С каждым годом во всем мире увеличивается вклад радиоизотопных методов в диагностику и терапию различных заболеваний. В то время как количество и широта интервенционных процедур продолжают увеличиваться, повышаются ли радиационные риски? Хорошо известно, что хрусталик глаза обладает повышенной радиочувствительностью [1]. В специализированной медицинской литературе хорошо описаны побочные эффекты радиационного воздействия на хрусталик глаза, приводящие к его полному или частичному помутнению. В связи с этим ионизирующее излучение рассматривается как фактор риска развития катаракты. По данным международного комитета по радиационной защите, появление радиационно-индуцированной катаракты связано с минимальным порогом дозы от 0,5 до 2 Гр при остром облучении и 5 Гр при фракционированном или длительного воздействия, а допустимый предел дозы профессионального облучения 20 мЗв в год.

Катаракты, индуцированные воздействием ионизирующей радиации, важно изучать в связи с актуальностью проблемы возможных последствий радиационных аварий, приводящих к массовым облучениям населения, у работников атомной промышленности и онкологических больных, подвергающихся лучевому воздействию при лечении злокачественных новообразований. Кроме того, поскольку радиация является фактором риска ускоренного старения, то катаракту, индуцированную общим облучением организма, можно рассматривать в качестве потенциальной модели развития старческой катаракты.

Во всем мире интенсивно ведутся исследования причин и механизмов развития возрастной и радиационно-индуцированной катаракты. Это особенно актуально в связи с тем, что катаракта является одной из основных причин обратимой слепоты [2]. В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих возникновение помутнений в хрусталике. Однако каждая из них в отдельности не может полностью объяснить сложные механизмы развития катаракты. Скорее всего, формирование возрастных помутнений в хрусталике есть результат комплексного влияния как внутренних (эндогенных), так и внешних (экзогенных) факторов.

Катарактогенез — этиологически и генетически гетерогенный процесс, характеризующийся полным или частичным помутнением хрусталика, сопровождающийся нарушением остроты зрения вплоть до полной его утраты. Он ассоциируется с длинным перечнем различных метаболических заболеваний — врожденных или приобретенных в течение жизни, обусловливающих нарушение супрамолекулярной архитектуры хрусталика глаза и связанных, главным образом, с неправильной осморегуляцией или оксидативными поражениями [3].

Повторное ухудшение остроты зрения часто наблюдается в отдаленные сроки после оперативного вмешательства. Сохранившаяся капсула хрусталика со временем достаточно часто мутнеет. Нередко этому способствует миграция и пролиферация эпителиальных клеток из герминативной экваториальной зоны к задней капсуле. Одной группой японских ученых были получены положительные результаты по ингибированию как миграции, так и пролиферации эпителиоцитов, используя нетоксический растительный ксенобиотик — нобилетин [4]. Другая группа ученых выявила повышенное содержание белка MCP-1 (monocyte chemoattractant protein-1) в водянистой влаге глаза у кроликов и людей после факоэмульсификации и имплантации искусственной линзы [5]. Хемокин MCP-1 участвует в миграции макрофагов и способствует их инфильтрации в ткани глаза. Повышение уровня MCP-1 связывают с пролиферацией эпителия хрусталика, что может служить одной из причин его помутнения. В некоторых случаях при возникновении повторной катаракты проводят лазерную дисцизию капсулы хрусталика.

В настоящее время основной причиной формирования катаракты считается механизм свободнорадикального окисления белков хрусталика [6]. Свободные радикалы — химические соединения, обладающие высокой реакционной способностью. В организме они постоянно образуются при обмене веществ, однако разрушаются специальными ферментами и естественными антиоксидантами. Свободные радикалы очень опасны — они приводят к разрушению клеточных мембран и в конечном итоге вызывают гибель клетки.

В тканях глаза наиболее существенным дополнительным фактором, стимулирующим образование свободных радикалов, является свет, в особенности коротковолновая часть спектра в диапазоне 200—300 нм. В результате образования свободных радикалов в хрусталике происходит образование и накопление токсичных соединений, приводящих к необратимым изменениям белков. Особую роль играет факт снижения в хрусталике с возрастом активности ферментов антиоксидантной защиты и уменьшение концентрации природных антиоксидантов (витамины А, С, Е, В₂, глутатион и др.). Однако связь окислительного повреждения белков с морфологическими изменениями хрусталика пока не установлена.

Вместе с тем существует концепция, которая отводит ведущую роль в радиационном катарактогенезе не процессам свободнорадикального окисления, а повреждению хрусталикового эпителия. С точки зрения этой гипотезы ключевую роль в развитии радиационной катаракты играет непосредственное радиационное повреждение делящихся клеток эпителия хрусталика. Клетки, появляющиеся в результате аномальных митозов, встраиваются в меридианальные ряды, располагающиеся на экваторе хрусталика. Дезорганизация структуры этих рядов приводит к нарушению роста и укладки волокон хрусталика, что и ведет к развитию помутнений [7, 8].

Помутнение хрусталика может появляться в результате биохимических нарушений, которые возникают в связи с повреждением его волокон. Согласно данным молекулярной и клеточной биологии, катарактогенез ассоциируется с нарушением супрамолекулярной архитектуры белков хрусталика глаза, осморегуляции и оксидативными поражениями. Приблизительно на 40% хрусталик состоит из белков. Около 90% белков хрусталика составляют кристаллины, шаперонная активность которых поддерживает его прозрачность, обеспечивая высокий коэффициент преломления света, что исключает светорассеяние. В здоровом глазу кристаллины со временем разрушаются, деградируя до маленьких пептидов, которые выводятся из глаза при помощи других белков [9]. При катаракте эти пептиды не выводятся из глаза, а агрегируют. На сегодняшний день не совсем ясно, есть ли особенности в патогенезе развития разных по этиологии видов катаракт. Основное внимание многих исследований было уделено изучению катаракты, индуцируемой общим облучением организма животных в сублетальных дозах. Развитие катаракты в данном случае позволяет исследовать ранние стадии заболевания. Катаракту, индуцированную общим облучением, важно изучать не только в силу актуальности проблемы последствий радиационных аварий, приводящих к массовым облучениям населения, радиационному воздействию при общем облучении подвергается весь организм. Поскольку радиация является фактором ускоренного старения, то катаракту, индуцированную общим облучением организма, можно рассматривать в качестве модели возрастной катаракты [10, 11].

Как правило, лучевая катаракта проявляется в начале в виде дефекта прозрачности задней субкапсулярной части хрусталика. Это связано с пролиферацией аномально дифференцированных клеток герминативного эпителия и их миграцией к задней части хрусталика. Такие изменения лежат в основе развития ранней стадии радиационно-индуцированного помутнения хрусталика. Большое внимание исследователей уделено изучению формирования лучевой катаракты, индуцируемой нарушением дифференцировки стволовых клеток герминативной зоны хрусталика и изменением пролиферативно-миграционных характеристик эпителиальных клеток экваториальной зоны с формированием лентикулярного помутнения и морфологического субстрата субкапсулярной катаракты [12].

Любое повреждение эпителиальных клеток хрусталика может привести к нежелательной мезенхимальной трансформации клеток и развитию фиброза. Белки цитоскелета семейства тропомиозина (Tpm) участвуют в регуляции и стабилизации актиновых микрофиламентов. Показано, что аберрантная экспрессия Tpm приводит к морфологическим изменениям и дезинтеграции эпителия, в результате чего хрусталик мутнеет [13]. Параллельно с этим процессом увеличивается экспрессия α-актина гладких мышц — маркера мезенхимальной трансформации клеток.

Профессор офтальмологии К. Sharma [2] из Университета Миссури провел научную работу по выявлению молекулярных причин формирования катаракты, которые помогут в будущем найти более совершенные методы лечения этого заболевания. В своем исследовании он обнаружил, что функциональная активность определенного типа белков кристаллинов начинает снижаться по мере старения. При этом уменьшается активность пептидов с низкой молекулярной массой, состоящих из 10—15 аминокислот, которые начинают агрегировать, тем самым ускоряя процесс формирования катаракты. По мере старения человека в глазных яблоках количество таких коротких пептидов увеличивается. Это ведет к ослаблению шаперонной активности, что приводит к замедлению очистительной реакции внутри хрусталика. Со временем все увеличивающееся количество пептидов приводит к помутнению хрусталика и формированию катаракты. Существуют разные причины, приводящие к ослаблению шаперонной активности, но присутствие этих маленьких пептидов значительно усугубляет ситуацию.

Наблюдение за работой этих пептидов — очень сложный и важный процесс. Следующим шагом станет работа над предотвращением фрагментации и агрегации пептидов. Если ученые научатся приостанавливать процесс увеличения количества таких пептидов, то станет возможным значительно (на несколько лет) «отодвинуть» процесс формирования катаракты. Таким образом можно уменьшить количество хирургических вмешательств.

Эффективность радиационного воздействия на хрусталик непосредственно связана с идущим в нем универсальным патофизиологическим процессом свободнорадикального окисления. Ранее было показано, что рентгеновское облучение значительно снижает активность хрусталиковых восстановительных систем: отмечается постепенное уменьшение концентраций восстановленного глутатиона, НАДФН, нарушение работы гексозомонофосфатного шунта [14]. Также было обнаружено, что перед формированием зрелой радиационной катаракты в хрусталиках происходит связывание цитозольных протеинов с мембранными протеинами за счет окисления белковых групп с образованием дисульфидной связи. В результате мембрана теряет нормальную структуру.

Несмотря на то что механизм лучевой катаракты точно не известен, было выдвинуто несколько гипотез. Одна из них утверждает, что морфологические изменения эпителиальных клеток хрусталика связаны с геномным повреждением, которое вызывает нарушение репарации ДНК клеток герминативной зоны, их пролиферативной активности и дифференцировки. Одним из самых ранних событий в патогенезе лучевой катаракты является оксидативный стресс, который приводит к нерепарируемому повреждению ДНК эпителия хрусталика, что обусловливает формирование катаракты. Также радиация способствует запуску апоптоза в клетках эпителия, однако это не было четко продемонстрировано в исследованиях.

Быстрое развитие молекулярной генетики в последние годы продемонстрировало значительное количество генов, нарушения в которых приводят к возникновению такого заболевания. Описано, по крайней мере, 6 генов, локализованных в хромосомах 1, 2, 10, 13, 21 и 22, которые вовлечены в катарактогенез. Эти гены регулируют синтез белков кристаллинов и программируют сборку субъединиц коннексонов, образующих щелевые контакты между волокнами хрусталика.

Щелевые контакты (коннексоны) между волокнами хрусталика — это цилиндры, образованные шестью субъединицами коннексина. Два гена, кодирующие коннексиновые субъединицы, связаны с возникновением катаракты. Первый из них, локализованный в хромосоме 1, программирует синтез коннексина 50, а второй, локализованный в хромосоме 13, кодирует коннексин 46. Замена нуклеотида 262 в гене хромосомы 1 приводит к замещению пролина на серин в положении 88 коннексина 50 (Pro88Ser). В гене хромосомы 13 замена 188 нуклеотида приводит к замене серина на аспарагин в положении 63 коннексина 46 (Аsp63Ser). Другая мутация в этом гене — в нуклеотиде 1137 — приводит к сдвигу рамки считывания после 379-го остатка белка коннексина и последующему сбою трансляции 56 С-концевых аминокислот. Все эти три дефекта коннексинов нарушают согласованность физиологических процессов в волокнах хрусталика и приводят к неоднородной, пылеобразной непрозрачности хрусталика — порошковидной катаракте [3].

Кристаллины кодируются генами, локализованными в хромосоме 21 (α-кристаллин), хромосоме 22 (β-кристаллин) и хромосоме 2 (γ-кристаллин). Во всех трех генах идентифицированы мутации. Мутация гена хромосомы 21 приводит к замене цистеина 116 на аргинин (Сys116Arg) в α-кристаллине. Мутация в хромосоме 22 приводит к появлению стоп-кодона в 155-м положении и, таким образом, — утрате 55 С-концевых аминокислот β-кристаллина. Наконец, мутация в промоторном участке какого-либо из 6 генов γ-кристаллинов приводит к 30% избыточной продукции фрагмента γ-кристаллина [3]. Все эти нарушения ведут к формированию патологических кристаллинов в волокнах хрусталика и развитию той или иной формы катаракты.

В настоящее время консервативное лечение катаракты является малоэффективным главным образом потому, что остаются невыясненными механизмы развития катаракты на ранних стадиях заболевания. У человека мы практически не имеем возможности исследовать стадии развития катаракты, т. е. скрытый период до появления видимых помутнений и период начальных изменений. Ранние стадии удобно изучать на животных [10, 15, 16]. Однако в большинстве моделей, которые предлагаются для изучения старческой катаракты (глаз животных подвергали воздействию УФ-света, локальное облучение глаз или головы животного высокими дозами ионизирующего излучения, инъекции селинита), катарактогенез сопровождается воспалительными реакциями и происходит очень быстро, т. е. совсем не так, как при развитии наиболее распространенной старческой катаракты.

Основные успехи в этой области достигнуты в изучении физико-химических процессов, приводящих к нарушению оптических свойств хрусталика. При возрастной катаракте происходят изменения химического состава хрусталика. В начальном периоде развития катаракты увеличивается содержание воды, нарастает дисбаланс ряда ионов, аминокислот, одновременно уменьшается количество водорастворимых белков и витаминов, АТФ. Кроме того, снижается активность ряда ферментов, участвующих в процессе обмена веществ в хрусталике, резко уменьшается потребление кислорода, нарушаются процессы перекисного окисления липидов и др.

Экспериментальные исследования катаракты в значительной степени опираются на данные, полученные на мышиных моделях. Сконструировано почти 100 мышиных мутантов. Животные с мутированными генами Atm, Brca1 и rad9, вовлеченными в репарацию поврежденной ДНК, были подвергнуты воздействию радиации. При этом наблюдалась повышенная чувствительность этих животных к лучевому воздействию, которая привела к развитию лучевой катаракты. Между геномами мыши и человека имеются обширные участки сходств, поэтому мутации, обнаруженные у мыши, могут быть ключом к пониманию катарактогенеза у человека. К тому же, типы катаракты хрусталика мыши во многих случаях сходны с катарактой у людей.

Хорошо известно, что воздействие ионизирующего излучения является причиной различных патологий глаза, в том числе помутнения хрусталика. Это может быть вызвано острым лучевым поражением у животных в экспериментальных условиях или у человека в чрезвычайных ситуациях, например в результате аварий на атомных станциях или после атомной бомбардировки. При хроническом воздействии радиации у работников, занятых в атомной промышленности, а также при фракционированном у пациентов после лучевой терапии тоже можно наблюдать развитие катаракты, но в более поздний период. Однако в литературе очень мало сведений о последствиях хронического длительного комбинированного (внешнего и внутреннего) воздействия ионизирующего излучения на развитие офтальмопатологии у населения. Было выявлено, что вклад радиационно-индуцированных случаев заболевания в общее число наблюдаемых случаев катаракты небольшой, однако важно отметить, что 15% всех случаев реализовались у лиц с накопленной дозой облучения свыше 0,3 Гр [17].

Чернобыльская катастрофа вызвала тревогу у всего человечества, поэтому анализ ее последствий проводился на международном уровне. В 1990 г. начал работу Международный наблюдательный комитет во главе с проф. Shigematsu — директором Исследовательского центра радиационных эффектов в Хиросиме, который с 1950 г. наблюдал и анализировал здоровье людей, выживших после атомных бомбардировок. В районе Чернобыльской аварии побывало около 200 независимых экспертов из 23 стран и 7 международных организаций. Специалисты лабораторий разных стран, в том числе из Австрии, Франции и США помогали нашим ученым анализировать и оценивать собранный материал. В результате появился Международный чернобыльский проект, выводы которого стали достоянием ученых и специалистов всех стран [18].

В результате работы были обследованы 8607 ликвидаторов последствий аварии на Чернобыльской АЭС с целью выявления у них катаракты спустя 12 и 14 лет после аварии. По специальному алгоритму была рассчитана поглощенная доза радиоактивного облучения на основе β-частиц. Средняя доза, приходящаяся на хрусталик глаза у этой когорты, составила 0,12 Гр, диапазон — от 0 до 0,8 Гр. Более 90% человек получили дозы менее 0,4 Гр. Задние субкапсулярные или кортикальные помутнения были выявлены в 25% случаев. Статистически достоверные различия в зависимости «доза-эффект» были выявлены только для первой стадии катаракты и задней субкапсулярной катаракты. Результаты анализа различия в полученных дозах и морфологических вариантов катаракты показали, что для дозы выше 700 мГр нет прямой зависимости между полученной дозой и развитием катаракты. Таким образом, не исключена возможность развития лучевой катаракты и при более низких дозовых воздействиях, которые рекомендованы по современным нормам безопасности [19].

У некоторых лиц, перенесших острую лучевую болезнь вследствие воздействия высоких доз радиации, развились клинически значимые катаракты. Кроме того, недавно завершившееся украинско-американское чернобыльское офтальмологическое исследование показало, что возникновение непрозрачности хрусталика у ликвидаторов зависит от полученной дозы [15]. Основной вывод заключается в том, что данные несовместимы с порогом зависимости «доза-эффект» более 0,7 Гр и что нижний предел пороговой дозы близок к современному пределу дозы для хрусталика глаза (150 мЗв), хотя это следует проверить с учетом неопределенности в дозиметрии. В настоящее время считается, что допустимый предел дозы профессионального облучения составляет всего 20 мЗв в год [12, 17].

Следует отметить, что основные выводы относятся к субклиническим катарактам: 96% наблюдаемых случаев имели I степень непрозрачности. Еще предстоит выяснить, переходит ли со временем эта непрозрачность, связанная с облучением, в более серьезную катаракту, нарушающую зрительную функцию [15, 20]. В большинстве исследований, в которых анализировался эффект радиационного воздействия малых доз на хрусталик, была выявлена связь между риском развития кортикальной катаракты и малыми дозами радиации. Это вызывает новые вопросы относительно радиационной защиты хрусталика среди популяций, хронически подвергаемых воздействию радиации.

Неожиданными оказались выводы по оценке здоровья населения, проживающего в «загрязненной» зоне. Как в «загрязненной», так и в «чистой» зонах было обнаружено значительное количество людей с заболеваниями, но эти заболевания никак напрямую не связаны с радиацией. Анализы офтальмологов не обнаружили в обследованных популяциях случаев радиационно-индуцированной катаракты. Характерно, что истинной радиационно-индуцированной патологии (лейкозов, радиационных гиперплазий щитовидной железы или помутнения хрусталика), а не их мимикрических симптомов у ликвидаторов и жителей выявлено не было. Авторы международного проекта отметили, что в случае Чернобыля, как и после других радиологических инцидентов, преобладают психологические эффекты. Природа этих эффектов достаточно сложна. Среди множества факторов ведущим можно назвать радиофобию, так как человек, присутствующий в опасной зоне, исторически ассоциирует себя с жертвой ядерного взрыва и ожидает для себя подобных же последствий [18, 21].

В последние годы особое внимание уделяется изучению молекулярных основ патогенеза радиационно-индуцированной катаракты. Катаракты, индуцированные воздействием ионизирующей радиации, важно изучать в связи с актуальностью проблемы возможных последствий радиационных аварий, приводящих к массовым облучениям населения, у космонавтов, у работников атомной промышленности и онкологических больных, подвергающихся радиационному воздействию при лечении злокачественных новообразований [1, 20, 22—24]. Кроме того, поскольку радиация является фактором риска ускоренного старения, то катаракту, индуцированную общим облучением организма, можно рассматривать в качестве потенциальной модели развития старческой катаракты.

Таким образом, остаются до конца невыясненными вопросы, касающиеся патогенеза лучевой катаракты: какова степень влияния свободно-радикального окисления и других молекулярно-клеточных механизмов на развитие радиационной катаракты и, в частности, на развитие катаракты, индуцированной однократным общим γ- или γ-нейтронным облучением.

В связи с этим исследователям необходимо изучить возможное влияние общесистемного послерадиационного повреждения организма, оцениваемого по интенсивности протекания свободнорадикальных реакций в крови облученных животных, на развитие свободнорадикальных процессов в хрусталике, установить возможную взаимосвязь между изменением показателей свободнорадикальных процессов в хрусталике и растворимостью белков хрусталика на ранних стадиях катарактогенеза. Актуальным представляется изучение роли повреждения эпителия хрусталика и волокон при развитии катаракты, индуцируемой общим облучением организма в низкой дозе. В радиологии существуют 3 основных принципа: обоснованность, оптимизация и ограничение дозы облучения, которые необходимо соблюдать, чтобы помочь уменьшить негативные эффекты радиации.

Результаты биомедицинских исследований расширяют теоретические представления о молекулярно-клеточных механизмах катарактогенеза. Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего исследования роли свободнорадикального окисления в развитии катаракты. Большое практическое значение имеет факт важности поддержания в нормальном состоянии восстановительных систем в хрусталике. На основе современных данных необходимо выявить такие мишенные структуры, которые будут служить основой для разработки антикатарактальных препаратов.

Так как до настоящего времени не решен вопрос о минимальной катарактогенной дозе, ранних признаках доклинического проявления и длительности латентного периода развития радиационно-индуцированной катаракты, разработка эффективных методов диагностики, а также протекторной и восстановительной терапии на ранних стадиях формирования катаракты лучевой этиологии остается актуальной задачей современной медицины.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования: Ю.Б., А.Т., Ю.Р., Е.А., В.Г.

Сбор и обработка материалов: Ю.Р., Е.А.

Написание текста: Е.А., В.Г.

Редактирование: Ю.Б., А.Т., Ю.Р.

Конфликт интересов отсутствует.