Радиобиология / Моссэ И. Б., Морозик П. М. Генетические эффекты ионизирующей радиации

Рис. 2.16. Соотношение между частотой прямых генных мутаций на локус на рад и содержанием ДНК на гаплоидный геном

Аналогичная зависимость описана также для частоты спонтанных точковых мутаций [252].

Различия в структурной организации и метаболизме микроорганизмов и млекопитающих (в том числе, человека) огромны. Тем не менее частота индуцированных точковых мутаций в отличие от хромосомных аберраций у всех видов зависит только от количества ДНК в ядре, т. е. не зависит от ме-

таболических различий, что соответствует данным, приведенным в п. 2.1.

Глава 3

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ РАДИАЦИОННЫЙ РИСК

3.1. Оценка генетического риска ионизирующей радиации

Существуют разные методы, используемые для вычисления генетических рисков. В научной литературе, где описывается вычисление риска, индуциро-

ванного облучением, факторы риска выражаются несколькими различными (и произвольными!) способами:

а) число мутаций на группу людей на единицу дозы. Например, 850 мута- ций на 10 000 людей на грей – это значит, что если 10 000 людей получат каж-

дый дозу в 1 Гр, то в результате возникнет 850 дополнительных мутаций; б) процент (%) на грей или процент на зиверт. Например, 8,5 % на грей

(часто пишут 8,5 % Гр–1) означает, что если 100 людей получат каждый облу- чение в дозе 1 Гр, то в результате возникнет 8,5 мутаций (или 17 у 200, по-

скольку в действительности не может быть 0,5 мутаций). Фактически – это та же самая величина риска, как и в пункте «а»);

в) вероятность возникновения мутаций на грей или на зиверт. Выражен-

ный таким способом риск, описанный в пунктах «а» и «б», будет описан как 0,085 на грей или 8,5·10–2 Гр–1. Этот фактор риска полностью отражает смысл термина, поскольку мы можем умножить его на дозу и на число облученных людей, чтобы определить количество индуцированных мутаций;

г) наиболее часто используемый способ выражения – это «один на столькото». Например, риск 8,5·10–2 означает «1 на 12».

Если мы примем, что частота генетических событий пропорциональна дозе радиации (линейная модель), то можем вычислить количество дополни-

тельных мутаций, которые появятся в облученной популяции:

число мутаций = = число облученных людей × эквивалент дозы (в Зв) × фактор риска (на Зв).

Количество (число облученных людей), умноженное на эквивалентную дозу (в Зв) определяется как коллективная эквивалентная доза. Таким обра-

зом, количество мутаций = коллективная эквивалентная доза (в Зв) × фактор риска (в Зв–1). Этот расчет справедлив, если только используется линейная беспороговая модель и если мы принимаем, что фактор риска одинаков для каждого человека в облученной популяции.

Оценка величины риска при воздействии малых доз требует в первую оче- редь достаточной численности популяции, особенно в тех случаях, когда ожи-

131

даемое превышение заболеваемости или других эффектов незначительно по сравнению с фоновым уровнем. Поэтому при низких дозах облучения и высокой спонтанной частоте изучаемой патологии необходимая численность может стать недостижимой. Так, для того чтобы обнаружить генетические эффекты, кото- рые могут быть вызваны дополнительной дозой 3 мбэр на человека в год, необхо-

димо наблюдение 700 млн человек на протяжении трех поколений [253].

В связи с этим существуют значительные статистические проблемы в вы-

числении радиационных рисков, что свидетельствует об огромной сложности вычисления стохастических, и в частности генетических рисков облучения у людей.

3.2. Оценка радиационно-генетического риска у людей

Данные, имеющиеся в распоряжении международных комиссий (НКДАР, БЭИР и МКРЗ), получены при обследовании трех категорий людей:

1)жители, пережившие атомную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки;

2)пациенты, получившие радиотерапевтическое лечение по поводу неон-

кологических заболеваний;

3)люди, которые были облучены в ходе своей работы – профессиональное облучение.

3.2.1. Жители Хиросимы и Нагасаки

Самая большая из всех трех категорий. Примерно около 100 000 человек обследованы в течение более чем сорока лет. Полученные ими дозы радиации достигают 5 Гр (500 рад) при средней дозе 0,27 Гр (27 рад). Это было острое облучение с низкой ЛПЭ. Дозы радиации обусловлены в основном внешним γ-облучением.

Поскольку известно, что облучение может повреждать гены и хромосомы, следовало бы ожидать, что воздействие радиации на родителей приведет к увеличенной частоте врожденных заболеваний у их детей. Частота врожденных аномалий, преждевременных родов и детской смертности исследована у 70 000 беременных женщин из числа выживших после бомбардировки по сравнению с беременными контрольной группы, которые не были облучены [254].

Различия в частоте врожденных аномалий или преждевременных родов не выявлены; обнаружено лишь небольшое увеличение детской смертности в том случае, когда облученными являлись оба родителя. Но эти данные ста-

тистически не достоверны, т. е. увеличение могло оказаться случайным. Лимфоциты 4230 детей, рожденных от выживших после бомбардировки

людей исследованы для того чтобы проверить частоту хромосомных аберра- ций по сравнению с контрольной группой из 2202 детей, чьи родители не по- лучили облучения. Число детей с хромосомными перестройками было не- сколько выше в облученной группе по сравнению с контрольной, но статисти-

чески значения не различались.

132

Нет никаких доказательств и увеличения частоты синдрома Дауна у де-

тей, рожденных жителями Хиросимы и Нагасаки. Однако, поскольку средний возраст людей составлял 24 года, летальные генетические нарушения, оче-

видно, не учтены, и это могло уменьшить различие между двумя группами.

Переоценка данных по Хиросиме и Нагасаки

Данные, полученные ранее при обследовании жителей Хиросимы и Нага-

саки, были затем подвергнуты тщательному пересмотру. Главной причиной этого явилось предпринятое в 1976 г. департаментом энергетики США иссле- дование структуры бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Сделан де-

тальный расчет доз, полученных пережившими бомбардировку, приняты во внимание экранирование, обеспечиваемое зданиями, и эффекты атмосферной влажности, которые не учитывались в предыдущих расчетах. Дозы были пе-

реоценены для 76 000 людей, выживших после бомбардировки. За период 1950–1985 гг. в подгруппе лиц, переживших атомную бомбардировку, зареги-

стрировано 340 случаев гибели от рака.

Новые радиационные дозы для различных органов тела мало отличались от вычисленных ранее. Некоторые были увеличены, а некоторые уменьшены с максимальными изменениями не более 30 %. Таким образом, пересмотр доз не очень сильно повлиял на изменение факторов риска. Эти факторы получе-

ны, конечно, для кратковременного облучения в относительно высоких дозах. Как отмечалось ранее, риск от радиации с низкой ЛПЭ может быть меньше, когда доза облучения растянута во времени.

Фактор мощности дозы может означать, что факторы риска, рассчитанные по данным Хиросимы и Нагасаки, слишком велики для хронического дей-

ствия радиации. Однако существует и другая проблема, связанная с этими данными, которая может привести к недооценке фактора риска для лейкемии – наблюдения за частотой лейкемии были начаты лишь в октябре 1950 г., т. е. пять лет спустя после бомбардировки. У больных анкилоидным спондилезом 40 % дополнительных случаев лейкемии появилось в первые пять лет после облучения; поэтому возможно, что некоторые случаи лейкемии могли быть не замечены в Хиросиме и Нагасаки. Это особенно касается детей.

Может показаться, что нет никаких явных свидетельств увеличенной ге-

нетической опасности у людей, выживших в Хиросиме и Нагасаки. Мы не должны торопиться с выводами, так как некоторые генетические нарушения могли быть элиминированы за счет выкидышей, а рецессивные мутации мог-

ли еще не проявиться.

3.2.2. Пациенты, получившие радиотерапевтическое лечение по поводу неонкологических заболеваний

У небольшой группы таких пациентов впоследствии развился рак, и эти данные могут быть использованы для вычисления радиационных рисков. Са- мая большая и наиболее важная группа из этой категории – это группа, состо-

133

ящая из 14 000 пациентов, которые облучены в процессе лечения анкилоидно-

го спондилёза, болезни, обусловленной нарушениями позвоночника. Лечение позвоночника рентгеновскими лучами эффективно замедляло болезнь, но было прекращено, когда обнаружили, что воздействие радиации на костный мозг увеличивает онкологический риск. Средняя доза радиации на костный мозг в одном курсе облучения составляла 3,8 Гр [255] (пациентов, прошедших один курс терапии, обследовали в среднем на протяжении 24 лет [256]). Коли-

чество смертей, обусловленных раковыми заболеваниями (кроме лейкемии), было на 28 % больше, чем в среднем у населения, а частота смертей, обуслов-

ленных лейкемией, была в три раза выше ожидаемой. Были изучены многие другие небольшие группы людей, облученных в медицинских целях: под-

ростки, прошедшие лечение рентгеновскими лучами для увеличения тимуса; люди, прошедшие многократную флюороскопию во время лечения туберкулеза; женщины, прошедшие радиационную терапию при лечении мастита (воспа- ление грудной железы); пациенты, получавшие торотраст (содержащий есте- ственную радиоактивную двуокись тория), который ранее использовался в ка-

честве контрастного агента (подобно барию) в диагностической радиографии.

3.2.3.Люди, которые были облучены

впроцессе профессиональной деятельности

Наиболее важными группами внутри этой категории являются шахтеры, особенно работающие в урановых шахтах (рабочие вдыхают радон). Изучены такие группы в Канаде, США, Чехословакии и Швеции.

Другая группа этой категории состоит из женщин, которые работали с лю- минесцентной краской, содержащей радий. У этих женщин обнаружена повы-

шенная частота рака груди и кости [257, 258].

Радиационно-генетические эффекты в этих группах не были выявлены. Важно отметить, что большинство приведенных данных касается облуче-

ния ионизирующей радиацией с низкой ЛПЭ; существуют лишь некоторые сведения о радиационных эффектах, вызванных у людей радиацией с высокой ЛПЭ, за исключением рабочих урановых шахт (у которых доза радиации обу- словлена в основном вдыханием α-частиц). Раньше полагали, что жители Хи-

росимы были облучены смесью нейтронов и γ-лучей; однако недавняя переоценка доз указывает, что вклад нейтронов в облучение кителей Хиросимы

иНагасаки слишком низок.

3.3.Медико-биологические последствия Чернобыльской аварии

Врезультате аварии населением и ликвидаторами сразу после катастрофы были получены значительные дозы облучения.

Согласно наиболее широко принятым оценкам, наиболее пострадавшими группами населения являются следующие:

134

1)ликвидаторы последствий аварии на ЧАЭС, включая гражданский и во- енный персонал, участвовавшие в очистительных работах и сооружении за-

щитного саркофага;

2)жители, эвакуированные из 30 км зоны вокруг ЧАЭС;

3)жители загрязненных территорий бывшего Советского Союза;

4)жители территорий вне бывшего Советского Союза – летучие радиоак- тивные вещества (йод, цезий) распределились во время аварии по всему Се-

верному полушарию. Дозы радиации, полученные населением вне бывшего

СССР, сравнительно невысоки (от нескольких десятых до 1–2 мЗв) и варьиру-

ются в разных странах в основном в зависимости от осадков, выпадавших во время прохождения радиоактивного облака.

К ликвидаторам относятся лица, принимавшие участие в работах по лик- видации последствий аварии на ЧАЭС в 1986–1989 гг. Точное число их неиз-

вестно. Согласно данным Всесоюзного распределительного реестра (СССР, 1986–1989), в 1990 г. он включал 316 553 человека. Возраст ликвидаторов на момент аварии в основном составлял от 20 до 45 лет.

Большинство ликвидаторов можно разделить на две группы: тех, кто на-

ходился на станции в момент аварии и сразу после нее, и тех, кто участвовал

впоследующих деконтаминационных работах и постройке саркофага.

В сам момент аварии и немедленно после нее на станции находилось около 400 человек, включая персонал, пожарных и медицинских работников, кото-

рые получили очень высокие дозы внешнего облучения от 1 до 16 Зв и более, а также сопоставимые или даже большие дозы внутреннего облучения за счет инкорпорированных радионуклидов [259].

Однако наибольшее число ликвидаторов участвовали в очистительных ра- ботах после аварии с 1986 по 1989 г. Хотя они работали не в условиях экстрен-

ных ситуаций, ими также были получены значительные дозы облучения от нескольких десятков до сотен мЗв. Первоначально лимит составлял 250 мЗв/год, однако со временем доза облучения снижалась. Согласно национальным реги- страм России, Украины и Беларуси, средняя доза облучения, полученная лик-

видаторами, составляла 170 мЗв в 1986 г., 130 мЗв в 1987 г., 30 мЗв в 1988 г.

и 15 мЗв в 1989 г. [260].

Медико-биологические последствия Чернобыльской аварии подробно изучались исследователями из разных стран. Огромное количество публикаций отражает всю пестроту результатов и их интерпретаций, обусловленных раз- ными научными и моральными подходами. Что касается генетических эффек- тов, было обнаружено, что радиационное облучение не повысило частоты ми-

нисателлитных мутаций у детей ликвидаторов аварии на ЧАЭС по сравнению с детьми здоровых родителей [261]. Анализ ДНК лимфоцитов детей ликвида- торов также не выявил статистически значимого повышения частоты мута- ций у детей, зачатых после момента облучения их отцов по сравнению с деть-

ми, зачатыми до этого [260].

В результате анализа всех полученных данных международные организа-

ции, включая Научный комитет ООН, в 2001 г. пришли к выводу, что «до сих

135

пор не обнаружено радиационно-индуцированных генетических заболеваний

впопуляции человека, подвергшейся воздействию ионизирующей радиации» [262]. Учеными в МАГАТЭ в 2005 г. был сделан схожий вывод: из-за относи-

тельно малых доз радиации, которым подвергались популяции пострадавших

врезультате Чернобыльской аварии территорий, нет доказательств и даже свидетельств о повышении бесплодия среди мужчин и женщин, являющихся прямым эффектом воздействия ионизирующего излучения [263].

Единственным достоверным следствием аварии на ЧАЭС признано увели-

чение частоты рака щитовидной железы у лиц, подвергшихся облучению

вдетском и юношеском возрасте [264].

Врезультате Чернобыльской аварии в атмосферу было выброшено огром-

ное количество радиоактивного йода, который начал концентрироваться в щитовидной железе, что способствовало патологической модификации ее кле-

ток. Усилению накопления радиоактивного йода в железе способствовало то, что загрязненные территории – Беларусь, Украина и юго-запад России – явля-

ются эндемичными по йодному дефициту.

ВБеларуси средняя доза облучения на щитовидную железу составила 0,9– 1 Гр для ребенка в возрасте от 0 до 7 лет и 0,3 Гр для всей популяции. Для Беларуси, России и Украины коллективные дозы облучения щитовидной же- лезы при грубой оценке составляют 550000, 200000–300000 и 390000 чел.-Зв со-

ответственно [260].

Впервые рост числа заболеваний раком щитовидной железы был обнару- жен в начале 1990-х годов в Беларуси, эта тенденция характерна для загряз-

Ежегодная заболеваемость раком щитовидно железы среди детей, подростков и взрослого на-

селения Беларуси с 1986 по 2002 г. [261]

136

ненных районов Беларуси, Украины и России. На рисунке представлена вре- менная зависимость частоты рака щитовидной железы у детей (0–14 лет), под-

ростков (15–18 лет) и взрослого населения (19–34 года) Беларуси после аварии на ЧАЭС. К 1995 г., частота рака щитовидной железы у детей достигла 4 на 100 тыс. в год, в то время как до аварии она составляла 0,03–0,05 случаев на 100 тыс. в год. В связи с тем, что те, кто были детьми в момент аварии, взрос-

лели (к 2002 г. даже самые младшие дети стали подростками), частота рака щитовидной железы среди детей снизилась практически до нуля. Однако од- новременно наблюдалось повышение частоты рака щитовидной железы у под-

ростков и немногим позднее – у взрослого населения.

В целом около 5000 случаев рака щитовидной железы среди детей и под- ростков на момент аварии было зафиксировано в Беларуси, Украине и четы-

рех наиболее загрязненных областях России в течение 1986–2002 гг. Из них на данный момент 15 случаев были летальными. Однако Всемирная организа-

ция здравоохранения предупреждает, что в течение жизни около 1/3 детей, проживавших в момент аварии в Гомельской области в возрасте от 0 до 4 лет, переболеют раком щитовидной железы – это около 50 тыс. человек.

3.3.1. Нерадиационные причины повышения частоты рака щитовидной железы

Выявленный эффект увеличения частоты рака щитовидной железы тем не менее является результатом воздействия не только радиации, но и других от-

рицательных факторов.

Во-первых, загрязненные территории – Беларусь, Украина и юго-запад России, как уже указывалось, являются эндемичными по йодному дефициту, поэтому до 1980 г. в этих районах проводилась йодная профилактика путем использования йодированной соли. Однако с 1980 г. эта профилактика была прекращена, и к моменту аварии 1986 г. у части населения наблюдался йод- ный дефицит. Это привело к тому, что щитовидные железы таких людей впи-

тали гораздо больше радионуклидов йода, чем при нормальном содержании йода в организме.

Во-вторых, факт аварии пытались скрыть, и лишь спустя неделю, когда об аварии стало известно всему миру, Минздрав СССР рекомендовал проводить йодную профилактику. Смысл этого мероприятия состоит в том, что если до облучения или в первые часы во время облучения принимать соли йода (в частности, йодистый калий), то стабильный йод заполнит все «вакантные» места в щитовидной железе и тем самым предупредит или уменьшит накопле-

ние в ней радиоактивного йода (в Польше, например, в ночь аварии на ЧАЭС медики будили детей и давали им йодистый калий). «Профилактика» спустя неделю после аварии была не только излишней, но преступно вредной, так как поступление дополнительного количества йода в организм препятствовало выведению радиоактивного йода, что усугубило его повреждающее действие.

137

В-третьих, благодаря плохой информированности, люди пили не йоди-

стый калий, а спиртовой раствор йода – то, что они могли купить в аптеке, причем добавляли его в пищу или напитки в неконтролируемых дозах. При этом в щитовидной железе создавался избыток йода, что так же вредно, как и его недостаток. Кроме того, спиртовой раствор йода сам способен вызывать опухоли.

Тем не менее увеличение частоты рака щитовидной железы признается до-

стоверным, но не единственным следствием Чернобыльской аварии. Что же касается генетических эффектов для человека, то нет никаких явных свиде-

тельств увеличенной генетической опасности ни у людей, выживших после атомной бомбардировки в Хиросиме и Нагасаки, ни у населения, облученного в результате аварии на ЧАЭС.

Однако если факты не доказаны, это не означает, что их вовсе не может быть.

3.3.2.Почему не доказаны радиационные мутации у человека?

Внастоящее время международные организации, занимающиеся оценкой радиационных рисков, и в частности МКРЗ, пришли к выводу, что «нет пря- мых доказательств того, что облучение родителей приводит к дополнитель-

ным наследственным болезням у детей» [265].

Вначале ХХ в. для доказательства того, что ионизирующая радиация во- обще способна вызывать мутации Дж. Мёллеру пришлось синтезировать спе-

циальные тестовые линии дрозофилы, провести скрещивания облученных самцов с виргильными самками и лишь в третьем поколении обнаружить ре-

цессивные летальные мутации, вызванные облучением. Но человека нельзя ни облучать, ни скрещивать, а исследовать частоту мутаций в поколениях людей, облученных по разным причинам, и пытаться отличить радиационно-инду-

цированные мутации от спонтанных или вызванных другими причинами, – задача на настоящий момент трудно выполнимая. Поэтому так сложно интер- претировать данные, полученные при исследовании популяций, подвергших-

ся облучению.

Вэтой связи возникает вопрос – мы не можем выявить радиационно-инду- цированные мутации у человека из-за отсутствия необходимых для этого ме- тодов или у человека в отличие от других организмов такие мутации не воз- никают? Существуют явления, связанные с различиями в плодовитости раз- ных видов. Действительно, мы знаем, какой огромный потенциал плодовито-

сти существует не только у микроорганизмов и растений, но и у большинства животных. Например, рыбы и земноводные мечут колоссальные количества икринок, а выживают только две особи (если популяция находится в равно- весном состоянии). Поэтому любые мутации, не только летальные, но и про- сто понижающие жизнеспособность, отметаются жестким естественным от-

бором. Но чем ниже плодовитость вида, тем менее интенсивен естественный

138

отбор. Очевидно, природа позаботилась о создании защитных механизмов, препятствующих появлению уродств в малочисленном потомстве.

Так, у человека, отличающегося, как правило, одноплодной беременно- стью, существует целый ряд этапов, на которых возможна элиминация воз- никших повреждений генеративных клеток – происходит отбор не конкурент- но способных клеток на уровне гамет (например, из миллионов спермиев, вы-

брасываемых при эякуляции, в оплодотворении участвует один!) и на уровне зигот (несовместимые с жизнью повреждения выбраковываются). Можно до-

бавить ранние не диагностируемые выкидыши, маскирующие элиминацию мутаций. Таким способом могут быть элиминированы многие генетические нарушения.

Кроме того, на человека влияет огромное количество мутагенных факто-

ров не радиационной природы, что также затрудняет вычленение эффекта ионизирующей радиации. Все это приводит к тому, что современные методы не позволяют ни обнаружить радиационно-индуцированные мутации, ни до-

казать их отсутствие.

3.3.3. Способы расчета радиационного риска для человека

Не исключено, что облучение все же индуцирует рецессивные мутации, которые в гетерозиготном состоянии не проявляются, их можно выявить, только если они когда-нибудь перейдут в гомозиготное состояние, что мало вероятно при их крайне низкой частоте в популяции. Возможно, что возника- ют точковые мутации, понижающие жизнеспособность, которые также слож-

но обнаружить. Поэтому генетический риск все же необходимо учитывать и для его вычисления используют данные, полученные при облучении мы-

шей, так как мыши наиболее близки человеку по радиочувствительности и по генетическим характеристикам. При этом учитывают частоты спонтанных мутаций у мыши и человека и индуцированных облучением мутаций у мыши. Это единственный в настоящее время способ оценки предполагаемого генети- ческого риска радиации для человека. Однако это метод имеет целый ряд не- достатков, связанных с генетическими различиями между этими двумя вида-

ми – у мышей и людей резко различается длительность поколений (у мышей смена поколений происходит каждые 2–3 месяца, а у людей – 20–30 лет), у че-

ловека мужской пол более радиочувствителен, чем женский, а у мышей оба пола имеют одинаковую радиочувствительность, различаются также размер генома, время созревания половых клеток и т. д.

Расчеты генетического риска были проведены Научным комитетом по действию атомной радиации ООН, исходя из данных, полученных на мышах при облучении в дозах 1–6 Зв [262]. После введения поправочных коэффици- ентов, связанных с указанными выше различиями, была проведена экстрапо-

ляция данных с мышей на человека. Согласно полученным расчетам, риск рождения потомков с наследственными дефектами – детей и внуков облучен-

139