CC BY
10УДК 615.849.12 DOI: 10.29039/2224-6444-2022-12-4-11-15
МОРФОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОЖИ ПОСЛЕ ОДНОКРАТНОГО И ФРАКЦИОННОГО ЛОКАЛЬНОГО ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАМИ
Вадюхин М. А.1, Демяшкин Г. А.1, Шаповалова Е. Ю.2, Марукян А. Х.2
'ФГАОУ ВО «Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский Университет), 119048, ул. Трубецкая, 8 стр.2, Москва, Россия
2Институт «Медицинская академия имени С. И. Георгиевского» ФГАОУ ВО «Крымский федеральный' университет имени В. И. Вернадского», 295051, бульвар Ленина, 5/7, Симферополь,Россия
Для корреспонденции: Демяшкин Григорий Александрович, к.м.н., заведующий лабораторией гистологии и иммуногистохимии ИТМиБ Первого МГМУ им. И.М. Сеченова (Сеченовский Университет); e-mail: dr.dga@ mail.ru
For correspondence: Grigory Demyashkin, PhD, Head of Department of Histology and Immunohistochemistry, ITM of I. M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University), e-maiMr.dga@mail.ru
Information about authors:
Vadyukhin M. A., https://orcid.org/0000-0002-6235-1020 Demyashkin G. A., https://orcid.org/0000-0001-8447-2600 Shapovalova E. Y., http://orcid.org/0000-0003-2544-7696 Marukyan A. Kh., https://orcid.org/0000-0002-4619-7385
РЕЗЮМЕ
Рак кожи занимает четвертое место среди злокачественных новообразований. При их лечении применяют хирургические вмешательства, химиотерапевтические местно-действующие препараты и лучевую терапию. Однако, под действием ионизирующего излучения, помимо атипичных клеток, происходит повреждение паратуморальной ткани. Поэтому, одной из основных задач современной радиобиологии является создание экспериментальных моделей для исследования постлучевых повреждений кожи с целью их профилактики. Цель исследования - морфологическая оценка кожи после облучения электронами в различных дозах. Материал и методы. Крысы линии Вистар (n=50) были поделены на четыре группы: I - контрольная (n=20); остальным животным проводили локальное облучение кожи: II (n=10) - разовая облучающая доза 8 Гр; III (n=10) - разовая облучающая доза 40 Гр; IV (n=10) - 6 циклов ежедневно в дозе 13 Гр, суммарная облучающая доза составила 78 Гр. Полученные образцы исследовали гистологическим и морфометрическим методами на 10 сутки после однократного лучевого воздействия и на 15 сутки от начала фракционированного облучения. Результаты. Во фрагментах кожи после облучения электронами в дозе 8 Гр отмечали утолщение базального слоя эпидермиса и признаки расслоения рогового слоя. После облучения электронами в дозе 40 Гр в эпидермисе обнаружили только уплощенный базальный слой, сосочковый слой дермы сглажен, эпидермально-дермальное сочленение содержало микрополости. После фракционного облучения наблюдали деструкцию эпидермиса и интенсивную лейкоцитарную инфильтрацию дермы. Заключение. Наиболее глубокие повреждения кожи происходят после воздействия фракционного облучения электронами в суммарной дозе 78 Гр, при однократном облучении в дозе 40 Гр патологический процесс затрагивал только эпидермис. Однократное облучение электронами в дозе 8 Гр показало наименьшее местное повреждающее действие в эпидермисе.
Ключевые слова: облучение электронами, кератиноциты, эпидермис, дерма.
MORPHOLOGICAL PICTURE OF THE SKIN AFTER SINGLE AND FRACTIONAL LOCAL ELECTRON IRRADIATION
Vadyukhin M. A.1, Demyashkin G. A.1, Shapovalova E. Y.2, Marukyan A. Kh.2
1I. M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University), Moscow, Russia institution «Medical Academy named after S. I. Georgievsky» of Vernadsky CFU, Simferopol, Russia
SUMMARY
Skin cancer ranks fourth among malignant neoplasms, with a mortality rate of 63.7 thousand as of 2020. In the treatment of malignant neoplasms, along with the use of surgical intervention, locally acting chemotherapeutic drugs, as well as radiation therapy, are used. Under the action of ionizing radiation, in addition to atypical cells, damage occurs to healthy paratumoral tissues that fall into the irradiation field. The skin is the organ in which the effects most quickly occur due to exposure to ionizing rays during local or general irradiation. The purpose of the study was a morphological assessment of the skin after electron irradiation at various doses. Material and methods. Mature Wistar rats (n=50) were divided into four groups: I - control (n=20); the rest of the animals after depilation underwent local irradiation of the skin on the outer surface of the thigh: group II (n=10) - a single irradiation dose of 8 Gy; group III (n=10) - a single irradiation dose 40 Gy; group IV (n=10) - 6 cycles daily at a dose of 13 Gy, the total irradiating dose was 78 Gy. The obtained samples were examined on the 10th day after a single radiation exposure and on the 15th day from the start of fractionated irradiation by histological and morphometric methods. Results. The epidermis of the skin of animals of the group II after irradiation with electrons at a dose of 8 Gy consisted of a thickened basal layer, and
КРЫМСКИЙ ЖУРНАЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЫ
signs of delamination were found in the stratum corneum. After electron irradiation at a dose of 40 Gy, the epidermis of the skin is represented by a single-layer flattened basal epithelium, the papillary layer of the dermis is smoothed, and microcavities are found between the epidermis and the dermis. In the skin of animals of group IV, the deepest lesions were observed: the epidermal layer was absent, the papillary layer was smoothed with intense leukocyte infiltration. Conclusion. The deepest skin damage occurs after exposure to fractional electron irradiation at a total dose of 78 Gy; with a single irradiation at a dose of 40 Gy, the pathological process affected the epidermis, and the dermis underwent minor morphological changes. A single electron irradiation at a dose of 8 Gy showed the least local damaging effect.
Key words: electron irradiation, morphometry, keratinocyte, epidermis, dermis.
Рак кожи занимает четвертое место среди злокачественных новообразований, а показатель смертности составляет 63,7 тыс. [1].
К немеланомному раку кожи относятся: ба-зальноклеточный (75 - 97%), плоскоклеточный (5 - 15%) и рак придатков кожи (менее 1%) [2]. Эти виды отличаются друг от друга внешними признаками, а также скоростью развития и распространения, прогнозом выздоровления и выживаемости пациентов. Отдельно выделяют меланому - агрессивное злокачественное новообразование кожи (1,8% от всех онкологических заболеваний) [3].
В лечении злокачественных новообразований наряду с хирургическим вмешательством применяют химиотерапевтические местно-дей-ствующие препараты, а также лучевую терапию (ЛТ). Под действием ионизирующего излучения, помимо атипичных клеток, происходит повреждение паратуморальной ткани, попадающей в поле облучения.
Кожа, благодаря ее барьерной функции, является органом, в котором быстро возникают эффекты, обусловленные воздействием ионизирующих лучей при локальном или общем облучении, а также могут развиться различные постлучевые повреждения, в том числе и отдаленные. На степень их выраженности влияют несколько факторов: возраст, физическое состояние, тип кожи, локализация и продолжительность воздействия [4].
Наиболее часто используемым и эффективным методом ЛТ является у-облучение, которое, однако, сопровождается глубоким повреждением паратуморальной ткани. По мнению некоторых авторов, Р-излучение вероятно является альтернативным методом с меньшей глубиной поражения [5]. Это связано с тем, что электроны, как наиболее новый способ облучения, теряют свою максимальную энергию уже в эпидермисе и распределяются по всему объему злокачественного новообразования, не вызывая при этом обширного повреждения окружающих и нижележащих тканей, таким образом создавая оптимальное фокусное поле облучения [6; 7].
На данный момент облучение электронами, а именно параметры его дозирования, глубина повреждения при однократном или фракцион-
ном использовании остаются малоизученными. Поэтому, одной из основных задач современной радиобиологии является создание экспериментальных моделей для исследования морфологических особенностей постлучевых повреждений кожи после облучения электронами. Полученные результаты могут быть экстраполированы на человека с целью подбора оптимальных доз облучения и нивелирования его побочных эффектов.
Цель исследования - морфологическая оценка кожи после облучения электронами в различных дозах.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Животные - крысы породы Вистар (n=50) были поделены на четыре группы: I - контрольная (n=20); остальным животным проводили локальное облучение кожного покрова на наружной поверхности бедра: II (n=l0) - разовая облучающая доза (РОД) 8 Гр; III (n=10) - РОД 40 Гр; IV (n=10) - 6 циклов ежедневно в дозе 13 Гр, суммарная облучающая доза (СОД) составила 78 Гр. Облучение животных проводили на линейном акселераторе "NOVAC-11". Животных всех групп (I - IV) выводили из эксперимента путем введения высоких доз анестетика на 10 сутки после однократного лучевого воздействия и на 15 сутки от начала фракционированного облучения. Все манипуляции выполняли согласно «Международным рекомендациям по проведению медико-биологических исследований с использованием животных» (ЕЭС, Страсбург, 1985) и Хельсинской декларации Всемирной медицинской ассоциации.
Гистологическое и морфометрическое исследование.
Фрагменты кожи фиксировали в растворе забуферного формалина, после проводки в автоматическом режиме заливали в парафиновые блоки, готовили серийные срезы (толщиной 3 мкм), депарафинировали, дегидратировали и окрашивали гематоксилином и эозином. Гистологические срезы изучали под микроскопом Leica DM2000 с микрофотосъемкой.
Полученные в результате подсчёта данные обрабатывали с использованием компьютерной программы SPSS 12 for Windows statistical
software package (IBM Analytics, США). Данные выражены как среднее значение ± стандартное отклонение. Сравнения проводились с использованием дисперсионного анализа. Значение p <0,05 считалось статистически значимым.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Макроскопическое исследование. У животных контрольной группы кожа наружной поверхности бедра визуально не изменена, гладкая, нормальной окраски (белесоватая), с коротким шерстным покровом. У крыс II-ой группы кожа нормальной окраски с коротким волосяным покровом и эпидермальными пластинками белого цвета (сухой постлучевой эпидерматит). У животных III-ей группы - кожа розовая, на редком шерстном покрове также отмечали признаки сухого постлучевого эпидерматита. Кожа крыс IV-ой группы была ярко розового цвета с синюшным оттенком, с участками редкой и короткой шерсти - экссудативный лучевой дерматит с признаками локального восстановления волосяного покрова.
Микроскопическое исследование. В контрольной группе кожа состояла из эпидермиса, сосочкового и сетчатого слоев дермы и гиподермы с наличием придатков и обилием волосяных фолликулов (табл. 1, рис. 1А). В эпидермисе животных II-ой группы после облучения электронами в дозе 8 Гр наблюдали утолщение базального слоя в области воронок волосяных каналов, корневых влагалищ и волосяных луковиц. Роговой слой с признаками расслоения.
Придатки кожи (сальные, потовые железы, волосяные фолликулы) определялись на всех уровнях кожного покрова. В сосочковом слое дермы отмечали очаговую лейкоцитарную инфильтрацию (преимущественно полиморфно-ядерными лейкоцитами), а также умеренный периваску-лярный отек. Часть кровеносных сосудов - расширены, в их просвете - сладжированные эритроциты (табл. 1, рис. 1Б).
После облучения электронами в дозе 40 Гр эпидермис представлен уплощенным базальным слоем, который местами отсутствовал. Сосочко-вый слой дермы сглажен, в сохраненных мелких кровеносных сосудах просвет расширен, заполнен сладжированными эритроцитами. В эпи-дермально-дермальном сочленении обнаружили микрополости, содержащие слущенные клетки эпидермиса и полиморфно-ядерные лейкоциты. Волосяные фолликулы были видны на всех уровнях среза, сальные железы отсутствовали. Подкожно-жировая клетчатка - без изменений (табл. 1, рис. 1В).
В коже животных после фракционного облучения электронами СОД 78 Гр эпидермис отсутствовал, сосочковый слой дермы - сглажен и интенсивно инфильтрирован полиморфно-ядерными лейкоцитами. Сетчатый слой дермы и гиподерма - отечны, с разрыхленными колла-геновыми волокнами. Волосяные фолликулы и сальные железы деструктурированы. Кровеносные сосуды расширены, местами с отслойкой эндотелия, сладжем и агрегацией эритроцитов (табл. 1, рис. 1Г).
Таблица 1
Морфометрическое исследование кожи после облучения электронами в разных дозах, при p <0,05.
Группа Толщина эпидермиса, мкм Толщина дермы, мкм Толщина гиподермы, мкм Внутренний диаметр волосяного фолликула, мкм Количество волосяных фолликулов в 1 мм2
Контроль 22.7±1.1 381.8±19.0 378.7±18.8 36.5±1.8 40.9±2.0
8 Гр (однократно) 11.2±0.5a 320.6±15.8a 148.2±7.3a 23.4±1.1a 37.3±1.8a
40 Гр (однократно) 4.1±0.2b 223.9±11.1b 84.6±4.1b 9.5±0.4b 31.6±1.5b
78 Гр (фракционно) - 901.2±44.9c 518.7±25.8c - -
Примечание: a контроль и 8 Гр (однократно), b контроль и 40 Гр (однократно), c контроль и 78 Гр (фракционно); p <0,05
ОБСУЖДЕНИЕ
В современной онкологии и радиобиологии данные о применении Р-терапии при лечении рака кожи и её побочных эффектах немногочисленны.
Настоящая экспериментальная работа посвящена исследованию воздействия локального облучения электронами на кожу в дозах 8 Гр и 40
Гр (однократно) и 78 Гр (фракционно, 6 циклов по 13 Гр).
Известно, что после у-облучение гибель кера-тиноцитов базального слоя можно обнаружить при воздействии небольших РОД в 3 - 5 Гр [8; 9]. Напротив, облучение электронами в дозе 8 Гр, как было показано в нашем исследовании, вызывает незначительное фокальное утолщение базального слоя эпидермиса.
КРЫМСКИЙ ЖУРНАЛ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЫ
А
Б
В
Г
Рис. 1. Фрагменты кожи на 10 сутки (I - III группы) и 15 сутки (IV группа); окраска - гематоксилином и эозином, увелич. х100. A - контроль; Б - после однократного облучения электронами в дозе 8 Гр; В - после однократного облучения электронами в дозе 40 Гр; Г - после фракционного облучения
электронами в суммарной дозе 78 Гр.
Для повреждения сальных и потовых желез фотонами требуется облучение в дозе около 18 - 20 Гр. Было показано, что доза 45 Гр приводила к их некрозу, патогенетически связанному с ишемией вследствие разрушения кровеносных сосудов [10; 11]. Однако, после локального облучения электронами в РОД 40 Гр сохранялись волосяные фолликулы на всех уровнях среза.
Необходимо отметить, что впервые было проведено фракционное облучение кожи электронами в СОД 78 Гр (6 циклов по 13 Гр), при котором наблюдали наиболее глубокие повреждения кожи, такие как: деструкция эпидермиса и волосяных фолликулов и сальных желез, отек гиподермы и сетчатого слоя дермы. Стенка кровеносных сосудов не была полностью разрушена, что было выявлено другими авторами при облучении низкими дозами, например, фотонами.
На основании имеющихся литературных данных и результатах проведённого исследования, можно заключить, что облучение электронами
в сравнении с другими видами излучения обладает меньшим местно-раздражающим действием. Это ещё раз доказывает необходимость дальнейшего изучения механизмов влияния электронотерапии на паратуморальную ткань и расширения области ее применения в клинической практике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее глубокие повреждения кожи происходят после воздействия фракционного облучения электронами в суммарной дозе 78 Гр, при однократном облучении в дозе 40 Гр патологический процесс затрагивал только эпидермис. Однократное облучение электронами в дозе 8 Гр показало наименьшее местное повреждающее действие в эпидермисе.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest. The authors have no conflict of interests to declare.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sung H., Ferlay J., Siegel R. L. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. CA Cancer J Clin. 2021;71(3):209-249. doi:10.3322/caac.21660.
2. Muntyanu A., Ghazawi F. M., Nedjar H. Non-Melanoma Skin Cancer Distribution in the Russian Federation. Dermatology. 2021;237(6):1007-1015. doi:10.1159/000512454.
3. Ferlay J., Colombet M., Soerjomataram I. Cancer statistics for the year 2020: An overview. Int J Cancer. 2021;10.1002/ijc.33588. doi:10.1002/ ijc.33588.
4. Yang X., Ren H., Guo X., Hu C., Fu J. Radiation-induced skin injury: pathogenesis, treatment, and management. Aging (Albany NY). 2020;12(22):23379-23393. doi: 10.18632/ aging.103932.
5. Черняев А. П., Колыванова М. А., Бор-щеговская П. Ю. Радиационные технологии в медицине. Часть 1. Медицинские ускорители. Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. 2015;6:28-36. doi: 10.3103/ S0027134915060090.
6. Pashazadeh A., Boese A., Friebe M. Radiation therapy techniques in the treatment of skin cancer: an overview of the current status and outlook. J Dermatolog Treat. 2019;30(8):831-839. doi: 10.1080/09546634.2019.1573310.
7. Lee M. J., Son H. J. Electron beam radiotherapy for Kaposi's sarcoma of the toe and web. J Cancer Res Ther. 2020;16(1):161-163. doi:10.4103/ jcrt.JCRT_115_18.
8. Ward W. F., Molteni A., Ts'ao C., Hinz J. M. The effect of Captopril on benign and malignant reactions in irradiated rat skin. Br J Radiol. 1990;63(749):349-354. doi: 10.1259/0007-1285-63749-349.
9. Ran X., Cheng T., Shi C. et al. The effects of total-body irradiation on the survival and skin wound healing of rats with combined radiation-wound injury. J Trauma. 2004;57(5):1087-1093. doi:10.1097/01. ta.0000141885.72033.c7.
10. McPartlin A. J., Slevin N. J., Sykes A. J., Rembielak A. Radiotherapy treatment of non-melanoma skin cancer: a survey of current UK practice and commentary. Br J Radiol. 2014;87(1043):20140501. doi: 10.1259/bjr.20140501.
11. Wang X. J., Lin S., Kang H. F. The effect of RHIZOMA COPTIDIS and COPTIS CHINENSIS aqueous extract on radiation-induced skin injury in a rat model. BMC Complement Altern Med. 2013;13:105. doi: 10.1186/1472-6882-13-105.
REFERENCES
1. Sung H., Ferlay J., Siegel R. L. Global Cancer Statistics 2020: GLOBOCAN Estimates of Incidence and Mortality Worldwide for 36 Cancers in 185 Countries. CA Cancer J Clin. 2021;71(3):209-249. doi: 10.3322/caac.21660.
2. Muntyanu A., Ghazawi F. M., Nedjar H. Non-Melanoma Skin Cancer Distribution in the Russian Federation. Dermatology. 2021;237(6):1007-1015. doi: 10.1159/000512454.
3. Ferlay J., Colombet M., Soerjomataram I. Cancer statistics for the year 2020: An overview. Int J Cancer. 2021;10.1002/ijc.33588. doi: 10.1002/ ijc.33588.
4. Yang X., Ren H., Guo X., Hu C., Fu J. Radiation-induced skin injury: pathogenesis, treatment, and management. Aging (Albany NY). 2020;12(22):23379-23393. doi: 10.18632/ aging.103932.
5. Chernyaev A. P., Kolyvanova M. A., Borshchegovskaya P. Y. Radiation technology in medicine: part 1. Medical accelerators. Moscow university physics bulletin. 2015;6:28-36. (In Russ.). doi: 10.3103/S0027134915060090.
6. Pashazadeh A., Boese A., Friebe M. Radiation therapy techniques in the treatment of skin cancer: an overview of the current status and outlook. J Dermatolog Treat. 2019;30(8):831-839. doi: 10.1080/09546634.2019.1573310.
7. Lee M. J., Son H. J. Electron beam radiotherapy for Kaposi's sarcoma of the toe and web. J Cancer Res Ther. 2020;16(1):161-163. doi: 10.4103/jcrt.JCRT_115_18.
8. Ward W. F., Molteni A., Ts'ao C., Hinz J. M. The effect of Captopril on benign and malignant reactions in irradiated rat skin. Br J Radiol. 1990;63(749):349-354. doi: 10.1259/0007-128563-749-349.
9. Ran X., Cheng T., Shi C. The effects of total-body irradiation on the survival and skin wound healing of rats with combined radiation-wound injury. J Trauma. 2004;57(5):1087-1093. doi:10.1097/01.ta.0000141885.72033.c7.
10. McPartlin A. J., Slevin N. J., Sykes A. J., Rembielak A. Radiotherapy treatment of non-melanoma skin cancer: a survey of current UK practice and commentary. Br J Radiol. 2014;87(1043):20140501. doi:10.1259/ bjr.20140501.
11. Wang X. J., Lin S., Kang H. F. The effect of RHIZOMA COPTIDIS and COPTIS CHINENSIS aqueous extract on radiation-induced skin injury in a rat model. BMC Complement Altern Med. 2013;13:105. doi: 10.1186/1472-6882-13-105.
