Гемопоэз и метаболический статус эритроцитов мышей при длительном комбинированном воздействии ионизирующей радиации и химических веществ, моделирующем условия межпланетных полётов

Актуальность проблемы.

Изучение эффектов радиационного и химического воздействий на организм человека в диапазоне доз и концентраций, моделирующих режимы воздействия на космонавтов при межпланетном полете, и процессов компенсации вызываемых повреждений связано, прежде всего, с исследованием системы кроветворения, выполняющей основную роль в поддержании гомеостаза организма. Научное и практическое значение представляют комплексные исследования гемопоэза и метаболических процессов в эритроцитах, отражающие механизмы модификации функционирования клеточных мембран организма при патологиях различного генеза и эффект клеточную адаптацию в ответ на сочетанное воздействие факторов космического полета (Мазурик В.К., Михайлов В. Ф., 1999, Иванова С. М., 2001, Новицкий с соавт. 2006).

При этом предвидеть результирующий ответ биологической системы на комбинированное воздействие облучения и химических веществ, исходя из информации о биологических эффектах их изолированного воздействия затруднительно вследствие формирования нелинейного отклика (от антагонизма до синергизма), обусловленного уровнем сохранности адаптационных возможностей организма /Гераськин С.А. и др. 1996/. Изучение модифицирующего действия физических факторов, характерных для космического полета, на физиологические реакции и выживаемость животных в ближайшем пострадиационном периоде показало, что предварительное действие нерадиационных факторов до облучения приводит к неспецифической реакции с мобилизацией регуляторных систем организма. Радиорезистентность организма зависит от выработанных в процессе эволюции защитных механизмов клеток в ответ на экстремальные воздействия вследствие индукции экспрессии отдельных генов, что приводит к синтезу защитных белков и усилению процессов репарации /Свирновский А.И., 2003/. В то же время известно, что устойчивость животных к радиационному фактору снижается после предварительного воздействии гипокинезии и повышенной температуры. Повышение риска возникновения неблагоприятных радиобиологических эффектов в процессе космического полета подтверждается увеличением коэффициента модификации до 1,3 (КМо — коэффициент модификации радиационного ответа за счет нерадиационных факторов космического полетав настоящее время равен 1) /Саксонов П.П., Антипов В. В., Давыдов Б. И., 1968; Григорьев Ю. Г., 1975; Антипов В. В., Давыдов.

Б.И., Вериго В. В., Свирижев Ю. М., 1975; Ушаков И. Б., 2000, 2003; Шафиркин A.B., Григорьев Ю. Г., 2004, 2009/.

При выполнении профессиональной деятельности космонавт длительное время находится в среде основными неблагоприятными факторами которой являются комбинированное воздействие ионизирующей радиации и многокомпонентного загрязнения воздуха химическими веществами. При этом основные мероприятия, направленные на защиту экипажей пилотируемых космических аппаратов, сводятся к контролю соблюдения существующих гигиенических нормативов, таких как ГОСТ 25 645.201−83- ГОСТ 28 645.215−85- Методические указания МУ 2.6.1.44−03 — 2004, а также ГОСТ Р50 804 и SS Р50 260. Однако до настоящего времени нормативные требования не учитывают модифицирующего влияния химических веществ и ионизирующего излучения при сочетанном их воздействии /Савина В.П. с соавт., 1986; Мухамедиева Л. Н., с соавт. 2001; Федоренко Б. С. с соавт, 2002; Мухамедиева JI.H., 2003; Ворожцова C.B., с соав. 2004/. В то же время, согласно опубликованным данным, комбинированное радиационное и химическое воздействие в низких концентрациях сопровождается преимущественно эффектами суммации или синергизма и характеризуется более выраженными метаболическими и цитогенетическими нарушениями у животных в отличие от изолированного воздействия повреждающих факторов /Маленченко А.Ф., 1989; Заичкина С. И., Розанова О. М., Аптикаева Г. Ф., 2001; Иванов С. Д., Семенов В. В., Кованько Е. Г., 2002; Burkart W., Finch G.L., Jung T., 1997; Lubin J., 1998/. При этом наблюдаемые генные нарушения в системе кроветворения характерны как для воздействия химической природы (хроматидные аберрации), так и превалирующие при токсическом эффекте ионизирующей радиации хромосомные поломки. Цитогенетическими исследованиями сочетанного воздействия факторов в условиях ядерно-химического производства было установлено, что увеличение общей частоты хромосомных аберраций в клетках происходит за счет аберраций хроматидного типа — маркеров химического мутагенеза /Назаренко С.А., Тимошевский В. А. 2005/, и угнетение гемопоэза определяется на уровне полипотентных стволовых клеток в костном мозге и селезенке со снижением способности клеток к дифференцировке /Маленченко А.Ф., 1989; Заичкина С. И., Розанова О. М., Аптикаева Г. Ф., 2001; Иванов С. Д., Семенов В. В., Кованько Е. Г., 2002; Burkart W., Finch G.L., Jung T., 1997, 1998; Lubin J., 1998, Баранцева М. Ю. с соавт 2010, 2011/. Исследования цитогенетических нарушений в костном мозге экспериментальных животных при комбинированном радиационном и химическом воздействии в диапазоне низких (ЗОсГр) доз у-облучения и сочетанном воздействия химических веществ, характерных для орбитальных пилотируемых полетов, показали суммацию биоэффектов с более выраженными повреждениями хромосомного аппарата в ядросодержащих клетках костного мозга по сравнению с изолированным воздействием факторов /Баранцева М.Ю. с соавт., 2007/.

Основной вклад до (95%) в суммарную загрязнённость воздушной среды пилотируемых космических аппаратов (ПКА) вносят ацетон, ацетальдегид и этанол. Эти вещества включены в приоритетный перечень основных загрязнителей, определяющих качество воздушной среды ПКА (ГОСТ Р50 804 и SS Р50 260), и были использованы в данной работе для изучения комбинированного радиационного и химического воздействия на организм в концентрациях, соответствующих ПДК пилотируемых космических аппаратов (ПДКпка) /Мухамедиева JI.H., 2003/.

Учитывая, что расчетная суммарная доза у-облучения, воздействующая на космонавтов в реальных условиях межпланетного пилотируемого полета, превысит орбитальный уровень и составит около 120 — 150сГр, можно прогнозировать усиление генотоксического эффекта комбинированного радиационного и химического воздействия и изменения коэффициента модификации до значения КМо >1,0 /A.B. Шафиркин, с соав.1998, Газенко О. Г., Григорьев А. И., Егоров А. Д., 2001, Петров В. М., с соав. 2003; Ушаков И. Б., 2003/.

Следовательно, для формирования научной основы гигиенического нормирования комбинированного действия радиационного и химического факторов необходимо установить характер биологического ответа организма (суммирование или синергизм), в дозах и концентрациях, характерных для межпланетных полетов, с проведением комплексных исследований реакции гемопоэза и метаболической перестройки в клетках как чувствительных индикаторах компенсации повреждений системы кроветворения и поддержания гомеостаза на уровне организма в целом.

Учитывая, что перспективные программы межпланетных полетов на Луну и к Марсу будут связаны со значительным удлинением сроков пребывания человека в космическом пространстве, проблема экспериментального изучения комбинированного воздействия радиационного и химического факторов приобретает особую актуальность.

Цель исследования.

Изучить цитологические и цитогенетические изменения гемопоэза и метаболической перестройки в эритроцитах для установления характера биологического ответа системы кроветворения мышей на комбинированное радиационное и химическое воздействие, моделирующее условия для космонавтов при межпланетных полетах.

Задачи исследования.

1) Изучить динамику цитологических и цитогенетических изменений в органах кроветворения (костный мозг и селезенка) экспериментальных животных (мыши) при изолированном и комбинированном последовательном воздействии ионизирующей радиации в суммарной дозе 350 сГр (Бэф = 70 сГр) и смеси химических веществ (пары ацетона, ацетальдегида и этанола) на уровне ПДКпка, моделирующих условия межпланетных полетов.

2) Изучить динамику показателей метаболического статуса эритроцитов при изолированном и комбинированном последовательном воздействии ионизирующей радиации и смеси химических веществ в дозах и концентрациях, моделирующих условия межпланетных полетов.

3) Провести сравнительную оценку динамики клеточного состава, типа хромосомных аберраций в кариоцитах костного мозга и пролиферирующей активности в селезенке в восстановительном периоде после комбинированного последовательного радиационного и химического воздействия.

4) Провести анализ полученных экспериментальных данных для установления характера биологического ответа системы кроветворения экспериментальных животных на комбинированное последовательное воздействие у-облучения 350 сГр фэф = 70 сГр) и смеси химических веществ в низких концентрациях (ПДКпка).

5) На основе количественных оценок с использованием системы интегральных показателей, используемых в физиологических и гигиенических исследованиях, включая обобщенный логарифмический показатель, определить уровень выраженности адаптационных процессов при изолированном и комбинированном действии исследуемых факторов и степень напряженности регуляторных систем организма мышей.

Научная новизна.

Впервые экспериментально установлено, что комбинированное воздействие ионизирующей радиации в суммарной дозе 350 сГр (Т)эф = 70 сГр) и смеси химических веществ в низких концентрациях вызывает дополнительно к индуцированному действию изолированных факторов усиление эффектов повреждения органов системы кроветворения с закреплением потенциально летальных (сублетальных) нарушений хромосомного аппарата клеток, напряжение антиоксидантного потенциала клеток, перенапряжение регуляторных механизмов адаптивных процессов в организме экспериментальных животных, сохраняющееся в восстановительном периоде, что свидетельствует о синергическом эффекте взаимодействия факторов.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования создают научную основу для коррекции (коэффициентов модификации КМо) нормативных требований комбинированного воздействии на человека в орбитальном полете и разработке методологии гигиенического нормирования и нормативов при увеличении длительности пилотируемых полетов до 3 лет, как основы для разработки медико-технических требований к перспективным системам жизнеобеспечения.

Получены экспериментальные данные для расчета радиационного риска и возможного сокращения средней предстоящей продолжительности жизни человека при комбинированном воздействии смеси химических веществ на уровне ПДКпка и ионизирующей радиации.

Реализация полученных результатов.

Результаты исследований использованы как основа для модели математического прогнозирования токсикологических эффектов, при разработке гигиенических нормативов (ПДК) содержания вредных химических веществ в воздухе обитаемых герметичных помещений и пилотируемых космических аппаратов Акт № 783А-121−03/13.

Положения, выносимые на защиту.

1) Комбинированное воздействие у-облучения в суммарной дозе 350 сГр (Ээф = 70 сГр) и смеси химических веществ в низких концентрациях на систему кроветворения экспериментальных животных сопровождается депрессией гемопоэза, угнетением пролиферативной активности клеток костного мозга и селезенки, нарушениями митоза в кариоцитах костного мозга с преобладанием хромосомных повреждений по типу фрагментов, свидетельствуя о снижении способности аберрантных клеток к репарации, и реакцией «клеточного опустошения» селезенки.

2) Метаболическая перестройка в эритроцитах при комбинированном воздействии у-облучения в суммарной дозе 350 сГр (Оэф = 70 сГр) и смеси химических веществ в низких концентрациях, характеризуется напряжением регуляторных механизмов, направленных на поддержание гомеостаза и окислительно — восстановительного потенциала клетки.

3) Комбинированное воздействие сопровождается усилением эффектов повреждения органов кроветворения с закреплением потенциально летальных (сублетальных) нарушений хромосомного аппарата клеток, перенапряжением регуляторных механизмов адаптивных процессов в организме экспериментальных животных, сохраняющихся в восстановительном периоде.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на:

• Всероссийской конференции с международным участием — «Современные проблемы гигиенической науки и медицины труда», Уфа, 2010, 22−23 сентября;

• 21 съезде Физиологического общества им. Павлова, г. Калуга, 19−25 сентября, 2010 г.;

• конференции молодых учёных, специалистов и студентов, посвященная Дню космонавтики, Москва, 2010, 14 апреля;

• Международном космическом форуме 2011, посвященный 50-летию полета в космос Ю. А. Гагарина. Россия, Москва;

• Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы токсикологии и радиобиологии», Россия, Санкт-Петербург, май 2011;

• XXXV Академических чтениях по космонавтике. Россия. Калуга, 2011;

• X конференции молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50летию со дня первого полета человека в космос. Россия, Москва, 2011;

• Всероссийской научно практическая конференция с международным участием.

Современные Проблемы гигиенической науки и медицины труда, Уфа, 2011.

• VII международном аэрокосмическом конгрессе IAC, Москва, 26−31 августа, 2012 г.

• На IV Всероссийской конференции молодых учёныхМиасс, 2012.

По теме диссертационной работы опубликовано 18 публикаций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах.

Диссертация апробирована на секции «Космическая медицина» Учёного Совета ФГУН ГНЦ РФ — Института медико-биологических проблем РАН (протокол № 2 от 2 апреля 2013 г).

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, включающих обзор литературы, материалов и методов исследований, результатов проведенных исследований, обсуждения полученных результатов, а также заключения с предложениями о возможной реализации полученных в работе результатов, выводов и списка литературы. Диссертация содержит 142 машинописных страницы, включающих 22 таблиц и 8 рисунков.

Список литературы

включает 233 работы, из них 164 отечественных и 59 зарубежных.

Результаты исследования количества ядросодержащих клеток костного мозга, а также количество и тип структурных повреждений в них при изолированном фракционном у-облучении представлены в таблице 8. Сравнительный анализ количества ядросодержащих клеток костного мозга опытной и контрольной групп животных показал наличие статистически значимых отличий, начиная с 8-х суток воздействия. Так, к 8-м суткам фракционного хронического у-облучения, при накоплении суммарной дозы 70сГр наблюдалось уменьшение на 413,8% количества кариоцитов в костном мозге животных экспериментальной группы (р<0,005). Различия в количестве клеток между опытной и контрольной группами животных нарастало по мере увеличения длительности эксперимента и накопления эффективной дозы. При накоплении суммарной дозы 210 сГр (36-е сутки воздействия), количество кариоцитов в костном мозге опытных животных уменьшилось на ?25,2% (р<0,001), что возможно обусловлено активацией апоптоза и угнетением митотической активности малодифференцированных клеток кроветворной ткани, как интенсивно делящихся клеток и наиболее чувствительных к радиационному воздействию МСоггл Дж., 1986.