Детерминированные соматические поражения.

Действие радиации на живые клетки может привести к гибели некоторых из них или модификации других. Многие органы и ткани не чувствительны к потере даже большого числа клеток. Однако, если потери достаточно велики, это может привести к нарушению работы органа и всего организма, что в итоге может закончиться смертельным исходом. Такие эффекты могут наблюдаться у организмов, подвергающихся облучению в дозах, превышающих некоторое пороговое значение. Такое проявление действия радиации при дозах, превышающих некоторое пороговое значение, относится к детерминированным соматическим поражениям, и, следовательно, их можно определить, как повреждение клеточной популяции, характеризующееся порогом дозы излучения, тяжесть развития которого увеличивается при увеличении дозы. Это поражение имеет также название «реакция ткани». Следует отметить, что тяжесть поражения организма зависит от того, получает ли организм одну и ту же дозу сразу — в течение нескольких минут или часов (острое облучение) или в несколько приемов (дробное, пролонгированное облучение) или в течение месяцев или лет (хроническое облучение). Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения за счет процесса репарации поврежденных клеток, поэтому организм лучше переносит серию мелких доз и, тем более, хроническое облучение, нежели суммарную дозу облучения, полученную за один прием. Тем не менее, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет.

Очень большие поглощенные дозы облучения порядка 100 Гр, которые имели место при ядерных взрывах в Хиросиме и Нагасаки, при аварийных ситуациях на ядерных объектах вызывают настолько сильное поражение центральной нервной системы, что смерть наступает в течение нескольких часов или дней.

При поглощенных дозах на организм в десятки грей поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы сразу привести к летальному исходу, но человек все равно погибнет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте.

При поглощенных дозах от 5 до 10 грей может не произойти серьезных повреждений желудочно-кишечного тракта, и тем не менее смерть наступает в течение месяца с момента облучения, главным образом, из-за разрушения клеток красного костного мозга — основного компонента кроветворной системы организма.

При воздействии на организм поглощенной дозы 3-5 Гр возникает тяжелая лучевая болезнь с резким нарушением кроветворной функции костного мозга и других органов, при которой в течение одного-двух месяцев погибает без специального лечения половина облученных.

При поглощенных дозах 1-2 грея возникает легкая или средней тяжести лучевая болезнь, при которой все облученные могут быть спасены и даже со временем полностью вылечены.

При поглощенных дозах в десятые доли грея общего облучения лучевая болезнь, как правило, не возникает, а происходящие функциональные изменения в системе кроветворения имеют временный проходящий характер. При меньших дозах они вообще не регистрируются.

Приведенные случаи нарушений в организме относятся к категории детерминированных эффектов действия радиации и они четко демонстрируют степеь поражения организма от величины поглощенной дозы.

Гораздо лучше и в гораздо большей степени переносит организм локальные облучения, хотя при этом важно, какой орган или система оказались в поле облучения и какая на них воздействовала доза. Органы и ткани человеческого организма обладают разной радиочувствительностью и способностью переносить большие дозы радиации.

Наиболее чувствительны к радиации репродуктивные органы, особенно семенники у мужчин. Однократное облучение семенников при поглощенной дозе всего лишь в 0,1 Гр приводит к временной стерильности мужчин, а поглощенные дозы свыше 2 Гр могут вызвать постоянную стерильность. Яичники женщины гораздо менее чувствительны к действию радиации, но однократная поглощенная доза 3 Гр и в них вызывает стерильность, хотя дробные дозы они могут перенести гораздо большие, сохраняя функцию к деторождению.

Высокой радиочувствительностью обладает хрусталик глаза. Даже накопленная за 10-20 лет весьма вероятная профессиональная поглощенная доза свыше 0,5 Гр приводит к увеличению плотности и помутнению хрусталика.

Но самым радиочувствительным оказался плод, находящийся в утробе матери между восьмой и пятнадцатой неделями беременности. В этот период в нем формируется кора головного мозга и существует большой риск того, что в результате облучения матери (например, при некоторых видах рентгеновского обследования) родится умственно отсталый ребенок.

Дети гораздо более чувствительны к действию радиации, чем взрослые. Это относится как ко всему организму, так и, особенно, к отдельным органам. Так, сравнительно небольшие поглощенные дозы, применяемые в лучевой терапии, могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей, что приводит к развитиям аномалий скелета. Чем меньше ребенок, тем больше подавляется рост костей. Такое же облучение мозга может вызвать потерю памяти, развитие слабоумия. У взрослых эти эффекты не возникают.

Многие органы взрослого человека переносят без существенных изменений весьма большие лучевые нагрузки в среднем за месяц: легкие до 10 Гр; почки до 20 Гр; печень до 40 Гр; мочевой пузырь до 55 Гр; зрелая хрящевая ткань до 70 Гр.

К счастью, человеку с представленными выше поглощенными дозами приходится сталкиваться только в чрезвычайных радиационных ситуациях или при лучевой терапии, когда, как правило, с целью сохранения жизни и здоровья пациента, у него направленным излучением выжигают опухоль или другие нежелательные образования.

Гораздо большее значение для большинства населения имеют малые дозы радиации, действие которых проявляется в виде стохастических поражений.

 6.1.2. Стохастические соматические и генетические поражения.

Другой тип воздействия радиации может не привести к гибели клетки, но может модифицировать ее. Такие нарушения обычно восстанавливаются. Если же эффект репарации нарушается, то клеточные изменения могут передаваться следующим поколениям клеток, что в итоге может привести к раковым заболеваниям тканей и органов. Если клетка модифицируется и эта модификация передается в клетки, передающие генетическую информацию, то в результате могут появиться генетические нарушения, передаваемые по наследству.

Эти два вида поражений под действием радиации носят вероятностный характер и относятся к разряду стохастических соматических и генетических поражений.

Частота проявления стохастических соматических и генетических поражений, так как они могут появиться при поражении даже одной клетки, будет увеличиваться с ростом дозы радиации при любых не равных нулю дозах, так как большее число клеток подвергается воздействию. Таким образом, к стохастическим поражениям можно отнести вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы.

Действие радиации связано со многими формами лейкемии и раковыми заболеваниями многих органов. Однако отсутствие какой-либо специфики радиационных поражений по сравнению с другими причинами раковых заболеваний и длительный латентный период не позволяют дать однозначный ответ о зависимости «доза–эффект» при облучении на уровне естественного радиационного фона. Потенциально возможны и генетические последствия под действием радиации, однако на человеческой популяции они достоверно не обнаружены, хотя имеют место для других популяций организмов.

Таким образом, последствия радиационного воздействия, проявляющиеся на системном, организменном и популяционном уровне, можно подразделить на следующие виды:

1) соматические детерминированные эффекты (острая и хроническая лучевая болезнь, локальные лучевые повреждения);

2) соматико-стохастические эффекты (сокращение продолжительности жизни, канцерогенез, нарушения эмбриогенеза);

3) генетические (наследственные) эффекты (доминантные генные мутации, рецессивные генные мутации, хромосомные абберации).

Наиболее полно эти эффекты изучены на человеческой популяции, хотя общие подходы справедливы для всех живых организмов биосферы.

Соматические эффекты выражаются в изменениях, возникающих в органах и системах в ранние сроки после лучевого воздействия. Формой лучевого поражения, развивающегося при продолжительном облучении организма в малых дозах, является хроническая лучевая болезнь. Хроническая лучевая болезнь развивается при мощности эффективной дозы облучения 1-5 мЗв/сут (мощность эффективной дозы естественного фонового облучения на три порядка ниже этой величины и составляет примерно 7 мкЗв/сут). Подобная ситуация может наблюдаться, например, в результате внешнего облучения, обусловленного длительным нахождением организмов на территории, подвергавшейся интенсивному загрязнению долгоживущими радионуклидами в результате аварии, при проведении ядерных взрывов и т. п., а также при длительном употреблении воды (или пищевых продуктов), загрязненных долгоживущими радионуклидами.

Помимо лучевой болезни со специфическим синдромом заболевания при воздействии ионизирующего излучения могут развиваться другие соматические эффекты, связанные с функциональными и органическими изменениями со стороны нервной, сердечно-сосудистой, иммунной систем, кроветворения, с неопухолевыми формами отдаленных последствий облучения, обусловленными истощением компенсаторных механизмов организма.

К соматико-стохастическим эффектам облучения относят возникновение радиационно-индуцированных опухолей. Процесс развития такой опухоли не является строго обязательным, поскольку он зависит от состояния организма и окружающей человека среды, поэтому такие процессы и относят к числу вероятностных. Пониманию механизмов возникновения этих эффектов во многом способствуют многочисленные исследования на растениях и животных, а также достижения современной молекулярной радиобиологии.

Нарушения ДНК ядра клетки являются первичным звеном, вызывающим последующие заболевания органов и тканей. Двойные разрывы ДНК рассматриваются как наиболее вероятные кандидаты, приводящие к значительным изменениям. Появление таких разрывов возможно при прохождении всего одного трека ионизирующей частицы через ДНК, что при отсутствии репарационных процессов может привести к неблагоприятным последствиям при очень низких дозах. Повреждения других клеточных структур могут влиять на функционирование клетки и способствовать злокачественному состоянию.

С другой стороны, существуют гены, активирующиеся и затем участвующие в генезисе рака, и гены, подавляющие раковые клетки. Они контролируют сложные биологические процессы развития, роста, митоза, апоптоза, геномной стабильности и дифференциации. Мутации этих генов могут нарушить этот контроль и способствовать многостадийному процессу развития рака.

Хотя и не исследованы до конца те сложные внутриклеточные механизмы, в итоге приводящие к раковому заболеванию, тем не менее, признано, что ионизирующее излучение с низкой линейной передачей энергии и в малых дозах может действовать и как мутационный фактор начала развития рака, и как фактор подавления противораковой защиты. Индукция рака при воздействии излучения с низкой ЛПЭ была строго доказана в диапазоне доз около 100 мГр и выше, а НКДАР ООН сделал вывод о том, что «исследования репарации ДНК и молекулярно-клеточных процессов радиационного туморогенеза не дают веских оснований предполагать, что в диапазоне малых доз присутствует общий порог индукции опухолей».

В итоге это приводит к признанию на молекулярном уровне примерно линейной зависимости вероятности возникновения раковых заболеваний от величины поглощенной дозы при любых сколь угодно малых дозах радиации. Существуют отклонения от этой зависимости для некоторых форм раковых заболеваний; в частности, для лейкемий считается более вероятной линейно-квадратичная зависимость, а для раков кожи и некоторых других форм рака, вызываемых a-частицами, эта зависимость носит даже пороговый характер.

Проявление канцерогенных эффектов на популяционном уровне при малых дозах радиации возможно наблюдать при наличии значительных контингентов лиц, подвергшихся воздействию радиации. В настоящее время установлено, что радиация может вызвать рак в любом органе и ткани, хотя некоторые имеют большую склонность к заболеванию. Физиологические и возрастные особенности проявляются в том, что частота узловых раков у женщин выше, чем у мужчин, а у молодых чаще, чем у взрослых.

Развитие опухолевого эффекта нельзя представлять себе в виде непрерывного процесса со строго периодичным возникновением новых случаев заболеваний. Существование латентного периода, различного для разных форм рака и зависящего от полученной дозы, отсутствие особых форм радиационно-индуцированного рака требует продолжительных эпидемиологических наблюдений. Продолжительность латентного периода для злокачественных новообразований в какой-то мере зависит от методов их обнаружения и тщательности наблюдений за облученной группой лиц и изменяется в диапазоне от 8 до 13 лет. Учитывая все это, представляется достаточно сложным определить на уровне малых доз радиации количественные соотношения «доза–эффект», поэтому эти количественные зависимости получают путем экстраполяции на область малых доз результатов, полученных на большом материале и с достаточной точностью в диапазоне больших доз. По оценкам такая экстраполяция может занизить эффект малых доз радиации до 3 раз.

С уменьшением дозы облучения увеличивается продолжительность латентного периода. В определенном интервале доз продолжительность латентного периода становится соизмеримой со средней продолжительностью жизни человека. В этих условиях опухолевый эффект может не проявляться. Случаи возникновения лейкоза после облучения полностью прекращаются примерно через 30 лет после облучения. Вероятность индуцирования лейкоза максимальна в возрастных группах 0–10 лет и старше 50 лет на момент облучения. Средний интервал времени между облучением и смертью для индуцированного излучением лейкоза находится в пределах 10 лет в отличие от других форм злокачественных новообразований, при которых этот интервал составляет 25 лет и больше.

Представляют несомненный интерес в этой связи результаты наблюдений за когортой японцев, пострадавших при взрывах атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 г., включающей разные половые и возрастные группы.

Из 86752 наблюдавшихся скончались от узловых раковых заболеваний в период с 1950 по 1990 г. 7578 человек, из них всего 334 случая можно связать с дополнительным облучением. В этот же период отмечено 249 случаев заболеваний лейкемией, из которых 87 можно связать с облучением.

Статистика показывает достоверный рост раковых заболеваний некоторых органов (печень, легкие, желудок) с облучением и при этом не дает статистически достоверной информации для раков других органов. Для всех узловых раков наблюдается линейная зависимость от дозы облучения при эффективной дозе выше 3 Зв, для лейкемий - линейно-квадратичная. Достоверно подтверждаются раковые заболевания органов при эффективных дозах выше 1 Зв. При этом следует заметить, что последствия длительного облучения в малых дозах отличаются от аналогичных при разовом воздействии.

Данные эпидемиологических исследований позволили сделать следующее заключение: смертность от узловых раков при разовой эффективной дозе 1 Зв составляет 9% для мужчин и 13% для женщин от количества облученных с погрешностью 2 в ту или другую сторону; она может быть уменьшена на 50% при переходе к хроническому облучению и тоже с погрешностью 2 в большую или меньшую сторону. Далее принимается линейная зависимость эффекта от дозы. Риск заболевания лейкемией при разовой эффективной дозе 1 Зв оценивается в 1% с погрешностью 2 и обнаруживается нелинейная зависимость «доза–эффект», проявляющаяся в том, что при снижении дозы в 10 раз с 1 Зв до 0,1 Зв эффект уменьшается в 20 раз.

По данным анализа последствий аварии на ЧАЭС показано, что рак щитовидной железы у детей обнаруживался в 5 раз чаще, чем у взрослых и в 10 раз выше, чем в предшествующие аварии 5 лет.

Развитие канцерогенного эффекта сокращает продолжительность жизни, которая в свою очередь может служить интегральным показателем для оценки поражающего действия ионизирующих излучений на население. Уровень сокращения продолжительности жизни при облучении определяет в конечном итоге избыточная смертность от различных заболеваний, прямо или косвенно обусловленных неблагоприятным воздействием на организм человека ионизирующих излучений.

НКДАР ООН на основании весьма тщательных радиационно-эпидемиологических исследований больших разнообразных контингентов облученных лиц (профессионалов, пациентов, населения Японии, пережившего атомные бомбардировки и т. д.) установил степень риска отдаленных последствий возникновения рака в облученных контингентах в зависимости от дозы. Определено, что в любом по численности контингенте, подвергшемся облучению коллективной эффективной дозой 10 тыс. чел-Зв, за все время жизни людей возникнет дополнительно к спонтанному уровню раковых заболеваний (210 000 на млн. человек) еще 359 случаев злокачественных опухолей (из них 126 смертельных и 233 несмертельных, то есть излечимых заболеваний), 77 случаев смертельных генетических повреждений и, примерно, 15 случаев смерти от повреждения эмбриона и плода во время беременности. Эта цифры не уловимы на фоне ежегодных естественных флуктуаций.

Если соматические и соматико-стохастические эффекты облучения возникают у облученных людей, то генетические развиваются в первом и последующих поколениях. Для количественной оценки влияния радиации на наследственный аппарат, для определения риска генетических последствий облучения важно иметь представление о генетическом фоне, т. е. о наследственных болезнях, возникающих в естественных условиям. Общее число наследственных заболеваний составляет примерно 10,5% от общего числа живорожденных.

При воздействии радиации в малых дозах наиболее частым последствием являются генные мутации. Эта категория эффектов облучения в наибольшей степени сказывается на наследственности. Количество хромосомных перестроек возрастает при острых облучениях.

Для оценки генетической опасности ионизирующих излучений принято использовать понятие удваивающей дозы, как дозы радиации, удваивающей естественную частоту мутаций. Мнения о такой дозе разноречивы. По данным различных авторов она лежит в пределах от 0,1 до 2 Гр. Из наблюдений за людьми, родившимися от лиц, переживших атомные взрывы в Японии, установлено, что поглощенная доза, удваивающая естественную частоту мутаций, близка к 1 Гр. В настоящее время принято значение удваивающей дозы для человеческой популяции в 1 Гр на основе данных, полученных на популяции обезьян. При воздействии на людей излучений с низкой линейной потерей энергии (ЛПЭ) при малой мощности дозы рассчитанное количество генетических заболеваний на 1 Гр оценивается для первого поколения в 3000…4700 на миллион живорожденных, что составляет 0,3…0,5% естественной частоты генетических нарушений для человеческой популяции, а для последующих поколений 0,17% или 1850 случаев на 1 млн. живорожденных.

При облучении группы людей численностью 1 млн. чел в дозе 10 тыс. чел.-3в радиационный риск врожденных генетических нарушении за 70 лет выразится в 77 случаях при естественном фоне 28 000. Вполне понятно, что эти 77 случаев на фоне 28 тысяч практически невозможно обнаружить доступными в настоящее время средствами и методами.

Воздействие радиации, как правило, сопровождается другими факторами воздействия в окружающей среде (физическим, химическим, биологическим, тепловым и т. д.). При малых величинах доз многочисленные исследования на животных не дали однозначного ответа на вопрос синергизма или антагонизма. Чаще всего не наблюдается больших отклонений от аддитивности. Тем не менее эффект комбинированного воздействия радиации и других факторов риска требует дополнительных исследований. Например, показано, что одновременное воздействие радона и табачного дыма при курении сигарет дает больший выход рака легких по сравнению с аддитивным, но ниже, чем мультипликативный.

Все выше рассмотренное относится к человеку, человеческой популяции, хотя многие качественные и количественные характеристики получены на основе исследований и других популяций.