ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 30.04.2021
Просмотров: 2935
Скачиваний: 13
Рисунок 6. Micrococcus radiodurens (микрококк радиоустойчивый)
Радиочувствительность значительно колеблется и в пределах одного вида (индивидуальная радиочувствительность). Кроме того она зависит от пола и возраста индивидуума. Молодые особи характеризуются меньшей устойчивостью, чем пожилые. Внутри одного организма клетки и ткани также характеризуются разной радиочувствительностью.
Таким образом, для большинства многоклеточных организмов поглощённая доза, способная вызвать летальный эффект не превышает 10 Гр. Это несоответствие между ничтожной дозой поглощенный энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта отмечал в первой четверти прошлого века Н.В. Тимофеев-Ресовский. Он назвал это явление «радиобиологическим парадоксом» (95).
3.2.Лучевое поражение клеток
При действии ионизирующих излучений повреждаются практически все структуры клетки, но некоторые из них имеют большее значение для поддержания жизнеспособности. Наибольшее значение имеют повреждения ДНК и ее комплексов, такие как разрывы молекулы ДНК, изменение состава оснований, нарушения связей ДНК с белками и другими молекулами. Некоторые из этих повреждений клетка способна репарировать, другие приводят к гибели. Например, при небольших поглощенных дозах возникают одиночные разрывы молекулы ДНК. При этом участки поврежденной нити молекулы ДНК прочно удерживаются на месте за счет второй неповрежденной нити и могут быть быстро восстановлены репарационными системами клетки. При увеличении дозы возрастает вероятность того, что однонитевые разрывы возникнут друг напротив друга, при этом молекула ДНК распадется на части (двунитевой разрыв).
Рисунок 7. Взаимодействие излучения с молекулой ДНК (118)
Редкоионизирующие излучения вызывают 1 двунитевой разрыв на 20 – 100 однонитевых, а для плотноионизирующих число двойных разрывов значительно выше.
Нарушением последовательности оснований в ДНК определятся мутагенное действие ионизирующих излучений. Нарушение целостности ДНК- мембранного комплекса приводит к нарушению пространственной организации молекул ДНК и ошибкам при делении клетки . В его состав помимо ДНК входят белки и липиды, и распад комплекса происходит при дозе всего в 2 Гр. Кроме того, под действием излучений происходит нарушение целостности мембран, что приводит к инактивации ферментных комплексов клетки и нарушениям выдачи в цитоплазму информации с ДНК. Как следствие – сбой основных процессов жизнедеятельности клетки. Еще одним следствием облучения является повреждение внехромосомных молекул ДНК, которые локализованы в некоторых цитоплазматических органоидах. Это может снижать функциональную активность дочерних клеток (54).
Рис. 8. Основные виды лучевого поражения клетки (схема) (55):
I — однонитевые (одиночные) разрывы в молекуле ДНК. 2—двунитевые (двойные) разрывы ДНК. 3 — нарушение связи ДНК с белком, 4 — повреждение структуры ДНК-мембранного комплекса, 5 — разрушение ядерной мембраны, 6 — повреждение митохондриальной мембраны.
3.3 ТЕОРИИ МЕХАНИЗМА БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Принцип попадания и мишеней
Эта теория появилась одной из первых и к настоящему времени считается опровергнутой. Согласно этой гипотезе биологический эффект облучения определяется не общим количеством поглощенной энергии, а формой ее передачи.
Принцип попаданий характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии. Принцип мишени учитывает особенность облучаемой клетки. Согласно ему в каждой клетке существует чрезвычайно малый чувствительный объем (мишень), который воспринимает поражающее действие облучения, в то время как остальная, наибольшая, часть клетки остается к нему нечувствительной. Мишени по их размерам неодинаковы, что и должно было бы объяснять различную радиочувствительность клеток. (6,55).
При этом количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе излучения. Эта зависимость сохраняется для малых доз излучений, когда число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества.
По мере возрастания дозы излучения эффективность попаданий уменьшается, т.к. возможно поражение одной и той же мишени несколькими попаданиями. В конечном итоге, хотя общее число остается пропорциональным дозе, но количество пораженных мишеней возрастает медленнее, постепенно приближаясь к 100% .
Теорию попадания и мишени используют лишь для количественной характеристики первичных механизмов радиобиологического эффекта.
Стохастическая гипотеза
Стохастическая гипотеза рассматривает клетку, как лабильную динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состояния в другое. В процессе жизнедеятельности под влиянием разнообразных факторов в такой сложной системе возникает вероятность нарушений функционирования. Поэтому любое событие можно предсказать лишь с известной вероятностью.
При облучении объекта стохастичность взаимодействия излучения с веществом накладывается на стохастичность событий, происходящих в клетке как биологической системе. При этом увеличивается вероятность нарушения деятельности системы (6,55).
Вероятностная модель радиационного поражения клетки
Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но любые повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления.
С позиций же вероятностной модели процесс радиационного поражения клетки можно формально разделить на три этапа.
Первый этап — осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения.
Второй этап радиационного поражения — реализация потенциальных повреждений. Так как клетки способны восстанавливаться от лучевых повреждений, то реализованными оказываются не все возникшие потенциальные повреждения, а лишь часть их. Следовательно, радиочувствительность клетки определяется и вероятностью реализации потенциального повреждения
Третий этап радиационного поражения — различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. На этом этапе также возможно восстановление клеток от последствий реализованных повреждений или их компенсация (6,55).
Изложенные выше гипотезы придают основное значение в процессах лучевого поражения клетки первичным повреждениям, т.е непосредственному воздействию квантов и частиц ионизирующих излучений на клетку. Однако, существует ряд гипотез, которые уделяют основное внимание непрямому действию радиоактивных агентов на клетку.
Гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций
Еще в 50-х годах было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из печени облученных животных вызывают гемолиз. Так был выявлен «гемолитический фактор» - цитотоксический агент липидной природы, названный липидным радиотоксином (ЛРТ). Он представляет собой комплекс продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот.
Введение ЛРТ интактным животным приводило к образованию других «радиотоксинов». Инъекция же этих «радиотоксинов» не приводила к образованию ЛРТ. Поэтому ЛРТ были названы первичными радиотоксинами, а все остальные — вторичными.
Некоторые исследователи полагают, что в начальных процессах лучевого поражения главную роль играют цепные окислительные реакции свободно-радикального типа. Следствием является поражение клеточных мембран, т.к. данные реакции протекают прежде всего на липидных субстратах, и нарушение регуляции химизма живой клетки вплоть до уровней, приводящих к гибели. В естественных условиях в клетке действуют антиокислительные системы, разрушающиеся при облучении, которые предохраняют липиды от окисления.В клетках всегда присутствуют вещества, аналогичные ЛРТ, однако их количество увеличивается при облучении и провоцирует самоускоряющиеся окислительные реакции радикального типа (11).
Рисунок 9. Повреждение клетки свободными радикалами (118).
Структурно-метаболическая гипотеза
В основе гипотезы лежит идея о том, что под действием ионизирующего излучения в клетке развиваются не только чисто радиационно-химические процессы, но синтезируются дополнительные высокореакционные продукты, приводящие к повреждению биологически важных микромолекул и образованию низкомолекулярных токсических метаболитов.
В этой гипотезе важное значение придаётся нарушениям цитоплазматических структур, которые упорядочивают клеточные структуры, обеспечивая их нормальное функционирование.
Повреждение данных структур приводит к нарушению функционирования мембран и сбою в течение таких метаболических процессов как активация ферментов и другим тяжелым последствиям (59).
Современные представления о механизмах повреждения клетки
В настоящее время наиболее распространенной является теория, согласно которой основную роль в процессах лучевого поражения клетки играют ионизированные частицы воды и продукты ее разложения, в частности, перекись водорода.
В первоначальном виде эта теория сформулирована Вейссом (Weiss). Она принята Барроном (Barron) и, хотя не может исчерпывающим образом дать объяснения всем фактическим материалам, все же в основном является общепринятой (119). Под влиянием ионизирующей радиации происходит выбивание отрицательно заряженных электронов из молекул воды с образованием ее частиц, несущих положительный заряд:
H2 O — H2 O + + e-
Далее, по типу цепных реакций происходит ряд превращений с образованием радикалов и различных веществ, обладающих как окислительными, так и восстановительными свойствами. Отрицательно заряженный электрон присоединяется к другой нейтральной молекуле воды, придавая ей отрицательный заряд:
e- + H2 O — H2 O-
Заряженные молекулы воды крайне нестойки и претерпевают дальнейшие изменения:
H2 O + — Н+ + ОН, а H2 O - — Н + ОН- .
Как свободные радикалы Н и ОН, так и ионы Н+ и ОН- вступают во взаимодействие с образованием H2 O:
H + OH — H2 O и H+ + OH- — H2 O
Наряду с этим происходят и другие взаимодействия, и комбинации свободных радикалов, например:
ОН+ОН — H2 O2 (перекись водорода)
OH+OH — H2 O +O
Таким образом, в облученных водных растворах возникает возможность окислительно-восстановительных реакций.
При наличии в среде свободного растворенного O2 выбитые электроны, присоединяясь к нему, дают образование ионов 0+ и О2-. Эти ионы, сочетаясь с Н+ , дают следующие реакции:
О2-+ Н+ — O2 Н (гидропероксид) и О2- +2 Н+— H2 O2
Следовательно, в аэробных условия создаются особенно подходящие возможности для благоприятного осуществления ионизирующими излучениями окислительных процессов. Все эти первичные изменения происходят крайне быстро, в миллионные доли секунды.
Изменения, аналогичные происходящим с водой, возникают при действии ионизации и с другими входящими в структуру живого вещества соединениями. Образуются органические перекиси. Наряду с ионизацией происходит и возбуждение молекул, которые обладают при этом повышенным запасом энергии. В возбужденных молекулах создаются возможности возникновения химических реакций, которые невозможны в обычных условиях. При этом возникают глубокие изменения белков: «денатурация» белков с отрывом от их молекул некоторых боковых цепей. Отрываются особо лабильные части, которые формируются в соединения, обусловливающие дальнейшее развитие процесса. Денатурируется ряд ферментов с их инактивацией, нарушается состав нуклеиновых кислот, аминокислот, мукополисахаридов и т. д.
3.4 РАДИОАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ОРГАНИЗМА
Закономерности взаимодействий, установленные на клеточном уровне, сохраняются и при облучении всего организма, однако при переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все явления усложняются. Не все клетки поражаются в равной степени, а тканевый эффект не равен сумме клеточных эффектов, так как ткани, органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Клетки в составе ткани зависимы друг от друга и от окружающей среды. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей, органов и целого организма (6,55).
При тотальном внешнем однократном обучении радиационному воздействию подвергаются все органы и системы организма млекопитающих. Однако, наибольшее значение в развивающейся картине поражения имеют поглощенные дозы в критических органах. Критические органы – это жизненно важные органы и системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения. Критическими системами организма при воздействии ионизирующей радиации являются ткани и органы с интенсивным делением клеток – кроветворная система, органы иммунной системы, гонады, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта и др.
При дозах облучения от 1 до 5 Гр происходит нарушение продукции клеток крови и продолжительность жизни не превышает 40 суток. При дозах облучения от 6 до 10 Гр наблюдается резкое нарушение функций кишечника и сроки жизни не превышают 8 суток.
Костный мозг отличается крайне высокой радиочувствительностью, поэтому его поражение всегда наблюдается при общем облучении организма. Он представляет собой типичный образец системы клеточного обновления, обеспечивающей поддержание постоянства числа клеток с ограниченным периодом жизни, в данном случае – клеток крови. Согласно унитарной модели кроветворения, родоначальными для всех ростков кроветворения являются полипотентные стволовые кроветворные клетки. Отличительной их чертой является то, что стволовые клетки способны делиться неограниченное число раз, воспроизводя себе подобных. У млекопитающих, в частности человека, около 90% процентов стволовых клеток находятся в стадии покоя клеточного цикла. Часть потомков стволовых клеток коммитируется, то есть приобретает способность к дифференцировке в направлении ограниченного числа ростков или даже какого-то одного определенного ростка кроветворения (4).
Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно дифференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в пул созревания, где окончательно созревает и становится функционально полноценной (рис.10).
Рисунок 10. Система обновления костного мозга (4).
Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления, состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает новая, находящаяся в этот момент на стадии максимальной подготовленности.