Гемопоэз и метаболический статус эритроцитов мышей при длительном комбинированном воздействии ионизирующей радиации и химических веществ, моделирующем условия межпланетных полётов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 14.03.08, кандидат биологических наук Татаркин, Сергей Владимирович

• Татаркин, Сергей Владимирович
• кандидат биологических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Татаркин, Сергей Владимирович

Список сокращений.

Введение.

1. Обзор литературы.

1.1 Гемопоэз при длительном комбинированном ингаляционном воздействии смеси химических веществ.

1.1.1 Формирование химического состава воздушной среды пилотируемых космических аппаратов.

1.1.2. Комбинированное воздействие на гемопоэз химических веществ в низких концентрациях.

1.2. Гемопоэз при длительном воздействии ионизирующего излучения в дозах, моделирующих радиационное воздействие на космонавтов при межпланетных полетах.

1.2.1. Основные источники радиационной опасности и уровни радиационных воздействий на космонавтов при осуществлении межпланетных космических полетов.

1.2.2. Концепция и основные дозиметрические функционалы для оценки риска в процессе полета и отдаленных неблагоприятных эффектов.

1.2.3. Состояние системы кроветворения после радиационных воздействий в различных дозах и хронических облучений с различной мощностью дозы.

1.3. Гемопоэз при комбинированном длительном воздействии радиационного и химического факторов.

1.3.1. Комбинированное воздействие радиационного и химического факторов на систему кроветворения.

1.3.2. Степень модификации ответа организма при одновременном воздействии облучения и других факторов, характерных для межпланетного космического полёта.

1.4. Количественные методы оценки напряжённости адаптационных процессов в организме при комбинированном воздействии факторов окружающей среды.

2. Материалы и методы исследований.

2.1. Характеристика групп экспериментальных животных.

2.2. Методы исследования системы кроветворения.

2.2.1. Цитологические и цитогенетические исследование костного мозга.

2.2.2. Морфологические исследования селезёнки.

2.2.3. Исследование морфологического состава периферической крови.

2.2.4. Исследование метаболизма и окислительно-восстановительного статуса эритроцитов.

2.3. Методы оценки напряжённости адаптационных процессов организма.

2.4. Методы статистической обработки данных.

2.5. Методика проведения экспериментов с животными.

2.6. Моделирование радиационного воздействия.

2.7. Моделирование воздействия смеси химических веществ.

2.8. Моделирование длительного комбинированного воздействия у-излучения и смеси химических веществ.

2.9. Объем и структура экспериментальных исследований.

3. Результаты проведённых исследований.

3.1. Биологический эффект фракционного у-облучения в суммарной дозе 350сГр (рэф = 70 сГр) на гемопоэз и метаболический статус эритроцитов.

3.1.1.Биологический эффект изолированного у-облучения в суммарной дозе 350сГр (Ээф = 70 сГр).

3.1.2. Динамика показателей системы кроветворения после у-облучения в восстановительном (90 суток) периоде.

3.2. Биологический эффект хронического ингаляционного воздействия смеси химических веществ в низких концентрациях на гемопоэз и метаболический статус эритроцитов.

3.2.1. Биологический эффект хронического ингаляционного воздействия смеси химических веществ в низких концентрациях.

3.2.2. Динамика показателей системы кроветворения после воздействия смеси химических веществ в восстановительном (90 суток) периоде.

3.3. Биологический эффект хронического комбинированного фракционированного у-облучения и последующего ингаляционного воздействия смеси химических веществ на гемопоэз и метаболический статус эритроцитов.

3.3.1. Биологический эффект комбинированного воздействия фракционного у-облучения и ингаляционного воздействия смеси химических веществ на гемопоэз экспериментальных животных и метаболический статус эритроцитов.

3.3.2. Динамика показателей системы кроветворения в восстановительном периоде.

4. Характеристика адаптационных процессов и степени напряжения регуляторных систем в условиях последовательного длительного действия радиационного и химического факторов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 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 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 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 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, 2010г.;

• 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 учёных -Миасс, 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.

Заключение диссертации по теме «Авиационная, космическая и морская медицина», Татаркин, Сергей Владимирович

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\.