Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

Особенности действия ионизирующего излучения таковы, что даже при смертельном облучении в дозе 4 Гр телу человека передается весьма небольшая энергия, при переводе в тепло которой возможно лишь нагревание 15 мл воды на 5⁰С. Феномен несоответствия между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакции биообъекта на облучение был назван Н.В.Тимофеевым-Рессовским “основным радиобиологическим парадоксом”. Объяснение этого явления лежит в превращениях, протекающих в химическую стадию действия радиации. По ее завершению изменения обнаруживаются во всех компартментах и структурах клетки. В липидной фазе накапливаются продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, обладающие радиомиметическими свойствами. В водной фазе обнаруживаются хиноны и семихиноны, которые, как и гидроперекиси липидов, относятся к первичным радиотоксинам.

Изменению подвергаются различные биомолекулы: нуклеиновые кислоты, белки, низкомолекулярные соединения. Повреждаемость молекул излучением количественно характеризуется относительным числом измененных молекул при некоторой дозе облучения. Обычно такие оценки даются для дозы 10 Гр.

После облучения в дозе 10 Гр в клетке оказывается поврежденной сравнительно небольшая доля молекул малого размера. Из числа молекул, находящихся в мономерном состоянии, эта доля составляет для угеводов 0,015%, для нуклеотидов 0,023%, для аминокислот - 0,36%. Повреждаемость этих же компонентов в составе макромолекул на 1-2 порядка ниже, а в составе надмолекулярных структур - еще на 1-2 порядка ниже. Т.е. при дозе 10 Гр, абсолютно смертельной для большинства млекопитающих, повреждается лишь незначительная часть низкомолекулярных компонентов живой клетки. Однако эта доля пропорциональна размеру молекулы и, следовательно, молекулярной массе вещества. Поэтому в полимерах с большой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. Для растворенных в воде белков при той же дозе это число составляет 1% от всех молекул, а для ДНК с молекулярной массой 6х10⁶ - 220 на 1 молекулу.

Таким образом, абсолютно пораженными оказываются лишь уникальные структуры клетки - молекулы ДНК. Именно с высокой повреждаемостью ДНК и с ее уникальным характером в качестве генетической матрицы связана ведущая роль повреждений ДНК во всех патологических реакциях клетки на облучение.

Повреждения ДНК сводится к одиночным и двойным разрывам цепочек спирали: происходит химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структуры этого биополимера.

Реакции клеток на облучение

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами. Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур. Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма.

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование “биологического усиления” первичного радиационного повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений и сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Основные формы реакций клеток на облучение можно представить в виде таблицы:

Реакции клеток на облучение

Нелетальные	Летальные
Радиационный блок митозов	Репродуктивная форма клеточной гибели	Интерфазная форма клеточной гибели
Нарушения функциональной активности клеток		Гибель по типу некроза (нейроциты)	Гибель по типу апоптоза (лимфоциты)
Наследуемые повреждения генетического материала (нелетальные мутации)

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность (“радиационный блок митозов”). Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток). Может наблюдаться задержка перехода из фазы G₁ в S и из фазы G₂ в M.

Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения.

К функциональным нарушениям в клетках могут быть отнесены и такие проявления, как снижение фагоцитарной активности нейтрофилов после облучения, изменения активности некоторых ферментов в этих клетках. При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.

Важным для организма результатом лучевой модификации молекул ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала - мутаций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток. Причиной возникновения мутации могут стать и вызванная облучением дестабилизация ДНК, и процесс репарации ее повреждений. В обоих случаях облегчается внедрение онковирусов в геном клетки или активации тех онковирусов, которые уже предсуществовали в геноме в репрессированном состоянии. Следствием мутации в зародышевых клетках могут стать дефекты развития у потомства облученных родителей.