Радиочувствительность тканей и органов организма Радиационные синдромы: действие ионизирующего излучения на систему кроветворения, пищеварения и центральную нервную систему 2. Сердце (Соr) 4. Печень(Нераr) 6. Желчный пузырь (Vesica fellea или biliaris) 7. Правый изгиб толстой кишки 8. Восходящая часть толстой кишки (Colon ascendens) 9. Поперечно-ободочная часть толстой кишки (Colon transversum) 10. Слепая кишка (Caecum) с червеобразным отростком (Appendix vermiformis) 11. Селезенка (Lien или Splen) 12. Желудок (Ventriculus) 15. Полость рта (Cavumoris) 16. Глотка (Pharynx) 17. Пищевод (Oesophagus) 18. Желчные протоки, желчный ход 19. Двенадцатиперстная кишка - верхний отрезок тонкой кишки (Duodenum) 20. Нижний отрезок тонкой кишки (lleum) 21. Поджелудочная железа (Pancreas) 22. Лента толстой кишки (Taenia coli) 23. Средний отрезок тонкой кишки (Jejunum) 24. Нисходящий участок толстой кишки (Colon descendens) 25. Сигмовидный участок толстой кишки (Colon sigmoideum) 26. Прямая кишка (Rectum) 10 декабря 2012 г.

Детерминированные радиационные эффекты Есть положительная зависимость от дозы, проявляются достаточно быстро (кроме радиационной катаракты) пример: радиационные синдромы млекопитающих, ЛБ

Стохастические (вероятностные) радиационные эффекты не определена зависимость эффекта от дозы; проявляются через достаточно большой интервал времени; пример– радиационный канцерогенез Сроки регистрации повышенного риска лейкозов и солидных опухолей у японцев, переживших бомбардировки (Шигемацу, 1993) миелома - новообразование ретикулярных (предшественники эритроцитов) плазматических клеток Радиационная эпидемиология

Факторы, определяющие закономерности радиационного поражения организма: Радиочувствительность отдельных тканей, органов и систем, в том числе критических*, - ответственных за выживание организма Величина поглощенной дозы излучения и ее распределение в облучаемом объеме и во времени * критические органы - органы растений, животных и человека, повреждение которых ионизирующими излучениями играет ведущую роль в развитии лучевого поражения. Критические органы для человека кроветворные органы, желудочно-кишечный тракт, эндокринные железы

Радиационные синдромы млекопитающих Костномозговой (кроветворный) Кишечный (желудочно-кишечный) Церебральный Для вышеупомянутых критических систем характерна прямая зависимость морфологических и функциональных изменений от поглощенной дозы

Радиационные синдромы впервые обнаружены в 1940-х гг в экспериментах с мышами: зависимость средней продолжительности жизни от дозы излучения состоит из нескольких участков: при дозе до 10 Гр – продолжительность жизни несколько дней-недель, при дозе Гр – плато, продолжительность жизни не изменяется, при дозе более 100 Гр – продолжительность жизни резко сокращается. Ступенчатый характер отмирания связан с выходом из строя критических систем

Зависимость средней продолжительности жизни млекопитающих от дозы излучения (1) и ее отклонения (2, 3), полученные в экспериментах с мышами, крысами, хомячками, морскими свинками и обезьянами (Бонд и др., 1971) Наличие плато на кривой свидетельствует о том, что регистрируемое несовместимое с жизнью повреждение той или иной системы наступает после достижения определенного уровня поражения, т.е. имеет пороговый характер. обнаружен для разных млекопитающих, лягушек, ряда насекомых, червей (1970г).

Зависимость средней продолжительности жизни человека и обезьян от дозы излучения Время жизни механизм поражения

Дискриминационные эксперименты, подтверждающие радиационные синдромы методы: облучение отдельных органов, экранирование участков критических систем, трансплантация кроветворных тканей

Подтверждение кроветворного механизма: - Экранирование активного сегмента костного мозга (например, свинцом); - выведенной наружу селезенки у мышей; - пересадка костного мозга облученным животным от интактных – предотвращение или снижение % гибели животных при дозах до 10 Гр.

Подтверждение кишечного механизма: -одинаковая картина поражения независимо от того, подвергались они общему облучению или локальному облучению выведенного наружу кишечника в одинаковых дозах. -Гибель мышей в одни и те же сроки (3-5 сут),

Подтверждение церебрального механизма: Локальное облучение головы в дозах, превышающих 150 Гр - гибель происходит в первые сутки или часы и сопровождается судорогами. При дозе >= 1000 Гр смерть наступает мгновенно вследствие денатурационной дезактивации клеток – «молекулярная гибель»

Взрослый организм находится в состоянии клеточного гомеостаза (устойчивого равновесия) – строго сбалансированного клеточного самообновления, происходящего в ряде жизненно важных систем. Поражение систем определяется их индивидуальной радиочувствительностью.

Ключевые характеристики критических систем организма, «ответственных» за основные радиационные синдромы: кроветворная и желудочно-кишечная – высокая скорость клеточного обновления; центральная нервная система – клеточного обновления почти не происходит (у половозрелых животных и человека)

Типы радиобиологических реакций клеток, характерные для любой системы обновления (подробно изложено в теме 7) 1.Временное прекращение деления всех клеток независимо от того, какая из них выживет в последующем; 2.Гибель молодых, малодифференцированных и делящихся клеток (апоптоз); 3.Изменения (минимальные) продолжительности процесса клеточного созревания и времени жизни большинства зрелых клеток и скорости их выхода в функциональное состояние

Органы кроветворения – наиболее радиочувствительные критические органы Селезенка, лимфатические узлы, тимус, костный мозг

Селезенка - самый крупный лимфоидный орган Делится на две области: 1) красную пульпу – скопление антител- утилизация эритроцитов, очистка крови; 2) белую пульпу, состоящую из лимфоидной ткани. Белая пульпа – главное место продукции антител. Функции. На ранних стадиях развития плода селезенка служит одним из органов кроветворения. К девятому месяцу внутриутробного развития образование как эритроцитов, так и лейкоцитов гранулоцитарного ряда берет на себя костный мозг, а селезенка, начиная с этого периода, производит лимфоциты и моноциты. При некоторых болезнях крови, в селезенке вновь появляются очаги кроветворения, а у ряда млекопитающих она функционирует как кроветворный орган в течение всей жизни. У взрослого человека селезенка выполняет несколько функций: -фагоцитирует (разрушает) отжившие кровяные клетки и тромбоциты -превращает гемоглобин в билирубин и гемосидерин. -главный источник циркулирующих лимфоцитов, особенно в юности и у молодых взрослых. -фильтр для бактерий, простейших и инородных частиц, -Продукция антител. -служит резервуаром эритроцитов, которые в критической ситуации вновь выходят в кровоток.

лимфатические узлы расположены по ходу лимфатических сосудов. У человека их насчитывается свыше 400. Функции. Фильтруют протекающую лимфу. Любые частицы, попавшие в лимфу, задерживаются в узлах и сталкиваются с лимфоцитами (татуировки!)

Тимус ТИМУС (вилочковая, или зобная, железа), эндокринная железа, играющая важнейшую роль в формировании иммунитета – центральный орган иммунной системы. Она стимулирует развитие Т («тимусных») – клеток как в собственной ткани, так и в лимфоидной ткани других частей тела. У человека тимус состоит из двух долей, расположенных в верхней части грудной клетки сразу за грудиной.– Функция. Кровь доставляет в тимус незрелые стволовые клетки костного мозга (лимфобласты), где они вступают в контакт с эпителиальными клетками и трансформируются в белые кровяные клетки (лимфоциты) – клетки лимфатической системы. Некоторые лимфоциты здесь и погибают, тогда как другие продолжают развиваться и на различных стадиях, вплоть до полностью зрелых Т-клеток, выходят из тимуса в кровь и лимфатическую систему для циркуляции по организму.

Красный (или кроветворный) костный мозг у человека Локализация: 1.Плоские кости - тазовые кости (у взрослого человека, в большей степени) 2.Внутри эпифизов длинных трубчатых костей 3.внутри тел позвонков (в меньшей степени) В кроветворной ткани костного мозга выделяют три клеточных линии, три популяции клеток, являющиеся родоначальниками соответствующих клеток крови: лейкоцитарный, эритроцитарный и тромбоцитарный 1 2 3

основное назначение костного мозга – продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови

Периферическая кровь: состав и функция Кровь состоит из двух основных компонентов плазмы и взвешенных в ней форменных элементов. Главная функция крови транспортная состоит в снабжении тканей кислородом и питательными веществами а также в выведении из них конечных продуктов обмена. Плазма крови содержит воду и растворённые в ней вещества белки и другие органические и минеральные соединения. В плазме крови растворены также питательные вещества (в частности, глюкоза и липиды), гормоны, витамины, ферменты, промежуточные и конечные продукты обмена веществ, а также неорганические ионы. Форменные элементы крови представлены эритроцитами, тромбоцитами (представляют собой осколки цитоплазмы гигантских клеток костного мозга) и лейкоцитами Эритроцит и лейкоцит Главная функция лейкоцитов защита. Они участвуют в иммунных реакциях, вырабатывают антитела, а также связывают и разрушают вредоносные агенты. В норме лейкоцитов в крови намного меньше, чем других форменных элементов. Основная функция эритроцитов – снабжение органов кислородом и выведение углекислоты Функция тромбоцитов – свертывание крови

Радиационное поражение костного мозга – костно-мозговой (или кроветворный) синдром - поражение системы кроветворения наблюдается при среднелетальных дозах для человека, собаки и свиньи при 2,5-3 Гр для морских свинок – 4,5 Гр для мышей и хомячков – 6-6,5 Гр для кроликов – 7,5 Гр результат: клеточное опустошение органов кроветворения (вышеперечисленных)

Система клеточного обновления* Пул недифференцированных (стволовых) клеток – обеспечивает постоянную скорость клеточного обновления в системе Пул дифференцированных клеток - созревание клеток Пул функциональных клеток – отмирание и удаление клеток * Время указано для гранулоцитов

Радиочувствительность клеточных пулов (стволовые клетки; делящиеся-созревающие; созревающие, зрелые) Наиболее радиочувствительные клетки – стволовые (гибель стволовых клеток происходит по механизму апоптоза); По мере созревания радиочувствительность клеток снижается; Пример: предшественники В-лимфоцитов имеют пороговую дозу D 0 =0,89 Гр, дифференцирующиеся клетки – 1,25 Гр, зрелые лимфоциты – 2,23 Гр. СозревающиеТ- лимфоциты имеют D 0 =4,41 Гр, зрелые – 10,95 Гр.

Зависимость «доза-эффект» для стволовых кроветворных клеток Плечо на кривой выживаемости маленькое – свидетельство низкой репарационной способности, Крутой наклон – свидетельство высокой радиочувствительности

Относительная радиочувствительность клеток крови и их предшественников 1 – радиочувствительные клетки (исчезают быстро); 2 - относительно радиочувствительные клетки (исчезают медленнее); 3 – относительно радиорезистентные клетки (могут заканчивать созревание) 4 – радиорезистентные клетки (заметно не повреждаются)

Радиационные нарушения кроветворения Последствия опустошения ранних пролиферирующих компонентов в результате облучения Систему клеточного обновления костного мозга можно разделить на 2 компартмента: молодые и делящиеся клетки (объединяет три первых пула); зрелые функциональные клетки периферической крови

Скорость клеточного опустошения костного мозга не зависит от дозы (скорость опустошения не увеличивается при возрастании дозы) Следствие: вместе с жизнеспособными в кровь выходят и летально поврежденные клетки 3-10 Гр

Выживаемость клеток костного мозга и компонентов периферической крови 1 – опустошение костного мозга: перегиб – начало регенерации Характер изменения морфологии крови зависит от времени жизни ее компонентов и скорости их выработки Самое медленное уменьшение: 6 – эритроциты - наиболее долгоживущие клетки (100 дней) – скорость уменьшения их численности составляет 1% в сутки Наличие плеча: 5, 4 – тромбоциты, нейтрофилы – короткое время жизни; Самое быстрое: 2, 3 – лейкоциты (сумма) и лимфоциты – самая высокая радиочувствительность – погибают сразу после облучения Гибель лимфоцитов становится причиной иммунного дефицита Нейтрофилы – микрофаги, один из типов лейкоцитов. Способны к фагоцитозу мелких инородных частиц, в т.ч. бактерий, могут также лизировать (растворять) омертвевшие ткани.

Фазы изменения в клеточном составе крови 1) лаг-фаза (сохранение исходного числа клеток) 2) Ранняя дегенеративная (фаза первого опустошения) 3)Абортивный подъем 4) Максимальное понижение числа клеток (повторное опустошение) 5) Регенерация см.рис.далее Продолжительность фаз и глубина выраженность эффекта зависит от дозы

Динамика компонентов периферической крови после облучения I Фаза дегенерации II Фаза абортивного подъема III Фаза восстановления до исходного уровня Абортивный подъем – механизм, позволяющий организму жить в течение более длительного времени 1 – отмирающие (сильно поврежденные) клетки, быстро исчезающие из системы; 2 – поврежденные клетки (некоторое время пролиферируют, но через несколько делений отмирают они и их потомство); 3 – общее количество клеток; 4 – выжившие клетки IIIIII

Радиационное нарушение пищеварения - поражение желудочно-кишечного тракта – желудочно-кишечный синдром проявляется при дозах от 8-10 до Гр У млекопитающих наиболее важны изменения в тонком кишечнике: опустошение крипт и ворсинок Подавление обновления клеток в криптах и ворсинках кишечника (стволовых клетках кишечного эпителия) наблюдается в более ранний период, чем полное подавление обновления клеток в кроветворных органах. (Через 3-5 суток) Функция тонкого кишечника: всасывание пит. веществ из химуса; у человека l=7-8 м.

Строение стенок и слизистой оболочки тонкой кишки: Ворсинки: Каждая ворсинка содержит сеть кровеносных сосудов и лимфатический (млечный) сосуд. Аминокислоты, глюкоза, соли и водорастворимые витамины всасываются в кровеносные капилляры, а затем по системе воротной вены поступают в печень, где из них синтезируются собственные белки, липиды и гликоген. Крипты - железы кишечного сока 1 Слизистая оболочка тощей и подвздошной кишок 2 Ворсинки на слизистой тощей кишки (снимок получен на электронном микроскопе) 3 Складка, покрытая ворсинками 4 Вид стенки jejunum - тощей кишки 6 Ворсинка 14 Оболочка jejunum - тощей кишки 15 Эпителий 16 Ворсинка 17 Лимфатический капилляр 20 Центральный млечный сосуд (лимфатический путь) 21 Крипты, или железы Либеркюна (железы кишечного сока) крипта Слизистая оболочка тощей и подвздошной кишок Складка, покрытая ворсинками

Механизмы, определяющие летальный исход (составляющие кишечного синдрома): оголение эпителиальных клеток, инфекционные процессы (инфекция кишечной микрофлоры), поражения кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов накопление продуктов перекисного окисления (общетоксическое действие на организм)

Потеря клеток из крипт (а) и ворсинок (б) у обычных (1) и выращенных в стерильных условиях (2) мышей после общего рентгеновского облучения в дозе 30 Гр Опустошение крипт происходит на 1-2 сутки, ворсинок – на 3-4 сутки (средний срок гибели животных от ж/к синдрома) В стерильных условиях предотвращаются инфекционные процессы, что позволяет продлить время жизни ворсинки крипты

Выживаемость стволовых клеток кишечника (1) и стволовых кроветворных клеток (2) мышей при гамма облучении; и то же самое при облучении нейтронами (3, 4) При действии плотноионизирующего излучение – гибель преимущественно от ж/к синдрома (нейтроны сильно подавляют восстановление)

Центральная нервная система (ЦНС) ЦНС – морфологически наиболее радиорезистентная критическая система Зрелая нервная ткань состоит из высокодифференцированных непролиферирующих клеток, не способных замещаться в организме. Рисунок. Схематическое изображение нейрона: 1 дендриты; 2 тело клетки; 3 аксонный холмик (триггерная область); 4 аксон; 5 миелиновая оболочка; 6 ядро шванновской клетки; 7 перехват Ранвье; 8 эффекторные нервные окончания. Пропорции между размерами частей нейрона изменены.

Церебральный синдром – радиационное поражение ЦНС проявляется у млекопитающих при возрастании дозы от 10 до 200 Гр Церебральный синдром – следствие функциональной инактивации и гибели нервных клеток Проявления церебрального синдрома – двигательные нарушения, судороги, гибель в коме. Причина: Интерфазная гибель нейронов. Невозможность обеспечения синаптической нейропередачи из-за нарушений функций нейронов головного мозга, обусловленной дезинтеграцией синаптических и других клеточных мембран. Рис. А схема синапсов с химическим и электрическим механизмами передачи (течение тока показано стрелками): е возбуждение; i торможение; химическая передача осуществляется между 1-й и 3-й клетками; электрическая между 2-й и 3-й клетками; Б суммарная схема пресинаптического нервного окончания с размещенными внутри синаптическими пузырьками.

Различия ЦС у разных видов животных Для крыс показано, что гибель от церебрального синдрома является системным ответом всего организма, а не только следствием облучения головного мозга Для крупных животных (собаки, обезьяны) - церебральный синдром может быть вызван облучением только головы (поражение нейронный структур и стенок кровеносных сосудов)

Механизм гибели клеток при высоких и сверхвысоких дозах при высоких дозах радиорезистентные (медленно делящиеся и неделящиеся) дифференцированные клетки других критических органов гибнут в интерфазе по механизму апоптоза, при сверхвысоких дозах – по некротическому пути.

Радиочувствительность организма Радиочувствительность организма млекопитающих обычно связывают с чувствительностью костного мозга – основной критической системы Вид кривой типичен для всех млекопитающих Разброс точек на кривой определяется вариабельностью индивидуальной радиочувствительности

Зависимость радиационной гибели животных (мышей) от их возраста Самая высокая радиочувствительность (у мышей) в первые 2-3 недели Объяснение: высокая скорость пролиферации, большая доля стволовых клеток

Радиочувствительность отдельных органов и тканей Кожа – высокая радиочувствительность; Семенники – высокая; Яичники - наиболее радиочувствительна яйцеклетка Органы зрения – хрусталик - катаракта (поражение ростковой зоны хрусталика) и воспалительные процессы в конъюктиве и склере Органы пищеварения - наиболее радиочувствителен тонкий кишечник, самый радиорезистентный – печень Сердечно-сосудистая система – наиболее радиочувствителен наружный слой сосудистой стенки, Сердце? – изменения миокарда Органы дыхания – отдаленные последствия в легких (пневмониты через суток)

Радиочувствительность отдельных органов и тканей Головной мозг, спинной мозг и периферические нервы – ЦНС – высокорадиорезистентна. Механизм радиационного поражения нервной ткани опосредован поражением сосудов Эндокринные железы – железы внутренней секреции относительно радиочувствительны Органы выделения – почки радиорезистентны, остальные органы -? Кости и сухожилия кости и хрящи радиочувствительны в период роста, замедление заживления переломов Мышцы – высокорезистентные ткани – замедление заживления

Следующая тема: Реакция организма человека на ионизирующее излучение