С 2000 года в мире зафиксировано более 400 инцидентов, так или иначе связанных с радиацией, в них в совокупности погибло 180 человек. С окончанием холодной войны, казалось бы, ядерная угроза отошла на задний план, но в последнее время все больше людей считают вероятным глобальную войну с применением стратегических ядерных боеголовок. Пока человечество с замиранием сердца наблюдало за пожарами в Чернобыле, Flemming разбирался, что такое лучевая болезнь и как организм человека может бороться с радиацией.
Частицы и волны.
Ионизирующая энергия распространяется разными путями: рентгеновские лучи, гамма-излучение, бета- и альфа-частицы, нейтроны, протоны и др. По своей природе рентгеновское и гамма-излучение — электромагнитные волны, как и обычный свет, только длина волны у ионизирующего излучения значительно короче. Другим отличием ионизирующего излучения является потеря электронов — собственно процесс ионизации.
Процесс взаимодействия у фотонного ионизирующего излучения и у потоков частиц (альфа-, бета-частиц, протонов и т.п.) различный. При прохождении, допустим, бета-частицы (по природе это электрон, двигающийся с большой скоростью) через клетку, она взаимодействует с атомами и молекулами в клетке, вызывая их возбуждение — переход электронов атома на высокоэнергетичную орбиту, или даже ионизацию — «выбивание» электрона из атома. В итоге атом становится нестабильным и образуются крайне активные свободные радикалы, вступающие в различные химические реакции внутри клетки. Ионизирующее излучение, воздействуя на клетку, освобождает электроны, которые начинают действовать уже по описанной выше схеме. Образовавшиеся свободные радикалы по цепочке взаимодействуют с еще неповрежденными молекулами. Главным итогом является повреждение клеточной фосфолипидной стенки (в этом случае клетка погибает) и ДНК.
Повреждение ДНК при облучении происходит по двум механизмам: либо повреждаются две пары нуклеотидов, расположенные в разных местах молекулы, и участок ДНК между ними полностью исключается из молекулы, либо клеточные ферменты сами уничтожают вторую цепочку ДНК при повреждении первой. Любое, даже двухцепочечное повреждение ДНК возможно восстановить (процесс подробно описан в нашей статье про рак), правда, клеточные ферменты могут не успеть закончить процесс до вступления клетки в митотический цикл, и следующее поколение будет уже с поврежденной ДНК, которую новые клетки восстановить уже не смогут.
Ядерная клиника
Лучевая болезнь делится на два вида: хроническая и острая. Острая лучевая болезнь (Acute radiation syndrom в англоязычной литературе) возникает при получении человеком большой дозы радиации на протяжении короткого периода времени. Как правило, такое облучение происходит в результате несчастного случая на производстве ядерного топлива, при аварии на ядерных объектах или при использовании ядерного оружия. Кроме того, острая лучевая болезнь может возникнуть в результате лучевой терапии различных заболевания (например, рака). Хроническая лучевая болезнь возникает при длительном воздействии малых доз радиации или как исход острой формы.
Острая лучевая болезнь клинически делится на три формы: легкую, среднюю и тяжелую, которые развиваются в зависимости от дозы полученного человеком облучения. Доза облучения измеряется в греях , один грей равняется 100 радам. Для понимания объема облучения, необходимого для клинических последствий: при рентгеновском исследовании пациент получает примерно 0,1 Гр. Острая форма лучевой болезни возникает при одновременной дозе облучения от 2 Гр.
Разные ткани организма человека имеют разную восприимчивость к облучению. Наибольшему повреждению подвержены костный мозг, молочные железы у женщин, щитовидная железа, слюнные железы. Меньшей восприимчивостью к радиации обладают почки, половые железы, пищевод и другие органы. Это связанно со скоростью деления клеток в тканях — чем меньше скорость деления, тем больше у клетки шансов исправить поврежденную ДНК.
Симптомы поражения различных систем организма возникают постепенно, скорость их возникновения зависит от дозы единовременно полученной радиации —от попадания в очаг радиации может пройти от нескольких часов до минут и секунд. Первой на радиацию реагирует желудочно-кишечный тракт: тошнота, рвота и диарея. В случае легкой формы лучевой болезни (доза облучения при этом составляет от 2 до 4 Гр) этим все и ограничивается.
Возникновение этих симптомов в течении первых четырех часов свидетельствует о более тяжелой форме болезни. В течении недели поражаются кожные покровы. Происходит десквамация (отторжение) эпителия, кожа пострадавшего лишается защиты от инфекций. Аналогичным образом повреждается эпителий желудка и кишечника, что проявляется внутренними кровотечениями. Помимо этого, появляются симптомы поражения центральной нервной системы: от легких головных болей до глубокой комы при дозах свыше 8 Гр.
Считается, что оказание специализированной медицинской помощи при дозах облучения ниже 2 Гр и выше 8 Гр не влияет на процент выживаемости пострадавших. При низких дозах радиации смертность не велика, 0–5 % всех облученных, при сверхвысоких дозах — смерть наступает на второй неделе после аварии вне статистической зависимости от проведенного лечения. При получении дозы между этих цифр, лечение лучевой болезни приводит к росту выживаемости примерно в половину (без лечения смертность достигает 50 %)
Основной причиной смерти среди больных острой фазой лучевой болезни являются инфекционные осложнения. После повреждения эпителия образуются дефекты, через которые инфекция попадает в организм беспрепятственно. Самым распространенным возбудителем инфекции при лучевой болезни является гемолитический стрептококк группы А (он выявляется у 25 % пострадавших), а также грамм-отрицательные бактерии, являющиеся симбионтами человека: развитию генерализованной инфекции способствует тотальное угнетение ростков крови (т.е. и эритроцитов, и тромбоцитов, и лейкоцитов) под действием радиации. Борьба с этими явлениями в современной медицине включает в себя местную терапию раневых поверхностей, назначения массивных доз антибиотиков, а также использование специальных лекарств, стимулирующих кроветворение в костном мозге для скорейшего восстановления естественного иммунитета.
Защищая ДНК
Несмотря на неутешительные цифры уровня смертности от радиации, организм имеет свои средства защиты от радиации. Как было отмечено, главной причиной повреждения клетки является образование активных радикалов, в особенности активных форм кислорода. Самым опасным для клетки является окисление дезоксирибозы — составной частью ДНК.
Для нейтрализации свободных радикалов в клетке используются вещества с сульфгидрильными группами (на схеме слева— SH) — общее их название аминотиолы. Благодаря тому, что связь между атомом серы и водорода в таких группах нестойкая, атом водорода может переходить к другим соединениям, в том числе и к свободным формам кислорода, тем самым нейтрализуя их химическую окислительную активность. Общее уравнение восстановления окисленных молекул в клетке выглядит так:
deoxyribose (-H)• + RSH = deoxyribose + RS•
WR-1065, другой аминотиол, являющийся продуктом распада препарата этиола, при связывании с ДНК клетки, заставляет менять ее свою пространственную структуру. ДНК сокращается в длине, образуя подобие пружины, тем самым уменьшая количество доступных повреждению нуклеотидов. После такого рода компактизации ДНК естественным образом (из-за физического уменьшения расстояния между участками ДНК) увеличивается активность ферментов транскрипции, в результате чего синтез всех белков в клетке ускоряется.
Одним из белков, чье количество в клетке начинает нарастать, является белок p53 — один из белков-регуляторов клеточного цикла. Этот белок называют главным антиопухолевым фактором нашего организма, так как он блокирует митотический цикл клетки, тем самым останавливая деление предположительно поврежденной клетки. Аминотиолы, кроме активации белка p53, ингибируют другой фермент — топоизомеразу-2, который ответственен за распаковку ДНК и подготовку ее к удвоению перед делением клетки. В итоге клетка застревает в фазе клеточного цикла G1 на 6–8 часов, позволяя клеточным репаративным белкам найти и ликвидировать повреждение внутри кода ДНК.
Синтез аминотиолов, однажды начавшись, лавинообразно увеличивается, достигая концентраций в пять — десять раз больших, чем до облучения клетки.
Это называется «биохимическим шоком», одним из проявлений которого является отек митохондрий — внутриклеточных органелл, на мембране (стенке) которых происходит финальный этап клеточного дыхания — окислительного фосфорилирования — процесса запасания энергии в виде АТФ в клетке. На этом этапе протоны водорода «прыгают» между двумя мембранами митохондрии. Из-за отека митохондрий расстояние между двумя мембранами митохондрий уменьшается, и для того, чтобы запасти тот же объем энергии, необходимо больше «скачков» протонов. В итоге этот процесс занимает больше времени, его эффективность резко снижается, потребность клетки в кислороде растет. Начинается внутриклеточная гипоксия, которая также обладает радиопротекторным действием за счет уменьшения количества образующихся свободных радикалов кислорода.
Помимо биохимического шока, вызывающего повышенное потребление кислорода в клетке, в развитии гипоксии принимают участие такие вещества как адреналин, норадреналин, допамин и другие. Эти вещества вызывают системную гипоксию, вызывая спазм сосудов, тем самым ограничивая циркуляцию крови в тканях.
На основе этих механизмов разработаны препараты-радиопротекторы, которые используются для экстренной защиты пострадавшего в очаге радиационного инцидента или назначаются при больших курсах радиотерапии у онкологических больных.
Согласно исследованиям, наибольшей активностью эти препараты обладают в костном мозге, кишечнике и кожных покровах, т.е. в тех тканях, которые наиболее подвержены радиации. Особенный интерес радиопротекторы вызывают в связи с тем, что действовать они начинают в течении нескольких минут после приема и в эксперименте позволяют защитить организм от сверхвысоких доз радиации. Тем не менее, время действия радиопротекторов такого типа невелико — всего около часа, чего, однако, может быть достаточно, чтобы успеть покинуть очаг радиации.
После воздействия радиации организм начинает восстанавливаться. Начинается подготовка к возможным инфекционным заболеваниям, повышается выработка гормонов и медиаторов воспаления, что приводит, во-первых, к увеличению активности гемопоэза (кроветворения), во-вторых, миграции клеток иммунной защиты в поврежденные радиацией ткани, т.к. они наиболее подвержены возникновению инфекции, вызванной как условно патогенными, так и экзогенными микроорганизмами.
Наконец, организм реагирует на облучение как на типичную стрессовую ситуацию: естественные антиоксиданты, противовоспалительные агенты адаптируют человека к изменившимся условиям окружающей среды.
Помимо острой формы лучевой болезни существует хроническая, возникающая при воздействии малых доз радиации в течении длительного времени либо после перенесенных острых форм болезни. Основными проявлениями хронической лучевой болезни является лучевое поражение кожи (атрофия, разрастание фиброзной ткани), катаракта и, в отдаленной переспективе, онкологические заболевания. При этом нет достоверных данных о возникновении опухолей при воздействии радиации в сверхмалых дозах — до 0,1 Гр.
Йод внутрь
При любой аварии на ядерном объекте встает вопрос: как можно защитится от радиации. Во время аварии на Фукусиме жители Дальнего Востока и Камчатки скупили весь йод в аптеках края, в больницы стали поступать пациенты с ожогами пищевода из-за перорального приема спиртового раствора йода. Для населения отдаленных районов при угрозе ядерного загрязнения существенную угрозу представляет не непосредственно ионизирующее излучение, а радиоактивные изотопы йода, цезия и стронция. Высокую опасность эти изотопы представляют из-за того, что способны накапливаться в организме с последующим возникновением хронической лучевой болезни и, как следствие, раковых заболеваний. В связи с этим, препараты для профилактики лучевой болезни действуют либо по типу насыщения организма нерадиоактивными изотопами, либо связывая радиоактивные вещества и выводя их.
Одним из самых распространенных изотопов является йод, поэтому первым делом при словосочетании “профилактика лучевой болезни” обычный человек вспоминает про настойки йода. Надо понимать, что питье растворов йода в том виде, в котором он продается для обработки раневых поверхностей не только не убережет от радиации, но и грозит тяжелыми последствиями. Для профилактики применяются таблетки йодида калия или раствор Люголя в течении первых 24 часов после возникновения угрозы радиологического загрязнения. За это время щитовидная железа насыщается и не будет накапливать радиоактивный йод в дальнейшем. Для связывания и выведения из организма радиоактивного стронция и таллия используют берлинскую лазурь, в обычной жизни используемую как краситель. Также применяется диэтилентриаминпентауксусная кислота, которая связывает и выводит из организма радиоактивные металлы америций, полоний и кюрий. Однако главной профилактикой лучевой болезни до сих пор является немедленное покидание возможного очага заражения.
Бонус
Как США, так и СССР, проводили учения своих войск, в которых отрабатывали действия в очаге ядерного взрыва. Американские учения в 1951 году проводились под кодовым названием «Desert Rock» (в переводе «пустынная скала»), советские — на пять лет позднее на Тоцком полигоне под кодовым названием «Снежок». Данных о количестве погибших и пострадавших нет.
