Введение к работе
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).
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). 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 полета; в 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 А.В., Григорьев Ю.Г., 2004, 2009).
При выполнении профессиональной деятельности космонавт длительное время находится в среде, неблагоприятным фактором которой является комбинированное воздействие ионизирующей радиации и многокомпонентного загрязнения воздуха химическими веществами. При этом мероприятия, направленные на защиту экипажей пилотируемых космических аппаратов, сводятся к контролю соблюдения существующих гигиенических нормативов, таких как ГОСТ 25645.201-83; ГОСТ 28645.215-85; 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 Л.Н., 2003; Ворожцова С.В., с соавт. 2004). В то же время, согласно опубликованным данным, комбинированное радиационное и химическое воздействие в низких концентрациях сопровождается преимущественно эффектами суммации, или синергизма, и характеризуется у животных более выраженными метаболическими и цитогенетическими нарушениями 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 для токсического эффекта ионизирующей радиации (хромосомные поломки). Цитогенетическими исследованиями сочетанного воздействия факторов в условиях радиационного 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), 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 животных при сочетанном радиационном и химическом воздействии в диапазоне низких (30сГр) доз -облучения и концентраций химических веществ, характерных для орбитальных пилотируемых космических полетов, показали суммацию биоэффектов с более выраженными повреждениями хромосомного аппарата в ядросодержащих клетках костного мозга, чем при изолированном воздействии 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 P50 260), и были использованы в данной работе для изучения комбинированного радиационного и химического воздействий на организм в концентрациях, соответствующих ПДК пилотируемых космических аппаратов (ПДКпка) (Мухамедиева Л.Н., 2003).
Учитывая, что расчетная суммарная доза -облучения, воздействующая на космонавтов в условиях межпланетного пилотируемого полета, превысит орбитальный уровень и составит около 120 – 150сГр, можно прогнозировать усиление генотоксического эффекта комбинированного радиационного и химического воздействий и изменения коэффициента модификации до значения КМо > 1,0 (А.В. 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, синергизм), на дозы и концентрации, характерные для межпланетных полетов, с проведением комплексных исследований реакции гемопоэза и метаболической перестройки в клетках как чувствительных индикаторов компенсации повреждений системы кроветворения и поддержания гомеостаза на уровне организма в целом.
Учитывая, что перспективные программы межпланетных полетов на Луну и Марс будут связаны со значительным удлинением сроков пребывания человека в космическом пространстве, проблема экспериментального изучения комбинированного воздействия радиационного и химического факторов на организм приобретает особую актуальность.
Цель исследования: изучить цитологические и цитогенетические изменений гемопоэза и метаболические перестройки в эритроцитах для установления характера биологического ответа системы кроветворения мышей на комбинированное последовательное радиационное и химическое воздействие, моделирующее условия для космонавтов при межпланетных полетах.
В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:
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 (Dэф = 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 -облучения 350 сГр (Dэф = 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 работы. Впервые экспериментально установлено, что комбинированное воздействие ионизирующей радиации в суммарной дозе 350 сГр (Dэф = 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 к комбинированному воздействию на человека в орбитальном полете радиации и химических веществ 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.
Основные положения, выносимые на защиту.
1) Комбинированное воздействие -облучения в суммарной дозе 350 сГр (Dэф = 70 сГр) и смеси химических веществ (пары ацетона ацетальдегида и этанола) в концентрациях на уровне ПДКпка на систему кроветворения мышей 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 -облучения в суммарной дозе 350 сГр (Dэф = 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 радиации и смеси химических веществ сопровождается усилением эффектов повреждения органов кроветворения с закреплением потенциально летальных (сублетальных) нарушений хромосомного аппарата клеток, перенапряжением регуляторных механизмов адаптивных процессов в организме мышей, сохраняющимся 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 г, 22-23 сентября; 21 съезде Физиологического общества им. Павлова, г.Калуга, 19-25 сентября, 2010 г.; конференции молодых учёных, специалистов и студентов, посвящённая Дню космонавтики, Москва, 2010 г., 14 апреля; Международном космическом форуме 2011 г., 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 г.; XXXV Академических чтениях по космонавтике. Россия. Калуга, 2011 г.; Х конференции молодых ученых, специалистов и студентов, посвященная 50-летию со дня первого полета человека в космос. Россия, Москва, 2011 г.; Всероссийской научно практическая конференция с международным участием «Современные Проблемы гигиенической науки и медицины труда, Уфа, 2011 г.; VII международном аэрокосмическом конгрессе IAC, Москва, 26-31 августа, 2012 г.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 научных работ, 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 2013г).
Личный вклад автора. Результаты, составляющие основу работы: исследования костного мозга (клеточный состав и цитогенетические нарушения), морфологический состав периферической крови получены автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в планировании и проведении длительных экспериментов на животных, отборе экспериментального материала и подготовке экспериментального материала к анализу. Автором научно обоснованы и обобщены результаты экспериментальных исследований. В работах, выполненных в соавторстве, автором проводился отбор и подготовка экспериментального материала к анализу и научное обобщение результатов исследований. Автор принимал непосредственное участие на всех этапах экспериментально-теоретического обоснования и обсуждения результатов, изложенных в научных публикациях и докладах.
Соответствие работы паспорту научной специальности. Научные положения диссертации соответствуют формуле специальности 14.03.08. – «авиационная космическая и морская медицина», пункт 4.
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 внедрения №783А–121–03/13).
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, 8 рисунков. Список литературы включает 233 работы, из них 164 отечественных и 59 зарубежных.
