CC BY
6
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 2 - P. 96-99
Раздел III
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
Section III
PHYSICAL AND CHEMICAL BIOLOGY
УДК: 611.81: 616-001.28/29 DOI: 10.24412/1609-2163-2022-2-96-99 EDN ILTUXH
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРАНИЧНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ ПРИ РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
В.П. ФЕДОРОВ*, О.М. ХОЛОДОВ*, О.П. ГУНДАРОВА**
*ФГБОУ ВО «Воронежская государственная академия спорта» Минспорта России, ул. Карла Маркса, д. 59, г. Воронеж, 394000, Россия, e-mail: fedor.vp@mail.ru **ФГБОУ ВО «Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко» Минздрава России,
ул. Студенческая, д. 10, г. Воронеж, 394036, Россия
Аннотация. У ликвидаторов последствий радиационных аварий и пострадавшего населения наблюдается значительный рост пограничных нейропсихических нарушений. Высокая медико-социальная значимость таких состояний вызывает необходимость выявления в головном мозге соответствующих структурно-функциональных эквивалентов. Однако оценочные эксперименты на животных, облученных в дозах и режимах сопоставимых с таковыми у ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС, выполненные с помощью традиционных нейроморфологических и статистических методик не выявили функционально значимых органических изменений в структурах головного мозга. В связи с этим необходимы новые подходы к оценке изменений в головном мозге, и первостепенная роль в этом должна принадлежать методам системного анализа и, в частности, математического моделирования. Цель работы - исследование изменений нейронов различных отделов головного после общего у-облу-чения в дозах до 1,0 Гр. Материалы и методы исследования. Эксперимент проведен на 300 половозрелых белых крысах, которые подвергались острому у-облучению в дозах 0,1; 0,2; 0,5 и 1 Гр с мощностью дозы радиационного воздействия 0,5; 1,0; 2,5 и 6,6 Гр/ч и исследованных на протяжении всей последующей жизни с помощью стандартных нейроморфологических, гистохимических и статистических методик с последующим математическим моделированием полученных оценочных критериев. Результаты и их обсуждение. На протяжении всего эксперимента как у контрольных, так и облученных животных, наблюдались фазные ундулирующие изменения различных нейроморфологических показателей имеющих, как правило, пограничный характер, а уровень их значимости колебался по отношению к контролю в функционально незначимых пределах. На изменение одних показателей большее влияние оказывало у-облучение, а других - время восстановления. При совместном воздействии у-облучения и времени восстановления большинство показателей нейронов соответствовало возрастному контролю. Заключение. Статистически значимых изменений нейронов мозга в зависимости от дозы у-облучения не выявлено.
Ключевые слова: головной мозг, малые дозы ионизирующего излучения, доза и мощность дозы радиационного воздействия, реакция нейронов на у-облучение.
SIMULATION OF BORDERLINE CHANGES IN THE BRAIN UNDER RADIATION EXPOSURE
V.P. FEDOROV*, O.M. KHOLODOV*, O.P. GUNDAROVA**
*Voronezh State Academy of Sports of the Ministry of Sports of Russia, Karl Marx Str., 59, Voronezh, 394000, Russia, e-mail: fedor.vp@mail.ru **Voronezh State Medical University named after N.N. Burdenko of the Ministry of Health of Russia, Studencheskaya Str., 10, Voronezh, 394036, Russia
Abstract. The liquidators of the consequences of radiation accidents and the affected population show a significant increase in borderline neuropsychic disorders. The high medical and social significance of these conditions makes it necessary to identify the corresponding structural and functional equivalents in the brain. However, evaluation experiments on animals irradiated in doses and regimens comparable to those in liquidators of the consequences of the Chernobyl accident, performed using traditional neuromorphological and statistical methods, did not reveal functionally significant organic changes in brain structures. In this regard, new approaches are needed to assess changes in the brain, and the primary role in this should belong to the methods of system analysis and, in particular, mathematical modeling. The research purpose is to study the changes in neurons in various parts of the brain after total y-irradiation at doses up to 1.0 Gy. Materials and research methods: The experiment was carried out on 300 adult white rats that were exposed to acute y-irradiation at doses of 0.1; 0.2; 0.5 and 1 Gy with a radiation dose rate of 0.5; 1.0; 2.5 and 6.6 Gy/h and studied throughout the subsequent life by standard neuromorphological, histochemical and statistical methods, followed by mathematical modeling of the obtained evaluation criteria. Results and its discussion: Throughout the experiment, both in control and irradiated animals, phase undulating changes were observed in various neuromorphological indicators of the state of nerve cells, which, as a rule, had a borderline character, and the level of their significance fluctuated in relation to the control within functionally insignificant limits. At the same time, the
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 2 - P. 96-99
change in some neuromorphological parameters was more influenced by y-irradiation, while others were influenced by the recovery time. Under the combined influence of the radiation factor and the time of the recovery period, most indicators of the state of neurons corresponded to the age control. Conclusion: There were no statistically significant changes in the state of brain neurons depending on the dose and dose rate of radiation exposure.
Keywords: brain, low doses of ionizing radiation, dose and dose rate of radiation exposure, neuronal response to y-irradiation.
Актуальность. Влиянию ионизирующего излучения на головной мозг человека и животных посвящено достаточно большое количество исследований [2,4,6,7]. Показано, что уже в ранние сроки после пребывания на радиоактивно загрязненной территории у ликвидаторов последствий радиационной аварии и у пострадавшего населения начинают формироваться пограничные психоневрологические расстройства, приводящие со временем к нарушению работоспособности, психоневрологическим заболеваниям, ранней инвалидиза-ции и дисквалификации личного состава [1,3,4]. Высокая социальная значимость нарушений деятельности нервной системы обуславливает необходимость изучения соответствующих нейроморфологических коррелят. Эксперименты с у-облучением животных в дозах и режимах сопоставимых с таковыми у ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС, выполненные с помощью традиционных нейроморфологических и статистических методик выявили достаточно высокую структурно-функциональную реактивность нейронов различных отделов головного мозга и в тоже время их высокую пластичность и резистентность по отношению к радиационному фактору. Выявляемые изменения на протяжении всей жизни облученных животных не имели линейной зависимости как от дозы у-облучения, так и от длительности восстановительного периода, а носили ундулирующий характер с стохастическими эксцессами в отдельных доза-временных диапазонах. Таким образом используя классические нейроморфо-логические и статистические методики, исследователи не смогли однозначно оценить роль малых радиационных воздействий в поражении нейронов головного мозга и развитии психоневрологических нарушений так как конечный пострадиационный эффект зависел не только от дозы ионизирующего излучения, но и от времени снятия показаний [2,5].
Цель исследования - В модельных экспериментах на крысах выявить изменения в нейронах различных отделов головного мозга после острого общего у-облучения в зависимости от дозы радиационного воздействия и установить приоритетное влияний среди воздействующих факторов (доза и мощность дозы у-облучения, время восстановления) в пострадиационных изменениях нейронов.
Материалы и методы исследования. В эксперименте участвовали 300 белых беспородных крыс самцов в возрасте 4 мес., подвергнутых острому общему у-облучению в дозах 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0 Гр с мощностью дозы радиационного воздействия 0,5; 1,0; 2,5 и 6,6 Гр/ч. Фрагменты головного мозга (поля РАБ и ЕРр коры больших полушарий, неостриатум, таламус) забирали с соблюдением правил биоэтики через сутки после у-облучения и далее на протяжении всей жизни животных (до 24 мес.). После стандартных гистологических и гистохимических процедур подсчитывали количество нервных клеток, находящихся в различном функциональном состоянии (покой - нор-мохромные), (возбуждение - светлые, гипохромные), (торможение - темные, гиперхромные), а также
нейроны с признаками альтеративных (необратимых) изменений (пикноморфные и клеточные тени) в процентах от всей нейронной популяции [2]. С помощью компьютерной программы «Image J» определяли морфометрические показатели основных структурных составляющих нейронов (цитоплазма, ядро, ядрышко) с последующим расчетом ядерно-цито-плазматического (ЯЦИ) и ядрышко-ядерного (ЯЯИ) индексов, а также определяли содержание в нейронах белка и нуклеиновых кислот (ДНК в ядрах, а РНК в цитоплазме и ядрышках). При анализе результатов использовали параметрические методы статистики с вычислением средних и доверительных интервалов с помощью пакетов программ Statistica 6.1, MS Excel. Нулевая гипотеза отвергалась при p<0,05 (t-критерий Стьюдента для парного сравнения независимых выборок между группами). Для установления приоритета среди воздействующих факторов на динамику изменений нейронов головного мозга использовали регрессионный анализ. Математическую модель представляли уравнением регрессии:
Оцк=ао+а1х+а2у+азху+а4х2+а5у2+авх3+а7у3, где ОЦК -оцениваемый критерий нейронов, х - доза у-облуче-ния; у - продолжительность восстановления; ху -совместное влияния факторов; х2, у2, х3, у3 - нелинейное влияние факторов; ао, ai, а2 и т.д. -коэффициенты регрессии при х, у, ху и х2, у2, х3, у3 и т.д.
■ гипсир DiiBMïfflp Ппикчмюр ■ял.ини Вмоцкаром ■ гнлокрои агипсрщюм :: пи»е*юрф ■ о.кя
А Б
Рис. 1. Структурно-функциональная перестройка нейронов III слоя сенсорной (А) и моторной (Б) зоны коры больших полушарий головного мозга после острого у-облучения в дозе 1,0 (для А) и 0,5 (для Б) Гр. • - различия с соответствующим возрастным контролем статистически значимы
Результаты и их обсуждение. В предшествующих публикациях показано, что в нейронах различных отделов головного мозга отсутствуют функционально значимые структурные изменения в зависимости от дозы у-облучения в диапазоне от 0,1 до 1 Гр [1,2,4]. Данное исследование подтвердило эти выводы как для различных в функциональном плане зон коры больших полушарий, так и для подкорковых образований. На рис. 1 видно, что в сенсорной зоне коры только в конце эксперимента статистически значимо снизилось количество нейронов без морфологического изменения за счет увеличения количества нейронов со сниженной функциональной активностью. В моторной зоне коры уже через сутки после воздействия снизилось количество неизмененных нейронов и оставалось на этом уровне до окончания
ВЕСТНИК НОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ - 2022 - Т. 29, № 2 - С. 96-99 JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 2 - P. 96-99
эксперимента. Также значимо увеличилось количество нейронов со сниженной функциональной активностью, а в последующие сроки их количество соответствовало контролю. Через 6 мес. на 25% увеличилось количество нейронов с повышенной функциональной активностью (р<0,031) и оставалось на этом уровне до окончания эксперимента. Количество нейронов с необратимыми изменениями во все сроки, как в моторной, так и в сенсорной зоне, соответствовало таковому у контрольных животных.
А
Б
Рис. 2. Структурно-функциональная перестройка нейронов
таламуса (А) и неостриатума (Б) головного мозга после острого у-облучения в дозе 0,5 Гр, мощность дозы радиационного воздействия 0,5 Гр/ч. • - различия с соответствующим показателями возрастного контроля статистически значимы
них белка и нуклеиновых кислот [1]. Только в отдельные доза-временные диапазоны изменения в нейронах приобретали пограничный характер, когда они уже не являлись нормой и в тоже время еще и не являлись патологией. Это свидетельствовало об определенной нестабильности структурно-функциональной организации нейронов и напряжении их функционирования, а не о индуцированной у-облучением патологии. В целом уровень выявленных нейроморфологи-ческих изменений у животных облученных в дозовых и временных параметрах сопоставимых с таковыми у ликвидаторов последствий Чернобыльской радиационной аварии не коррелировал с наблюдаемыми у них нейропсихическими заболеваниями. В связи с этим с помощью математического моделирования оценен вклада каждого из факторов в пострадиационные эффекты. Алгоритм моделирования показан на примере изменений нейронов, сохранивших свою структурно-функциональную организацию (неизмененные, нор-мохромные нейроны, ННК) [2,5].
Таблица 1
Зависимость количества неизмененных нервных клеток от рассматриваемых факторов
Близкие результаты получены и при других дозах радиационного воздействия. Во всех случаях в функционально различных зонах коры наблюдались ундулирующие не имеющее линейной зависимости от дозы облучения и времени восстановительного периода изменения соотношения различных форм нейронов. При этом наибольшие изменения имели показатели, отражающие функциональную активность нервных клеток и в меньшей степени их альте-ративные проявления. Примечательно, что к окончанию эксперимента у контрольных животных отмечалось увеличение количества нервных клеток с необратимыми изменениями, причем в моторной зоне коры это приводило даже к статистически значимому обеднению нейронной популяции. У облученных животных как в сенсорной, так и моторной зонах коры альтеративные изменения не имели статистически значимых отличий от возрастного контроля. Вместе с тем при у-облучении в моторной зоне значительно повышалось количество нейронов, находящихся в повышенном (гипохромные) и особенно сниженном (гиперхромные) функциональном состоянии за счет уменьшения количества неизмененных клеток [2,3].
Из диаграмм (рис. 2) следует, что в таламусе контрольных животных со второй половины восстановительного периода наблюдается тенденция к увеличению количества нейронов, находящихся в состоянии возбуждения за счет некоторого снижения количества неизмененных нервных клеток. У облученных животных соотношение различных форм нейронов во все сроки наблюдения соответствовало таковому в возрастном контроле. Вместе с тем в неостриатуме уже через сутки после радиационного воздействия до 30% популяции составляли нейроны со сниженной функциональной активностью (р<0,023) и оставались на этом уровне до окончания эксперимента.
Однонаправленные результаты получены и при исследовании структурных составляющих нейронов (перикарион, ядро, ядрышко), а также содержащихся в
Показатель Коэффициент оценки Стандартная ошибка Г-статистика Р-уровень
константа 0,897 0,0194 46,311 <1*№19
ai -2,0290 0,3785 -5,3611 0,000001
Ü2 0,0569 0,1571 0,3621 0,718179
аз -0,0034 0,0456 -0,0738 0,941360
а4 -11,9835 2,1990 5,4495 <1*№19
as 0,4038 0,4130 0,9779 0,330790
ав -10,0343 1,8419 -5,4477 <1*№19
а7 -0,5883 0,2719 -2,1642 0,033154
Таблица 2
Оценка адекватности математической модели влияния параметров на динамику изменений нормохромных нейронов
параметр сумма квадратов отклонений степени свободы средний квадрат F-статистика коэффициент достоверности
модель 68,4823 5,0002 13,6964 2585,5792 <1*10-19
остаток 0,48214 91,0002 0,0053
Модель с приведенной суммой 68,48224 5,0001 13,6964 1271,2133 <1*№19
Примечание: Коэффициент корреляции r=0,733 Коэффициент детерминации (диагностическая значимость) R2=0,528
Из табл. 1 следует, что количество нервных клеток без морфологических изменений статистически значимо зависело от факторов, находящихся при коэффициентах а1, а4, аб, а7. Приоритетная роль в пострадиационном эффекте принадлежит у-облуче-нию. Время восстановления вносит меньший вклад в конечный результат по сравнению с облучением. При этом эффект воздействия рассматриваемых факторов на динамику нейронов без морфологических изменений приемлемый: уровень значимости модели составляет менее <1Х10-19 при коэффициенте детер-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 2 - P. 96-99
минации R2=0,528 и корреляционной связи аргументов г=0,733. Эти параметры и ряд других, характеризующих модель, показаны в табл. 2.
Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на динамику не измененных нервных клеток (ННК), выглядит следующим образом: ННК=0,9382-2,0311х-11,9838х2-10,0344х3-0,1552у2.
Рис. 3. Графическая зависимость динамики неизмененных нервных клеток от дозы ионизирующего излучения и времени восстановительного периода. Примечание: по оси х отложено нормированное значение дозы у-облучения, по оси у - нормированное значение времени восстановления и по оси г нормированные значения показателя количества ННК
Из графика (рис. 3) следует, что с увеличением дозы у-облучения количество неизмененных нейронов вначале повышается, а затем снижается и в конце диапазона дозы у-облучения практически соответствует возрастному контролю. Время восстановления после радиационного воздействия, мало влияет на изменение рассматриваемого показателя. Аналогично анализировали вклад каждого воздействующего фактора в изменения других нейроморфологи-ческих показателей значения которых при традиционных методах исследования не имели статистически значимых отличий от возрастного контроля. Анализ уравнений регрессии показал, что большинство показателей состояния нейронов отличаются высокой реактивностью к радиационному фактору и в тоже время достаточной резистентностью и пластичностью благодаря которым нейронная популяция при регламентированных дозах у-облучения сохраняет свою целостность.
Заключение. Анализ функций уравнений регрессии свидетельствует о наличии отклика у ряда показателей состояния нейронов на радиационное воздействие, а, следовательно, их чувствительности к рассматриваемым дозам у-облучения. При рассмотренных режимах воздействия изменения, индуцированные у-облучением со временем репарируются, но
всегда видимо остается часть не репарируемых изменений. Вполне вероятно, что с увеличением интенсивности радиационного воздействия или воздействии сопутствующих неблагоприятных факторов присущих радиационным авариям репаративные процессы в нейронах будут ослабевать, а изменения накапливаться. Выявленные флюктуации нейромор-фологических показателей хотя и имеют стохастический характер свидетельствуют о определенной нестабильности состояния нейронов и напряжении их функционирования.
Литература / References
1. Гундарова О.П., Федоров В.П., Кварацхелия А.Г., Маслов Н.В. Радиационно-индуцированные изменения содержания белка в нейронах головного мозга // Журнал анатомии и гистопатологии. 2020. Т. 9, №3. С. 17-25 / Gundarova OP, Fedorov VP, Kvarachelija AG, Maslov NV. Radiacionno-inducirovannye izmenenija soderzhanija belka v nejronah golovnogo mozga [Radiation-induced changes in protein content in brain neurons]. Zhurnal anatomii i gistopatologii. 2020;9(2):17-25. Russian.
2. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Малые радиационные воздействия и мозг. Воронеж: Научная книга, 2015. 536 с. / Ushakov IB, Fedorov VP. Malye radiacionnye vozdejstviya i mozg [Small radiation exposures and the brain]. Voronezh: Nauchnaya kniga; 2015. Russian.
3. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Радиационные риски вертолетчиков при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС: ранние и отдаленные нарушения здоровья // Медицина катастроф. 2021. №3. С. 52-57 / Ushakov IB, Fedorov VP. Radiacionnye riski ver-toletchikov pri likvidacii posledstvij avarii na Chernobyl'skoj AEHS: ran-nie i otdalennye narusheniya zdorov'ya [Radiation risks of helicopter pilots during liquidation of the consequences of the accident at the Chernobyl nuclear power plant: early and long-term health disorders]. Medicina katastrof. 2021;(3):52-7. Russian.
4. Федоров В.П., Ушаков И.Б., Федоров Н.В. Церебральные эффекты у ликвидаторов Чернобыльской аварии. Саарбрюккен: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2016. 390 с. / Fedorov VP, Ushakov IB, Fedorov NV. Cerebral'nye ehffekty u likvidatorov Chernobyl'skoj avarii [Silver effects in the liquidators of the Chernobyl accident]. Saarbryukken: LAP LAMBERT Academic Publishing; 2016. Russian.
5. Федоров В.П., Ушаков И.Б., Асташова А.Н. Обоснование и разработка моделей для оценки церебральных последствий у летного состава после работ на радиоактивно загрязненной местности // Современные противоречия и направления развития авиационной и космической медицины. СПб: ВМА, 2018. С. 294-296 / Fedorov VP, Ushakov IB, Astashova AN. Obosnovanie i razrabotka modelej dlya ocenki cerebral'nykh posledstvij u letnogo sostava posle rabot na radioaktivno zagryaznennoj mestnosti [Substantiation and development of models for the assessment of cerebral consequences in flight personnel after work on radioactively contaminated terrain]. Sovremennye protivorechiya i napravleniya razvitiya aviacionnoj i kosmicheskoj mediciny. SPb: VMA; 2018. Russian.
6. Tang F.R., Loke W.K., Khoo B.C. Low-dose or low-dose-rate ionizing radiation-induced bioeffects in animal models. Journal of Radiation Research. 2016. Vol. 58, N2. P. 165-182 / Tang FR, Loke WK, Khoo BC. Low-dose or low-dose-rate ionizing radiation-induced bioeffects in animal models. Journal of Radiation Research. 2016;58(2):165-82.
7. Terry C. Burns, Ahmed J. Awad, Matthew D. Li, Radiation-induced brain injury: low-hanging fruit for neuroregeneration. Neurosurg Focus 2016. Vol. 40, N5. P. E3 / Terry C. Burns, Ahmed J. Awad, Matthew D. Li, Gerald A. Radiation-induced brain injury: low-hanging fruit for neuroregeneration. Neurosurg Focus 2016;40(5):E3.
Библиографическая ссылка:
Федоров В.П., Холодов О.М., Гундарова О.П. Моделирование пограничных изменений в головном мозге при радиационных воздействиях // Вестник новых медицинских технологий. 2022. №2. С. 96-99. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-2-96-99. EDN ILTUXH.
Bibliographic reference:
Fedorov VP, Kholodov OM, Gundarova OP. Modelirovanie pogranichnykh izmeneniy v golovnom mozge pri radiatsionnykh vozdeystvi-yakh [Simulation of borderline changes in the brain under radiation exposure]. Journal of New Medical Technologies. 2022;2:96-99. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-2-96-99. EDN ILTUXH. Russian.
