Теории непрямого действия ИИ. Теория липидных радиотоксинов

При воздействии ИИ в тканях животных, особенно в печени, селезёнке и других органах образуются первичные (липидные) радиотоксины. Процессы, возникающие в начальный период развития лучевого поражения, протекают в организме с малой скоростью вследствие действия антиоксидантов. Под влиянием активных радикалов происходит усиление окислительных цепных реакций биолипидов, в результате чего появляются продукты окисления ненасыщенных жирных кислот.

Для осуществления цепных реакций необходимы радикалы с большой энергией, достаточной для образования последующих радикалов. В организме животных в нормальных условиях низкий уровень окисления биолипидов обусловлен антиокислителями. При лучевом поражении такое равновесие нарушается из-за появления большого количества радикалов. Автокаталитический режим цепных реакций возникает в случае, когда содержание естественных антиокислителей снижается на 10–15%.

По мнению авторов гипотезы (Ю.Б. Кудряшова, Б.Н. Тарусова), при облучении вначале поражаются липиды клеточных мембран, что приводит к нарушению химизма клетки, а затем образующиеся липидные радиотоксины вызывают окисление других органических соединений живой ткани.

Структурно- метаболическая теория. Автор этой теории А.М. Кузин считает, что динамика и место нарушений обменных процессов в при действии радиации обусловлено нарушениями цитоплазматических структур в живой клетке. За основу взято действие первичных радиотоксинов, которые представляют собой комплекс веществ метаболитов, обладающих токсическими свойствами, – это хиноны или ортохиноны. Некоторые из токсических метаболитов всегда содержаться в клетках здоровых тканей. При действии радиации содержание их значительно увеличивается и дополнительно появляются новые. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в патогенезе и исходе лучевых поражений.

Рассматривая теории и гипотезы первичных механизмов поражений необходимо отметить, что ни одна отдельно взятая из них не объясняет механизмы первичного действия ИИ. Общий их недостаток в том, что выдвигаемые положения не удаётся подтвердить на теплокровных животных. Большей аргументацией отличаются структурно- метаболическая теория, а также теория липидных токсинов с цепными разветвлёнными реакциями и теория «попаданий». Они дают более правильное представление о механизмах действия радиации на живой организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными реакциями.

ГЛАВА 3.4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИИ
НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ

Этапы воздействия

При воздействии ионизирующего излучения выделяют определённые этапы, которые характеризуются длительностью и вызываемыми эффектами (см. табл.11).

Табл.11. Этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты.

 

№ стадии	Явление	Длительность этапа
1.	Физико-химическая стадия (перенос энергии в виде ионизации и возбуждения на первичной траектории)	10^–12–10^–8 с
2.	Химические повреждения (свободные радикалы, возбуждённые молекулы- до теплового равновесия)	10^–7 с – несколько часов
3.	Биомолекулярные повреждения (белки, нуклеиновые кислоты и др.)	Микросекунды – несколько часов
4.	Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель животных)	Часы-недели
5.	Отдалённые биологические эффекты, в том числе возникновение опухолей, генетические эффекты	Годы-столетия

 

Молекулярный уровень

Действие радиации на белки. Особенности того или иного белка определяются последовательностью и природой аминокислот в цепи (первичная структура) и сложной конфигурацией цепей аминокислот (вторичная и третичная структуры). Одни белки выполняют роль структурных компонентов клетки, другие (ферменты) – органических катализаторов клеточных биохимических реакций. Радиобиологи исследуют как физико-химическое, так и биологическое действие ионизирующих излучений на ферменты. К физико-химическим критериям повреждения относятся:

· уменьшение молекулярной массы вследствие разрыва полипептидных цепей (цепей аминокислот),

· изменение растворимости,

· нарушение вторичной и третичной структур,

· образование сшивок и агрегатов (соединений друг с другом различных частей белков),

· разрушение аминокислот в цепи.

Биохимическим критерием повреждения является потеря ферментами способности осуществлять свои реакции. Для повреждения известных ферментов требуется облучение гораздо в более высоких дозах, чем для возникновения серьезных изменений в клетке, приводящих ее к гибели. Этот факт объясняют малой чувствительностью биохимических методов или тем, что в клетке есть более чувствительные к облучению мишени, чем ферменты.

Наиболее опасны повреждения ядра, так как именно ядро несет наследственную информацию о самой клетке, всем организме и даже биологическом виде.

Ионизация вызывает три основных типа повреждения, которые показаны на рис. 22.

 

Рис. 22. Три основных типа повреждений в молекуле ДНК.

1 – одиночные разрывы, 2 – двойные разрывы, 3 – повреждения оснований,
4 – исходная нормальная ДНК.

ДНК также подвержены постоянным повреждениям, которые обусловлены не только ионизирующим излучением, но и ультрафиолетовым излучением, химическими агентами и т.д. Значительная часть энергии клетки как раз и расходуется для репарации, т.е. восстановления и поддержания постоянства последовательности оснований в ДНК (т.е. генетического кода). Однако не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям, к которым они приводят.

Число одиночных разрывов линейно зависит от дозы облучения в очень широком диапазоне (от менее чем 0,2 Гр до 60 000 Гр). Другими словами, как бы ни мала была доза облучения, должно возникать определенное число разрывов одной из нитей ДНК.

Репарационные системы

Эффективность образования таких одиночных разрывов нитей может меняться в зависимости от многих биохимических факторов. Обычно значительная часть одиночных разрывов нитей происходит с участием ОН× – радикалов воды. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК в клетках млекопитающих происходит достаточно эффективно. Считают, что оно протекает по механизму эксцизионной репарации, который состоит в эксцизии (вырезании) части цепи, содержащей поврежденные звенья ДНК, и использовании комплементарной (неповрежденной) цепи в качестве матрицы для повторного синтеза нового отрезка ДНК взамен поврежденного. Процесс является ферментативным и зависит от температуры, а при 0°С значительно замедляется. В клетках млекопитающих скорость репарации такова, что при нормальной температуре половина радиационных одиночных разрывов восстанавливается в течение примерно 15 минут. Поскольку одиночные разрывы репарируются даже в летально облученных клетках, можно предположить, что они не являются причиной гибели клеток, в отличие от двойных разрывов или поврежденных оснований. Но такие нерепарированные одиночные разрывы вносят свой вклад в образование двойных разрывов, потому что двойные разрывы ДНК могут быть или результатом единичного события ионизации, или следствием совпадения одиночных разрывов в комплементарных цепях. Есть экспериментальные доказательства того, что и двойные разрывы могут репарироваться. Пока есть только теоретическая модель для объяснения возможного механизма репарации двойных разрывов ДНК, вызванных облучением.

Число повреждений азотистых оснований ДНК линейно зависит от дозы. Скорее всего, они возникают в результате взаимодействия со свободными радикалами воды.

Повреждения азотистых оснований в клетках млекопитающих встречаются чаще, чем одиночные разрывы нитей ДНК, однако уже рассмотренный нами механизм эксцизионной репарации обеспечивает удаление поврежденных оснований. Нерепарированные повреждения оснований могут играть важную роль для клеток высших животных, а для простейших они являются значимыми факторами гибели.

В силу множества различных повреждающих факторов, репарация ДНК – основа нормального функционирования клетки, но полная репарация происходит не всегда. Установлено, что уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10–100 двойных разрывов, каждый из которых может привести к неприятным последствиям.

Выделяют несколько видов репараций хромосом (см. рис.23).

Рис. 23. Репарации хромосом.

 

Незаконные репарации, при которых сохраняется внешняя структурная форма хромосомы, не препятствуют дальнейшему делению клетки и, как правило, «стабильны». Однако они являются потенциально более опасными, чем нестабильные аберрации, поскольку могут пройти через последующие циклы деления и привести к появлению мутантных особей. Их можно определить, только используя новейшие методики выявления структуры хромосом.

Описываются, как правило, три вида репараций:

1. Безошибочные репарации, главным образом эксцизионные, не вызывающие в дальнейшем летального исхода или мутаций. Репарации этого типа основаны на удалении поврежденного участка ДНК и замене его неповрежденными нуклеотидами, что приводит к восстановлению нормальной функции ДНК.

2. Ошибочные репарации, которые могут повлечь за собой нелетальные или летальные мутации. Это имеет место тогда, когда не происходит немедленной репарации повреждений. Они обходятся во время репликации ДНК, приводя к образованию пробелов в дочерних нитях. Затем эти пробелы заполняются отрезками материнской нити ДНК в процессе рекомбинации, а возникшая таким образом брешь материнской нити ДНК заполняется путем репаративного синтеза. В этом случае поврежденный участок фактически не репарируется, а обходится, и потерянная генетическая информация восполняется из дублированных запасов информации, содержащейся в клетке. Пострепликативная репарация не играет какой-либо существенной роли в устранении радиационных повреждений ДНК в клетках млекопитающих.

3. Неполные репарации, когда непрерывность нитей ДНК не восстанавливается, и эта нерепарация может быть не только мутагенной, но даже летальной.

Роль мембран в радиационной биологии остается мало изученной. Поскольку скорость взаимодействия мембранной структуры и ее окружения лежит в определенных пределах, при больших мощностях дозы часть энергии излучения идет на поражение других структур, а часть расходуется «вхолостую», на поражение уже пораженных участков. При малых мощностях дозы почти все образовавшиеся под действием ионизирующего излучения активные продукты радиолиза воды разрушают мембраны, так как мембраны участвуют почти во всех жизненно важных процессах, происходящих в клетке. От состояния мембран во многом зависит и состояние иммунной системы. Кроме того, тесная связь между ДНК и внутренней мембраной ядра означает, что нельзя игнорировать мембрану в качестве критической структуры. В радиобиологии критическую структуру, ответственную за гибель клетки, называют мишенью.

В обобщённом виде все радиационный повреждения на молекулярном уровне показаны на рис. 24.

 

Рис. 24. Основные виды радиационных повреждений.

1 – однонитчатые разрывы в молекуле ДНК, 2 – двунитчатые разрывы
в молекуле ДНК, 3 – нарушение связи ДНК с белком, 4 – повреждение структуры
ДНК-мембранного комплекса, 5 – разрушение ядерной мембраны, 6 – повреждение
митохондриальной мембраны.

Клеточный уровень

При поглощении высоких доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как и после воздействия высокой температуры или сильного яда. Немедленных морфологических изменений при дозах менее 1 Гр не обнаруживается. В зависимости от величины дозы они проявляются на 2- 3- и сутки. В цитоплазме после облучения происходит:

· изменение вязкости. При малых дозах она снижается, а при больших – повышается;

· вакуолизация протоплазмы (особенно в клетках крови и красного клеточного мозга);

· повышение проницаемости для электролитов и воды, особенно для калия и натрия;

· повышение лучепреломления, что связано с денатурированием белка.

Радиочувствительность клеток в различные стадии клеточного цикла. В процессе митоза происходит распределение хроматина строго поровну между дочерними клетками. Его значение для судьбы облученной клетки очень велико, так как процессы внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращаются и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, во время митоза фиксируются и либо приводят клетку (или ее потомков) к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность или проявляясь в виде мутаций. Некоторые группы клеток могут вступать в так называемую G₀ -фазу, в которой клетки находятся в покое, или «вне цикла». Митоз и переход из фазы G₁в фазу S – наиболее чувствительные процессы в клетке (см. рис. 25).

 

Рис.25. Фазы клеточного цикла млекопитающих.

G₁ – предсинтетическая фаза; S – синтез ДНК; G₂ – постсинтетическая фаза, М–митоз.

Как показали кривые выживаемости, гибель клеток, вызванная облучением, существенно зависит от фазы, в которой клетки подвергались облучению. Клетки в стадии митоза были наиболее чувствительными, а клетки в начале G₁-фазы, поздних частях S-фазы и G₂-фазы – наименее чувствительными. В начале S-фазы клетки имели промежуточную чувствительность. Однако при воздействии излучения с высокой ЛПЭ (например, быстрых нейтронов и альфа-частиц) различие в радиочувствительности популяций, находящихся в разных фазах клеточного цикла, намного меньше, чем при воздействии излучения с низкой ЛПЭ, например, рентгеновского излучения.

В зависимости от дозы облучения и радиочувствительности клетки на клеточном уровне может происходить временная задержка первого пострадиационного деления, наблюдаемая после облучения в определенном, хотя и достаточно большом, диапазоне доз (для большинства клеток млекопитающих – в пределах 10 Гр), или полное подавление митоза. Эта реакция наступает после воздействия больших доз, когда клетка значительное время продолжает жить, но навсегда утрачивает способность к делению. Вследствие такой необратимой реакции на облучение часто возникают патологические гигантские клетки, иногда имеющие несколько наборов хромосом из-за того, что их редупликация продолжается, а фаза митоза не наступает. Такой вид нарушения митотического процесса называют эндомитозом, он приводит к тому, что в одной и той же неразделившейся клетке содержится несколько наборов хромосом. Напомним, что в таком случае говорят о репродуктивной гибели клеток, или просто о гибели клеток.

При наблюдении за облученными клетками определенного вида было установлено, что их гибель происходит как в процессе первого пострадиационного деления, так и во втором, третьем и четвертом поколениях. Гибель клеток наблюдалась через 70 и затем через 140 часов после облучения исходной клетки соответственно после второго и третьего делений. После облучения дозой 4 Гр примерно в 70% случаев клетки успешно заканчивали первое пострадиационное деление, вероятность деления клеток второго и третьего поколений составляла лишь около 30%, остальные 70% клеток, начав деление, погибали.

Естественно, что повреждения ДНК тесно связаны с мутациями.

Для оценки радиационной опасности НКДАР принял метод удваивающей дозы, т.е. дозы, вызывающей такое же количество мутаций, которое происходит в естественных условиях. Теоретически линейно-беспороговая гипотеза радиационных повреждений наиболее обоснована для цитогенетических нарушений, т.е. появления хромосомных аберраций и точковых мутаций в соматических и половых клетках человека. Расчеты генетического риска с позиции этой гипотезы были проведены Научным комитетом по действию атомной радиации при ООН (НКДАР). Эти расчеты для человека основывались на данных, полученных при облучении мышей в дозах 1–6 Зв после введения ряда поправочных коэффициентов для экстраполяции от мышей на человека (размер генома мыши и человека, различное время созревания половых клеток и периода репродуктивной жизни, разное количество потомства, различная радиочувствительность и др.).

Согласно этим расчетам риск рождения детей с серьезными наследственными дефектами (уродством, умственной недостаточностью, болезнью Дауна и др.) в ближайших двух поколениях, т.е. у детей и внуков облученной достаточно большой популяции людей, был определен как 4–10³ Зв. Это значит, что при облучении большой популяции людей в дозе 0,2–
0,1 Зв можно ожидать на 1000 родившихся младенцев в двух поколениях появления не более 1 генетически неполноценного ребенка. Если принять во внимание, что в норме таких детей рождается 4%, т.е. на 1000 их будет около 40, то станет ясно, что риск от дополнительного облучения в малых дозах практически не выявляем.

Гораздо более радиочувствительный тест на малые дозы облучения – появление хромосомных аберраций в соматических клетках организма (цитогенетические изменения). В растительном мире выведен особый сорт традесканции, у которой очень чувствителен к атомной радиации локус, кодирующий синтез красного пигмента. Если такое растение облучать в малых для него дозах (1–0,5 Зв), то в волосках соцветия появляются красные клетки, свидетельствующие о прошедших мутациях в соматических клетках. Количество таких клеток пропорционально дозе облучения. Чувствительность такова, что позволяет обнаружить отчетливый эффект при дозах 0,2–0,1 Зв. Однако, несмотря на эти мутации, растение растет и развивается нормально; ни о каком повреждающем действии радиации на организм в целом при этих дозах говорить не приходится.

Семена растений более радиоустойчивы. Дозы в 2–5 Зв являются для них малыми. При облучении в дозе 5 Зв воздушно-сухих семян кукурузы наблюдается стимуляция развития, на 15–20% больше наращивается вегетативной массы, увеличиваются количество генеративных органов и урожай в целом на 10–13% по сравнению с контрольными, не облученными растениями. В то же время, если наблюдать молодые проростки цитогенетическими методами, то в тканях корешков, точек роста обнаруживается повышение хромосомных аберраций.

Известно, что многие клетки с хромосомными аберрациями нежизнеспособны, они погибают, элиминируются, замещаются новыми делящимися клетками. Такая же картина наблюдается у животных и человека. При малых дозах облучения (0,1–0,01 Зв) легко обнаружить повышенное содержание хромосомных поломок в лейкоцитах крови, в делящихся клетках тимуса, эпителиальных тканях. Большинство таких клеток элиминируется, гибнет.

Здесь следует отметить, что всегда в норме ткань содержит какое-то количество хромосомных аномалий (от 0,1 до 2%). Для нормального существования ткани, по-видимому, необходимо постоянное отмирание отдельных клеток. Известно, что в ткани тимуса взрослого животного погибает 10–15% клеток. Постоянно гибнут лимфоциты крови. За 2 года их популяция полностью возобновляется за счет поступающих в кровь молодых лейкоцитов. Следовательно, для нормального существования, развития организма необходима гибель отдельных клеток тканей, необходимо и наличие спонтанно возникающих хромосомных аберраций, ведущих к этой гибели. Отсюда естественно допустить, что небольшое их возрастание при облучении в малых, стимулирующих развитие дозах будет отражать (до некоторого предела) не вредное действие радиации, а благоприятное для организма в целом.

Из сказанного следует, что наличие хромосомных аберраций у популяции, облученной малыми дозами, может служить надежным тестом для суждения о дозе, полученной организмом (биологическая дозиметрия), но их нельзя использовать в качестве критерия риска, вреда, нанесенного популяции при этих дозах.