діб. Характерними його ознаками є збудження, яке змінюється пригніченням та слабкістю. Погіршується апетит тварин, порушується ритм роботи серця, виникають задихання, пронос, блювання, може підвищитись температура тіла. У крові вже в першу добу після опромінення спостерігається нейтрофільний лейкоцитоз (він обумовлений збільшенням продукції і (або) виходу лейкоцитів з кісткового мозку в кров. При цьому відбувається збільшення абсолютної кількості лейкоцитів в судинному руслі), абсолютна та відносна лімфопенія (зниження вмісту лімфоцитів в крові до рівня нижчого, ніж 1500/мм³), збільшення кількості ретикулоцитів (Це молоді еритроцити, які утворюються після загублення нормобластами ядер. В крові здорової людини близько 1% еритроцитів представлені молодими клітинами – ретикулоцитами кожної доби в людському організмі утворюються і розрушуються близько 200-250 міліардів еритроцитів. Через 1-2 доби після виходу із кісткового мозку в кров ретикулоцити "дозрівають” і стають нормальними "дорослими” еритроцитами – нормоцитами.). На кінець періоду у стані тварини відмічаються суб'єктивні поліпшення.

Другий період — латентний (прихований), фаза удаваного клінічного благополуччя залежно від тяжкості хвороби триває від кількох діб до 2 тижнів і більше. Чим вища одержана доза або чим тяжча форма променевої хвороби, тим він коротший. При дуже тяжких формах променевої хвороби цього періоду може зовсім не бути. Стан тварин у цей період розвитку хвороби може здаватися задовільним. Однак в крові виявляються чітка лімфопенія, тромбоцитопенія (зниження кількості тромбоцитів. У тих випадках, коли кількість тромбоцитів менше 150 × 10⁹/л, слід констатувати тромбоцитопенію. Для всіх форм гострого лейкозу характерне зниження кількості тромбоцитів до 15--30 г/л.), зниження кількості нейтрофілів (нейтропенія свідчить про функціональне або органічне пригноблення кровотворення в кістковому мозку або про посилене руйнування нейтрофілів під впливом антитіл, токсичних чинників або циркулюючих імунних комплексів та зазвичай свідчить про зниження імунітету) та ретикулоцитів. У кістковому мозку яскраво виражена аплазія (стан кісткового мозку, що характеризується різким зменшенням об'єму кровотворної тканини, яка заміщається жировою і (або) волокнистою сполучною тканиною).

В кінці періоду можуть спостерігатись крововиливи на слизових оболонках, порушення функцій травного каналу, бронхіт, пневмонія, випадіння шерсті. Але в кістковому мозку в другій половині періоду при легкій та середній формах хвороби з'являються ознаки регенерації.

Третій період — розпал хвороби — період виявлених клінічних ознак гострої променевої хвороби залежно від її ступеня виявляється через 1-4 тижні. Знову виникає задихання, погіршується функціонування серцево-судинної системи, органів травлення, спостерігається втрата апетиту, пронос, дистрофійні процеси в слизовій оболонці рота, зменшення маси тіла, може виникнути короткочасна лихоманка, що періодично повторюється, підвищується температура тіла. Характерною ознакою цього періоду є геморагічний синдром (крововиливи під шкіру, на слизових оболонках, у травному каналі, у мозку, серці, легенях та інших органах).

Залежно від одержаної дози та індивідуальної чутливості тварин до опромінювання третій період триває від 1 до 3-4 тижнів. Наприкінці його розвивається прогресуюча анемія. При опромінюванні в напівлегальних дозах у половини тварин в кістковому мозку та лімфатичних вузлах спостерігається явище повної аплазії, що призводить до загибелі. У другої половини в цих органах відмічаються ознаки регенерації та перехід хвороби через 1—1,5 місяця в четвертий період.

Четвертий період — період відновлення, при легкому ступені гострої променевої хвороби проходить досить швидко і повною мірою. Він характеризується поліпшенням загального стану тварин, відновленням апетиту, нормалізацією температури. Зникає кровоточивість, слабнуть диспептичні явища, поступово відновлюються показники крові.

При середній тяжкості хвороби період відновлення триває 2-2,5 місяця і в цілому видужання завершується за 3-6 місяців.

При тяжкій формі хвороби період відновлення може затягнутись на 7- 9 місяців. Але повністю тварина не видужує: відмічаються зниження імунітету, послаблення відтворної здатності, можливе скорочення тривалості життя. Нерідко гостра форма променевої хвороби переходить в хронічну.

Дуже тяжкий ступінь гострої променевої хвороби у великих сільськогосподарських тварин триває від кількох днів до кількох тижнів і завершується загибеллю їх у першому або третьому періоді. При опроміненні в дозах, що перевищують летальні, загибель може настати вже через 2—4 доби. При дозах, вищих за летальні в 1,5-2 рази, загибель можлива під час опромінення або в найближчі години після нього — так звана «смерть під променем». Причиною загибелі тварин є киснева недостатність, що розвивається внаслідок зменшення кількості гемоглобіну в крові та розвитку токсемії, набряку легенів.

При середньому і тяжкому ступенях гострої променевої хвороби тварини гинуть, як правило, у третьому періоді. Основною причиною цього звичайно є описані вище геморагічні явища, дистрофічні процеси.

Хронічна променева хвороба — це форма радіаційного ураження, що розвивається внаслідок тривалого опромінення організму малими дозами загального опромінення або від радіоактивних речовин, що потрапили всередину.

Виділяють три форми хронічної променевої хвороби: легку, середню і тяжку та періодичність протікання, як і при гострій формі.

Легка форма хронічної променевої хвороби зумовлена опроміненням у порівняно невеликих дозах і протягом короткого періоду, характеризується звичайно функціональними порушеннями переважно нервово-рефлекторного характеру. Після припинення опромінення ці зміни можуть швидко зникнути.

Для середньої форми хвороби характерними є порушення регуляторних систем, функціональна недостатність органів травлення, нервової, серцево-судинної систем і особливо крові. Але після припинення опромінення також настає відновлення, що характеризується репаративними процесами у найбільш радіо вразливих тканинах, а також нормалізацією функціональних порушень, іноді з тим чи іншим ступенем їх недостатності.

Тяжка форма хронічної променевої хвороби, що спостерігається при тривалому опроміненні, характеризується глибокими морфологічними порушеннями деструктивного порядку в органах кровотворення, травному каналі, нервовій та інших системах. Вона супроводжується поступовим ослабленням діяльності серця, порушенням функцій залоз внутрішньої секреції, виснаженням, зниженням стійкості проти інфекційних хвороб.

При лікуванні променевої хвороби тварин треба орієнтуватись на одержану твариною дозу опромінення і ступінь променевої хвороби. Якщо прогнозується тяжкий ступінь гострої променевої хвороби, то лікувати таку тварину з точки зору економіки недоцільно.

На початку розвитку хвороби рекомендується провести переливання крові, внутрішньовенне введення 25-40 % розчину глюкози з аскорбіновою кислотою (вітаміном С) та ціанкобаламідом (вітаміном В₁₂), надалі активно застосовувати для лікування антибіотики, транквілізатори, глобуліни сироватки крові, нуклеїново-кислий натрій, різні антигеморагічні засоби. При надходженні великої кількості радіоактивних речовин через травний канал слід застосовувати адсорбенти — водну суміш кісткового борошна, цеолітів, при надходженні через легені — відхаркувальні засоби.

Головна мета лікування — запобігти патологіям та усунути їх в органах кровотворення, травному каналі, легенях, відтворювальній та нервово-ендокринній системах

Прискорення старіння і скорочення тривалості життя

Існує пряма кількісна залежність між скороченням тривалості життя і дозою іонізуючого випромінювання. Проте, прискорення старіння і скорочення тривалості життя не обов'язково повинні бути неминучими або наслідком один одного.

Старіння — це закономірний руйнівний процес вікових змін організму, властивий всім живим організмам на всіх рівнях організації, що веде до пониження його адаптаційних можливостей і збільшення імовірності смерті.

Старіння тварин на рівні організму виявляється у послабленні функцій основних фізіологічних систем (нервової, ендокринної, серцево-судинної, травної та ін.), зниженні контролю за їх діяльністю, зміні реактивності щодо дії гормонів, порушення на етапі надходження інформації в нервові центри

Усі перелічені процеси змінюються під впливом опромінення іонізуючої радіації і при високих її дозах пригнічуються нею, що й прискорює процес природного старіння організму і скорочення тривалості життя.

Загибель

При високих дозах опромінення, коли видужання від променевої хвороби неможливе, настає загибель, або смерть, організму — припинення його життєдіяльності як цільної системи.

Смерть теплокровних зумовлена передусім припиненням дихання і кровообігу. Виділяють два основних види смерті — клінічну й біологічну, або справжню. По закінченні періоду клінічної смерті, коли ще можливе повноцінне відновлення життєвих функцій, настає біологічна смерть — необоротне припинення фізіологічних процесів в клітинах і тканинах організму.

 

Контрольні запитання дотеми 5:

1. Класифікація радіобіологічних ефектів.

2. Суть радіаційної стимуляції.

3. Основні типи морфологічних змін органів рослин при дії іонізуючих випромінювань.

4. Вплив іонізуючих випромінювань на тривалість життя.

5. Специфіка радіаційної загибелі тварин.

6. Типи мутацій, що індукуються іонізуючими випромінюваннями.

7. Близькі та віддалені ефекти радіації.

8. Стохастичний характер віддалених наслідків радіаційного ураження.

9. Поняття про радіоміметики.