Клеточный уровень воздействия

Изменения химической структуры атомов и молекул под влиянием облучения ведут к развитию в клетках биохимических реакций, не свойственных им в нормальном состоянии. Развивающиеся биохимические изменения весьма разнообразны, и значение их для жизни клетки неодинаково. Нарушаются окислительные процессы, белковый, жировой, углеводный обмены, инактивируются ферменты.

Клеточный уровень воздействия включает в себя все нарушения и процессы, обусловленные изменениями функциональных свойств облученных клеточных структур. Количество клеток с радиационными повреждениями в облученной популяции находится в прямой зависимости от дозы облучения, блокирования процессов физиологической регенерации, жизнестойкости организма. Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур, угнетению кроветворения, подавлению сперматогенеза, т.е. влияют на весь механизм жизнедеятельности организма многоклеточных и высших животных.

Рентгеновские и гамма-лучи взаимодействуют с биологической тканью в основном по механизму Комптона, образуя высокоэнергетичные электроны отдачи, которые пересекают клетку и вызывают ионизацию по своему треку, выбивая орбитальные электроны из критически важных молекул в клетке (прямое действие) или из молекул воды, расположенных на расстояниях в 34-5 нм от критической молекулы (косвенное действие). Прямые и косвенные эффекты генерируют высокореакционноспособные кислород и азот-содержащие продукты (свободные радикалы), которые диффундируют, вызывая новые биологические повреждения.

Хорошо известно, что с ростом поглощенной дозы рентгеновского или гамма-излучения, выживаемость клеток млекопитающих падает, причём тем круче, чем больше линейная передача энергии, ЛПЭ, излучения (рис. 4).

Зависимости доли выживших клеток млекопитающих от дозы излучений, обладающих различной ионизирующей способностью

Рис. 4. Зависимости доли выживших клеток млекопитающих от дозы излучений, обладающих различной ионизирующей способностью: 1 - высокое ЛПЭ ( а-частицы), 2 - промежуточное ЛПЭ (15 МэВ нейтроны) и 3 - низкое ЛПЭ (250 кэВ рентгеновское излучение).

Повреждения внутриклеточных структур изменяет метаболические процессы в клетках, следствием чего является появление новых нарушений уже после окончания воздействия радиации. Например, нарушения строения нуклеотидов и их последовательностей в ДНК и РНК ведут к дефициту' необходимых для нормальной жизнедеятельности продуктов матричного синтеза, а также к наработке несвойственных клетке, чужих для неё продуктов. Нарушение структуры ферментов приводит к замедлению ферментативных реакций, накоплению аномальных метаболитов, часть которых имеют свойства радиотоксинов. В результате возникают серьёзные нарушения жизнедеятельности, и даже табель клетки. Однако возникшие повреждения могут быть "залечены" с восстановлением нормальной жизнедеятельности клетки. Чем выше доза облучения, тем больше возникает первичных повреждений и тем меньше возможность их полного восстановления. Повреждение и гибель клеток лежат в основе развития поражения тканей, органов и всего организма при радиационных воздействиях.

В результате прямого и косвенного воздействия излучений не только изменяются сами биомолекулы, но меняется скорость реакций, протекающих с участием ферментов.

Некоторые радиационно-биохимические изменения появляются уже после воздействия малых доз, другие — лишь в результате воздействия средних или высоких доз излучений. При воздействии радиации прежде всего повреждаются нуклеиновые кислоты. Углеводный обмен веществ устойчив к облучению: его изменения после облучения становятся заметными лишь при дозах 504-200 Гр. Нарушение клеточного дыхания наблюдается в результате воздействия ещё больших доз.

Среди молекулярных повреждений особое место занимает радиационное поражение ДНК — основной мишени при действии радиации на клетки. Если повреждения молекул других типов могут быть скомпенсированы за счёт оставшихся неповрежденными молекул белков, полисахаридов и т.п., то в случае ДНК такой путь исключен. Однако в случае ДНК в неделящихся клетках, повреждение каких-то участков её цепи может и не сказаться на жизнедеятельности этих клеток. Для делящихся клеток повреждения ДНК существенны. Если в результате облучения возникли повреждения ДНК, то нормальная репликация осуществиться не может. Эта форма гибели клеток называется репродуктивной гибелью.

Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения, достаточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр в каждой клетке человека возникает юоо одиночных и 1004-200 двойных разрывов. Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало системы, способной ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих восстановление начальных повреждений ДНК, обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома, восстановления от постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия радиационного фона, присутствия в среде мутагенов, нарушений, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток.

Еще одним результатом лучевого повреждения ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала - мутаций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток (клетки тела) или дефекты развития у потомства. Вызванная облучением дестабилизация ДНК, процесс репарации её повреждений могут способствовать внедрению в геном клетки или активации онковирусов, ранее существовавших в геноме в репрессивном состоянии.

Другая мишень действия радиации на клетки — внутриклеточные мембраны. Активация под влиянием облучения реакций свободнорадикального перекисного окисления липидов приводит к деструктивным изменениям мембран, к нарушениям активного транспорта веществ через мембраны, снижению ионных градиентов в клетке, к выходу' ферментов из мест их локализации, поступлению их в ядро и, как следствие этого, к дезорганизации ядерных структур и гибели клетки. По этому типу могут погибать как иеделящиеся, так и делящиеся клетки.

На клеточном уровне под влиянием облучения выявляются замедление клеточного деления, образование хромосомных аберраций, возникновение микроядер. Гибель клетки может происходить по апоптотическо- му и некротическому путям. Большая часть клеток погибает до вступления клеток в митоз. Апоптотическая гибель клеток характерна для лимфоцитов, причём при небольших дозах облучения. Угнетение клеточного деления относится к функциональным клеточным нарушениям и носит обратимый характер. При воздействии больших доз клеточное деление полностью прекращается, что приводит к бесплодию человека.

Важным для радиационных онкологов является «коммунальный эффект», или «эффект свидетеля». Эффект, обнаруженный не только в культуре клеток, но и в тканях, состоит в поражении клеток, наступающем после облучения других клеток, находящихся в составе одной ткани.

Наиболее известная реакция клеток на облучение — задержка клеточного деления: при увеличении дозы увеличивается продолжительность задержки деления каждой облученной клетки. На отдельных стадиях клеточного цикла наблюдается разное время задержки деления.

Рассмотрим теперь особенности воздействия ионного облучения на нормальные и опухолевые клетки. Такой анализ интересен для развития лучевой медицины, в которой появилось новое направление - ионная терапия, основанная на облучении больных тканей тяжёлыми частицами — ионами (гелия, углерода и др.) и протонами.

При прохождении через ткани, расположенные до опухоли, потери энергии корпускулярной частицей на ионизацию невелики. Поэтому появляется возможность значительно повысить эффективность (по сравнению с фотонным излучением) облучения глубоко расположенных опухолей, а также значительно усилить повреждающий эффект их облучения (биологическая эффективность у ионов углерода в конце пробега выше в 3+5 раз, чем у у-квантов). Поэтому ионная терапия даёт высокий показатель изле- чиваемости пациентов. Кроме того, ионная терапия позволяет резко уменьшить количество сеансов облучения. Опухоли, для лечения которых требуется 30 сеансов у-излучения, с помощью углеродной терапии могут излечиваться всего за несколько облучений.

Воздействие ионизирующего излучения на биологическую систему зависит не только от выделенной в макроскопическом объёме энергии — дозы, но и в значительной степени от микроскопического характера энерговыделения или от плотности потерь энергии. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) определяет степень усиления биологических эффектов, произведенных частицами с большими линейными потерями энергии (ЛПЭ), по сравнению со слабоионизирующими излучениями, при одной и той же дозе облучения. ОБЭ зависит от типа частиц и их энергии, от пробега в тканях, от уже поглощенной дозы, от типа опутсоли, от способности клеток к «ремонту'» (в том числе от фазы клеточного цикла) и от содержания кислорода в опухоли (OER).

Вероятность уничтожения опухолевых клеток зависит от способности организма «залечивать» нанесенные повреждения. Несколько удалённых нарушений в структуре ДНК могут быть «залечены». Однако при локальных многократных нарушениях в одной структуре ДНК вероятность правильного восстановления резко уменьшается, и клетка погибает.

Различают три основных вида разрывов молекул ДНК, возникающих при ионизирующем облучении: одиночные, двунитевые и кластерные разрывы. Одиночные разрывы не приводят к поломкам молекулы ДНК, так как разорванная нить прочно удерживается на месте водородными, гидрофобными и другими видами взаимодействий с противоположной нитью ДНК и, кроме того, структура довольно хорошо восстанавливается мощной системой репарации.

При дозах до 20 Гр двойные разрывы являются следствием одновременного повреждения обеих нитей ДНК. С увеличением дозы облучения возрастает вероятность перехода одиночных разрывов в двойные, так как увеличивается возможность того, что независимые разрывы в противоположных цепях возникают друг против друга. При действии излучений с небольшой плотностью ионизации (у- и рентгеновское излучение) 204-юо одиночных разрывов вызывают один двойной.

Плотно ионизирующие излучения приводят к большому числу двойных разрывов. Уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает юоо одиночных и 104-Ю0 двойных разрывов. Кластерными разрывами называются сочетания разрывов нитей и оснований в пределах 14-2 витков ДНК. Такие разрывы наблюдаются при облучении живых тканей частицами тяжелее гелия.

Эффективность летального действия излучений на клетки различных тканей организма (радиочувствительность клеток) обусловливается двумя факторами различной природы: физическим факгором — величиной поглощённой энергии в генетических структурах и факгором биологической природы - эффективностью работы систем восстановления повреждённых генетических структур. Молекулярными повреждениями, лежащими в основе клеточной гибели, являются двунитевые разрывы (ДР) ДНК, в то время как однонитевые разрывы эффективно восстанавливаются клетками различного происхождения. Для протонов соотношение выхода ДР ДНК и однонитевых разрывов составляет от i:io и более. Ионизирующие излучения с разной величиной ЛПЭ вызывает не только различное количество ДР ДНК, но и изменяет качество таких повреждений, характеризуемое по особенностям возникающих концевых групп ДР ДНК (а, значит, и способности репарационных систем к восстановлению), различно. Клетке, облученной радиацией с высоким ЛПЭ, необходимо производить длительную обработку мест разрывов с участием многих репарационных ферментов.

С ростом ЛПЭ частиц количество индуцируемых ДР ДНК возрастает и достигает максимума при ЛПЭ, равных - 200 кэВ/мкм. При этом, в области ЛПЭ частиц, равных ~ 1504-200 кэВ/мкм, образуются «кластерные» ДР ДНК, включающие в себя множественные разрывы ковалентных связей во фрагменте ДНК при прохождении тяжёлой заряженной частицы. Репарация таких ДР крайне затруднительна. Именно этими обстоятельствами обусловлена высокая биологическая эффективность тяжёлых заряженных частиц с указанными величинами ЛПЭ.

При лучевой терапии, сопровождающейся разрывами ДНК, происходит прямое и/или косвенное воздействие элементарных частиц или ионов на ДНК раковых клеток (рис. 4, п.1).

Механизм репарации живых клеток включает в себя несколько этапов: l) идентификация повреждения и определение его типа; 2) активация ферментов, которые или напрямую преобразуют повреждение до исходного состояния, или (если прямое восстановление невозможно) вырезают поврежденный участок, формируя брешь. В последнем случае прибавляются еще 2 этапа: 3) синтез нового участка молекулы ДНК (взамен поврежденного) и 4) его встраивание в брешь.

Репарация однонитевых разрывов ДНК вызывается в ответ на действие ионизирующей радиации. Она обеспечивается последовательным действием ферментов. Восстановление такого разрыва идёт с использованием в качестве матрицы неповрежденной комплементарной цепочки ДНК. Двунитиевые разрывы молекулы ДНК являются самым опасным для клетки типом повреждений ДНК. Они, как правило, приводят к развитию генетической нестабильности, появлению мутаций и хромосомных аберраций и последующей гибели клеток.

Успехи радиационной терапии, использующей излучения с малыми ЛПЭ, в онкологии связаны со способностью нормальных тканей к восстановлению ДНК после облучения, при одновременной плохой восстанавливаемости раковых клеток. Это - «терапевтические» излучения. Излучения с высоким ЛПЭ (например, высокоэнергетичные ионы углерода) необратимо разрушают двойные спирали ДНК как в раковых, так и в здоровых клетках - «хирургические» излучения. Поэтому медицинское применение радиации с высоким ЛПЭ возможно только при точном наведении излучения на цель.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >