Радиационно-индуцированное поражение печени

Последнее время в общей структуре заболеваний значительную долю занимают патологии гепатобилиарной системы. Помимо токсических поражений отрицательное влияние на печень могут оказывать также другие неблагоприятные факторы, в частности, влияние ионизирующей радиации. Печень, которая в покое обладает небольшой пролиферативной активностью, традиционно относили к радиорезистентным органам, однако многочисленные исследования с использованием различных видов ионизирующих излучений в широком диапазоне доз показали не только чувствительность печени к лучевому воздействию, но и значительные нарушения регенерационных процессов.

Представление о радиационно-индуцированном поражении печени в основном основано на клинических наблюдениях и результатах гистопатологических исследований. На основе клинических наблюдений, многими авторами были разработаны экспериментальные модели для исследования механизма развития радиационно-индуцированного поражения печени. Создание экспериментальных моделей на животных имеет важное значение для лучшего понимания патогенеза и молекулярных механизмов развития патологии.

Печень – самая крупная железа позвоночных. У человека она составляет около 2,5% от массы тела и занимает центральное место в процессах углеводного, белкового, липидного, пигментного метаболизма, а также в процессах детоксикации многочисленных веществ, попадающих в организм, как извне, так и из кишечника и, в частности, путем их окисления, конъюгирования, декарбоксилирования.

В последнее время в общей структуре заболеваний значительную долю занимают патологии гепатобилиарной системы, заболевания печени стоят на восьмом месте среди причин смертности населения репродуктивного возраста в разных странах. Одной из наиболее распространенных причин данных заболеваний являются воздействия гепатотоксических агентов. К ксенобиотикам, поступающим в организм человека и животных и способным вызвать поражения печени, относятся производственные токсикаты, медикаментозные средства, алкоголь, вещества, загрязняющие окружающую среду [1, 2]. Помимо токсических поражений отрицательное влияние на печень могут оказывать также другие неблагоприятные факторы, в частности, влияние ионизирующей радиации.

Печень традиционно относили к радиорезистентным органам, однако многочисленные исследования с использованием различных видов ионизирующих излучений в широком диапазоне доз показали не только чувствительность печени к лучевому воздействию, но и значительные нарушения регенерационных процессов.

Острому радиационному воздействию ткань печени подвергается не только при лучевой терапии злокачественных новообразований гепатобилиарной системы, но и при лучевой терапии раковых заболеваний желудочно-кишечного тракта из-за ее близкого расположения и больших размеров [3, 4]. Печень также может подвергаться воздействию излучения во время подготовки к аллогенной трансплантации костного мозга или гемопоэтических стволовых клеток [5]. Радиационно-индуцированное поражение тканей печени связывают с многими осложнениями, встречающимися после лучевой терапии, при этом отмечается ухудшение способности к гепатоцеллюлярной регенерации и необратимая печеночная недостаточность [6]. Хотя патофизиологические характеристики радиационно-индуцированного поражения печени у людей относительно хорошо охарактеризованы, точные механизмы развития этой патологии остаются в значительной степени мало изученными. В результате отсутствуют эффективные терапевтические меры для предотвращения и терапии прогрессирования данной патологии.

Патогенез радиационно-индуцированного поражения печени включает комплексные и многоклеточные реакции, связанные с сосудистыми изменениями, усиление синтеза коллагена и последовательную активацию ключевых факторов роста и цитокинов, таких как фактор некроза опухолей альфа (TNF-α), трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) и морфогенетический фактор – фактор hedgehog (Hh ), которые являются важными регуляторами в реакции восстановления на повреждение печени [7]. Радиационное воздействие вызывает острое или хроническое поражение печени. Ранние эффекты облучения включают повреждение ДНК, окислительный стресс и образование реактивных форм кислорода, приводящее к гепатоцеллюлярному апоптозу и острым воспалительным реакциям в облученных тканях [8]. Хотя гепатоциты считаются более радиорезистентными, чем непаренхимные клетки, индуцированное радиацией высвобождение TNF-α клетками Купфера увеличивает восприимчивость гепатоцитов к радиационно-индуцированному апоптозу и в конечном итоге индуцирует гепатоцеллюлярную смерть [9].

Массовая гибель гепатоцитов, вызванная повторными или однократным острым воздействием, также связана с компенсаторной пролиферацией миофибробластических звездчатых клеток печени, активация которых, является ключевым клеточным явлением, лежащим в основе фиброза печени [7]. При повреждении печени звездчатые клетки печени трансдифференцируются от покоящихся в активированные миофибробластические звездчатые клетки, основные коллагенообразующие клетки в печени. Активация миофибробластических звездчатых клеток также считается важным процессом в развитии радиационно-индуцированного поражения печени, поскольку эти клетки обладают высокой радиочувствительностью и накапливаются в печени пациентов после лучевой терапии. Так же в гистологических образцах печени человека после облучения, наблюдали повреждение и апоптоз синусоидных эндотелиальных клеток, что ведет к нарушениям микроциркуляторного кровотока, и как следствие – к повреждению гепатоцитов. Повреждение эндотелия печеночных сосудов активирует коагуляционный каскад и приводит к осаждению фибрина и образованию сгустков в центральных венах и печеночных синусоидах. Последующая гипоксия приводит к гибели гепатоцитов и атрофии внутренней печеночной пластинки, способствуя дисфункции печени [10]. На более поздних стадиях фиброзная реакция в синусоидах может привести к облитерации центральных вен, что приводит к веноокклюзионной болезни печени. Таким образом, при радиационно-индуцированном поражении печени происходит сложное и динамическое взаимодействие между различными типами клеток печени.

Представление о радиационно-индуцированном поражении печени в основном основано на клинических наблюдениях и результатах гистопатологических исследований. На основе клинических наблюдений, были разработаны экспериментальные модели для исследования механизма развития радиационно-индуцированного поражения печени. Создание экспериментальных моделей на животных имеет важное значение для лучшего понимания патогенеза и молекулярных механизмов развития патологии. Наиболее широко используются в подобных исследованиях лабораторные мыши и крысы, несколько в меньшей степени используются обезьяны, собаки и кролики. Однако экспериментальные модели на лабораторных животных в большинстве исследований не показали сходных патологических характеристик для радиационно-индуцированного поражения печени у человека. Кроме того, существует ряд трудностей при сравнении и обобщении данных полученных в экспериментах на животных: это не только значительные межвидовые различия, но и различная чувствительность линий лабораторных животных, исследователями используются разные способы и дозы облучения, разные комбинированные радиационно-химические воздействия, время наблюдения и так далее. Эти различия в проведении экспериментов приводят к различиям в результатах исследований, что препятствует пониманию механизма развития радиационно-индуцированного поражения печени [11].

Грызуны имеют много преимуществ в качестве экспериментальных моделей, таких как их анатомическое, физиологическое и генетическое сходство с людьми. Лабораторные крысы наиболее часто используются в экспериментальных исследованиях радиационно-индуцированного поражения печени. Наиболее распространенными линиями крыс являются Sprague-Dawley (SD) и крысы Wistar. При облучении крыс Wistar однократно в дозе 6 Гр общего облучения, было отмечено значительное увеличение в печени уровня ПОЛ и окислительного стресса, о чем свидетельствовало повышенное содержание малонового диальдегида, основного продукта перекисного окисления липидов и цитотоксического оксида азота в печени [12]. Но другими авторами было высказано замечание, что хотя облучение всего тела вызывает окислительный стресс в печени, неуместно исследовать радиационно-индуцированные печеночные реакции, потому что облучение всего тела может вызывать иммуносупрессию, эндокринную дисфункцию и множественную органную недостаточность, которые, в свою очередь, являются факторами риска поражения печени [13]. Поэтому в ряде исследований было применено локальное облучение печени, которое, по-видимому, более подходит для исследования радиационно-индуцированных эффектов в печени. При однократном облучении области брюшной полости SD-крыс в дозе 8 Гр, через 36 ч после воздействия отмечены кровоизлияния, расширение центральной вены, деструкция гепатоцитов с перинуклеарной вакуолизацией [13]. Однако, когда крыс Wistar подвергали однократному локальному облучению печени в дозе 25 Гр, через 24 и 48 ч. наблюдалось только умеренное гепатоцеллюлярное повреждение и стеатоз [14], что может свидетельствовать о разной радиочувствительности этих линий крыс.

Кроме того, доза облучения влияет на реакцию печени. Когда крысы линии SD были подвержены облучению печени в дозе 30 Гр, через 6 месяцев наблюдался радиационный фиброз печени [15]. Однако, когда крысы этой же линии подвергались облучению печени в дозе 60 Гр, фиброз печени был обнаружен уже через 8 недель после облучения. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что фиброз печени увеличивается по мере увеличения дозы облучения.

Однако увеличение дозы облучения увеличивает вероятность летальности. Rave-Frank с соавторами [16] использовали фракционированное облучение, которое обычно используется в клинике при лучевой терапии, чтобы минимизировать поражение тканей. Когда крысы Wistar подвергались локальному облучению печени, в фракционированной дозе 2 Гр пять раз в неделю в течение 6 недель (общая доза составила 60 Гр), в облученной печени через 3 месяца отмечено повышенные уровни ALP без некроза, воспаления и фиброза. Тогда как другие авторы  показали [17], что та же доза облучения SD-крыс путем однократного облучения вызывала дисфункцию печени, апоптоз гепатоцитов и фиброз через 8 недель после облучения. Эти данные свидетельствуют о том, что фракционированное облучение проявляет гораздо меньшую тканевую токсичность, чем однократное облучение. Однако для выяснения влияния однократного и фракционированного облучения на печень требуются повторные эксперименты в идентичных условиях по одному протоколу [11].

Мыши все чаще используются для создания экспериментальных моделей радиационно-индуцированного поражения печени, но в относительно меньшей степени по сравнению с крысами. При общем однократном облучении самок мышей линии C57BL/6 в дозе 20 Гр, через 1 неделю в печени животных наблюдали жировую инфильтрацию гепатоцитов, увеличение количества апоптотических клеток, а также был отмечен повышенный фиброз [18]. Другие авторы также отмечали жировую дистрофию, апоптоз клеток печени и фиброз у облученных самок в большей степени, чем у самцов мышей после общего однократного облучения в дозе 6 Гр [19]. Эта гендерная разница в радиочувствительности, влияет на результаты экспериментального радиационно-индуцированного поражения печени в моделях на животных.

У мышей, которые были подвергнуты облучению верхней области брюшной полости однократно в дозе 6 Гр, наблюдали повышенные уровни триглицеридов в печени, АЛТ, АСТ и апоптоз, жировую инфильтрацию и усиленный фиброз через 6 и 10 недель после облучения; однако у данных животных не было выявлено ни одной из гистопатологических особенностей радиационно-индуцированного поражения печени [20].  Другими авторами, при использовании локального фракционированного облучения в 6 Гр в неделю в течение 5 недель (общая доза 30 Гр) через 10 недель после курса облучения был отмечен поздний ответ, который проявлялся разрушением клеток паренхимы и значительным фиброзом, чего не было отмечено на ранних сроках [21]. Таким образом, при фракционированном локальном облучении у крыс наблюдались умеренные повреждения, тогда как в экспериментах на мышах отмечались серьезные повреждения с поздним ответом. Однако эти результаты тяжело сравнивать, поскольку виды, доза облучения, частота фракционированного излучения и последующие наблюдения, используемые интервалы времени были различны.

Хотя гепатоцеллюлярные повреждения и сопутствующий фиброз установлены и воспроизводимы при облучении крыс и мышей, но отмечено развития веноокклюзионной болезни печени и морфологических признаков радиационно-индуцированного поражения печени, которые свойственны радиационному повреждению печени у человека. Кроме того, большинство исследователей используют животных, не имеющих ни опухолей, ни хронических заболеваний или других патологий, что резко разнится с ситуацией в клинике для пациентов, получающих лучевую терапию.

Таким образом, для получения адекватных моделей радиационно-индуцированного поражения печени у грызунов должны быть установлены и оптимизированы условия эксперимента, такие как доза облучения, время экспозиции, однократное или фракционированное облучение и последующее время наблюдения. Для лучшего выяснения патогенеза радиационно-индуцированного поражения печени необходимы дальнейшие исследования в экспериментальных моделях на животных, которые бы сочетали не только радиационное воздействие, но и другие патологии.

Литература

  1. Ильченко, Л.Ю. Поражения печени у токсикоманов. / Л.Ю. Ильченко и др. // Гепатология — 2003. — № 2. — С. 22 — 26.
  2. Chow, J.H. The encyclopedia of hepatitis and other liver disesases. / J.H. Chow, C. Chow. – Facts On File, Inc., N.-York, U.S.A., — 2006. – 372 p.
  3. Benson R, Madan R, Kilambi R, Chander S. Radiation induced liverdisease: a clinical update. // J. Egypt Natl Canc Inst. – 2016; 28: 7–11.
  4. Li G, Wang J, Hu W, Zhang Z. Radiation-induced liver injury inthree-dimensional conformal radiation therapy (3D-CRT) for postoperativeor locoregional recurrent gastric cancer: risk factors and dose limitations. // PLoS ONE. – 2015; 10.
  5. Qiao J, Fu J, Fang T, Huang Y, Mi H, Yang N et al. Evaluation of the effectsof preconditioning regimens on hepatic veno-occlusive disease in mice afterhematopoietic stem cell transplantation. // Exp. Mol. Pathol. – 2015; 98: 73–78.
  6. Guha C, Sharma A, Gupta S, Alfieri A, Gorla GR, Gagandeep S et al.Amelioration of radiation-induced liver damage in partially hepatectomizedrats by hepatocyte transplantation. // Cancer Res. – 1999; 59: 5871–5874.
  7. Lee UE, Friedman SL. Mechanisms of hepatic fibrogenesis. // Best. Pract. Res.Clin.Gastroenterol. –2011; 25: 195–206.
  8. Robbins ME, Zhao W. Chronic oxidative stress and radiation-induced latenormal tissue injury: a review. // Int. J. Radiat. Biol. – 2004; 80: 251–259.
  9. Christiansen H, Saile B, Neubauer-Saile K, Tippelt S, Rave-Frank M, Hermann RM et al. Irradiation leads to susceptibility of hepatocytes to TNF-alpha mediated apoptosis. // Radiother Oncol. – 2004; 72: 291–296.
  10. DeLeve LD, Shulman HM, McDonald GB. Toxic injury to hepatic sinusoids: sinusoidal obstruction syndrome (veno-occlusive disease). // Semin. Liver. Dis. – 2002; 22: 27–42.
  11. Kim J., Jung Y. Radiation-induced liver disease: current understanding and future perspectives // Experimental & Molecular Medicine. – 2017. № 49. e359; doi:10.1038/emm.2017.85.
  12. Taysi S., Koc M., Buyukokuroglu M.E., Altinkaynak K., Sahin Y.N. Melatonin reduces lipid peroxidation and nitric oxide during irradiation-induced oxidative injury in the rat liver. // J. Pineal Res 2003; 34: 173–177.
  13. Ozyurt H, Ozden AS, Cevik O, Ozgen Z, Cadirci S, Elmas MA et al. Investigation into the role of the cholinergic system in radiation-induced damage in the rat liver and ileum. // J Radiat Res 2014; 55: 866–875.
  14. Christiansen H, Batusic D, Saile B, Hermann RM, Dudas J, Rave-Frank M et al. Identification of genes responsive to gamma radiation in rat hepatocytes and rat liver by cDNA array gene expression analysis. // Radiat Res 2006; 165: 318–325.
  15. Du SS, Qiang M, Zeng ZC, Zhou J, Tan YS, Zhang ZY et al. Radiation-induced liver fibrosis is mitigated by gene therapy inhibiting transforming growth factor-beta signaling in the rat. // Int J Radiat Oncol Biol Phys. – 2010; 78: 1513–1523.
  16. Rave-Frank M, Malik IA, Christiansen H, Naz N, Sultan S, Amanzada A et al. Rat model of fractionated (2 Gy/day) 60 Gy irradiation of the liver: long-term effects. // Radiat Environ Biophys 2013; 52: 321–338.
  17. Zhang J, Zhou S, Zhou Y, Feng F, Wang Q, Zhu X et al. Hepatocyte growth factor gene-modified adipose-derived mesenchymal stem cells ameliorate radiation induced liver damage in a rat model. // PLoS ONE 2014; 9: e114670.
  18. Wang S, Hyun J, Youn B, Jung Y. Hedgehog signaling regulates the repair response in mouse liver damaged by irradiation. // Radiat Res 2013; 179: 69–75.
  19. Wang S, Lee K, Hyun J, Lee Y, Kim Y, Jung Y. Hedgehog signaling influences gender-specific response of liver to radiation in mice. Hepatol Int 2013; 7: 1065–1074.
  20. Wang S, Lee Y, Kim J, Hyun J, Lee K, Kim Y et al. Potential role of Hedgehog pathway in liver response to radiation. PLoS ONE 2013; 8:
  21. Kim J, Wang S, Hyun J, Guy CD, Jung Y. Hedgehog signaling is associated with liver response to fractionated irradiation in mice. Cell Physiol Biochem 2016; 40: 263–276.

Главная картинка взята с сайта https://www.medweb.ru.

Веялкина Наталия Николаевна
Веялкина Наталия Николаевна

© Наталия Веялкина, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией экспериментальных биологических моделей

e-mail: veyalkina@irb.basnet.by