Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема радиационного поражения нервной системы является традиционной и во многом приоритетной для отечественной медицины. Это связано с интенсивным развитием ядерной энергетики и имеющими при этом место аварийными ситуациями. В подавляющем большинстве случаев будет иметь место неравномерное лучевое воздействие, особенно для лиц, находящихся в технике и укрытиях. Именно такой случай представляет вариант облучения экипажа летательного аппарата, так как его конструкция определяет факт неравномерности облучения. При этом наиболее вероятны субтотальные и парциальные разновидности облучения преимущественно головы, (R.P. Patrick, 1975). При таком облучении вступит в силу фактор, обозначаемый понятием «доза оправданного риска», когда необходимо знать, каков риск радиационного поражения, и насколько он оправдан по сравнению с необходимостью выполнить поставленную задачу. Временной запас дееспособности оператора после облучения называют «резервным временем» или «периодом ясного сознания», а его определение в соответствии с конкретной дозой облучения является необходимым условием научных исследований в этом направлении (Б.И. Давыдов и др., 1989; Н.Г. Даренская и др., 1993, 2001; А.В. Карамышева, 1994; Ю.С. Турлаков, 2001; Д.А. Соколов и др., 2006; И.Б. Ушаков и др., 2008). Однако выявление морфологического эквивалента «резервного времени», пусковых механизмов развития церебрального синдрома в клинико-морфологических экспериментах остаются практически неизученными.
В условиях авиакосмического полета, а также пребывания в любом замкнутом пространстве задача осложняется тем, что на развитие лучевого поражения могут влиять сопутствующие факторы, в частности, измененная газовая среда. Так, гипоксическая гипоксия может возникать не только в аварийных ситуациях, но и является неотъемлемым фактором полета на высотных самолетах, ибо кислородное оборудование заведомо поддерживает его на несколько сниженном уровне (П.К. Исаков и др., 1975; В.Б Малкин, Е.Б Гиппенрейтер, 1977). Кроме того, гипоксические газовые смеси широко используются в онкорадиобиологии и предложены также для защиты ограниченных контингентов людей от лучевого поражения (Р.Б. Стрелков, 1974; С.П. Ярмоненко, А.А. Вайнсон, 1983). С другой стороны, в различных экстремальных ситуациях экипажу предписывается вынужденный переход на дыхание чистым кислородом, в частности, при перелете через радиоактивные облака. Пользуются кислородом также при работе в очагах аварий и катастроф. Многочисленные исследования о влиянии газовой среды на радиорезистентность человека и животных подробно обобщены в работах С.П. Ярмоненко с соавт. (1980), Ю.Г. Григорьева с соавт. (1982), В.В. Антипова с соавт. (1989), И.Б. Ушакова (2003). Однако, данных о структурно-функциональных механизмах модифицирующего действия гипероксии и гипоксической гипоксии при летальных и сверхлетальных дозах недостаточно для корректного вывода о путях радиомодификации в головном мозге.
Значимыми факторами, как авиационного полета, так и современной техники являются перегрузки и вибрация, способные существенно моделировать радиационные эффекты. Подтверждением этому являются работы по устранению последствий ядерной аварии на ЧАЭС, когда ликвидаторы, кроме радиационной нагрузки, испытывали весь комплекс сопутствующих факторов, которые, несомненно, моделировали конечный итог полета (В.С. Михайлов с соавт., 2006). Наконец, современную технику трудно представить без источников электромагнитных излучений (ЭМИ). В связи с этим, возможное моделирующее влияние ЭМИ на радиоцеребральные эффекты давно находится в центре внимания специалистов противорадиационной защиты. Тем более, есть достаточно твердое мнение о радиозащитном действии ЭМИ (В.В. Антипов с соавт., 1989; Ю.Г. Григорьев, 1992). В тоже время, морфологи, констатируя происходящие изменения, не дают ответа по моделирующему действию на радиационные эффекты сопутствующих факторов, а статистический анализ результатов встречается в единичных работах.
Все вышеизложенное позволяет считать проблему воздействия ионизирующего излучения в высоких дозах на структурно-функциональные эквиваленты клинических проявлений, как при изолированном действии, так и при комбинации с сопутствующими факторами, актуальной для радиобиологии и военной медицины.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурденко и ГНИИИ Военной медицины МО РФ, г. Москва, по теме «Проект методических рекомендаций по оценке медико-психологических последствий у военнослужащих, работавших в условиях радиационного воздействия».
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение комплекса структурно-функциональных изменений в головном мозге при раздельном и совместном действии неравномерного гамма-облучения в широком диапазоне доз и сопутствующих факторов авиационного полета (гипоксия, гипероксия, перегрузки, вибрация, электромагнитное излучение). На основании дозо-временного и межвидового анализа разработать модели и алгоритмы оценки развития нейроморфологических эффектов радиационного поражения ЦНС для обоснования величины «резервного времени» сохраненной «дееспособности» организма и зависимости его от сопутствующих факторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить изменения в головном мозге крыс и собак в зависимости от локализации облучаемого участка тела, дозы, времени после облучения;
оценить реакцию головного мозга животных при остром действии переносимых доз измененной газовой среды (содержание кислорода 5, 7, 8, 10 и 99%), динамических факторов (вибрация, перегрузка) и электромагнитного излучения;
проанализировать изменения в головном мозге животных при комбинированном действии ионизирующего излучения и измененной газовой среды в следующих вариантах:
облучение в измененной газовой среде;
пребывание в измененной газовой среде до или после облучения;
пребывание в измененной газовой среде до, во время и после облучения;
оценить моделирующий эффект радиационного поражения головного мозга динамическими факторами полета (вибрация, перегрузка) и электромагнитным излучением при их предшествующем или последующем действии с гамма-облучением.
разработать математические модели, адекватно отражающие нейроморфологические эффекты в головном мозге при раздельном и сочетанном действии изучаемых факторов;
обсудить и оценить результаты комплексного исследования радиоцеребральных эффектов в головном мозге животных, проведенных с помощью биометрических и математических методик и разработать практические рекомендации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались основные положения теории вероятностей и математической статистики, теории управления биологическими и медицинскими системами, методы теории системного анализа, нейроморфологические, гистохимические, электронномикроскопические методики исследования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
неврологические и патоморфологические показатели эффектов радиомодификации измененной газовой средой у высокоорганизованных животных (собаки) выражены слабее, чем у грызунов;
патоморфологические изменения в головном мозге при облучении головы наступают раньше, чем при облучении живота и общем облучении;
установлены пороговые дозы развития церебрального синдрома и его морфологический эквивалент при облучении головы;
гипоксия, вибрация, перегрузки – синергисты с гамма-облучением практически по всем показателям, кислород и электромагнитное излучение вызывают эффекты синергизма и антагонизма;
гипоксия, предшествующая облучению, и облучение в гипоксии увеличивает «резервное время» развития неврологических расстройств, а пострадиационная гипоксия радиомодифицирует нейроморфологические и патоморфологические эффекты в зависимости от дозы облучения;
кислород до облучения не оказывает радиомодифицирующего влияния, а облучение в кислороде и пострадиационное воздействие кислородом сокращают «резервное время» развития неврологических расстройств и усиливают тяжесть патоморфологических изменений;
динамические факторы полета (вибрация, перегрузки), предшествующие облучению, не моделируют радиационные эффекты, а при действии после облучения ухудшают нейроморфологические показатели;
нейроморфологические эффекты с применением ЭМИ до облучения имеют тенденцию к снижению, а при воздействии ЭМИ после облучения принимают аддитивный характер;
статистическая оценка нейроморфологических показателей и прогностические модели развития радиоцеребральных эффектов, позволяют получать неврологические характеристики головного мозга и определять его морфофункциональное состояние при действии экстремальных факторов.
Практическая значимость и результаты внедрения. Результаты проведенных исследований позволили вскрыть основные закономерности развития патоморфологических изменений в головном мозге двух видов животных (крысы, собаки) в зависимости от дозы облучения, облучаемого участка тела и времени после облучения. Установлено, что в развитии церебральной формы лучевой болезни первостепенную роль играет нарушение межнейрональной интеграции, обеспечиваемое синапсами, а также повреждение клеточных и сосудистых элементов.
Выявлены морфологические основы реакции головного мозга животных на кратковременную дозированную гипо- и гипероксию, динамические факторы (вибрация, перегрузка) и электромагнитное излучение, и намечены основные пути их радиомодифицирующего действия.
Изучены особенности развития патоморфологических изменений в головном мозге при комбинированном действии измененной газовой среды, перегрузки, вибрации, ЭМИ и неравномерном гамма-облучении.
Полученные данные могут быть использованы при обосновании «пороговых» доз «резервного времени» у лиц, подвергнутых неравномерному облучению в высоких дозах, как в открытом, так и замкнутом пространстве и при сопутствующем действии перегрузки, вибрации и электромагнитных излучений. Представленная математическая модель позволяет объективно оценить нейроморфологические эффекты при гамма-облучении и их моделировании факторами среды, а также прогнозировать их развитие.
Данные, полученные в работе, использованы при составлении отчетов о НИР и реализованы в методических рекомендациях при участии автора:
«Методические рекомендации по оценке медико-психологических последствий у военнослужащих, работавших в условиях радиационного воздействия». Утверждено – начальник ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ 28.03.2005, академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Ушаков И.Б.
«Исследование существующих полей электромагнитной природы, обобщение методов и средств контроля за электромагнитной обстановкой и изучение медико-биологических аспектов ЭМ-факторов» (промежуточный) / ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ: шифр «Барыбино», инв.№ 7415. – М., 2008. – 90с. Утверждено – начальник ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ 28.03.2008, академик РАМН, член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Ушаков И.Б.
«Исследование гигиенической ситуации электромагнитной обстановки труда военных авиационных специалистов на современных и перспективных образцах военной авиационной техники», по теме «Исследование методов и способов защиты личного состава частей ВВС от неблагоприятного воздействия физических полей электромагнитной природы» (итоговый) / ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ: шифр «Барыбино». – М., 2009. – 140 с., и реализованы в методических рекомендациях «Методические рекомендации по электромагнитной безопасности личного состава ВВС». Утверждено – начальник медицинской службы ВВС, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы Яменсков В.В., март 2009 г.
Разработанная автором математическая модель оценки реакции структур нервной системы на изолированное и сочетанное действие экстремальных факторов используется в практике отдела радиобиологии и токсикологии ГНИИИ Военной медицины МО РФ и ЦНИЛ ГОУ ВПО «Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко» Росздрава РФ.
Положения, которые выносятся на защиту:
облучение головы вносит больший количественный вклад в развитие патоморфологических изменений головного мозга по сравнению с общим облучением и облучением туловища. Величины условно пороговых доз церебрального синдрома при облучении головы составляют для крыс 50-100 Зв, а для собак-50 Зв;
дозированная измененная газовая среда, вибрация, перегрузки, ЭМИ вызывают ряд структурно-функциональных изменений в головном мозге, способных модифицировать радиоцеребральные эффекты;
облучение в условиях чистого нормобарического кислорода снижает «резервное время» развития патоморфологических изменений. При этом поражение синапсов, нервных и глиальных клеток, эндотелия капилляров усугубляется, но уменьшается степень развития периваскулярных отеков;
при облучении в условиях гипоксии увеличивается «резервное время» развития и снижается тяжесть патоморфологических изменений. При этом состояние синапсов, нервных и глиальных клеток, капиллярной стенки улучшается, но поражение периваскулярной астроцитарной муфты усугубляется, что вызывает более раннее развитие отеков;
динамические факторы, действующие до облучения, практически не моделируют радиационные эффекты в головном мозге, однако, в пострадиационном периоде значительно утяжеляют патоморфологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением;
электромагнитное излучение, действующее до гамма-облучения, ослабляет радиационные эффекты, а в пострадиационном периоде усиливает их;
разработанная математическая модель развития структурно-функциональных изменений в головном мозге под влиянием радиационного фактора, а также моделирование их другими экстремальными факторами адекватно отражает выявленные нейроморфологические эффекты и может применяться для их прогнозирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: III Всероссийской конференции «Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция» (Москва, 2002); научной конференции и сессии Центрально-Черноземного научного Центра РАМН, посвященной 70-тилетию КГМУ, (Курск, 2005); Однораловских морфологических чтениях (Воронеж, 2005, 2006); Всероссийской конференции с международным участием «Структурно-функциональные и нейрохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2005, 2006); IV Всероссийской университетской научно-практической конференции молодых ученых и студентов в медицине (Тула, 2005); Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные вопросы эволюционной, возрастной и экологической морфологии» (Белгород, 2006); Международной конференции Биорад-2006 (Сыктывкар, 2006); V съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2006); VII Конгрессе международной ассоциации морфологов (Орел, 2006); I Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации» (Волгоград, 2008); Всероссийской конференции «Боевой стресс: медико-психологическая реабилитация лиц опасных профессий» (Москва, 2008); Российской научной конференции «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии» (Санкт-Петербург, 2008); IX Конгрессе МАМ (Бухара, 2008); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Воронеж, 2008); XIV Международном Конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (Дубай, 2009); III Всероссийской научной конференции «Морфология – физической культуре, спорту и авиакосмической медицине» (Москва, 2009).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 13 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 448 наименований и приложений; изложена на 348 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 82 таблицы.
