ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ

ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ. ПАТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА Общие представления. Любой организм в среде обитания подвергается одновременному воздействию самых разнообразных условий окружающей среды, которые рассматриваются в качестве экологических факторов. Экологический фактор—любое условие среды, которое может оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы. Экологические факторы делятся на несколько групп. 1. Абиотические факторы (факторы неживой природы): • физические: — лучистая энергия, освещенность; — температура; — влажность воздуха; — атмосферное давление; — магнитное поле Земли; — ионизирующие излучения; — рельеф местности; • химические. 2. Биологические факторы (факторы живой природы): • фитогенные; • микробогенные; • зоогенные; • антропогенные (социально-культурные). 1

Лучистая энергия. Освещенность Вся энергия, получаемая поверхностью Земли, исходит от Солнца. Таблица 1 Солнечный спектр. Часть спектра 1. Ультрафиолетовая Видимая часть спектра 3. Близкая к инфракрасной , нм 290 -380 380 -710 % в солнечном спектре 0 -7 46 - 48 710 -3 тыс 45 Одна из сторон воздействия лучистой энергии на организм — освещенность. Установлено, что видимая область спектра солнечного света очень важна для нормального протекания физиологических процессов. С освещенностью связывают заболевание, называемое зимней депрессией, эмоциональным сезонным заболеванием или аффективным сезонным расстройством (англ. SAD — Seasonal Affective Disorder). 2

По статистическим данным, примерно 5— 10% людей, три четверти из которых женщины, страдают этим заболеванием. Чем меньше естественная освещенность местности, тем чаще встречается данный симптомокомплекс. Основные признаки этого заболевания: • депрессия (чувство вины, безнадежности, отчаяния, апатия); • снижение работоспособности; • увеличенная потребность в углеводах (сладости или мучные изделия); • увеличение веса; • трудности с пробуждением; • стремление к уменьшению социальных контактов. Симптоматика может сопровождаться снижением активности иммунной системы, что будет сопряжено с увеличенной восприимчивостью к инфекцирнным и вирусным заболеваниям. 3

Реализация действия видимой области спектра на организм человека происходит путем модуляции активности циркадианных циклов, или биологических часов. Циркадные (циркадианные) ритмы — циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи. Несмотря на связь с внешними стимулами, циркадные ритмы имеют эндогенное происхождение, представляя, таким образом, «внутренние часы» организма. Циркадные ритмы присутствуют у таких организмов как цианобактерии, водоросли, грибы, растения, животные. Период циркадных ритмов обычно близок к 24 часам. 4

Одним из наиболее распространенных внешних сигналов является свет. У человека рецепторы, находящиеся в сетчатке, реагируют на свет и посылают сигнал в супрахиазмальное ядро. Супрахиазмальное ядро (супрахиазматическое ядро, ) — область в гипоталамусе, отвечающая за генерацию циркадных (циркадианных) ритмов, играющая роль «биологических часов» . Регуляция суточных ритмов обеспечивается поступлением информации от сетчатки в супрахиазмальное ядро. 5

Через сетчатку глаза утренний свет воздействует на клетки супрахиазматического ядра гипоталамуса. Под действием нервных импульсов в данных клетках происходит окончательный распад РЕR/ТIМ-комплекса. Этот момент — точка отсчета, которая и настраивает биологические часы. Подсчитано, что приблизительно 7% людей нуждаются в подобном ежедневном синхронирующем импульсе, который устанавливает циркадианные циклы. В условиях недостаточной освещенности в зимнее время года (рано темнеет и поздно светает) начало рабочего дня люди проводят при искусственном освещении. При этом отсутствует главный фактор, способствующий распаду РЕR/ТIМ -комплекса, — необходимая освещенность. Именно поэтому в клетках супрахиазматических ядер белковый комплекс будет существовать более продолжительный промежуток времени, обусловливая симптоматику, описанную выше. 6

Зимняя депрессия хорошо лечится только светом. Положительный эффект в лечении этой патологии дает светотерапия в утренние часы с интенсивностью в 10000 Лк. Это приблизительно в 20 раз превышает интенсивность обычного внутреннего освещения. Выпускаются специальные источники света, имеющего близкий к солнечному спектральный состав. Время световой терапии выбирается индивидуально. Для большинства пациентов продолжительность данной процедуры составляет 15 мин. Установлено также, что при смене часовых поясов, т. е. при ломке циркадианных циклов (например, при осеннем и весеннем переводе часов), хороший результат дает пребывание человека на солнечном свету в течение 2 дней по 3 ч. Интересно отметить, что, по имеющимся данным, нуклеотидная последовательность гена Сl. К ответственна за существование в человеческой популяции «сов» и «жаворонков» . У первых из них в 3111 -м положении указанного гена присутствует цитозин, что кардинальным образом меняет ход биологических часов. 7

Ультрафиолетовое излучение Ультрафиолетовая радиация — часть электромагнитного спектра, которая находится между самой мягкой частью ионизирующего излучения, с одной стороны, и видимым спектром — с другой. Нижнее ограничение спектра (100 нм) эквивалентно энергии фотона в 12, 4 э. В, которая приблизительно соответствует энергии ионизации в биологических структурах. Выделяют три диапазона ультрафиолетового излучения (УФИ): • УФА — 400— 320 нм — длинноволновое, хорошо проникающее в кожу излучение. Слабо поглощается в атмосфере и поэтому достигает поверхности Земли. Помимо этого, испускается специальными лампами, которые применяются в соляриях; • УФВ — 320— 280 нм — средневолновая, «загарная» радиация. Значительная часть солнечного спектрального диапазона поглощается стратосферным озоном; • УФС — 280— 200 нм — коротковолновая, бактерицидная радиация. Вся эта спектральная область солнечного света поглощается в стратосфере. Испускается бактерицидными лампами, а также при электросварке. Следовательно, основная часть солнечного УФИ — до 290 нм — активно поглощается озоновым слоем стратосферы. 8

Главная мишень действия ультрафиолетового излучения — кожа человека, так как глубже оно не проникает. Как известно, кожа человека состоит из эпидермиса (0, 07— 0, 12 мм) и дермы (1— 2 мм). В эпидермисе поглощается большая часть ультрафиолета. Эпидермис — это многослойный эпителий, состоящий главным образом из эпидермальных клеток -кератиноцитов. Кератиноциты образуют пять параллельных поверхностных слоев, каждый из которых соответствует определенной стадии дифференциации кератиноцитов. К дерме примыкает базальный слой (stratum basale), затем идут шиповидный (stratum spinosum), зернистый (stratum granulosum), блестящий и роговой слои (stratum corneum). Базальные клетки имеют столбчатую форму, способны делиться и отвечают за рост эпидермиса. Зернистые клетки уплощены и содержат гранулы кератогиалина. Роговой слой состоит из омертвевших плоских кератиноцитов. В базальном слое находятся меланоциты — пигментные клетки нейроэктодермального происхождения, имеющие гранулы меланосомы с меланином. Меланоциты содержат фермент тирозиназу, участвующую в превращении тирозина в меланин, и под действием света могут резко менять свою форму, образуя псевдоподии. Меланоциты распределены по телу неравномерно. В коже лба находится этих клеток в два раза больше, чем в верхних конечностях. Бледные люди содержат пигментных клеток не меньше, чем смуглые индивидуумы. Окраска их кожи объясняется тем, что клетки продуцируют разное количество меланина. 9

Под эпидермисом лежит дерма, имеющая два слоя — сосочковый и ретикулярный. Поверхностный, сосочковый слой сформирован рыхлой соединительной тканью, пронизанной коллагеновыми, эластиновыми, мышечными и нервными волокнами, а также кровеносными сосудами (капилляры, венулы, артериолы). В ретикулярном слое содержатся также тучные и другие типы клеток. Благодаря высокому содержанию поглощающих свет веществ (белки, нуклеиновые кислоты, пигменты), а также неоднородностям кожа за счет поглощения, отражения и рассеивания хорошо ослабляет оптическое излучение. УФИ < 315 нм поглощается почти полностью уже в эпидермисе. УФИ — важнейший фактор синтеза витамина D 3 в организме человека. При этом провитамин D 3 под влиянием УФВ превращается сначала в превитамин D 3, а затем изомеризуется под действием тепла (t = 37 °С) в витамин D 3. Согласно данным ВОЗ для ежесуточного синтеза 400 IE витамина D 3 необходима доза 60 МЭД в год, что равносильно ежедневному пребыванию на солнечном свету в течение 15 мин. 10

На клеточном уровне существует 3 «мишени» для УФИ: ДНК, белки, липиды. Повреждение ДНК играет основную роль в развитии дальнейшей патологии у человека. В результате фотохимических реакций с азотистыми основаниями могут образовываться модифицированные азотистые основания ДНК. Следствием этого могут быть хромосомные аберрации, мутагенный эффект, канцерогенез. Данные процессы происходят не только в клетках кожи, но и в форменных элементах крови — лимфоцитах, которые попадают в подкожные капилляры. Помимо этого, активируется процесс перекисного окисления липидов, что приводит к повреждению биологических мембран. 11

Естественная защита от УФИ включает несколько механизмов. Образование загара, связанного с появлением меланина. Меланин в силу своего строения способен поглощать фотоны и этим самым ослаблять интенсивность действующего излучения. Кроме того, этот пигмент — «ловушка» свободных радикалов, образующихся при облучении кожи. Наконец, меланин связывает ионы железа, которые катализируют процесс окислительного стресса и тем самым запускают перекисное окисление липидов. В результате меланин ингибирует цепные реакции окисления липидов и другие свободнорадикальные реакции. В процессе эволюции выработано несколько механизмов пигментации, способных защищать организм от вредного воздействия УФИ. Способ прямой пигментации является не основным, резервным механизмом. В клетках кожи вокруг ядер даже в незагорелой коже имеется меланин. При действии УФИ окисляется бесцветная, восстановленная форма меланина. Пигментация возникает без скрытого периода и достигает максимума уже через час. Этот механизм запускается от УФА, т. е. от мягкого УФИ. Следует учитывать, что от мягкого УФИ не просто загореть. Одинаковый загар от УФВ формируется за 15 с, а от УФА — за 75 мин. Это приводит к тому, что для получения загара в соляриях приходится увеличивать дозу УФА, что может приводить к большему повреждающему эффекту на клетки кожи. 12

От воздействия УФВ запускается другой, гораздо более мощный механизм — эритемный (непрямая пигментация). Спектральный максимум его лежит в области 290 нм. (Ультрафиолетовое излучение 296, 7 нм и 253, 7 нм). В результате воздействия УФВ происходит образование эритемы. В механизме этого способа пигментации лежит расширение сосудов, приводящее к увеличивающемуся притоку крови, что повышает сосудистую проницаемость и экссудацию нейтрофильных лейкоцитов. Эритема появляется после скрытого латентного периода, длящегося 1— 8 ч, и продолжается до одного дня и больше. Высокие дозы УФ-радиации ведут к сокращению скрытого периода и большой продолжительности эритемы. Интенсивность эритемы увеличивается с возрастанием дозы УФВ. 13

УФИ вызывает следующие эффекты на коже человека: • активируется пролиферация меланоцитов; • меланоциты гипертрофируются и выпускают разветвленные цитоплазматические выросты — псевдоподии; • увеличивается число меланосом; • растет скорость образования меланина в меланосомах; • усиливается перенос меланосом в кератиноциты, что совпадает с увеличением скорости деления и смены кератиноцитов; • возрастает размер меланосом (особенно выраженный у представителей кавказской и монголоидной рас); • в эпидермисе снижается концентрация ингибирующих тирозиназу сульфгидрильных соединений, за счет чего возрастает активность этого фермента. • Образование урокановой (уроканиновой) кислоты. Это соединение выделяется с потом человека и способно захватывать кванты УФИ. В темноте происходит обратная реакция с выделением теплоты. • Ороговение верхнего слоя кожи. Первоначально УФ-радиация тормозит деление клеток в коже. Немедленно после облучения отмечается прекращение деления клеток на срок до 24 ч и более. Последующее ускорение деления клеток вызывает гиперплазию эпидермиса с максимумом через 5— 6 дней, сопровождаемую потерей лишнего клеточного материала (шелушение). 14

Установлено, что различные спектральные диапазоны УФИ не одинаково воздействуют на кожу человека, основной реакцией которой является развитие эритемы. Например, кожа является в 100 раз более чувствительной к УФИ с длиной волны X = 298 нм, чем с X = 319 нм. Вклад различных диапазонов УФИ в формирование эритемы отражает так называемый спектр эритемного действия (СЭД), значения которого выражают в единицах мощности потока УФИ, приходящегося на единицу площади (Вт/м 2). Согласно рекомендациям международных организаций максимальным значением СЭД следует считать величину 0, 25 Вт/м 2. В обыденной практике при мониторинге уровня ультрафиолетового излучения большинство стран используют так называемый индекс ультрафиолетового излучения (УФ-индекс). 15

УФ-индекс рассчитывается путем умножения СЭД на коэффициент 40. Согласно этому УФ индекс при максимально допустимом рекомендуемом воздействии УФИ с СЭД, равным 0, 25 Вт/м 2, будет составлять 10 Вт/м 2 (0, 25 Вт/м 2 • 40 = 10 Вт/м 2). ВОЗ рекомендует следующую градацию УФ-индексов: • 1— 2 — низкий; • 3— 5 — средний; • 6— 7 — высокий; • 8— 10 — очень высокий; • 11 и более — экстремальный. Каждый человек характеризуется индивидуальной чувствительностью кожи к действию УФИ. Всего известно шесть типов чувствительности кожи к действию УФИ, однако в (средних широтах выделяют четыре основных типа). I тип. Особо чувствительная кожа. Индивидуумы отличаются голубым или зеленым цветом глаз, наличием веснушек, часто рыжим цветом волос. Плохо или почти не загорают. II тип. Чувствительная кожа. Люди с данной чувствительностью кожи характеризуются голубым, зеленым или серым цветом глаз, светло-русыми или каштановыми волосами. III тип. Нормальная кожа. У индивидуумов темно-русые или каштановые волосы. Глаза серые или светло-карие. Легко загорают. IV тип. Нечувствительная кожа. Люди с этим типом отличаются смуглой кожей, темными глазами и темным цветом волос. 16

Для человека величиной, характеризующей воздействие УФИ, является минимальная эритемная доза (МЭД). Это такая доза ультрафиолетового излучения, которая вызывает на незагорелой коже спустя 8— 10 ч гиперемию или эритему. Подсчитано, что одна единица МЭД соответствует энергии 250 Дж/м 2 и вызывает указанный эффект у индивидуумов с II типом чувствительности кожи. Другие типы чувствительности кожи имеют свои значения плотности потока (табл. 2. 2). Таблица 2. 2 Значения доз и допустимых уровней УФИ для различных типов кожи Тип кожи I II III ГУ Доза УФИ, Дж/м 2 200 250 350 450 Допустимый уровень, МЭД 0, 8 1, 0 1, 4 1, 8 Согласно рекомендациям международных организаций для непигментированной кожи всех типов чувствительности допустимым уровнем (ДУ) является доза 0, 4 МЭД в сутки; для индивидуума с загорелой кожей II типа чувствительности допустимым уровнем УФИ является доза 1 МЭД в сутки. Максимальным допустимым кумулятивным (в течение одного года) значением МЭД в год для II типа кожи рекомендовано считать величину 50. Для III и IV типов — 70 и 90 МЭД соответственно. 17

Возможна модификация светочувствительности кожи. Известна группа соединений, способных увеличивать чувствительность кожи к действию УФИ (сенсибилизаторы). К ним относятся некоторые лекарственные препараты: аспирин, ибупрофен, индсгцид, либриум, бактрим, пенициллин, лазикс. Имеются и природные соединения, обладающие подобным действием. Сюда относятся фуранокумарины, которые найдены в растениях, например в сельдерее, они могут вести к фотоповреждению кожи. Напротив, защитным действием в отношении повреждающего влияния квантов УФИ путем их поглощения и рассеивания обладают некоторые химические соединения. К ним относятся парааминобензойная кислота или ее эфиры, собственно меланин, полученный из различных природных источников (например, грибы), которые добавляют в различные солнцезащитные лосьоны и кремы. Эффекты действия УФИ могут быть разделены на две основные группы, а именно детерминированные и стохастические. Для детерминированных эффектов, тяжесть которых в облученном индивидууме изменяется соответственно дозе, существует порог, ниже которого эффекты не встречаются. Из-за ограниченной проникающей способности квантов УФИ первичные эффекты у человека будут по существу ограничены кожей и глазами. Ранние детерминированные эффекты в отношении действия УФИ — фототоксические, фотоаллергические реакции кожи, а также фотокератит и конъюнктивит, которые появляются спустя 2 -14 ч после облучения. 18

К поздним эффектам относится катаракта. УФИ при длительном воздействии отрицательно влияет на синтез нерастворимого белка хрусталика глаза (кристаллина), вызывая его димеризацию. К стохастическим относятся злокачественные новообразования кожи: • базально-клеточная карцинома характеризуется инфильтрирующим ростом на лице, почти не дает метастазов; • сквамозно-клеточная карцинома характеризуется инфильтрирующим ростом на лице и губах. Прогноз при этом виде заболевания хуже; • меланома—наиболее злокачественная опухоль. Прогноз зависит от размера опухоли. Если опухоль менее 1 мм в диаметре, то 90% больных живут более 5 лет. В целом смертность от меланомы ежегодно увеличивается в мире на 4% (каждый час от меланомы умирает один человек). В США с 1930 г. ее распространенность увеличилась на 1900%. В Норвегии количество этой патологии увеличилось на 350% у мужчин и на 440% у женщин в течение периода с 1957 по 1984 г. У мужчин меланома встречается наиболее часто на голове, шее, спине из-за большей дозы УФ-облучения этих частей тела. У женщин меланома может появляться также на нижних конечностях. Более редкая локализация — на ладонях и подошвах. Шанс развития меланомы увеличивается с возрастом. Среди африканцев средний риск развития меланомы приблизительно в 15 раз ниже, чем у белого населения. Меланома редка у детей в возрасте до 12 лет. Причиной ее развития чаще всего являются родимые пятна, подвергнутые УФ-облучению. 19

Таблица 2. 3. Доля УФИ, получаемого различными областями человеческого организма Область тела Щеки Поясница Плечи Передняя часть бедер Верхняя часть спины Верхняя часть живота Доля УФИ 0, 31 0, 47 0, 52 0, 34 0, 75 0, 66 Защитный экран в атмосфере в отношении проникновения УФИ — озоновый слой Земли (см. гл. 6). При уменьшении на 1% средней толщины слоя озона распространенность карциномы базальных клеток увеличится примерно до 3%, а сквамозно-клеточной карциномы примерно до 5%. Факторы риска для развития опухолей кожи можно обозначить аббревиатурой ЧИНРРР (Ч — чувствительность кожи; И — история загара, т. е. световые повреждения кожи (солнечные ожоги), полученные в возрасте до 15 лет; Н — наследственная склонность к возникновению меланом; Р — родимые пятна в большом количестве; Р — родимые пятна более 1, 5 см в диаметре; Р — рыжий цвет волос, веснушки). Одной из причин этого весьма нежелательного явления может быть чрезмерная инсоляция определенной части населения в условиях высокоинтенеивного УФИ (Турция, Азия, Северная Африка) летом и особенно при отдыхе в зимнее время года, а также применение длинноволнового ультрафиолетового излучения (УФА), которое преобладает в соляриях. Объектом его воздействия могут являться диспластические невусы (родинки). 20

Диспластические невусы весьма распространены, и индивидуумы наследуют особенности этих пигментных образований. Очень важно уметь определять эти образования, дифференцировать их от обыкновенных родинок, а также объяснять пациентам их потенциальную опасность (например, рекомендовать избегать соляриев, чрезмерных солнечных ванн). Эти мероприятия позволят снизить число злокачественных новообразований кожи и уменьшить смертность. Особенности диспластических невусов можно суммировать аббревиатурой АКДЦ (А — асимметрия, К — неровные края, Д — больший диаметр, Ц — измененный цвет). В табл. 2. 4 собраны данные, объясняющие особенности родимых пятен. К воздействию УФИ следует отнести и иммунодепрессивный эффект. УФИ изменяет распространение субпопуляции циркулирующих лимфоцитов, уменьшает число и ингибирует функцию клеток Лангерганса в коже, что также может способствовать канцерогенезу. 21

Таблица 2. 4 Клиническая характеристика обыкновенных родинок, диспластических невусов и меланомы Характеристика Форма Края Обыкновенные родинки Выраженная симметрия Четкие Диспластические невусы Меланома Слабая асимметрия Выраженная асимметрия Нечеткие, нерегулярные, Нерегулярные, переходящие в кожу острые часто Цвет Однородный, обычно коричневый Черный, коричневый, красный, розовый красный, синий, белый Размер Поверхность До 6 мм Ровная, узловая, гомогенная Свыше 6 мм Приподнятые края, негомогенная Свыше 6 мм Узловатая, часто приподнятые края, негомогенная Количество Рост 10 -40 Медленный с последующим прекращением 50 -100 или больше Медленный, не прекращающийся. Появляются новые невусы Свыше 40 Быстрый, не прекращающийся 22