Восстановление после облучения на клеточном уровне

Повреждения, которые могут привести клетку к гибели, при определенных условиях имеют вероятность быть восстановлены системами ферментативной репарации. Такие повреждения часто называют потенциальными. В дальнейшем они либо репарируются, и тогда клетка выживает, либо не реализуются, и тогда она гибнет.

Однако термин «потенциальное повреждение» – чисто формальный, так как не определяет какой-либо конкретный вид или механизм молекулярного повреждения. Он может применяться к любому виду радиационных поражений. Для характеристики репродуктивной гибели клеток используют два понятия – сублетальные и потенциально летальные повреждения, различающиеся по способу их обнаружения. Первые выявляются родом фракционированного облучения, а вторые – по изменению выживаемости клеток под влиянием изменения условий, в которых они находятся в первые часы после облучения. Однако и эти понятия являются также довольно условными. Например, не исключено, что часть двойных разрывов ДНК, образовавшихся при облучении клеток до начала синтетического периода, может быть восстановлена за оставшееся до репликации ДНК время. Но те из них, что клетка не успела «залечить» до момента синтеза ДНК, становятся уже летальными и вызывают ее гибель, проявляясь виде хромосомных нарушений. Очевидно, что эффективность репарации, которая характеризуется в данном случае долей выживших клеток, можно увеличить, если искусственно удлинить период перед синтезом.

Эффективность восстановления (ЭВ) от сублетальных повреждений оценивают фактором восстановления, который характеризует отношение выживаемости клеток при фракционированном облучении к выживаемости при однократном облучении или по разности доз двукратного и однократного облучения, требуемых для достижения одинакового эффекта. Фактор восстановления определяется интенсивностью восстановления и скоростью перехода клеток в более чувствительные фазы цикла, причем эти процессы противоположно влияют на радиочувствительность клеток в момент второго облучения. Повторное облучение может послужить толчком для проявления нерепарированных и «незаконно» репарированных повреждений, помимо того, что оно вызовет новые повреждения. Однако хотя деление повреждений на сублетальные и потенциально летальные достаточно условно, этими понятиями часто пользуются для предсказания степени тяжести поражения различных тканей при повторных облучениях. Замедление процессов репарации или образования нерепарируемых повреждений может быть обнаружено при исследовании параметров кривой выживаемости. Как правило, в тканях взрослого организма значительная часть клеток находится в фазе покоя q, сохраняя способность к размножению. Если часть клеточной популяции погибла, то покоящиеся клетки могут активизироваться и размножаться, заменяя погибшие клетки. Оценить основные радиобиологические параметры покоящихся клеток in vivo довольно трудно.

Степень поражения клеточной популяции зависит от интенсивности процессов восстановления в клетке и от их результата. В случае, когда перед новым облучением клетки успели восстановиться, повреждения, возникшие при повторном облучении, будут менее ощутимы. Кроме того, степень поражения зависит от дозы и времени ее действия. При определенной мощности дозы облучения, которая зависит от многих параметров, в том числе и от вида клетки, может наступить такой момент, когда скорость образования повреждений превысит скорость репарации.

Показано, что число одиночных разрывов, линейно зависит от дозы облучения в очень широком диапазоне: от менее чем 0,2 Гр до 60000 Гр. Другими, словами, как бы ни мала была доза облучения, должно возникать некоторое число одиночных разрывов. Эффективность их образования изменяется в зависимости от многих биохимических факторов, но средняя энергия на 1 разрыв для излучения с низкой ЛПЭ составляет 1,6–3,2×10¹⁸ Дж. Поэтому особенно опасно внутреннее облучение, так как в этом случае происходит полное поглощение, т.е. если в организм попал стронций-96, то при испускании бета-частицы с энергией 0,9–10¹³ Дж может возникнуть порядка 28300–56600 одиночных разрывов ДНК. Дальнейшая судьба этих разрывов будет зависеть от многих факторов, в том числе от состояния клетки и ее способности к восстановлению.

К сожалению, применение теории мишени к кривым выживаемости клеток млекопитающих ограничено вследствие статистических погрешностей, связанных с определением точек кривой, особенно при облучении низкими дозами. Эти погрешности в основном обусловлены случайными процессами гибели клеток, которые в свою очередь определяются микродозиметрическими особенностями в распределении энергии в таких малых объемах, как ядро клетки.

Виды гибели клеток и её причины. Облучение клеток млекопитающих очень высокими дозами (несколько десятков грей) может вызвать мгновенное прекращение всех обменных процессов (метаболизма) и даже разрушение клетки. В этом случае говорят о немитотической или интерфазной гибели. При облучении гораздо более низкими дозами происходит подавление способности клеток делиться. Этот вид клеточной гибели, которую можно определить как потерю клеточной способности к неограниченному размножению, называют репродуктивной гибелью. Клетки, способные к ограниченному делению после облучения, дающие стерильное потомство, также считаются погибшими, несмотря на то, что с морфологической, физиологической и биохимической точек зрения они кажутся нормальными. Термин «репродуктивная гибель» применяют к клеткам делящимся, но постепенно деградирующим после облучения умеренными дозами, а также к клеткам, полностью утратившим репродуктивную способность. В отличие от немитотической гибели репродуктивную гибельиногда называют митотической. Как видно из определения, термин «репродуктивная гибель» не относится к клеткам, которые вообще не делятся или делятся крайне редко. Утратившая способность делиться в результате облучения клетка не всегда имеет признаки каких-либо повреждений, она может жить еще долго и после облучения. Есть различные предположения, что большинство острых и отдаленных эффектов облучения – результат послерадиационной митотической гибели клеток, которая проявляется при попытке таких «погибших» клеток к делению.

Каковы же причины гибели клеток? Считается, что основной причиной гибели клеток (репродуктивной) являются структурные повреждения ДНК, возникающие под влиянием облучения, в частности, вследствие образования двойных и одиночных разрывов в цепи ДНК. Внешне структурные повреждения ДНК легко обнаруживаются, например, методами цитологии, в виде так называемых хромосомных перестроек, или аберраций хромосом. Между числом выживающих после облучения клеток и числом клеток без хромосомных перестроек существует тесная связь, причем расхождение между числом погибших клеток и клеток с хромосомными аберрациями составляет порядка 20–30%. Однако при определенной дозе облучения доля клеток без хромосомных аберраций меньше доли выживших клеток, способных к размножению. Опыты доказывают, что главной причиной репродуктивной гибели клеток при облучении является повреждение наследственного аппарата. При этом снижается функциональная активность потомков облученных клеток, что может являться одной из причин отдаленных последствий облучения.

Графическое представление зависимости доли выживших клеток от дозы облучения называется кривой выживаемости. Для изображения кривых выживаемости используют либо линейную зависимость, либо полулогарифмическую. Различные варианты кривых представлены на
рис. 26, 27, 28, 29.

Рис. 26. Линейная зависимость числа погибших вирусов (N_п) от дозы облучения (а)
и полулогарифмическая зависимость числа выживших вирусов (N_в)
от дозы облучения (б).

Рис. 27. Кривые выживаемости при действии плотноионизирующего излучения
(нейтроны, альфа-частицы).

 

N – число выживших клеток; N₀ – исходное число клеток; D – примененная доза облучения; D₀ – доза, при которой доля выживших клеток уменьшается в е-раз. Величина D₀ служит мерой радиочувствительности клеток и определяется по кривой выживаемости клеток при действии плотноионизирующего излучения как доза, при которой выживает 37% от исходного количества клеток.

Плечо отражает способность клетки к репарации D = 3–5 Гр. Dq – мера способности клеток к репарации. D₀ – отражает наклон линейного участка кривой, определяется как приращение дозы снижающий выживаемость клеток в е-раз на прямом участке кривой. Наклон линейного участка кривой характеризуется экстраполяцией кривой, которая определяется как пересечение прямолинейного участка кривой с осью У.

(D₀ отражает радиочувствительность клеток, n – способность клеток к восстановлению).

Рис. 28. Кривые выживаемости при редкоионизирующем излучении.

 

Рис. 29. Кривые выживаемости в области малых доз излучения.

 

Объяснение эффекта связано с недостаточной активной системы репарации, для полной активности которой необходим больший уровень повреждения.

Радиочувствительность

Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако дозы излучения, приводящие различные объекты к гибели, отличаются в очень широких пределах, даже на несколько порядков (см. табл. 12). Иными словами, каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиации, своя радиочувствительность.

Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида – индивидуальная радиочувствительность, а для определенного индивидуума зависит также от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности, и наряду с чувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются устойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными. Впрочем, деление тканей на радиочувствительные и радиорезистентные весьма условно, так как зависит от избранного критерия. Далее будет показано, что ткани, относящиеся к радиорезистентным по непосредственным лучевым реакциям, оказываются весьма радиочувствительными по отдаленным последствиям.

Таблица 12