Лекция № 11 Клеточные эффекты ионизирующей радиации Летальные эффекты ионизирующей радиации. Классификация форм гибели клеток. Цитологические различия и биохимические индикаторы апоптоза и некроза клеток. Правило Бергонье и Трибондо. Тканевая радиочувствительность и причины различной радиочувствительности тканей и органов. МОРФОЛОГИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ Повреждение органов начинается на молекулярном или клеточном уровне, поэтому изучение патологии начинается с познания причин молекулярных механизмов структурных изменений, возникающих в клетках при их повреждении. В ответ на воздействие различных факторов в клетках развивается процесс адаптации. Если лимиты адаптивного ответа клетки исчерпаны, адаптация невозможна, то возникает повреждение клетки, до определенного предела обратимое. Если неблагоприятный фактор действует постоянно то развивается необратимое повреждение, или смерть, клетки. Смерть клетки – конечный результат ее повреждения, следствие ишемии, инфекции, интоксикации, иммунных реакций. Существует два типа клеточной смерти – некроз и апоптоз. ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК Гипоксия. Причины: уменьшения кровотока (ишемия), возникающее при появлении препятствий в артериях (атеросклерозе, тромбозе). Неадекватная оксигенация крови при сердечно-сосудистой недостаточности. Снижение способности крови к транспортировке кислорода, например при анемии, отравлении СО2. Физические агенты. Относят механическую травму, чрезмерное снижение или повышение температуры окружающей среды, внезапные колебания атмосферного давления, радиацию, электрический шок. Химические агенты и лекарства. Глюкоза и поваренная соль, в повышенных концентрациях могут вызвать повреждение клеток непосредственно или путем нарушения их электролитного гомеостаза. Кислород в высоких концентрациях очень токсичен. Даже следы известных ядов (мышьяк, цианиды, соли ртути), могут разрушить достаточно большое количество клеток в течение минут и часов. Разрушительным действием обладают многие факторы окружающей среды: пыль, инсектициды, гербициды; промышленные и природные факторы (уголь, асбест); социальные факторы: алкоголь, курение, наркотики; высокие дозы лекарств. Инфекционные агенты. К ним относятся вирусы, риккетсии, бактерии, грибы, простейшие, паразиты. Иммунные реакции. Развитие некоторых иммунных реакций лежит в основе аутоиммунных болезней. Генетические нарушения. Многие врожденные нарушения метаболизма связаны с энзимопатиями (отсутствие фермента). Дисбаланс питания. Дефицит белковой пищи и витаминов остается распространенным явлением. МЕХАНИЗМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК Существуют четыре внутриклеточные системы, поддерживающие гомеостаз клетки: · Поддержание целости клеточных мембран, от которой зависит ионный и 1 осмотический гомеостаз клетки и ее органелл; · Аэробное дыхание, связанное с окислительным фосфорилированием и образованием аденозинтрифосфата (АТФ); · Синтез ферментов и структурных белков; · Сохранение единства генетического аппарата клетки. Реакция клеток на повреждение зависит от типа, продолжительности действия, тяжести повреждающего фактора. Например, малые дозы токсинов или непродолжительная ишемия могут вызвать обратимые изменения, тогда как большие дозы того же токсина и продолжительная ишемия способны привести к немедленной гибели клетки (клеточной смерти). Механизмы повреждения и смерти клетки 1. Образование свободных радикалов (при недостаточном поступлении кислорода в ткани) возникает свободнорадикальное перекисное окисление липидов (СПОЛ). 2. Нарушение гомеостаза кальция. Свободный кальций в цитоплазме клеток содержится в очень низких концентрациях по сравнению с внеклеточным. Это состояние поддерживается Са2+, Mg2+-АТФазами. Ишемия, интоксикации вызывают увеличение концентрации кальция в цитоплазме, что ведет к активации ферментов, повреждающих клетку: фосфолипаз (повреждение клеточной мембраны), протеаз (разрушение мембраны и белков цитоскелета), АТФаз (истощение запасов АТФ) и эндонуклеаз (фрагментация хроматина). 3. Недостаточность АТФ ведет к потере целости плазматической мембраны и, следовательно, к смерти клетки. 4. Ранняя потеря плазматической мембраной избирательной проницаемости. Она возникает при дефиците АТФ, и при активации фосфолипаз. Плазматическая мембрана может быть повреждена прямым воздействием бактериальных токсинов, вирусных белков, комплементом, физическими, химическими агентами. ФОРМЫ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК Различают: · Ишемическое и гипоксическое повреждение; · Повреждение, вызванное свободными радикалами, включая активированный кислород; · Токсическое повреждение. Ишемическое и гипоксическое повреждение. Чаще обусловлено окклюзией артерий. Основными механизмами гибели клетки при гипоксии являются нарушение окислительного фосфорилирования, приводящее к недостаточности АТФ, повреждению мембран клетки. Важнейшим медиатором необратимых биохимических и морфологических изменений является кальций. Повреждение клетки, вызванное свободными радикалами. Возникает под воздействием химических веществ, радиации, кислорода, старении клеток, разрушении опухолей макрофагами. Свободные радикалы вступает в реакции с неорганическими и органическими соединениями – белками, липидами и углеводами. Для повреждения клетки наибольшее значение имеют три реакции, в которые вступают свободные радикалы. · Свободнорадикальное перекисное окисление липидов (СПОЛ) мембран, ведущее к повреждение мембран, органелл и самих клеток. · Окислительное превращение белков. Свободные радикалы вызывают перекрестное связывание аминокислот (метионин, гистидин, цистин, лизин). Разрушает ферменты посредством нейтральных протеаз. 2 · Повреждение ДНК. Свободные радикалы вступают в реакцию с тимином, входящим в состав ДНК, это ведет к гибели клетки или ее злокачественному превращению. · Токсическое повреждение. Химические вещества (в виде водорастворимых соединений) могут действовать непосредственно, связываясь с молекулами или органеллами клетки. Например, ртуть связывает сульфгидрильные группы клеточной мембраны и вызывает повышение проницаемости клеточной мембраны и торможение АТФаза-зависимого транспорта. При попадании в организм хлорида ртути в наибольшей степени страдают клетки желудочно-кишечного тракта, почек. Цианид воздействует на ферменты митохондрий. Противоопухолевые химиотерапевтические препараты (в том числе антибиотики) вызывают повреждение клеток посредством цитотоксического действия. Химические соединения (жирорастворимые) вначале превращаются в токсичные метаболиты, которые затем действуют на клетки-мишени. При этом образуются свободные радикалы. МОРФОЛОГИЯ ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОК В классической морфологии нелетальное повреждение клеток называется дистрофией. В большинстве случаев она относится к обратимым повреждениям. Некроз наряду с апоптозом является одним из двух морфологических выражений смерти клетки. Апоптоз – это генетически запрограммированная смерть клетки. Апоптоз является разновидностью смерти клетки, для которой характерна конденсация и фрагментация ДНК. Основная биологическая роль апоптоза в норме – установление нужного равновесия между процессами пролиферации и гибели клеток, что в одних ситуациях обеспечивает стабильное состояние организма, в других – рост, в третьих – атрофию тканей и органов. В норме апоптоз имеет место при: эмбриогенезе на стадиях преимплантации, имплантации плодного яйца и органогенеза. Исчезновение клеток путем апоптоза хорошо документировано при инволюции Мюллерова и Вольфова протоков, межпальцевых перепонок, при формировании просветов в полостных органах (в сердце); атрофии зрелых тканей под влиянием эндокринных органов при росте и старении организма (возрастная атрофия тимуса, возрастная инволюция эндометрия, предстательной железы, молочных желез после прекращения лактации, апоптоз В- и Т-лимфоцитов после прекращения действия на них стимулирующего действия соответствующих цитокинов при завершении иммунных реакций. Механизмы апоптоза. 1. Конденсация хроматина. Обусловлена расщеплением ядерной ДНК. При этом создается характерная для апоптоза картина ядра. Фрагментация ДНК развивается с участием кальцийчувствительной эндонуклеазы. 2. Нарушения объема и формы клеток. Они связаны с активностью трансглютаминазы. 3. Фагоцитоз апоптозных телец макрофагами и другими клетками. Обеспечивается рецепторами этих клеток, которые связывают и поглощают апоптозные клетки. 4. Зависимость апоптоза от активации гена – это является одной из важных его особенностей. Это обеспечивается за счет протоонкогенов. Выявлены апоптозспецифические гены, которые стимулируют или тормозят смерть клетки. 3 5. Онкогены и супрессорные гены, играют регуляторную роль в индукции апоптоза (онкоген р53 в норме стимулирует апоптоз; р53 необходим для развития апоптоза после повреждения ДНК радиацией). НЕКРОЗ Некроз (от греч. nekros – мертвый) – гибель клеток и тканей в живом организме. Понятие "некроз" является видовым по отношению к более общему понятию "смерть". Напротив, термин "смерть" используется для обозначения прекращения жизнедеятельности всего организма в целом. Как указывал проф. М.Н. Никифоров (1923), некроз может захватывать отдельные участки тела, целые органы, ткани, группы клеток и клетки. В настоящее время имеется понятие фокального некроза, когда речь идет о гибели части клетки. В условиях патологии некроз может иметь самостоятельное значение или входить в качестве одного из важнейших элементов практически во все известные патологические процессы или завершать эти процессы (дистрофии, воспаление, расстройства кровообращения, опухолевый рост и др.). Морфогенетические стадии некроза: Паранекроз – подобные некротическим, но обратимые изменения; Некробиоз – необратимые дистрофические изменения, характеризующиеся преобладанием катаболических реакций над анаболическими; Смерть клетки, время которой установить трудно; Аутолиз – разложение мертвого субстрата под действием гидролитических ферментов. Установление момента смерти клетки имеет важное теоретическое и клиническое значение в случае решения вопроса о жизнеспособности тканей, подлежащих хирургическому удалению, а также в трансплантологии. Для определения смерти клетки чаще используют морфологические критерии необратимого повреждения клетки. Наиболее достоверными являются разрушение внутренних мембран и отложения электронно-плотных депозитов, содержащих белки и соли кальция в митохондриях, что обнаруживается при электронной микроскопии. Однако на светооптическом уровне изменения в структуре клетки становятся видимыми лишь на стадии аутолиза. Поэтому, говоря о микроскопических признаках некроза, мы фактически говорим о морфологических изменениях в стадии аутолиза, являющихся результатом действия гидролитических ферментах лизосомального происхождения. В настоящее время установлено, что большинство органелл клетки (ядра, митохондрии, рибосомы) также имеют свои собственные гидролитические ферменты, которые принимают активное участие в процессах аутолиза. Микроскопические признаки некроза Заключаются в изменениях ядра и цитоплазмы клеток. Ядра последовательно подвергаются сморщиванию (кариопикноз), распаду на глыбки (кариорексис) и лизируются (кариолизис). Изменения ядер связаны с активацией гидролаз – рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз. В цитоплазме происходит денатурация и коагуляция белков, сменяемая колликвацией. Коагуляция цитоплазмы сменяется распадом ее на глыбки (плазморексис) и лизисом органелл (плазмолизис). При фокальных изменениях говорят о фокальном коагуляционном некрозе и фокальном колликвационном некрозе. Некроз развивается не только в паренхиматозных элементах тканей и органов, но и в их строме. При этом разрушаются клетки стромы, нервные окончания, компоненты экстрацеллюлярного матрикса. Расщепление ретикулярных, 4 коллагеновых и эластических волокон происходит с участием нейтральных протеаз (коллагеназ, эластазы), гликопротеидов – протеаз, липидов – липаз. При микроскопическом исследовании обнаруживаются распад, фрагментация и лизис ретикулярных, коллагеновых и эластических волокон (эластолизис), в некротизированной ткани нередко откладывается фибрин. Описанные изменения характерны для фибриноидного некроза. В жировой ткани некроз носит свои специфические черты в связи с накоплением в некротических массах жирных кислот и мыл, что ведет к образованию липогранулем. Ультраструктурные признаки некроза. Отражают изменения органелл клетки: · В ядре: агрегация хроматина, фрагментация фибрилл, полное разрушение; · В митохондриях: набухание, уменьшение плотности гранул матрикса, образование в нем агрегатов неправильной формы, отложение солей кальция; · В цитоплазматической сети: набухание, фрагментация и распад мембранных структур; · В полисомах и рибосомах: распад полисом, отделение рибосом от поверхности цистерн, уменьшение четкости контуров и размеров, а также количества рибосом; · В лизосомах: агрегация мелких плотных гранул матрикса и его просветление, разрыв мембран; · В цитоплазматическом матриксе: исчезновение гранул гликогена, снижение активности ферментов. В 1906 г. французские исследователи Ж. Бергонье и Л. Трибондо установили, что радиационное повреждение клетки зависит от фазы клеточного цикла и наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются клетки, находящиеся в состоянии митоза или мейоза (правило Бергонье–Трибондо). Чем менее дифференцированы клетки, чем больше у них способность к размножению, тем больше их радиочувствительность. Исключением являются только дифференцированные зрелые лимфоциты, для которых характерна интерфазная (вне митоза) гибель при облучении. Их цитоплазматическая мембрана становится «дырявой» даже после облучения малой дозой – 0,01 Гр. Возможно, как полагают некоторые исследователи, радиация подталкивает зрелые лимфоциты к преждевременному апоптозу. Пользуясь правилом Бергонье – Трибондо, все клетки, ткани и органы можно разделить на два вида – радиочувствительные и радиорезистентные. Радиочувствительными являются центральные и периферические органы иммунной системы (тимус, селезенка, лимфатические узлы и др.), красный костный мозг, яичники и семенники, базальные клетки эпителия кожи и слизистых оболочек, клетки эндотелия и эмбриональные клетки. Наибольшие повреждения после облучения обнаруживаются в тимусе. Японские исследователи Ямала и Охияма даже высказали любопытную гипотезу о «бешеной фосфофруктокиназе», активность которой в тимусе после действия ионизирующего излучения чрезвычайно возрастает, что сопровождается чрезмерным расходованием АТФ и выраженным энергодефицитом, появлением большого количества альдегида и повреждением клеток тимуса. Радиорезистентными считаются кости, хрящи, связки, мышцы, печень, почки и высокодифференцированные клетки центральной нервной системы, которые повреждаются или очень высокими дозами радиации или вторично после повреждения эндотелиоцитов и нарушения кровообращения. Поскольку радиочувствительным является прежде всего непосредственно процесс деления клеток, то вполне понятно, что радиорезистентный орган можно сделать радиочувствительным, стимулируя в нем процесс деления клеток. Например, в эксперименте на животном печень становится радиочувствительной после 5 резекции ее части на фоне активизированной регенерации. Для практической медицины наибольший интерес представляет вопрос «Как повысить радиорезистентность чувствительных к ИР органов и тканей?». Оказывается, самыми эффективными радиопротекторами являются вещества, которые на время тормозят деление клеток (тормозят синтез предшественников ДНК, уменьшают скорость репликации ДНК). Например, введенный до облучения меркамин или более сильный протектор пропамин значительно увеличиваем выживаемость экспериментальных животных. При этом уменьшается повреждение ДНК и выработка дефектных молекул, облегчается работа репаративных ферментов. Механизм действия других радиопротекторов – физико-химический: он сводится к уменьшению количества ионизированных и возбужденных молекул и свободных радикалов, экранированию молекул, перехвату и нейтрализации свободных радикалов. Закономерности поражения целостного организма определяются двумя факторами: 1) радиочувствительностью тканей, органов и систем, существенных для выживания организма; 2) величиной поглощенной дозы облучения и ее распределением в пространстве и времени. Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после облучения или в отдаленные сроки) и их значимость для организма. Следует иметь в виду, что при переходе от изолированной клетки к ткани, к органу и организму все явления усложняются. Эго происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов: ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Находясь в составе ткани, клетки в значительной степени зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая активность, степень дифференцированности, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток не безразличны для их непосредственных «соседей», а, следовательно, и для всей популяции в целом. Общеизвестно, например, что заживление раны происходит вследствие временного ускорения размножения оставшихся клеток, обеспечивающего рост ткани и замещение вызванных травмой тканевых утрат, после чего тип клеточного деления нормализуется. В механизме таких стимулирующих и ингибирующих влияний, испытываемых клетками, принимают участие не только локальные факторы, но и регулирующие системы, поддерживающие состояние гомеостаза в организме. Кроме того, на тканевую радиочувствительность оказывают большое влияние и другие факторы: степень кровоснабжения, величина облучаемого объема и др. Разную радиочувствительность имеют также одна и та же опухоль, привитая в разные органы, и ее метастазы, в зависимости от их локализации. Самый типичный пример радиационного поражения организма животных и человека – острая лучевая болезнь, возникающая после равномерного тотального однократного внешнего облучения. В этом случае одновременно подвергаются радиационному воздействию все системы, органы, ткани и клетки в одинаковой дозе. Наилучшее понимание основных проявлений лучевого поражения организма может быть достигнуто сопоставлением их с поглощенной дозой в «критических органах». 6 Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз облучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения. Таким образом, между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности отдельных жизненно важных (критических) систем. Еще в 40-х годах исследованиями Б. Раевского и Г. Квастлера было обнаружено, что в определенных диапазонах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки гибели мышей не меняются. Соответствующая кривая, описывающая зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы облучения, состоит из трех участков. Начальный участок охватывает период от нескольких недель до нескольких дней и соответствует дозам до 10 Гр. Далее следует плато, где средняя продолжительность жизни не изменяется, несмотря на увеличение дозы от 10 до 100 Гр. На третьем участке показано, что при последующем увеличении дозы средняя продолжительность жизни снова резко укорачивается от нескольких дней до нескольких часов. Рассмотренные участки кривой отражают основные клинические синдромы – костномозговой (кроветворный), желудочно-кишечный и церебральный, развивающиеся вследствие необратимого поражения соответствующих критических систем организма – кроветворной, кишечника и ЦНС. Ступенчатый характер отмирания, связанный с выходом из строя критических систем, к настоящему времени обнаружен для самых разнообразных живых объектов. Таким образом, взрослый организм постоянно находится в состоянии строго сбалансированного клеточного самообновления, происходящего непрерывно в ряде его жизненно важных систем. Ежеминутно в каждой из них отмирают десятки и сотни тысяч «отслуживших» клеточных элементов, заменяясь новыми, заведомо готовыми «пожертвовать» собой через строго определенный срок – и так до конца жизни организма. Такое устойчивое равновесие в системах клеточного самообновления, являющееся необходимым условием надежности поддержания жизнеспособности организма, получило название клеточного гомеостаза. Применительно к рассмотренным выше основным радиационным синдромам две из таких самообновляющихся систем (в основном определяющие выживание или гибель облучаемого организма) – кроветворная и желудочно-кишечная – характеризуются большой скоростью клеточного обновления. В третьей – ЦНС – у половозрелых животных и у взрослого человека клеточного обновления практически не происходит. 7 Костный мозг обладает крайне высокой радиочувствительностью, в связи с чем поражение системы кроветворения всегда наблюдается в той или иной степени при общем облучении как его типичное проявление. Основное назначение костного мозга – продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях гибель или исчезновение каждого клеточного элемента в периферической крови или в другом участке организма компенсируется образованием в среднем одной клетки в костном мозге. Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно дифференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в непролиферирующий пул, где окончательно созревает и становится функционально полноценной. Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления (имеется 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 этот момент на стадии максимальной подготовленности. Таким образом, функционирующая система самоподдерживается из-за необходимости восполнения постоянно происходящих утрат, являющихся своеобразным стимулом к активации всех предшествующих пулов, в результате чего и осуществляется перманентное клеточное обновление. Под действием излучения в любой клеточной системе обновления происходят резкие нарушения динамического равновесия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее значения для жизнедеятельности и к соответствующим последствиям в организме. Основная причина катастрофического опустошения костного мозга, происходящего в самые ранние сроки после облучения, состоит в резком торможении процессов клеточного деления при продолжающемся с неизменной скоростью поступлении зрелых элементов на периферию. Эндокринные железы. Железы внутренней секреции относят к радиорезистентным, хотя реакции эндокринной системы на общее облучение общеизвестны. Так же как в отношении нервной системы, очень трудно отдифференцировать, являются ли эти реакции результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или отражением воздействия излучения на другие системы и весь организм. Можно предположить, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, учитывая тесную взаимосвязь между тирео-, адрено- и гонадотропными факторами гипофиза. Сравнивая радиочувствительность отдельных тканей, следует применять только адекватные критерии. Например, для таких, казалось бы, разных по радиочувствительности органов, как костный мозг и печень, индукция хромосомных аберраций, возникающих под действием эквивалентных доз облучения, почти одинакова. Если же в качестве показателя лучевого поражения использовать не непосредственные, а отдаленные последствия, то для этих органов они будут сильно различаться. Следовательно, понятие радиочувствительности применительно к той или иной ткани, органу или системе весьма относительно. Сравнение радиочувствительности различных тканей свидетельствует о том, что радиочувствительность организма млекопитающих можно связать с 8 радиочувствительностью костного мозга, ибо именно его аплазии, возникающей при тотальном облучении, вполне достаточно для гибели организма. Под радиочувствительностью организма обычно понимают диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома. Для количественного изучения радиочувствительности организма используют кривые выживания или смертности, при построении которых на оси абсцисс откладывают дозы облучения, а на оси ординат – процент гибели в определенного срока наблюдения (чаще всего за 30 сут). По кривой выживания можно оценить дозы, вызывающие гибель любой доли животных. Неправомерно лишь согласно теории использовать термин ЛД100, ибо гибель конкретного животного зависит от вероятности многих событий, а потому в принципе выживание отдельных особей возможно и при «абсолютно летальных» дозах. Наиболее пригодным и чаще всего употребляемым показателем радиочувствительности организма является ЛД50, которую легко определить по графику. Таким образом, клеточным субстратом, ответственным за выживание организма, является пул стволовых клеток системы клеточного обновления, критической в данном интервале доз. 9