Рожденная веком

Критические системы

Еще в сороковых годах Борисом Раевским в опытах на мышах было обнаружено, что в определенных интервалах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки отмирания животных не меняются.

Иными словами, между дозой излучения, поглощенной в организме, и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость. Последняя может быть описана кривой, состоящей из трех участков (рис. 10). Начальный участок охватывает период от нескольких недель до нескольких дней и соответствует дозам от нескольких сот рентген до 1000 Р. Далее следует участок в виде плато, где средняя продолжительность жизни, составляя около четырех дней, не изменяется, несмотря на увеличение дозы от 1000 до 10 000 Р. С дальнейшим ростом дозы продолжительность жизни снова резко укорачивается до нескольких часов — третий участок кривой.

Рис. 10. Зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы излучения — кривая Раевского, построенная в двойном логарифмическом масштабе (объяснение в тексте)

Эти три характерных компонента кривой отражают несовместимые с жизнью поражения жизненно важных критических органов или систем: соответственно костного мозга, тонкого кишечника и центральной нервной системы (ЦНС), выходящих из строя в соответствующем диапазоне доз.

В дальнейшем такого рода ступенчатый характер отмирания, связанный с выходом из строя критических систем, подтвержден и для других млекопитающих — крыс, морских свинок, собак, овец и обезьян. И. Б. Бычковская, обнаружившая для самых разнообразных объектов — одноклеточных, земноводных, насекомых, червей и даже растений ступенчатую зависимость времени наступления гибели от дозы, показала ее общебиологическую закономерность, отражающую многосистемность в реагировании на облучение целого организма.

Разрыв между дозами, начинающими вызывать определенные формы гибели, указывает на разницу в радиочувствительности ответственных систем (по критерию несовместимого с жизнью поражения). Так как для млекопитающих определены три такие критические системы, то аналогия в форме кривых отмирания делает справедливым допущение о том, что и другие объекты погибают в результате поражения каких-то, пока еще не установленных, жизненно важных систем.

Таким образом, системные поражения организма можно рассматривать как следствие своего рода дискретности биологического влияния ионизирующих излучений в отношении отдельных критических систем, что при регистрации такой интегральной реакции, как гибель организма, находит отражение в виде ступенчатых кривых доза — эффект.

Естественно, что нас прежде всего интересуют млекопитающие, и поэтому остановимся подробнее на поражении, развивающемся при облучении мышей,— классического объекта радиобиологических исследований.

Причинно-следственная связь отдельных компонентов кривой Б. Раевского с поражением определенных критических систем следует из возможности строгой воспроизводимости соответствующих синдромов: костномозгового, кишечного и целебрального. Если, например, заэкранировать (прикрыть свинцом) небольшой участок активного костного мозга или пересадить смертельно облученным животным костный мозг интактных доноров, то можно полностью предотвратить или резко снизить смертность при дозах до 1000 Р. Следовательно, гибель мышей в этом дозном диапазоне преимущественно вызвана поражением кроветворения. О кишечном механизме гибели в следующем диапазоне доз свидетельствует отмирание мышей в одни и те же сроки (3—5 дней) и при одинаковой картине поражения кишечника, вне зависимости от того, подвергались ли они общему облучению или локальному облучению выведенной наружу тонкой кишки. Наконец, при локальном облучении головы в дозах 15 000 Р гибель наступает в первые сутки или часы (в зависимости от дозы) при явлениях судорог, что указывает на поражение ЦНС. После 100 000 Р смерть наступает мгновенно (смерть под лучом вследствие денатурационной инактивации клеток — «молекулярная гибель»).

Чтобы понять причины столь четко выраженной зависимости проявлений отдельных синдромов от дозы излучения, необходимо познакомиться с кинетикой клеточных популяций соответствующих критических систем.

Состояние устойчивости динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается так называемой системой обновления, каждая потеря в которой (вследствие естественного отмирания клеток) количественно строго уравновешивается возникновением новых клеток. Применительно к рассмотренным только что трем основным радиационным синдромам две из таких систем (от которых в основном и зависит выживание или смерть облученного организма) — кроветворная и желудочно-кишечная — характеризуются большой скоростью клеточного обновления и соответственно высокой радиочувствительностью. В третьей — ЦНС — у половозрелых животных и у взрослого человека клеточного обновления практически не происходит.

Фабрика кроветворения

Вследствие высокой радиочувствительности костного мозга поражение кроветворения — наиболее типичный признак облучения организма. Степень его зависит от дозы и объема облученного плацдарма кроветворения, каковым является костный мозг. Поэтому на примере этого критического органа можно рассмотреть общие принципы систем клеточного обновления, имея в виду, что они в полной мере сохраняют свое значение для любой другой системы клеточного обновления. На этом маршруте заодно познакомимся с иерархическим устройством системы крови.

Главной задачей костного мозга является продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях гибель или исчезновение одного клеточного элемента в периферической крови или в другом участке организма компенсируется продукцией новой клетки в костном мозге. По меткому выражению В. Бонда, костный мозг представляет собой «фабрику», производящую клетки, а периферическая кровь — «службу снабжения» организма уже зрелыми элементами. Напомним, что кровь содержит несколько типов высокодифференцированных зрелых клеток, наделенных строго специфическими, но в одинаковой степени жизненно важными функциями, утрата любой из которых несовместима с жизнью организма. Назовем основные типы зрелых клеток и их «обязанности».

Эритроциты из-за цвета часто называют красными кровяными клетками, они и придают алый цвет крови, насыщенность которого зависит от их количества и содержания гемоглобина. Главная функция эритроцитов — обеспечение дыхания тканей путем своевременной и полноценной доставки кислорода.

Лейкоциты — белые кровяные клетки, будучи отделенными, например, центрифугированием имеют светло-серый цвет. Основная задача лейкоцитов — борьба с чужим и защита организма. Для этого лейкоцитарные войска, в свою очередь, подразделяются на три армии. Наиболее многочисленная — гранулоциты, они предназначены для уничтожения микробов. Несколько меньшая по численности армия лимфоцитов осуществляет функцию иммунитета, по образному выражению члена-корреспондента АМН СССР Рема Викторовича Петрова, охраняющего на протяжении всей жизни нашу индивидуальность от всего чужого. Наименьшую численность, но не менее важную функцию несут макрофаги — чистильщики, подметальщики всего ненужного, образующегося в организме, например, остатков погибших клеток, а также попадающих мельчайших инородных предметов извне, например, пылевых и угольных частиц.

Третий тип зрелых клеток крови — тромбоциты, их часто называют кровяными пластинками. Главная роль их — участие в процессах свертывания крови при кровотечениях.

Так как все эти клетки зрелые, а следовательно, радиоустойчивые3, то при облучении «служба снабжения» некоторый период времени (равный естественной продолжительности жизни отдельных типов клеток) не страдает. Однако из-за очень сильного повреждения «фабрики» (костного мозга и лимфатических узлов), целиком состоящей из малодифференцированных, молодых и делящихся клеток, восполнение естественных утрат зрелых клеток на периферии задерживается. Степень и длительность нарушения возникшего клеточного дисбаланса определяют судьбу облученного организма.

Излишне здесь детально рассматривать структуру всей «фабрики» в качестве системы клеточного обновления. Это неоправданно заняло бы слишком много внимания. На рис. 11 изображена упрощенная модель такой системы, состоящей из нескольких пулов. Она имеет, прежде всего, самоподдерживающийся пул, составляющий фонд недифференцированных самых молодых предшественников — стволовых клеток, способных обеспечить постоянную скорость клеточного обновления в системе, При делении стволовых клеток часть их потомства предназначается для последующей дифференциации в специфические клеточные линии, а оставшиеся служат новыми стволовыми клетками. Пройдя одно или несколько делений в пуле размножающихся клеток, стволовая клетка постепенно дифференцируется, а затем, утратив способность делиться, входит в непролиферирующий пул созревающих и резервных клеток, где окончательно дозревает, становится функционально полноценной и переходит в пул функционирующих клеток, например, в периферическую кровь, если речь идет о кроветворной системе клеточного обновления.

Рис. 11. Схематическое изображение типичной системы клеточного обновления

Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления, имея в виду поддержание ее в состоянии количественного и качественного динамического равновесия, состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает новая, находящаяся в данный момент на стадии максимальной подготовленности. Таким образом, функционирующая система сама поддерживает себя вследствие необходимости восполнения постоянно происходящих утрат, являющихся своеобразными стимулами к активизации всех предшествующих пулов, в результате чего и осуществляется перманентное клеточное обновление.

Под влиянием облучения в любой клеточной системе обновления происходят резкие нарушения привычного динамического равновесия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее жизненного значения и к соответствующим следствиям в организме.

Возвратимся, однако, к нашей модели системы клеточного обновления и на ее примере покажем типичную картину, возникающую после тотального облучения организма. Для упрощения первые два и частично третий пулы объединим в одно подразделение (компартмент) молодых и делящихся клеток, а четвертый и частично третий — во второй компартмент, содержащий зрелые и функционирующие клетки. Иными словами, произведем своеобразное укрупнение «фабрики» и «службы снабжения» белой крови.

В этом случае следует ожидать, что первый компартмент из-за резкого торможения процессов клеточного деления и интенсивной гибели клеток начнет опустошаться в ближайшее время после облучения, а число соответствующих зрелых функционирующих клеток уменьшится значительно позднее, когда их естественная убыль перестанет восполняться из-за опустошения предшествующих пулов. Легко понять, что это начинается спустя некоторое время, нужное для прохождения клетки от самых ранних стадий до выхода в функциональный пул. Количественные характеристики таких нарушений определяются кинетическими параметрами клеток конкретной системы обновления и дозой излучения.

На рис. 12 схематически показана кинетика событий, развивающихся теперь уже во всей «фабрике» и «службе снабжения». Клеточное опустошение костного мозга начинается тотчас после облучения и неуклонно продолжается до минимума, после чего у выживших особей постепенно происходит регенерация и восстановление исходного количества клеток (кривая 1). На характер изменений морфологического состава крови решающее влияние оказывает время жизни зрелых клеток или скорость их выбывания. Кривая 4 отражает короткую продолжительность жизни нейтрофильных гранулоцитов. Наиболее долго живущие (около 100 дней) эритроциты уменьшаются в числе значительно медленнее (кривая 6); даже при полном отсутствии продукции скорость спада их числа составляет всего около 1% в день. Промежуточный случай представлен тромбоцитами (кривая 5). Отсутствие порога у кривой 3, отражающей изменение числа лимфоцитов, связано с их крайне высокой радиочувствительностью, в результате чего, даже при небольших дозах, они погибают тотчас после облучения, причем не только в лимфоузлах — местах их образования, но и в периферической крови.

Рис. 12. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах кроветворения после облучения: на «фабрике» — в костном мозге (А) и в «службе снабжения»— в периферической крови (Б). 1 — общее число клеток; 2 — лейкоциты; 3 — лимфоциты; 4 — нейтрофилы; 5 — тромбоциты; 6 — эритроциты.

Основная гибель животных при дозах, вызывающих костно-мозговой синдром, происходит в период между 7-м и 15-м днем после облучения. К этому времени количество зрелых функциональных клеток (прежде всего лейкоцитов и тромбоцитов) достигает минимума, а восполнение их из-за сильного повреждения «фабрики» недостаточно. Поэтому и основными причинами радиационной гибели при данном синдроме являются инфекция и кровоизлияния в жизненно важные органы.

Если фонд молодых предшественников на «фабрике» сохранен в большей степени (как это бывает при меньших дозах излучения), настолько, чтобы обеспечить временно поддержание минимального уровня функционирующих клеток крови, то вероятность выживания животных резко увеличивается. Запомним эту ситуацию, она потребуется нам для понимания стратегии противолучевой защиты и лечения лучевых поражений.

Рассмотренная схема дает лишь общее представление о кинетике клеточных популяций (цитокинетике) и ее изменениях в обоих компартментах кроветворения на основе механизмов саморегуляции, типичных для любой системы клеточного обновления. В зависимости от объекта и дозы излучения соответствующие параметры имеют свои количественные характеристики и некоторые качественные особенности.

Проиллюстрируем это кратко на примере двух дру-гих систем, ответственных за основные синдромы лучевого поражения организма. Когда говорят о кишечном синдроме, то при этом имеют в виду, что наиболее важные изменения после облучения у всех видов млекопитающих происходят в системе клеточного обновления слизистой тонкой кишки. Суть этих изменений состоит в клеточном опустошении ворсинок и крипт кишечника, кинетика которых аналогична рассмотренной для системы обновления костного мозга, отличаясь лишь количественными параметрами. Оказалось, что по сравнению с костным мозгом поражение кишечника мышей протер кает значительно быстрее и при существенно больших дозах. Причина этого состоит в более ускоренном прохождении клеток кишечника по пулам до полностью дифференцированного состояния и в большей радиорезистентности стволовых клеток кишечника по сравнению со стволовыми клетками костного мозга.

В результате клеточное опустошение крипт кишечника происходит уже через 1—2 дня, достигая нулевого показателя через 3—5 дней после облучения. К этому времени в среднем и гибнут животные при выраженных проявлениях поражения кишечника.

Реакция ЦНС на облучение принципиально отличается от костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это обусловлено тем, что зрелая нервная ткань представляет собой непролиферирующую клеточную систему, состоящую из высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение всей жизни не происходит. Поэтому ЦНС можно рассматривать как крайний — стационарный — вариант системы клеточной обновления с вытекающими отсюда следствиями, характерными для лучевых реакций радиорезистентных неделящихся функциональных клеток. Так оно и есть на самом деле: гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит, как упоминалось, при огромные дозах, порядка десятков крад (рис. 10).

Итак, нами рассмотрены основные радиационные синдромы и проанализирована цитокинетика поражений в критических системах клеточного обновления, из которых кроветворная система и кишечник являются типичными примерами радиочувствительных тканей сс свойственной им активностью процессов клеточного деления, а ЦНС — ярким примером непролиферирующих высокодифференцированных клеточных систем, являющихся поэтому радиорезистентными. Проведенный анализ позволяет оценить поражение клеточных популяций и прежде всего стволовых клеток критических систем как основную причину гибели организма после облучения в соответствующих дозах. Проблема стволовых клеток, как и вообще клеточных механизмов кроветворения, успешно разрабатывается профессором Иосифом Львовичем Чертковым. Ее радиационные аспекты исследуются Г. П. Груздевым и А. Г. Коноплянниковым.

Отвечая на вопрос, поставленный в начале главы, мы можем сказать, что исход поражения млекопитающих, как функцию дозы и времени после тотального облучения, определяют следующие кардинальные параметры клеточных популяций: относительная величина пула стволовых клеток, их радиочувствительность, темп деления клеток на фабрике и скорость утилизации зрелых элементов в здоровом и облученном организме. Из изложенного очевидно также, что можно поставить знак равенства между радиочувствительностью организма млекопитающих и радиочувствительностью костного мозга, ибо именно его глубокое поражение, возникающее при тотальном облучении, уже в минимальной абсолютно летальной дозе вполне достаточно для гибели организма. Поэтому, говоря о радиочувствительности организма, обычно имеют в виду диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома, т. е. до 1000 Р.

Мы познакомились с радиационными синдромами, возникающими при общем однократном облучении организма. Однако картина поражения существенно зависит от условий облучения, в частности от степени равномерности облучения разных сегментов тела. Закономерности проявления радиобиологических эффектов в зависимости от пространственного и временного распределения дозы являются предметом специальных исследований. С ними любознательный читатель может познакомиться в трудах И. Г. Акоева, Н. Г. Даренской и Г. М. Аветисова.

Для количественного изучения радиочувствительности организма пользуются кривыми доза — эффект, аналогичными тем, которыми описывают клеточную радиочувствительность. При построении такой кривой на оси абсцисс откладывают дозы излучениЯ| а на оси ординат — процент гибели, зарегистрированной за определенный срок наблюдения — чаще всего, за 30 дней (рис. 13).

Рис. 13. Кривая смертности мышей, облученных в разных дозах. ЛД⁵⁰/₃₀ = 52О Р

Оценим перспективу

Зададимся вопросом о судьбе выживших и их потомков. Оказывается, что «выздоровление» счастливцев зачастую только видимое, так как по прошествии некоторого времени могут появиться так называемые отдаленные последствия облучения. Наиболее грозные из них — укорочение продолжительности жизни, преждевременное одряхление и возникновение опухолей. Принято даже говорить о «радиационном старении», которое внешне проявляется как естественное старение, но наступает раньше и протекает интенсивнее.

Причины отдаленных последствий связывают с неполноценностью восстановления выживших клеток. При’ этом речь идет о так называемых соматических клетках различных органов и тканей индивидуума, непосредственно подвергшегося в прошлом облучению. Разработкой проблемы отдаленных последствий облучения занята лаборатория, возглавляемая профессором Самуилом Наумовичем Александровым.

Мы располагаем немногочисленными сведениями об отдаленных последствиях облучения человека. В основном это — результаты наблюдений за пережившими атомные взрывы в Японии. При сопоставлении их с большим числом экспериментов на животных можно прийти к заключению о том, что сокращение продолжительности жизни и повышение частоты злокачественных новообразований достоверно отмечается только после облучения в дозах порядка десятков рентген. Опасность отдаленных последствий меньших уровней облучения постулируется на основании экстраполяций, исходя из представлений о беспороговости радиационно-генетического эффекта. Более того, имеется достаточно много экспериментальных работ, в которых при облучении разнообразных биологических объектов в малых дозах наблюдалось даже увеличение средней продолжительности жизни. Разумеется, этих данных пока недостаточно для определенных выводов. Однако их наличие оставляет открытым вопрос о неизбежности развития отдаленных соматических эффектов облучения, особенно при воздействии в малых дозах.

Последствия облучения половых клеток сказываются на потомстве облученных родителей. Это так называемые генетические эффекты облучения. Вероятность их проявления резко увеличивается при облучении обоих родителей и практически сводится к нулю при облучении только одного из них. Причины таких особенностей наследования, вызванных облучением вредных изменений, хорошо изучены радиационной генетикой и нам не имеет смысла их детально анализировать. Важно лишь вытекающее отсюда следствие, состоящее в повышении вероятности реализации последствий у потомков по мере увеличения численности популяций, подвергающихся облучению даже в небольших дозах.

В создавшейся ситуации возникает определенный драматизм, сопутствующий любому виду технического прогресса. С одной стороны, развитие атомной энергетики требует расширения контингентов лиц, контактирующих с ионизирующим излучением, а с другой, такое расширение нежелательно из-за отягощения так называемым «генетическим грузом».

Учитывая важность проблемы и ее глобальный характер для населения всей планеты, созданы и активно работают специальные международные и национальные (в рамках каждой страны) организации, занимающиеся гигиеническим нормированием ионизирующих излучений и защитой от них. Уже в 1928 году на II Международном конгрессе в Стокгольме был создан специальный комитет по защите от рентгеновских лучей и радия. В 1960 году он был реорганизован в Международную комиссию по радиационной защите (МКРЗ). В настоящее время в ее главной комиссии нашу страну представляет А. А. Моисеев.

Согласно уставу МКРЗ обязана знакомиться со всеми достижениями в области защиты от излучений, разрабатывать соответствующие рекомендации исходя из основных научных принципов, представляя национальным комиссиям по защите от излучений отдельных государств право и ответственность за введение подробных инструкций или правил, наиболее соответствующих их внутренним условиям. Национальная комиссия радиационной защиты создана и в Советском Союзе. Ее возглавляет член-корреспондент АМН СССР Леонид Андреевич Ильин. Национальной комиссией СССР раз-j рабатываются нормы радиационной безопасности, имею-^ щие в нашем государстве законодательный характер, в отличие от капиталистических стран, где они сохраняют лишь рекомендательное значение. Принятые нормативы в СССР являются основой для законодательства в области радиационной защиты в странах СЭВ.

С 1955 года при ООН организован специальный Научный комитет по радиационным проблемам (ЮНЕСКО) для сбора и оценки информации о различных эффектах облучения. Периодически ЮНЕСКО получает задания от Генеральной Ассамблеи ООН и осуществляет их выполнение, привлекая для этих целей МКРЗ в тесном сотрудничестве со всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

В настоящее время принята в дополнение к фону об-j лучения, создаваемому на протяжении всей жизни естественными источниками, земли и космоса, так называемая предельно допустимая доза. Под ней понимают годовой уровень облучения персонала, не вызывающий при равномерном накоплении дозы в течение 50 лет обнаруживаемых современными методами неблагоприятных изменений в состоянии здоровья самого облучаемого и его потомства. Эта доза составляет для профессионального облучения 5 Р в год, а для всего населения в 100 раз меньше — 0,05 Р в год.

Согласно авторитетному мнению МКРЗ такая лучевая нагрузка вполне допустима и оправдана с учетом пользы, которую можно ожидать от широкого применения атомной энергии. Это подтверждается статистическими данными ретроспективного анализа, указывающими, что для лиц, работавших с излучениями в предыдущем поколении и подвергавшихся облучению в допустимых дозах того времени (в несколько раз больших, чем сейчас), опасность соматических последствий оказалась не большей (или даже меньшей), чем при большинстве других работ и профессий. Весьма интересна в этом отношении точка зрения ВОЗ, согласно которой цель эффективной программы радиационной защиты, в связи с расширением применения атомной энергии во всем многообразии форм и областей ее использования, состоит в нахождении оптимального соотношения известной опасности вредного воздействия и преимуществ применения ионизирующих излучений в интересах человека. При этом уровень неизбежного воздействия должен быть настолько низким, чтобы его можно было не принимать во внимание на фоне обычных вредностей, в условиях современного цивилизованного общества.

В повседневной жизни человек подвергается воздействию различных факторов внешней среды, которые, став «привычными», могут оказаться значительно более опасными, нежели радиационные. Ю. И. Москалев с соавторами приводит следующие убедительные примеры, иллюстрирующие это положение.

Согласно данным ВОЗ смертность от отравления газом и ядовитыми парами за 1957—1969 годы в ведущих цивилизованных странах на 1 млн. населения составила от 7 до 45 для мужчин и от 2,5 до 49 для женщин; при этом наивысшие показатели были в Шотландии, а наименьшие — в Канаде и в Японии. Весьма реальна в настоящее время опасность массового применения пестицидов, действующих на генетический аппарат и плод. Из года в год растет смертность от несчастных случаев при автодорожных катастрофах. Так, в 10 крупных капиталистических странах за периоды 1950—1952 и 1964— 1966 годов на каждый 1 млн. человек в числе погибших и раненых она выросла на 25—60%, а в Японии на 1000%.

Таблица 2Вероятность смерти от нерадиационных факторов в Великобритании и ФРГ в 1952—1963 годы

Продолжение табл. 2.

В табл. 2 приведены показатели смертности от нерадиационных факторов в двух странах Европы.

Таким образом, согласно современным оценкам вероятности возникновения отдаленных последствий облучения оказывается, что уровень риска их возникновения при принятых в настоящее время допустимых уровнях воздействия также намного меньше риска от факторов нерадиационной природы.

Мы рассмотрели феноменологию острого лучевого поражения, егс^ отдаленные последствия, а также научноорганизационные формы контроля за радиационным фактором внешней среды. Вы видели, что современные принципы радиационно-гигиенического нормирования имеют огромный запас прочности, делающий возможные последствия облучения несоизмеримо меньшими, чем вредные последствия других технических новшеств. При этом еще не учитываются современные биологические способы ослабления радиационных эффектов. О них-то и пойдет речь впереди.