Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Компенсаторно-приспособительные реакции системы гемопоэза при хроническом гамма-облучении

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Андреева, Оксана Геннадьевна, Челябинск

На правах рукописи

Андреева Оксана Геннадьевна

Компенсаторно-приспособительные реакции системы гемопоэза при хроническом у- облучении

03.00.13 - "Физиология человека и животных"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук,

доцент Шибкова Д.З. Научный консультант: доктор медицинских наук,

профессор Шведов В.Л.

/П>

4

Челябинск-1998

Список сокращений

АКТГ - адренокорткотропный гормон. БТШ - белки теплового шока.

Гр (Грей) - единица доз'согласно системе СИ (1 Гр=100 рад); относится к дозе на ткань в открытом пространстве. ГМ-КСФ - гранулоцитарно-мегакариоцитарный колониестимули-

рующий фактор. ГФР - гемопоэтический фактор роста

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

До - доза, вызывающая снижение выживаемости до е-1—0,37.

ИЛ - интерлейкин.

КОЕс - колониеобразующая единица в селезенке. ЛД50/30 - Д°за ионизирующего излучения, приводящая к гибели 50% животных в течение 30 дней после облучения.

I

ПТЛ - предшественники Т-лимфоцитов.

СКК - стволовая кроветворная клетка.

УНПЦ РМ - Уральский Научно-практический Центр радиационной медицины.

Оглавление

Введение........................................................................................................6

Глава 1. Обзор литературы...............................................................п

1.1. Адаптация. Приспособления. Компенсация.............................11

1.2. Радиация как стресс-фактор.........................................................и

1.2.1 Развитие адаптационного синдрома при хроническом облучении... 16

1.2.2. Реакция системы кроветворения на стресс-факторы.................................17

1.3. Медико-биологические эффекты радиационного повреждения системы крови......................................... .... 23

1.3.1. Медико-биологические эффекты острого облучения..............................25

1.3.2 Медико-биологические эффекты хронического облучения................28

1.3.3. Роль микроокружения в реализации медико-биологических 30 эффектов при облучнии.....................................................................

1.4. Стволовые клетки - как детерминанты гибели и выживания при радиационном поражении организма......... 33

1.4.1. Действие ионизирующей радиации на стволовую популяцию

гемопоэтической ткани........................................................................40

Глава 2. Организация и методы исследования.....................46

2.1. Организация исследования..........................................................46

2.2. Объект исследования ........................................................................................47

2.3. Условия облучения животных...................................................48

2.3.1. Условия моделированияхронического у-облучения животных..................48

2.3.2. Условия облучения мышей-реципиентов.......................................................................49

2.4. Гематологические исследования..........................................................................................49

2.4.1. Методы исследования органов системы кроветворения....................................49

2.4.2 Метод экзответа............................................................................. 51

2.5. Статистическая обработка результатов

исследований................................................................................. 52

Глава 3. Результаты исследований........................................ 53

2 ^ Количественные и качественные характеристики состояния системы крови мышей при хроническом облучении....................................................................................... 53

2 2 Динамика клеточности основных отделов системы кроветворения мышей в процессе хронического у - облучения................................................................................. 53

^2] Количественные и качественные характеристики ^ состояния периферической крови,...................................................

3.2.2. Сравнительная оценка состояния различных ростков..................... 68

3.3. Характеристика количественных изменений КОЕс

костного мозга и селезёнки........................................ .......... 78

3.3.1. Количественные изменения КОЕс костного мозга и селезёнки в зависимости от суммарной дозы облучения.......................................................... 78

3.3.2. Количественные изменения КОЕс костного мозга в зависимости от мощности дозы............................................................................ 82

3.3.3. Количественные изменения КОЕс селезёнки в зависимости от мощности дозы................................................................................................... 85

Глава 4. Обсуждение....................................................................... 89

4.1. Компенсаторно-приспособительные реакции системы кроветворения в условиях длительного воздействия радиации...................................................................................:...... 89

4.1.1. Общность и различия картины радиационных изменений эритро-

идного и миелоидного кроветворения...................'............................. 89

4.1.2. Соотношение между эритроидным и миелоидным ростком при

сокращенном пуле стволовых клеток............................................... 90

4.2. Характеристика фазности изменений в системе кроветворения при хроническом облучении................................... 94

4 2 Роль селезенки в развитии компенсаторно-

приспособительных реакций системы гемопоэза

при хроническом облучении...................................................................................97

ВЫВОДЫ.............................:...............................................................................................................100

Список литературы..........................................................................................................101

Приложение..............................................................................................................................124

Введение

Актуальность темы исследования

Радиационный фон окружающей среды, который веками оставался постоянным, стал из года в год возрастать, в результате все живые организмы подвергаются дополнительному воздействию малых доз излучения. Избежать воздействия радиации как экологического фактора среды невозможно. Особо важным является исследование действия малых доз радиации. Актуальность изучения этой проблемы обусловлена также постоянным увеличением круга людей, по роду работы подвергающихся действию повышенного уровня ионизирующего облучения или вследствие аварийных ситуаций на объектах атомной промышленности.

Огромный и важный пласт научного знания , накопленный в области радиобиологии острых лучевых поражений, вызванных излучениями с высокой мощностью дозы не может быть автоматически использован , без экспериментального согласования, для интерпретации радиационного эффекта излучения низкой интенсивности при накоплении дозы облучения в течение длительного времени. Недостаточный объем знаний в области действия малых доз на биологические системы не позволяет построить обще-

\

признанную теорию биологического действия ионизирующих излучений, непротиворечиво объясняющую многие реальные факты и явления (167). Анализ данных литературы свидетельствует о существовании противоположных взглядов в оценке эффектов облучения в малых дозах. Сложившаяся в науке парадигма - атомная радиация вредна и только вредна для биоты - уступает место идеям, утверждающим, что биота отвечает диаметрально противоположным образом на большие и малые дозы радиации. Эта особенность действия облучения с малой мощностью дозы называется радиационным гормезисом (58, 74, 218).

Действие гормезиса считают подобным стрессу. С принятием факта гормезиса теория действия ионизирующих излучений начинает вписываться в границы общебиологического закона Арндта-Шульце ("Небольшие

отклонения за пределы нормы в воздействии некоторого фактора мобилизуют резервы организма, вызывая неспецифическую положительную реакцию на слабое раздражение. Если отклонение больше, положительная реакция сменяется угнетением или даже патологией.") (58 ).

Радиационное воздействие можно рассматривать как воздействие особого типа. Большинство повреждений, в борьбу с которыми вовлекается организм, связаны с потерей зрелых, неделящихся клеток, как, например, при кровопотере. Облучение обычно оказывает незначительный эффект или вообще не влияет на зрелые функционирующие клетки, а вызывает потерю клеток или повреждение в пролиферирующем и потенциально пролиферирующем компартментах, которые сами являются центрами регенерации. Восстановление тканей от радиационного повреждения включает специфические механизмы (31,32 ,33).

Специфические реакции организма на радиационный фактор необходимо выявить в более "чистом" виде для правильной оценки эпидемиологических наблюдений на популяционном уровне. Это важно для понимания процессов взаимовлияний действия изучений в малых дозах и стресса нерадиационной природы. Известно, что в случае слабых хронических воздействий, возникающие сдвиги в различных системах организма, являются в основном однонаправленными. Они отражают развитие реакций как неспецифических адаптивных, так и связанных с истощением компенсаторно-восстановительного потенциала. Система крови в этом отношении является чувствительным индикатором действия на организм как ионизирующей радиации, так и других стресс-агентов (96).

Наименее разработанным остается вопрос о роли родоначальных предшественников крови в феномене снижения биологической эффективности радиации при длительном облучении. Работ по изучению состояния стволового кроветворного пула и выяснению роли их повреждения в происходящих при этом перестройках в системе кроветворения при облучении недостаточно.

Образовавшийся пробел в изучении полипотентных и коммутированных клеток при длительном облучении затрудняет выяснение механизмов гомеостаза в кроветворной системе. Определение указанных механизмов необходимо для разработки профилактических и лечебных мероприятий, модифицирующих течение и исход хронического' лучевого поражения. В связи с этим возникла необходимость проведения специального эксперимента по изучению действия на систему крови различных режимов облучения, принципиально моделирующих различные варианты вероятной радиационной обстановки в естественных условиях.

Цель исследования

Целью настоящей работы было выявление закономерностей развития компенсаторно-приспособительных реакций системы гемопоэза при различных режимах у-облучения.

I

Задачи исследования:

1. Определить последовательность изменений клеточных популяций основных отделов системы кроветворения в процессе длительного хронического у-облучения с мощностями доз 1; 4; 6; 16 сГр/сут.

2. Дать сравнительную оценку изменениям в различных ростках кроветворения при хроническом у-облучении в указанных режимах воздействия.

3. Проанализировать динамику стволовой популяции клеток костного мозга и селезенки в зависимости от дозы и мощности дозы при у-облучении.

4. Оценить способность системы гемопоэза компенсировать количественные и качественные изменения обусловленные хроническим у-облучением.

Научная новизна

Впервые в рамках одного исследования на одних и тех же животных проведена оценка состояния системы гемопоэза и пула кроветворных предшественников при хроническом у-облучении в различных режимах воздействия, длительностью сопоставимой с продолжительностью жизни животных. Дана комплексная оценка изменений клеточного состава пери-

ферической крови, костного мозга, лимфоидных органов, что позволило изучить реакцию системы крови именно как целостной и единой.

Проведена экспериментальная оценка состояния стволового пула костного мозга и селезенки.

Получены результаты свидетельствующие о компенсаторном включении селезеночного кроветворения в условиях подавления костномозгового ионизирующими излучениями.

Теоретическая и практическая значимость.

1. Полученные в ходе исследования экспериментальные данные расширяют представление о природе ранних и поздних эффектов как на уровне систем клеточного обновления, так и на уровне целостного организма при длительном воздействии стресс-факторов.

2. Результаты исследования позволяют выявить механизмы реализации компенсаторно-приспособительных реакций организма при хроническом лучевом воздействии в различных режимах.

I

3. При изучении реакций системы крови на длительное облучение малыми дозами уточнены связи доза-эффект.

4. Установленное соотношение между количеством стволовых клеток и типом кинетических процессов форменных элементов периферической крови можно использовать при определении критериев идентичности состояния системы кроветворения у млекопитающих разных видов, что можно использовать при экстраполяции результатов, получаемых в эксперименте на лабораторных животных на человека.

5. Полученные в работе данные включены в спецкурс "Актуальные проблемы радиобиологии" для студентов Естественно-технологического факультета Челябинского государственного педагогического университета.

Положения, выносимые на защиту

1. Наиболее ранние и глубокие изменения во всех отделах гемопоэтиче-ской системы происходят при облучении с мощностью дозы 16 сГр/сут.

2. В условиях длительного у-облучения фазы развития компенсаторно-приспособительных реакций в гемопоэтической системе находятся в зависимости от суммарной дозы облучения и времени, в течение которого доза накоплена

3. Фазы развития компенсаторно-приспособительных реакций в гемопоэтической системе в условиях хронического облучения в диапазоне использованных мощностей доз согласуются с положениями учения об общем адаптационном синдроме.

Апробация материалов работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXXIII International congress of physiological sciences (St. Petersburg, 1997); на III Съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 1997); на XVII съезде Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов-на-Дону, 1998.); на научной конференции "Современные проблемы экологического краеведения" (Челябинск, 1996); на научной конференции "Проблемы экологии и экологического образования Челябинской области" (Челябинск, 1997,1998); на научных конференциях по итогам НИР профессоров, преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ЧГПУ (Челябинск, 1996-1998).

Структура диссертации

Диссертационная работа изложена на 128 страницах машинописного текста, иллюстрирована 22 рисунками и 7 таблицами. Библиографический указатель включает 254 наименований печатных работ (168 отечественных и 86 иностранных).

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Адаптация. Приспособления. Компенсация.

Живой организм состоит из множества функциональных систем, координированная работа которых обеспечивает относительное постоянство внутренней среды. В каждый данный момент налицо всегда имеется доминирующая функциональная система, которая определяет деятельность организма в удовлетворении его доминирующих потребностей и подчиняет себе деятельность других функциональных систем. Это положение особенно чётко проявляется тогда, когда организм попадает в необычные для него условия окружающей среды. При этом формируются специфические и неспецифические реакции (5, 84).

В основе специфической реакции лежит формирование доминирующей системы. Основу неспецифической реакции организма на действие необычных для данного организма факторов среды составляет стресс-реакция. Данная реакция не только предшествует развитию устойчивой адаптации, но и играет важную роль в её формировании. По мере формирования системного структурного следа и устойчивой адаптации нарушения гомеостаза, составляющие стимул стресс-реакции, постепенно исчезают и сама стресс-реакция, сыграв свою в становлении адаптации, постепенно ликвидируется.

Термины - адаптация и приспособление - употребляют обычно в тех случаях, когда речь идёт о реакциях организма на воздействия, которые не сопровождаются грубыми деструктивными изменениями тканей и поэтому нейтрализуются напряжением функций, существенно не превышающим их физиологические параметры. Термин «компенсаторные реакции» обычно употребляют в тех случаях, когда органы и системы, непосредственно не пострадавшие от действия повреждающего агента, берут на себя функцию разрушенных структур путём заместительной гиперфункции или качественно изменённой функции (126).

На соотношение приспособительных и компенсаторных реакций существуют две точки зрения. Согласно одной из них, это два качественно различных типа реакций организма. Другая рассматривает эти реакции в единстве, а именно в том плане, что приспособительные реакции отражают весь спектр адаптивных реакций организма, в котором компенсаторные реакции, сохраняя определенное своеобразие, в то же время занимают положение лишь одной из частных разновидностей приспособительных. Ряд аргументов свидетельствует в пользу последней точки зрения. Прежде всего в этом отношении следует подчеркнуть единую «целевую» направленность приспособительных и компенсаторных реакций, заключающуюся в их мобилизации на восстановление гомеостаза и нормализацию нарушенных условий существования. В связи со сказанным вполне справедливо и обоснованно принято чаще говорить о компенсаторно-приспособительных реакциях организма (84, 126).

В основе структурного обеспечения разнообразия компенсаторно-приспособительных реакций лежат пять принципов:

1. Непрерывное варьирование числа �