Радиобиология с основами радиоэкологии

аналогии между естественным и «радиационным» старением, видимо, нет, хотя процесс накопления соматических мутаций имеет место в обоих случаях.

Контрольные вопросы к главе 11

1.Основные закономерности поражения организма животных при тотальном облучении.

2.Малые, сублетальные, летальные и полулетальные дозы.

3.Периоды развития острой лучевой болезни.

4.Изменения в критических органах при лучевом поражении.

5.Особенности реакции организма на хроническое и локальное облучение.

6.Основные нарушения липидного, белкового, минерального и углеводного обмена при лучевом воздействии.

7.Изменения, происходящие при лучевом поражении организма в нервной и эндокринной системах.

8.Радиационное нарушение иммунитета и значение инфекционных осложнений в результате облучения организма.

9.Основные отдаленные последствия облучения и предполагаемый механизм формирования отдаленных последствий.

332Радиобиология с основами радиоэкологии

12.СОЧЕТАННОЕ (КОМБИНИРОВАННОЕ) ДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ИДРУГИХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Типы взаимодействия повреждающих факторов, терминология. Количественная оценка эффектов при комбинированных воздействиях. Общие закономерности синергических эффектов. Механизмы синергического усиления. Биологические эффекты при сочетанном действии факторов. Комбинированные воздействия ионизирующих излучений и химических веществ. Ионизирующие излучения и действие ядов разной природы. Комбинированное радиационно-термическое поражение. Ионизирующие излучения и физические нагрузки. Факторы окружающей среды и рак. Курение и плотноионизирующие излучения. Комбинированное действие физических факторов окружающей среды. Экологические и гигиенические проблемы комбинированных воздействий.

Вся биота на Земле, в том числе и человек, подвергается постоянному воздействию различных загрязнителей физической и химической природы, а также биологических и социальных факторов, вредное воздействие которых может усиливаться при их одновременном или последовательном применении. Радиационные воздействия остаются серьезной проблемой в связи с внедрением в промышленность, сельское хозяйство, медицину, науку ионизирующих излучений, радиоизотопных методов, рентгеновских исследований, с развитием атомной энергетики, испытаниями ядерного оружия и авариями на предприятиях ядерной энергетики. Все это приводит к локальным повышениям уровня радиации и глобальному увеличению фона ионизирующих излучений. Наблюдаемое повышение радиационного фона, порой в десятки раз превышающее естественный уровень, наряду с техногенным загрязнением источников пресной воды и в целом окружающей среды химическими поллютантами, а также различными промышленными отходами, приводит к возрастанию радиационно-химической нагрузки на население крупных промышленных регионов.

На рубеже 1950–1960-х гг. было установлено, что высотные ядерные взрывы становятся источником электромагнитного импульса, повреждающего системы связи, линии электропередач, электрические и электронные системы, что может сопровождаться дополнительным неионизирующим, но также отрицательно влияющим на биоту излучением.

Среди других физических нагрузок следует упомянуть ультрафиолетовое излучение, фон которого в последние годы постоянно возрастает в связи с разрушением озонового слоя атмосферы. В 1974 г. обратили внимание на возможность разрушения озонового слоя окислами азота, образующимися при ядерных взрывах.

Использование разнообразных химических веществ в виде лекарственных препаратов, пищевых добавок, пестицидов, промышленных соединений приводит к насыщению среды обитания человека и животных различными агентами, оказывающими на них вредное воздействие. Из биологических факторов, имеющих влияние на радиационный эффект, следует упомянуть возраст, пол, стрессовое состояние, социальная и экономическая нестабильность и многое другое.

Все перечисленные факторы могут встречаться в комбинации или действовать на биосферу одновременно и тем самым изменять летальное, мутагенное или канцерогенное действие ионизирующих излучений. Поэтому изучение сочетанного воздействия факторов окружающей среды на организм человека, животных и всю биоту в настоящее время является одной из самых актуальных проблем радиобиологии и радиоэкологии.

Важна данная проблема и с практической точки зрения. Например, сочетание облучения с воздействием лекарственных химических препаратов или локальным нагреванием позволяет повысить эффективность лечения злокачественных опухолей с помощью ионизирующего излучения. Использование ионизирующего излучения в комбинации с другими химическими или физическими агентами, например, с теплом, применяется для радиационной стерилизации пищевых продуктов, медицинских препаратов и оборудования, сточных вод животноводческих комплексов. С теоретической точки зрения изучение закономерностей проявления биологических эффектов при комбинированных воздействиях поможет понимать механизмы усиления или ослабления радиационных эффектов.

12.1. Типы взаимодействия повреждающих факторов, терминология

Классическим примером при изучении реакции живых организмов на воздействие повреждающих факторов окружающей среды является построение и анализ зависимости доза– эффект. При этом используют такой показатель, как выжива­ емость, определяемый как проявление способности клеток к неограниченному размножению. В радиобиологии обычно имеют дело с двумя типами (формами) кривых выживаемости (рис. 12.1): экспоненциальным (кривая 1) и сигмоидным (кривая 2). Выживаемость многих типов клеток и других биологических

Рис. 12.1. Пример зависимости выживаемости от дозы для клеток.

По оси абсцисс – доза облучения, Гр; по оси ординат – вероятность выживаемости клеток. D0 – средняя инактивирующая доза; Dq – квазипороговая доза, определяющая размер плеча сигмоидной кривой выживаемости; n – экстраполяционное число, формально определяющее число радиочувствительных мишеней в клетке (В.Г. Петин, Б.И. Сынзыныс, 1998).

объектов убывает с ростом дозы облучения в области малых доз медленнее, чем в области больших доз. Именно такие кривые с «плечом» и называются сигмоидными.

При комбинированных воздействиях радиочувствительность клеток может модифицироваться и, соответственно, будут меняться рассмотренные параметры кривых выживаемости. Для описания характера комбинации агентов и их взаимодействия применяется несколько терминов. Помимо термина комбинированные воздействия часто применяют термин соче­ танные воздействия, иногда подразумевая под этим последовательное, а иногда одновременное применение агентов. Здесь термины комбинированное и сочетанное воздействие будут использоваться как синонимы.

При сочетанном одновременном или последовательном действии ионизирующего излучения и другого агента физической или химической природы на биологические объекты (клетки, ткани, организмы и биоценозы) возможны три типа взаимо­ действия повреждений, индуцируемых ионизирующим излучением и агентом, используемым с ним в комбинации.

При независимом (или аддитивном) действии агентов вероятность результирующего эффекта определяется суммированием (сложением) эффектов, индуцированных каждым агентом в отдельности. Например, если агент, используемый в комбинации с ионизирующим излучением, сам по себе оказывает некоторое биологическое действие, но не изменяет эффекта, индуцированного ионизирующей радиацией, то результат сочетанного воздействия равен независимому сложению эффектов от ионизирующего излучения и второго агента. Этот тип взаимодействия повреждающих агентов можно классифицировать как аддитивный, а саму реакцию биообъекта называют аддитивной. Некоторые авторы различают между собой аддитивное и независимое сложение эффектов при комбинированных воздействиях. Аддитивное действие агентов не привносит ничего но-

вого в понимание биологического действия ионизирующего излучения и других агентов, и в дальнейшем будет анализироваться в сравнении с другими эффектами сочетанного воздействия.

Если агент, используемый для модификации радиационного эффекта, снижает эффективность биологического действия ионизирующего излучения, хотя сам по себе может вызывать биологическую реакцию, иногда негативную, то говорят об ан­ тагонизме, или ингибировании применяемых агентов, а данная разновидность ответной реакции биообъекта классифицируется как антагонистическая. В этом случае повреждающее действие двух используемых агентов меньше сумм данных двух значений, а применяемый агент может использоваться для снижения радиационной нагрузки. Антагонистический тип биологической реакции представляет интерес для радиобиологов, радиоэкологов, радиотерапевтов и радиологов в связи с проблемой снижения эффективности действия агентов и, в частности, в связи с защитным (радиопротекторным) действием химических или физических агентов.

Если агент, используемый для модификации радиационного эффекта, усиливает действие ионизирующего излучения, например, выживаемость после сочетанного или комбинированного действия оказывается ниже ожидаемой для случая их независимого действия, то проявляется синергизм. Результирующий эффект обусловлен потенцированием, или синергическим

взаимодействием повреждений, образованных применяемыми агентами. Проблема синергизма в настоящее время весьма актуальна, так как в окружающей среде вредное действие повышенного уровня ионизирующего излучения может быть усилено одновременно присутствующими вредными химическими веществами, например, пестицидами или тяжелыми металлами, различными физическими агентами, включая антропогенный фон неионизирующих электромагнитных излучений, вибрацию, шум, гипертермию и другие факторы. В данном случае можно полагать, что второй агент потенцирует (усиливает) действие ионизирующего излучения. В этом случае происходит взаимодействие повреждений и молекулярных процессов в клетке, что приводит к более выраженному биологическому эффекту по сравнению с эффектом, ожидаемым при их независимом действии.

В радиобиологии и радиоэкологии этот тип реакции усиления действия радиации в сочетании с другим агентом подразделяется на два класса в зависимости от свойств второго агента. Так, если второй агент сам вызывает фиксируемый биологический эффект, то мы имеем дело с синергизмом. Здесь вторым агентом могут быть цитотоксические вещества, химические канцерогены или мутагены, повышенная температура окружа-

ющей среды, ультрафиолетовый свет, радиоволны различного диапазона, акустические колебания, вибрация, невесомость и некоторые другие. Если второй агент сам по себе не способен вызывать наблюдаемый эффект, но усиливает действие ионизирующего излучения, то такая биологическая реакция называется сенсибилизацией, а модифицирующий агент – сенсибили­ затором, в данной ситуации – радиосенсибилизатором. Классическим примером сенсибилизатора в радиобиологии является кислород. Проблема сенсибилизации актуальна при разработке схем лучевой терапии опухолей. Так как сам сенсибилизатор не оказывает повреждающего действия, а лишь усиливает действие облучения, он не будет оказывать вредного воздействия на необлученные нормальные ткани организма.

Явления сенсибилизации и синергизма по своим проявлениям близки. Во-первых, оба они существенно усиливают конечный радиобиологический эффект. Во-вторых, в обоих случаях после комбинированного воздействия может снижаться способность клеток к восстановлению от повреждений, индуцированных ионизирующим излучением. В-третьих, их эффективность снижается с увеличением качества излучения. Например, при действии нейтронов или других плотноионизирующих излучений эффект и сенсибилизации, и синергизма снижен по сравнению с таковыми при использовании редкоионизирующих излучений. Кроме того, сенсибилизатор при повышении его концентрации сам начинает значимо повреждать клетки, ткани, организмы, в то же время продолжая синергически усиливать эффект ионизирующей радиации при их комбинированном применении.

12.2. Количественная оценка эффектов комбинированных воздействий

Для количественной оценки величины модификации репродуктивной гибели в радиобиологии используют фактор изменения дозы (ФИД). Данный показатель часто используют и при комбинированных воздействиях. В этом случае ФИД показывает, во сколько раз повысилась радиочувствительность объекта в условиях комбинированного воздействия, но не отражает характер взаимодействия. Для таких целей лучше использовать отношение изоэффективных доз для ожидаемой кривой доза–эффект в случае независимого сложения эффектов и для кривой, наблюдаемой в эксперименте после комбинированного действия агентов. Подобное отношение было названо коэффициентом синергического усиления, или просто коэффициентом синергизма. На рис. 12.2 в качестве примера приведена рассчитанная на основе описываемых ниже экспериментальных данных зависимость коэффициента ФИД от температуры при од-

Рис. 12.2. Зависимость традиционно определяемого значения фактора изменения дозы ФИД (1) и коэффициента синергического усиления радиационного эффекта гипертермии (2) от температуры, при которой происходило облучение (В.Г. Петин, Б.И. Сынзы-

ныс, 1998).

новременном действии γ-излучения 60Со и гипертермии на диплоидные дрожжевые клетки дикого типа (кривая 1). При 55 °С значение ФИД равно 8, хотя инактивация клеток в этом случае происходит в основном в результате действия самой температуры и никакого синергического взаимодействия не проявляется. У коэффициента синергизма есть замечательное свойство, выгодно отличающее его от традиционного ФИД: он позволяет оценить диапазон значений модифицирующего агента (гипертермии), в пределах которого и происходит синергическое усиление эффекта. Синергическое взаимодействие не происходит, если диапазон значений модифицирующего агента выше или ниже этих величин. Введенный коэффициент синергизма четко указывает на оптимальное соотношение воздействующих агентов, при котором происходит их максимальное синергическое взаимодействие.

Основным условием количественной оценки комбинированного действия различных факторов является знание зависимости доза–эффект для каждого действующего фактора в отдельности. Наиболее простой является линейная зависимость доза– эффект, которая выражается как

Е = Е0 + кД,

где Е – любой наблюдаемый эффект; Е0 – эффект при отсутствии действующего фактора; к – коэффициент пропорциональности, определяется чувствительностью системы к изучаемому фактору; Д – доза облучения.

Наблюдаемый эффект определяется следующим образом:

∆Е = Е – Е0 = кД.

При действии двух факторов

Е1 = Е0 + к1Д1; Е2 = Е0 + к2Д2.

случае в координатной сетке это уже не прямая линия. Изоболические диаграммы тогда изображаются в виде конверта аддитивности (рис. 12.4).

12.3. Общие закономерности синергических эффектов. Механизмы синергического усиления

Следует отметить, что синергизм максимален при одновременном действии обоих действующих факторов. Последовательное действие каждого фактора и разнесение во времени их действия, как правило, приводят к снижению эффекта синергизма. В отдельных случаях при раздельном использовании повреждающих агентов проявляется адаптивный ответ, в результате которого предварительно нанесенная доза снижает эффективность последующего воздействия повреждающей дозы. Установлено, что синергизм обнаруживается не при любых соотношениях воздействующих агентов. Так, для одновременного терморадиационного воздействия синергизм регистрируется лишь в определенном температурном диапазоне. Внутри температурного диапазона, синергически усиливающего действие ионизирующего излучения, существует некая оптимальная температура, при которой синергизм максимален. Например, при изучении влияния гербицида 2,4-Д на радиочувствительность хромосом облученных лимфоцитов человека установлено, что синергический эффект был максимален при его концентрации 4 мг/мл. Но дальнейшее увеличение концентрации приводило к снижению синергического взаимодействия облучения и химического агента.

Эффект взаимодействия факторов зависит от величины и мощности дозы (концентрации) действующих агентов. Установлено, что при относительно малых уровнях воздействия возрастает вероятность проявления синергических эффектов и вид кривых доза–эффект приобретает нелинейный характер.

Эффект взаимодействия зависит также от последовательности воздействия факторов. При изучении комбинированного действия хлорида кадмия и γ-облучения на процессы повреждения и репарации ДНК в лимфоидных клетках мышей выявлено, что эффект зависит от времени между инъекцией и последующим облучением. В лимфоцитах периферической крови повышается уровень поврежденности ДНК через 2 ч после инъекции по сравнению с облучением без предварительной обработки кадмием. Максимальный защитный эффект наблюдается при промежутке между воздействиями 48 ч, а при дальнейшем увеличении времени между обработками до 72 ч защитный эффект, который связан с ускорением репарации ДНК в лимфоцитах периферической крови мышей вследствие индукции кадмием образования металлотионеинов, не проявляется.

340Радиобиология с основами радиоэкологии

Внастоящее время существуют два главных механизма, объясняющих синергическое взаимодействие. Первая точка зрения сводится к тому, что механизм синергического усиления при комбинированном воздействии обусловлен пониженной способностью клеток восстанавливаться от повреждений, формируемых при этих условиях. Об этом свидетельствуют многочисленные данные, показывающие, что для радиочувствительных мутантов, дефектных по системам репарации, эффекты синергизма значительно снижены или совсем отсутствуют. Данные эффекты могут быть объяснены отсутствием восстановления в таких клетках, поэтому субповреждения носят летальный характер.

Аналогично объясняется отсутствие синергического усиления радиационного эффекта или его существенное снижение при сочетанном воздействии гипертермии с плотноионизирующими излучениями, когда последние вызывают больше нерепарируемых повреждений и соответственно субповреждений, взаимодействие которых могло привести к синергизму. Рассматривая концепции синергизма в радиобиологии, В.Г. Петин и др. (2012) подчеркивают, что во многих работах отмечена связь абсолютной величины синергического эффекта со способностью клеток к пострадиационному восстановлению. Для штаммов дрожжей различного происхождения синергизм был больше для диплоидных клеток дикого типа, способных к диплоидспецифическому восстановлению, снижался для гаплоидных штаммов, способность которых к восстановлению понижена, и практически отсутствовал для мутантов, дефектных по системе репарации. Подобная корреляция величины синергизма со способностью клеток к пострадиационному восстановлению отмечена и для клеток других видов живых организмов – млекопитающих в культуре, бактерий.

Вторая точка зрения утверждает, что синергизм комбинированного действия двух агентов обусловлен образованием дополнительных летальных или генетических повреждений за счет взаимодействия некоторых субповреждений, сформированных каждым агентом, неэффективных при раздельном действии каждого агента. Такое представление используется при математическом моделировании или количественном описании синергических эффектов. Не исключено, что оба представления о механизме синергического усиления радиационного эффекта не являются взаимоисключающими и не противоречат друг другу.

На основании рассмотренных данных можно перечислить следующие закономерности реакции биологических систем на совместное действие факторов:

1. Эффект взаимодействия факторов различной природы зависит от величины и мощности дозы (концентрации) действующих агентов. При этом синергизм наиболее выражен при использовании низких доз действующих факторов;