Патогенез острой лучевой болезни
ПЛАН
I ВСтупление
II Обзор литературы
1. Клинические проявления
Хроническая лучевая болезнь
Острая лучевая болезнь
Ионизирующие излучения и их особенности
Первичное действие ионизирующей радиации
Общие вопросы
Роль нервной системы
Роль эндокринной системы
Проблема токсемии
Изменения метаболизма
Нуклеиновый обмен
Белковый обмен
Жировой обмен
Минеральный обмен
Разрыв окислительного фосфорилирования
Изменения кровотворения
Геморрагический синдром при ОЛБ
Реактивность организма животных при ЛБ
III Практическая значимость вопроса
IV Заключение
Список использовавшейся литературы
Лучевая болезнь – такое состояние организма, которое развивается при воздействии лучистой энергии, те изменения, которые возникают в организме под влиянием этого фактора. Лучистая энергия – энергия вещества, возникающая при делении атома. Еще в 1896 г. немецким физиком Конрадом Вильгельманом Рентгеном были открыты электромагнитные лучи, названные позже рентгеновскими. В том же году Антуан Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность урана. Год спустя Пьер и Мария Кюри выделили из урана радиоактивные полоний и радий. В 1919 г. Резерфорд — a, b, g-лучи радия. Позднее Нильс Бор создает свои постулаты и Эйнштейн – теорию относительности. В 1932 г. Джеймсом Чедвиком были обнаружены нейтроны. В 1939 г. Хан Штрассмен и Мейтнер расщепили ядро урана, а в 1943 г. Энрико Ферми, работавший в США, создал установку с постоянной цепной реакцией деления ядер. В СССР темой в основном занимался Курчатов. В 1946 г. у нас так же была проведена цепная ядерная реакция.
С конца Второй Мировой войны вводится понятие «лучевая болезнь» – после событий в Хиросиме (6 августа 1945 г.) и Нагасаки. Острая лучевая болезнь в чистом виде тогда наблюдалась у 15% — 20% пострадавших.
При взрыве атомной бомбы на организм оказывают однократное воздействие большие дозы ионизирующего излучения. радиоактивные продукты атомного взрыва, заражающие местность в районе взрыва и по пути движения радиоактивного облака могут поражать организм животного или человека путем внешнего лучевого воздействия, а так же депонируясь в организме и постоянно воздействуя малыми дозами радиации. Эти вещества проникают через загрязненные раны, а также заражая местность, почву, водные источники, растения, животных, рыбу, а затем попадают в организм человека с пищей и водой.
Таким образом, мы имеем представление об острой лучевой болезни, развивающейся при однократном воздействии на организм человека ионизирующей радиации в больших дозах. Острая лучевая болезнь может развиться при внешнем облучении и при попадании внутрь организма большого количеств радиоактивных веществ.
Хроническая лучевая болезнь развивается при длительном облучении организма человека источниками внешней радиации в малых дозах или при наличии в организме инкорпорированных радиоактивных веществ.
События в Хиросиме и Нагасаки были слишком внезапными и трагическими для того, чтобы они могли послужить. источником изучения клинических проявлений острой лучевой болезни. Оставшиеся в живых японские врачи были заняты оказанием неотложной помощи пострадавшим, и ни о каких научных исследованиях не могло быть и речи. Изучение картины острой лучевой болезни затруднялось также большим количеством смешанных поражений»
Дальнейшее ознакомление с лучевой болезнью шло, из разных источников.
В 1952 году в США была издана книга трех авторов — Гемпельмана, Лиско и Гофмана — «The Acute Radiation Syndrome».
В 1954 г эта книга была издана у нас в русском переводе -«Острый лучевой синдром». В. этой книге описана клиническая картина острой лучевой болезни у 9 человек, подвергшихся действию ионизирующей радиации при аварии уранового реактора в научно-исследовательской лаборатории в Лос-Аламосе (США). Поражение представляло собой чистую лучевую болезнь без комбинации с другими повреждениями. 2 человека из пострадавших умерли. Результаты посмертных исследований дали возможность описать патологоморфологическую картину поражения.
В случае с японским судном, подвергшимся воздействию радиации во время испытания на острове Бикини американской водородной бомбы, острая лучевая болезнь развилась в результате как внешнего облучения, приведшего к возникновению ожогов и изменений крови, так и попадания радиоактивных продуктов внутрь организма. Последнее обстоятельство явилось причиной поражения паренхиматозных органов, особенно печени. Один из пострадавших, радист, умер спустя 6 месяцев при явлениях острой дистрофии печени. 1 марта 1954 г. японское судно «Фукюрумару», экипаж которого состоял из 23 человек, находилось в районе Маршалловых островов в Тихом океане (в 100 английских милях к востоку от атолла Бикини). Через 1,5 часа после взрыва водородной бомбы судно заволокло облаком, образовавшимся после взрыва, а на палубу выпал белый пепел. Вся команда стала жертвой атомного взрыва. В тот же день к вечеру у рыбаков появились первые признаки поражения: головная боль, слабость, тошнота, рвота, повышение температуры. Спустя несколько дней появились признаки ожогов на коже. У большинства из них болезнь протекала в тяжелой форме, с большими изменениями крови, длительно незаживавшими ожогами, с поражением внутренних органов, развитием желтухи. В литературе описано еще несколько случаев лучевой болезни (острой) у человека, развившейся в результате аварий на производстве и в научно-исследовательских лабораториях, а также небрежного обращения с источниками облучения. Представление о лучевой болезни складывалось и на основании экспериментального изучения на животных.
Клинические проявления
По течению лучевой болезни выделяют острую и хроническую.
Хроническая лучевая болезнь развивается в результате длительного воздействия на организм ионизирующего излучения в малых дозах или при наличии в организме инкорпорированных радиоактивных веществ. Кроме того она может развиваться при проведении рентгено — и радиотерапии по поводу злокачественных новообразований и ряда других заболеваний. Однако в таких случаях она представляет собою как бы второе заболевание или осложнение при проводимом лечении и проявления ее часто маскируются симптомами основного страдания.
Хроническая лучевая болезнь может возникать также и в тех случаях, когда не соблюдаются правила предосторожности, необходимые при работе с радиоактивными веществами. При этом может иметь место длительное переоблучение организма в дозах, превышающих предельно допустимые уровни, или попадание радиоактивных веществ внутрь организма через дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт. В зависимости от различных условий заболевание может развиться или от внешнего облучения, или от воздействия радиоактивных веществ, задержанных в тканях организма Возможны случаи заболевания, вызванного смешанным воздействием, как внешним, так и внутренним.
Различают три стадии в течении хронической лучевой болезни. Хроническая лучевая болезнь первой стадии представляет собой период обратимых реакций организма. Легкие симптомы заболевания обычно проходят, ни оставляя следов, после выведения заболевшего из сферы соприкосновения с ионизирующей радиацией. Проявления этого периода мало характерны, неспецифичны. Клиническая картина заболевания складывается из вегетативно-висцеральных, главные образом из вегетативно-сосудистых нарушений, начальных астенических проявлений и из умеренных, нестойких изменений клеточного постава периферической крови.
Наблюдаются начальные признаки повышения проницаемости и ломкости капилляров. Отмечается также начальное нарушение свертываемости крови.
Хроническая лучевая болезнь второй стадии характеризуется выраженными астеническими проявлениями, нарушением функций внутренних органов, стойкими изменениями кроветворного аппарата, нарушением нервно-трофических процессов в организме, эндокринных органов и обмена веществ.
Хроническая лучевая болезнь третьей стадии характеризуется тяжелыми необратимыми изменениями в организме: полной потерей регенерационной способности тканей, глубокой дистрофией органов и систем и резким угнетением кроветворения. Прогрессирует ухудшение общего состояния, развивается резкая слабость, адинамия, выраженная и стойкая артериальная гипотония. На первый план в картине заболевания выступают тяжелые изменения со стороны нервной системы, явления патологической проницаемости капилляров и глубокое угнетение кроветворения, соответствующее картине тяжелой апластической анемии.
Хроническая лучевая болезнь, вызванная наличием в орга-низме инкорпорированных радиоактивных веществ, характеризуется рядом особенностей. Это зависит от физико-химических свойств вещества и от преимущественного депонирования его в тех или иных тканях и органах. Характерным для этой формы хронической лучевой болезни является поражение внутренних органов — печени, почек, легких и центральной нервной системы.
Острая лучевая болезнь развивается при однократном общем облучении организма человека источниками ионизирующей радиации в больших дозах — от 100 р. и больше. При облучении в дозе менее 100 р., как правило, отмечаются лишь легкие реакции организма без развития клинической картины заболевания.
По тяжести заболевания принято различать четыре степени острой лучевой болезни (для человека):
Первая степень, легкая, при дозах облучения 100-200 р.
Вторая степень, средней тяжести, при дозах 200-300 р.
Третья степень, тяжелая, при дозах 300-500 р.
Четвертая степень, крайне тяжелая, при дозах выше 500 р.
Некоторые признаки поражения при однократном общем облучении
| Доза (р) | Признаки поражения |
| 25-50 | Незначительные, быстро проходящие изменения в крови. |
| 80-120 | У 10% — рвота, тошнота в первые сутки, чувство усталости. |
| 130-270 | У 25% — вышеописанные симптомы. Впоследствии – и другие симптомы ОЛБ. Смертельные исходы очень редки. |
| 270-330 | Тошнота и рвота в первые сутки. Острая лучевая болезнь со смертельным исходом на II — VI неделю в 20% случаев |
| 400-500 | 50% смертельных исходов ОЛБ в течение месяца. |
| 550-700 | Смертность стремится к 100% |
| 1000 | Тошнота, рвота, понос после облучения. Смертность – 100% |
Острая лучевая болезнь в своем клиническом течении проходит ряд фаз и может быть разделена на четыре периода:
1) первичная реакция на облучение;
2) «латентный период» или период кажущегося благополучия;
3) период выраженных клинических проявлений;
4) период восстановления.
Период первичной реакции начинается непосредственно после облучения и длится от нескольких часов до 2-3 дней. В основе клинической картины этого периода лежат перевозбуждение нервной системы и явления интоксикации. Пострадавший испытывает тошноту, рвоту, головокружение, возбуждение, расстройство сна. Имеют место выраженные нарушения нервно-сосудистой регуляции. Температура обычно повышается. Отмечается гиперемия кожных покровов. Ткани несколько отечны в связи с увеличением проницаемости стенок кровеносных сосудов. Наблюдаются спастические дискинезии кишечника, иногда поносы. В клинической картине первого периода болезни преобладающее значение имеет расстройство вегетативно-висцеральной регуляции.
При поражении большими дозами ионизирующей радиации — первичная реакция носит характер шокоподобного состояния.
При исследовании крови отмечается начальный кратковременный лейкоцитоз за счет увеличения нейтрофилов. Абсолютное число лимфоцитов снижается уже в первые часы после облучения. Как показали экспериментальные исследования и клинические наблюдения, наиболее чувствительными к воздействию ионизирующей радиации из всех клеток крови являются лимфоциты, затем нейтрофилы, тромбоциты и наиболее устойчивыми — эритроциты.
При нормальном или увеличенном количестве нейтрофилов отмечается сдвиг лейкоцитарной формулы влево (увеличение палочкоядерных и появление юных форм), а также сдвиг вправо, т. е. появление гиперсегментированных форм нейтрофилов, содержащих ядро с 4 – 5 сегментами. Со стороны красной крови может наблюдаться увеличение числа ретикулоцитов и появление больших эритроцитов (макроцитоз эритроцитов). При исследовании пунктата костного мозга выявляется ускорение созревания всех клеточных элементов.
После угасания первичной реакции в состоянии больного наступает субъективное улучшение и начинается второй период болезни, латентный или период кажущегося клинического благополучия. Пострадавший может не предъявлять никаких жалоб или, в случае животных, ни чем не проявлять болезненного состояния. Иногда остается небольшая слабость, повышенная потливость, снижение аппетита, нарушение сна. Однако это благополучие лишь кажущееся. В действительности болезнь продолжает прогрессировать, что, в первую очередь сказывается в угнетении функции кроветворения.
В периферической крови постепенно снижается количество лейкоцитов. Это снижение происходит сначала за счет лимфоцитов, но затем снижается также и количество гранулоцитов. Наблюдается токсическая зернистость нейтрофилов, наличие гиперсегментированных форм, фрагментов ядер. Отмечается умеренное снижение в крови тромбоцитов и в меньшей степени эритроцитов. При исследовании пунктата костного мозга обнаруживается начальная гипоплазия всех ростков кроветворения. Таким образом, кроветворный аппарат из состояния раздражения переходит постепенно в состояние угнетения.
Длительность латентного периода обычно пропорциональна дозе облучения и колеблется от 2-3 дней до 2-5 недель. Чем выше доза облучения, тем латентный период короче. При очень больших дозах облучения (для человека — 500 Р и выше) латентный период может совсем отсутствовать, и тогда первичные реакции непосредственно переходят в развернутую картину болезни.
В начале третьего периода болезни, характеризующегося выраженными клиническими проявлениями, появляется общая слабость, которая постепенно нарастает. Самочувствие больного ухудшается, исчезает аппетит, вновь возникают головные боли, тошнота, рвота. Температура повышается и иногда принимает гектический характер. Развиваются трофические нарушения: волосы на голове и других частях тела выпадают, кожа теряет эластичность, становится сухой, шелушащейся.
Характерным для третьего периода заболевания является развитие тяжелого геморрагического синдрома. Появляются кожные геморрагии, кровотечения в слизистые оболочки, профузные носовые кровотечения, кровоточивость десен, кровотечения из внутренних органов. Развиваются язвенно-некротические поражения слизистой оболочки зева и желудочно-кишечного тракта. Наблюдаются поносы, нередко геморрагические. Могут быть перитонеальные симптомы, связанные с глубоким язвенным поражением слизистой оболочки кишечника. Развитие кровоточивости обусловлено трофическими изменениями сосудистой стенки, увеличением ее проницаемости и ломкости, а также падением в крови количества тромбоцитов и нарушением процесса свертываемости крови.
Со стороны сердечно-сосудистой системы отмечается тахикардия, артериальная гипотония, расширение сердца, глухость сердечных тонов, появление систолического шума у верхушки. На электрокардиограмме можно видеть признаки дистрофических изменений миокарда: снижение вольтажа зубцов, уширение желудочкового комплекса, удлинение систолического показателя, уплощение зубцов Р и Т, снижение или повышение интервала s-t.
Снижается секреторная деятельность желудочных желез. Нарушается процесс всасываемости в желудке и в кишечнике, что приводит к резкому нарушению питания и к отрицательному азотистому балансу. Развиваются симптомы поражения центральной нервной системы.
При исследовании периферической крови обнаруживается резкая тотальная лейкопения. Число лейкоцитов падает вплоть до крайне низких цифр. При очень высоких дозах облучения в мазках крови обнаруживаются единичные лейкоциты. В оставшихся лейкоцитах наблюдаются, дегенеративные изменения: распад ядра, цитолиз. Снижается число тромбоцитов, иногда до крайне низких цифр. Уменьшение числа эритроцитов в периферической крови наступает позже, чем других клеток крови. Вначале увеличивается число молодых форм эритроцитов — ретикулоцитов. В дальнейшем происходит их уменьшение, иногда до полного исчезновения. Значительное падение в крови количества эритроцитов и гемоглобина отмечается в терминальном периоде, за несколько дней или часов до смерти. В стернальном пунктате выявляется глубокое угнетение всех ростков кроветворения с крайним обеднением клеточного состава крови, вплоть до развития полного истощения костного мозга, что приводит к резкому снижению сопротивляемости организма по отношению к инфекции.
Клинически это выражается развитием картины общего сепсиса с мастными язвенно-некротическими очагами в зеве, на слизистой оболочке полости рта, желудочно-кишечного тракта, и т. д. Причиной сепсиса помимо глубокого угнетения кроветворения является также резкое нарушение проницаемости всех тканей, в результате чего флора, содержащаяся в кишечнике, в миндалинах, в дыхательных путях, начинает поступать в кровоток. Биохимические изменения крови характеризуются высоким исходным уровнем сахара с гипергликемической кривой, гипопротеинемией с уменьшением альбумин-глобулинового коэффициента, гипохлоремией, гипохолестеринемией. Нарушение функции почек развивается лишь в поздней стадии поражения и выражается появлением азотемии.
Описанная клиническая картина соответствует тяжелой степени заболевания. Летальный исход может наступить от тяжелой общей интоксикации, от инфекционных осложнений или от развившихся геморрагий. Чем выше доза облучения, тем тяжелее общая интоксикация и тем раньше наступает смерть.
При средней и легкой степенях острой лучевой болезни клиническая симптоматика бывает менее выражена, изменения кроветворного аппарата менее глубокие.
Выздоровление, характеризующее четвертый период заболевания, наступает постепенно: снижается температура, общее, состояние улучшается, исчезают симптомы заболевания. В крови появляется большое количество лейкоцитов, вплоть до развития небольшого лейкоцитоза с левым нейтрофильным сдвигом. В некоторых случаях полного выздоровления не наступает: наблюдаются остаточные явления или болезнь переходит в хроническую форму
Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени, иначе называемая молниеносной формой, отличается бурным течением с быстрым нарастанием клинической симптоматики. Разность течения при этом смазывается. Все симптомы заболевания возникают непосредственно после облучения и достигают крайне интенсивной степени. Заболевание характеризуется, главным образом, симптомами поражения центральной нервной системы, резкие головные боли, возбуждение, менингеальные симптомы, судороги. Наблюдается неукротимая рвота и понос. Очень быстро наступает потеря сознания. Происходит резкое падение сердечной деятельности и сосудистого тонуса. Геморрагические явления не успевают развиться. Заболевание длится 2 — 5 суток, и больные погибают при явлениях общей и нтоксикации и острой сердечно-сосудистой недостаточности.
Острая лучевая болезнь, обусловленная попаданием радиоактивных веществ внутрь организма, отличается менее выраженной первичной реакцией. Длительность заболевания находится в зависимости от быстроты и степени выделения радиоактивных веществ из организма и от периода их полураспада. Могут в течение продолжительного времени наблюдаться остаточные явления, обусловленные влиянием радиоактивных веществ, задержанных в организме. В таких случаях чаще возможен переход в хроническую форму.
Помимо общего облучения организма может иметь место внешнее воздействие ионизирующей радиации на определенный участок тела. При таком локальном облучении может развиться картина лучевого ожога. Местная лучевая травма во многом напоминает ультрафиолетовые солнечные ожоги, однако отличается от последних более длительным скрытым периодом а поражением более глубоких слоев и нижележащих тканей (до надкостницы и костной ткани).
Ожог начинается с появления зуда, первичной эритемы и отечности тканей. Затем происходит дальнейшее развитие лучевого ожога с резкой болезненностью пораженной области. Вслед за эритемой появляются пузыри, наполненные полупрозрачной жидкостью, а затем эрозии. Образуется эрозивная поверхность, которая затем может некротизироваться. Течение лучевых ожогов очень длительное и упорное. Это объясняется как глубиной поражения тканей, так и снижением общей сопротивляемости организма я нарушением тканевой трофики. Некроз тканей может доходить до надкостницы и кости. Усложняет течение ожогов и присоединяющаяся инфекция. Все это в значительной степени осложняет течение заболевания в целом и может привести к состоянию раневого истощения. Инфицированные ожоги могут явиться и источником сепсиса.
Патогенез острой лучевой болезни представляется чрезвычайно сложным. Он складывается из непосредственного воздействия ионизирующей радиации на ткани и из воздействия на нервную систему. В результате воздействия на нервную систему в организме развиваются самые различные поражения, зависящие от нарушения нервнорегуляторных процессов. Отсюда чрезвычайное многообразие и сложность клинической картины заболевания.
В зарубежной литературе господствовало мнение о резистентности нервной системы к воздействию ионизирующей радиации. Изучение влияния ионизирующей радиации на нервную систему является заслугой отечественных ученых: Тарханова, Неменова, Купалова, Ливанова. Экспериментальные исследования авторов показали высокую чувствительность нервной системы к лучистой энергии. Это было подтверждено в дальнейшем и клиническими наблюдениями. Под влиянием больших доз облучения происходит нарушение равновесия между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга. Существенные изменения обнаруживаются при этом на электроэнцефалографах. Изменения в центральной нервной системе ведут к нарушению регуляции различных органов и систем. В ранний период заболевания это проявляется чисто функциональными нарушениями в системе кроветворения, сердечно-сосудистой системе, желудочно-кишечном тракте. В дальнейшем, в результате нарушения нервно-трофических процессов, развиваются более выраженные изменения в тканях а органам с глубоким нарушением их функций. Поэтому острая лучевая болезнь в периоде выраженных клинических проявлений представляет собой в значительной степени процесс нервно-трофических нарушений в организме.
Наконец, в развитии острой лучевой болезни следует предавать значение и вторичным факторам в частности инфекции, поражающей организм с пониженной сопротивляемостью и в значительной мере осложняющей течение заболевания.
Ионизирующие излучения
И их особенности
Как уже было сказано, лучевая болезнь возникает от действия на организм ионизирующей радиации. К их числу относят лучи Рентгена, g-лучи, корпускулярные излучения. Рентгеновы и гамма-лучи принадлежат к широкому диапазону электромагнитных излучений и занимают в нем крайнее место вслед за радиоволнами, инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами.
Все эти виды излучений различаются между собой по длине волны. Наиболее коротковолновые и наиболее высокочастотные – рентгеновы и гамма-лучи. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний, тем больше её проникающая способность. Обычный источник рентгеновских лучей – трубка рентгеновского аппарата. В ней электроны, испускаемые при разогреве катода, ускоряются в электрическом поле, создаваемом приложенным к аноду высоким напряжением. Подлетая к атомным ядрам материала анода, электроны тормозятся, их кинетическая энергия преобразуется в энергию квантов (фотонов) рентгеновских лучей. Рентгеновское излучение очень высокой энергии получают в бетатроне – приборе для ускорения электронов. Солнце тоже источник рентгеновых лучей, но они поглощаются атмосферой.
Гамма-кванты испускаются в ходе ядерных реакций при распаде многих радиоактивных веществ. Их энергия очень велика (1330000-1160000 электронвольт). Физические свойства рентгеновых лучей и g-лучей, а так же их биологическое воздействие близки.
Кроме описанных, как уже было сказано, к ионизирующим относят излучения разного рода ядерных частиц:
Бета-частицы относят к легким. Они представляют из себя электроны (или позитроны) и обладают присущими им свойствами и характеристиками. Возникают b-частицы в ядрах атомов при радиоактивном распаде и тотчас же излучаются. Для каждого вида атомов постоянна только максимальная скорость b-частиц.
Альфа-частицы относят к тяжелым. По своей природе это – ядра гелия и несет 2 элементарных положительных заряда.
Протоны и дейтроны – ядра легкого или тяжелого водорода, почти 4 и, соответственно, в 2 раза легче a-частиц. При некоторых ядерных реакциях протоны выбрасываются из ядер атомов. Нейтроны также следует отнести к ионизирующим излучениям, а так же ядра более тяжелых элементов, чем гелий, разогнанные до больших скоростей (их основной источник – космические лучи).
В качестве источников внешнего ионизирующего излучения наибольшее значение имеют те виды ионизирующего излучения, которые обладают большой проникающей способностью: жесткие лучи Рентгена, гамма-излучение и нейтроны. Слабо проникающие альфа-излучение и бета-излучение также могут быть внешним патогенным раздражителем при условии их воздействия на поверхностные покровы организма (кожу и слизистые). В этом случае они вызывают главным образом различные местные поражения в виде радиационных ожогов различных степеней (500-900р – эритема, 1300 – 1900р – сухой эпидермит, более 2000р – мокнущий эпидермит). Подобные повреждения возникают от мягких лучей Рентгена и от медленных нейтронов, поглощенных поверхностными тканями организма.
Основным действием ионизирующих излучений является процесс образования ионов, который в основном заключается в том, что под влиянием энергии облучения выбивается электрон из электронных оболочек атома или молекул. От потери отрицательно заряженной частицы (электрона) возникает положительно заряженный ион. Оторвавшийся электрон присоединяется к другой частице. Так, например, ионизация нейтральных молекул воды и образование одной пары ионов могут быть представлены в следующем виде:
+
Н2 О – ē = Н2 O
—
H2 O + ē = H2 O
Ионизированные молекулы подвергаются дальнейшим превращениям. Некоторые ионизирующие излучения обладают более сложным действием. Например, нейтроны, как не имеющие заряда, легко проходят сферу электронных оболочек и проникают внутрь атомов, вызывая различные ядерные превращения вследствие столкновения с ядрами. Из этих процессов наибольшее значение имеет соударение нейтронов с ядрами водорода, ведущее к образованию так называемых протонов отдачи.
Быстрые нейтроны в результате многократных соударений скоро теряют значительную часть своей энергии и превращаются в медленные или тепловые нейтроны. Последние захватываются ядрами различных атомов, в результате чего образуются стабильные или нестабильно (радиоактивные) изотопы. Эти процессы сопровождаются выделением альфа-, бета — и гамма-излучения.
Все радиоактивные вещества, образовавшиеся под влиянием нейтронов, создают в организме так называемую наведенную радиоактивность. Среди различных радиоактивных веществ, образующихся в организме, основная доля падает на изотоп натрия (11Na24) и изотоп фосфора (15P32).
Ионизация, создаваемая наведенной активностью, особого значения для облученного организма не имеет, так как она составляет не больше 1 % от общей ионизации, вызванной нейтронным облучением другими путями (протонами отдачи и гамма-излучением). Кроме того, радиоактивный фосфор и натрий имеют сравнительно короткий период полураспада. Для натрия он равен 15 часам, а для фосфора— 14,3 дня.
Патогенетическое действие ионизирующих излучений прежде всего зависит от величины поглощенной организмом энергии.
В качестве единицы дозы гамма-излучения и лучей Рентгена принята величина, выражаемая в рентгенах (р). Соответствующая энергия, которая создает в 1 см3 сухого воздуха (при 0° и 760 мм давления ртутного столба) 2,08 • 109 пар ионов, что составляет 0,11 эрг/см3 поглощенной энергии или 85 эрга на 1 г воздуха равна одному рентгену.
Поглощенную энергию других видов излучений обычно выражают в единицах ФРЭ(физических рентген-эквивалентах). Под единицей ФРЭ понимается доза излучения, ведущая к образованию такого же количества пар ионов в единице объема или веса среды, которое возникает от воздействия гамма — или рентген-излучений в дозе 1 р. Оказалось, что физически одинаковые количества поглощенной энергии (выраженные в единицах ФРЭ) дают различный биологический эффект в зависимости от вида лучистой энергии. В связи с этим необходимо знать коэффициенты относительной биологической эффективности (ОБЭ).
Коэффициенты относительной биологической эффективности
| Вид излучения | ФРЭ |
| Рентгеновы лучи | 1 |
| A-лучи | 1 |
| B-лучи | 10 |
| Быстрые и медленные нейтроны (n) | 3-20 |
| Протоны (p) | 10 |
Коэффициенты свидетельствуют о том, что, например, биологическое действие (а следовательно, и патогенетическое) у альфа-излучения в 10 раз сильнее выражено, чем у рентгеновских и гамма-лучей. Исследования показали, что патогенетическое действие нейтронов на органы кроветворения примерно в 3 раза интенсивнее по сравнению с рентгеновскими лучами. При хроническом облучении нейтронами коэффициент относительной биологической эффективности еще больше возрастает.
Величинами ОБЭ приходится пользоваться при оценке результатов смешанного облучения (например, гамма-лучами и нейтронами) и для определения полученной суммарной дозы, выражаемой в условных биологических рентген-эквивалентах (БРЭ).
Различное биологическое действие зависит главным образом от плотности ионизации (от удельной ионизации). Под термином «удельная ионизация» понимают количество ионов, которое образуют ионизирующие частицы на единицу пути. Как правило, чем выше проникающая способность и больше длина пробега ионизирующих частиц, тем меньшая создается плотность ионизации.
Проникающая способность и плотность ионизации
Различных видов излучений с энергией 2 Мэв
| Вид излучения | Длина пробега в воздухе (в м) | Плотность ионизации(число ионов
На 1 мм) |
| A-лучи | 0,01 | 6000 |
| B-лучи | 10 | 6 |
| G-кванты | ~600 | 0,1 |
Проникающая способность b-излучения в тканях организма не велика и особенно мала у альфа-излучения (доли миллиметра). Вследствие этого на ограниченных участках действия создается большая плотность ионизации (особенно от альфа-излучения), вызывающая значительные изменения в различных тканях в зависимости от локализации облучения. Этим определяются многие особенности патогенетического действия данных видов излучения.
Различие биологического действия не всегда можно объяснить только плотностью ионизации. Несмотря на одинаковую дозу при равной интенсивности, эффективность нейтронного облучения, как уже указывалось, во много раз выше (особенно при хронических воздействиях) по сравнению с гамма-излучением и лучами Рентгена. Причины этого различия не всегда ясны.
Первичное действие ионизирующей радиации
Начальным этапом действия ионизирующих излучений является процесс ионизации. Ионизации могут подвергаться все элементы организма. Вода, составляющая основную массу организма играет определяющую роль в процессах ионизации. Ионизированные частицы воды в присутствии кислорода ведут к образованию химически активных продуктов расщепления в виде свободных радикалов. Среди них наибольшее значение имеют атомарный водород (Н), гидроксил (ОН), гидропероксид (НO2) и перекись водорода (H2O2).
Кратковременно живущие (только в момент действия ионизирующей радиации) свободные радикалы вызывают возникновение цепных химических реакций. Свободные радикалы вступают во взаимодействие с наиболее реактивными белковыми структурами ферментных систем, а именно с сульфгидрильными группами (SH), и переводят их в неактивные дисульфидные группы (S=S). Окисление сульфгидрильных групп белковых молекул может быть представлено в следующем виде:
2R—SH + 2OH == R—S—SR— + 2H2O
2R—SH + 2O2H == R—S—SR— + 2H2O2
2R—SH + H2O2 == R—S—SR— + 2H2O
В результате такого окисления происходит нарушение каталитической активности важнейших тиоловых ферментных систем, участвующих главным образом в синтезе нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот. Установлено, что после облучения в тканях организма происходит уменьшение дезоксирибонуклеиновой кислоты и нуклеопротеидов.
Приведенное выше положение о роли свободных радикалов в биологическом и поражающем действии ионизирующей радиации косвенно подтверждается фактами, свидетельствующими о повышении резистентности организма к действию ионизирующей радиации при понижении парциального давления кислорода и при условиях, ведущих к гипоксии в организме, т. е. тогда, когда возможность образования свободных радикалов резко снижается. Облучение мышей или крыс, находящихся в среде с 5—7% кислорода, ведет к резкому повышению их выживаемости даже при применении абсолютно смертельных доз облучения. Точно таким же защитным действием обладают метгемоглобинобразователи и яды, угнетающие тканевое дыхание (например, KCN).
Наиболее эффективные современные средства химической защиты (цистеин, b-меркаптоэтиламин и др.), будучи внутривенно введены в организм за несколько минут до облучения, действительно оказывают защитный эффект, как это было показано на мелких лабораторных животных.
Предполагают, что тиоловые соединения представляют собой материал для окисляющего действия радикалов ионизированной воды и на этом основана их «защита»; другое мнение заключается в том, что защитное действие этих веществ не прямое, а основано в конечном итоге на явлениях возникающей при этом гипоксии или на замещении недостающих сульфгидрильных групп и активации тиоловых ферментных систем.
Теория радиохимического действия свободных радикалов, образующихся из воды, находит косвенное подтверждение и в том, что радиорезистентность облучаемых биологических субстратов повышается при уменьшении в них содержания воды. Например, кристаллические ферменты и водные растворы ферментов проявляют совершенно различную чувствительность к облучению последние более чувствительны. Зерно более радиорезистентно, чем проросший стебель, и т. д.
Важным внешним фактором, от которого зависит чувствительность биологических объектов к облучению, является напряжение кислорода в них. При облучении биологических объектов в отсутствие кислорода или при его пониженном давлении действие облучения, при прочих равных условиях, будет менее выраженным, чем при нормальном напряжении кислорода. Иными словами, биологические Объекты при недостатке кислорода становятся менее чувствительными к облучению. Таким путем радиочувствительность можно снизить в два-три раза.
Свойством повышать радиочувствительность клеток, помимо кислорода, обладает окись азота (NO), что показано в опытах с дрожжами и бактериями. С другой стороны, закись азота (N2O) понижает, как и некоторые инертные газы, чувствительность к облучению.
Кислородный эффект проявляется в отношении самых разнообразных показателей воздействия ионизирующего излучения на живые объекты: выживаемости, торможения роста, а также морфологических и биохимических изменений в клетках. Повышение чувствительности к облучению с возрастанием давления кислорода имеет свой предел: содержание кислорода во вдыхаемом воздухе выше 20% уже не влияет на чувствительность. Кислородный эффект мало выражен или совсем отсутствует при облучении a-частицами или протонами, т. е. излучением с большой плотностью ионизации.
Вероятно, наиболее близким к истине будет предположение, что от наличия кислорода в среде зависит направление начальных химических реакций, возникающих в результате ионизации в воде. Ранее указывалось, что в воде, в которой растворен кислород, образуется радикал HO2. Это предположение подтверждается отсутствием кислородного эффекта при облучении альфа-частицами и протонами, так как радикал HO2 в этом случае образуется и в бескислородной среде. Понятно также, почему для кислородного эффекта важно, чтобы недостаток кислорода ощущался именно в момент облучения, а не до или после него. Ведь радикалы образуются и исчезают, участвуя в первичных химических реакциях, всего за 10-5 — 10-6 сек.
При недостатке кислорода в клетке не будет образовываться радикал RO2, т. е. органические перекиси. Поэтому при последующих реакциях в клетках будет меньше накапливаться ненормальных продуктов обмена. Объяснение механизма кислородного эффекта осложняется еще тем, что этот эффект наблюдался и при облучении сухих биологических объектов. Например, сухие семена ячменя облучали g-лучами в кислороде, затем проращивали. На седьмой день измеряли высоту проростков. То же делали с семенами, облученными в бескислородной среде. В первом случае чувствительность семян была в 8 — 9 раз выше, чем во втором.
Несмотря на приведенные выше факты, вопрос о первичном действии ионизирующей радиации посредством ионизации воды и возникновения окисляющих радикалов не может считаться окончательно решенным. Кратковременно живущие (доли секунд) свободные радикалы обеспечивают длительные радиохимические процессы. При применении даже смертельных доз облучения от момента воздействия ионизирующей радиации до периода развития лучевой болезни проходит некоторое время (одна-две недели). В связи с этим Б. Н. Тарусов и предложил гипотезу возникновении цепных, самоускоряющихся реакций. Расчетные данные показывают сравнительно ничтожные количества поглощенной энергии, которая, по мнению некоторых авторов, недостаточна для образования значительных количеств окисляющих радикалов. Вызывает сомнение то, что радиохимические процессы, совершающиеся в воде, являются единственным механизмом, посредством которого ионизирующая радиация оказывает свое действие на живые биологические структуры.
Тем не менее теория непрямого действия ионизирующей радиации через образовавшиеся продукты радиолиза воды — наиболее обоснованная схема первичного биологического действия ионизирующей радиации.
Общие вопросы
Любая болезнь представляет собой более сложную реакцию по сравнению с непосредственным действием патогенных факторов на ткани. Эти реакции основаны на закономерностях взаимоотношения организма и среды. Они усложняются по мере филогенетического развития организмов. Нервная система первая реагирует на воздействие внешней среды в условиях нормы, поэтому трудно допустить возможность действия чрезвычайных раздражителей на организм вне первичного участия нервной системы. Наряду с возможностью непосредственного поражающего действия ионизирующей радиации на ткани и гуморальную среду существует возможность опосредованного влияния ионизирующей радиации на организм через его нервную систему.
При определении схемы воздействия следует учитывать то, что повреждение различных тканей организма не происходят равномерно. Вследствие этого было выдвинуто положение о различной радиочувствительности ткани, причем мерой её считается та доза облучения, которая может вызвать дегенерацию клетки или некробиоз (Холтхузен). На основании этого морфологического критерия была составлена шкала различной радиочувствительности тканей. При этом указывалось, что различная чувствительность зависит от: 1) интенсивности митотических процессов; 2) обменных процессов; 3) степени дифференциации и развития клеток. Ткани, по чувствительности, составили следующую последовательность:
Гемопоэтические ткани (включая лимфоидную), кишечные железы, эпителий половых желез, эпителий кожи и хрусталика, эндотелий, фиброзная ткань, внутренние эпителиальные органы, хрящ, кость, мышцы, нервная ткань.
Нет оснований отрицать возможность прямого повреждающего действия ИР (ионизирующей радиации) на клетки и ткани, и что структурная поражаемость различных тканей облученного организма, судя по конечным результатам болезни, действительно различна. Но здесь смешиваются такие понятия, как индивидуальная радиочувствительность ткани и ее поражаемость, зависящая от целого комплекса факторов. Даже в таких в такой нечувствительной ткани, как скелетная мускулатура, в которой процессы митоза почти не идут и в которой после облучения нет никаких видимых гистологических изменений, возникает такие нарушения, которые могут быть обнаружены после нанесения травмы, вызывающей усиление процессов регенерации. В таких условиях выявляется длительная (до 6 месяцев) потеря способности к регенерации. Изучение физиологических состояний нервной системы показало, что со стороны её имеют место серьёзные функциональные изменения, хотя многие относили её к наименее радиочувствительным, ведь митоз там почти не проходит.
Наиболее важным и имеющим несомненно большое значение для понимания патогенеза лучевой болезни следует считать установленное положение о том, что подавление процессов тканевой регенерации представляет собой одно из характерных явлений, вызываемых действием ИР. Причем физиологические нарушения в тканях не являются следствием их прямого повреждения. В пользу последнего утверждения говорит то, что при общих облучениях организма, вызывающих даже смертельное лучевое заболевание, не происходит непосредственное повреждение тканей самим облучением, и то, что при общем облучении организма необходимая доза ИР для нарушения физиологических функций ткани во много раз меньше по сравнению с дозой, необходимой для повреждения тех же тканей, но изолированных и находящихся вне организма.
Установлено, что наименьшая доза рентгеновых лучей, вызывающая подавление митотической активности эпителия роговицы лягушки, равна 2 р, а у крысы ~ 20 р, в то время как некроза клеток роговицы не удается получить даже при дозах облучения в 100000—200000 р. В экспериментальных исследованиях на мышах и морских свинках было доказано, что ткань селезенки морской свинки, облученной дозой, во много раз превышающей смертельную, при трансплантации через сутки после облучения здоровой морской свинке обнаружила все признаки хорошей регенерации.
Если значительные изменения в регенерации и кроветворении возникают при общем облучении организма дозами, меньшими чем 1000 р, то эти изменения, по-видимому, обусловлены нарушениями регуляторных функций организма, подавляющим обменные процессы, необходимые для регенерации кровяных клеток. Здесь на первое место выходит роль нервной системы.
Роль нервной системы
Широко распространенное среди зарубежных исследователей мнение о нечувствительности нервных клеток к проникающему ионизирующему излучению основано главным образов на отсутствии выраженных гистологических изменений в нервных клетках при действии даже смертельных доз общего облучения. Констатируемые изменения в головном мозгу при облучении головы в условиях эксперимента или у умерших облучавшихся пациентов большинство авторов рассматривает как результат вторичных изменений вследствие нарушения мозгового кровообращения.
Высокая радиочувствительность нервных клеток отмечалась только у молодых животных. Клетки коры головного мозга новорожденных мышей разрушаются даже при дозах облучения в 80—120 р. Считали, что в процессе индивидуального развития по мере дифференцировки нервных элементов их рентгеночувствительность понижается. Однако имеются данные, свидетельствующие, что, при облучении ИР, гистологические изменения клеток головного мозга, свойственные гипоксическим состояниям, развиваются раньше, чем наступают видимые поражения сосудов (было показано на крысах). Таким образом, есть основание считать возможным первичные изменения в клетках нервной системы при воздействии уже сравнительно небольших доз радиации и пересмотреть мнение о нервной ткани, как о самой нечувствительной к воздействию ионизирующих излучений.
Все же механизмы нарушений в деятельности нервной системы сложнее, чем простое повреждение клеток в следствие первичного воздействия ИР. П. С. Купалов впервые применил метод условных рефлексов для изучения корковых функций облученных собак. М. И. Неменов своими исследованиями установил, что условные рефлексы после облучения головы сначала возрастают, а затем снижаются на длительный срок. При изменении стереотипа, при переделке дифференцировочного раздражителя на положительный или при применении дополнительного раздражителя М. И. Неменов получал нарушения условнорефлекторной деятельности у собак от облучения головы даже в дозе в 1000 р. В то же время для получения таких же изменений без дополнительных нагрузок на нервную систему нужны были дозы порядка 3000 р.
Показано, что нарушения корковой динамики определяются не только количеством поглощенной энергии, но зависят также от функционального состояния высших отделов центральной нервной системы в момент действия ионизирующей радиации. Участки нервной системы, находящиеся в состоянии возбуждения, являются более чувствительными. Данное положение было подтверждено другими исследователями. Уже на основании этого можно судить об исключительном значении нервной системы в развитии лучевых поражений.
Наиболее обстоятельные исследования по изучению физиологического состояния головного мозга были проведены на кроликах М. Н. Ливановым и его сотрудниками (1954, 1956). Работы проводились с применением электроэнцефалографических исследований у кроликов, однократно тотально облученных дозами в 500—1000 р. Наблюдения показали, что сразу же после облучения было усиление биотоков, сопровождающееся резким повышением корковой возбудимости и реактивности. В ближайшие часы происходило снижение функциональной активности коры головного мозга. Вслед за фазой угнетения наступало восстановление активности, за которым следовал период относительной нормализации, отличающийся неустойчивостью корковой деятельности. На фоне относительного благополучия через 10—14 суток после облучения могла наступить гибель животного. В это время наблюдалось падение корковой активности, проходящее через стадию кратких приступов возбуждения.
Работы А. А. Графова помогли внести бóльшую ясность в вопросе участия нервной системы в патогенезе лучевой болезни. Оказалось, что при этой патологии, так же как и при других заболеваниях, по-видимому, раньше всего происходит ослабление процессов внутреннего торможения. Клиническая симптоматология развивающейся лучевой болезни могла проходить как на фоне резкого угнетения условнорефлекторной деятельности, так и на фоне ее относительной нормализации. Таким образом, функциональное состояние высшей нервной деятельности не всегда может служить показателем последующего течения и исхода лучевой болезни. Эти факты имеют принципиальное значение, так как они свидетельствуют о том, что наступающая нормализация корковой деятельности вследствие ее высокой пластичности уже не может предотвратить глубоких дистрофических изменений, возникающих в облученном организме. Очевидно, прогрессирующее ухудшение состояния обусловливается более стойкими изменениями других отделов нервной системы или включением других патогенетических механизмов в виде расстройств эндокринной регуляции, появления токсемии и др.
Большой эффект имеет облучение ионизирующей радиацией спинного мозга. Такое облучение сопровождается нарушение спинномозговых рефлексов. Отмечается наличие фазного изменения рефлекторной возбудимости в виде начального повышения возбудимости и последующего ее понижения, в зависимости от исходного физиологического фона. При этом наблюдаются парезы, параличи, изменения структуры поперечно-полосатой мускулатуры, гистологические изменения элементов спинного мозга. Была установлена решающая роль сенсорной части спинного мозга в развитии судорожного процесса (при облучении спинного мозга с перерезанными задними корешками судороги не развивались).
Все сказанное относилось к патологии, развивающейся в результате локального облучения, непосредственного воздействия на центры нервной системы. Долгое время сравнительно мало проводилось исследований с общим облучением организма. Между тем в большинстве случаев приходится сталкиваться с острой лучевой болезнью, развившейся после тотального облучения организма. В этих случаях механизмы развития болезни гораздо сложнее.
Исследования Ю. Г. Григорьева показали, что изменения функционального состояния коры больших полушарий головного мозга наступают в течение первых секунд от начала облучения, когда нет никаких оснований думать о возможном повреждении каких-либо тканей. В экспериментальных и клинических наблюдениях различных ученых было показано, что облучение области промежуточного мозга в дозах в 5—10 р уже может вызвать целый ряд изменений в тканях, обусловленных ионизирующей радиацией: кратковременную лейкопению, повышение проницаемости сосудов. Роль рефлекторных механизмов в этих сдвигах не может быть исключена. Таким образом, можно считать несомненным, что вовлечение в процесс нервной системы может быть вызвано не только повреждением радиочувствительных тканей организма, но в первую очередь и реакциями самой нервной системы, которые определяются уже в момент действия ионизирующей радиации.
Далее возникает вопрос, каким образом можно представить пути нарушения функциональной деятельности, а затем, очевидно, и структурных поражений в нервной системе. Ответ на этот вопрос может быть дан пока что в самой общей форме. Здесь нужно учитывать: 1) влияние эффектов ионизации в тканях самой нервной системы; 2) возникающие изменения внутренней среды организма, которые ведут к нарушению центрально-периферических взаимоотно-шений в нервной системе; 3) функциональные нарушения нервной системы, вызывающие изменения регуляции кровообращения, которые в свою очередь ведут к дальнейшим структурным изменениям в нервной системе.
Наиболее важное значение имеет, по-видимому, второй путь нарушений. Он был подвергнут обстоятельному изучению в лаборатории М. Н. Ливанова. На основе фактов, добытых в его лаборатории, можно утверждать, что при лучевой болезни действительно происходят нарушения центрально-периферических отношений в нервной системе. Так, исследование периферических анализаторов кожи показало, что после облучения возникает повышение чувствительности рецепторов, периодически меняющееся, которое в период усиления активности может вести к появлению в нерве так называемых «спонтанных» разрядов, т. е. разрядов возникающих вне видимой связи с наносимым на кожу тактильным раздражением. Очевидно, слабые подпороговые раздражения, действующие на кожные покровы после облучения становявятся надпороговыми. В том же направлении меняется возбудимость других рецепторных приборов (интерорецепторов) и анализаторов в целом. При этом патологическая импульсация с периферии оказывается чрезмерной для высших отделов центральной нервной системы. Изменения в центральной нервной системе в свою очередь отражаются на периферии. Разумеется, не исключается и роль прямого влияния ионизирующей радиации на нервные центры.
Учитывая сказанное становится понятным, почему тотальное облучение оказывается наиболее тяжелым, так как при этом происходит взаимное усиление влияний ионизации: с периферии через соответствующие рецепторы и в результате прямого воздействия на центры.
Возникающие изменения в различных отделах центральной нервной системы ведут к нарушениям нервной регуляции, которые сопровождаются изменениями кровоснабжения, обмена, функций и структуры. Все это может быть объединено под общим названием нервных дистрофий.
Возможность возникновения таких дистрофических изменений под влиянием облучения была показана в лаборатории М. Н. Ливанова прямыми опытами с облучением у кроликов одной конечности. Облучение дозами в 3000—5000 р ведет к возникновению язвы не только на облученной, но и на необлученной конечности на строго симметричном участке. Эти опыты показывают, что при облучении одной конечности, возникающая патологическая импульсация вызывает изменения в центрах, а изменения, возникающие в центрах нервной системы, в свою очередь отражаются на состоянии периферии, вызывая дистрофические изменения кожных покровов даже на необлученной конечности. Деафферентация облученной конечности предотвращает развитие подобного рода дистрофических изменений на необлученных контралатеральных участках.
Общие механизмы развития болезни могут быть представлены в виде схемы:
 |
Учитывая возможность возникновения патологических процессов в результате воздействия на рецепторный аппарат нервной системы, можно понять, почему тяжесть общих явлений зависит не только от дозы поглощенной энергии, но и от величины объема и площади облученной части организма. Чем больше площадь, тем тяжелее общие явления, что, по-видимому, объясняется количеством афферентных систем, вовлеченных в сферу действия ионизирующей радиации. С этой и зрения становится понятным, почему именно облучением, живота, т. е. области, наиболее богатой чувствитель-ными элементами, легче всего вызвать общие изменения организма, свойственные лучевому заболеванию.
Особенно велико значение нарушений нервной системы в тех дистрофических процессах организма, которые наступают в отдаленные сроки после облучения. Разнообразные дистрофии развиваются уже на основе структурных изменений в сосудах и тканях центральной нервной системы.