50. Биологические эффекты действия ионизирующих излучений в больших и малых дозах

Ионизирующие излучения обладают очень высоким биологическим эффектом. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов, образовывать активные радикалы в клетках живых тканей. Вследствие этого, результатом биологического действия радиации является, как правило, нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях животных или человека.

Радиочувствительность организмов

Действие ионизирующего излучения на многоклеточный организм проявляется не только в реакциях, развивающихся в отдельных клетках и тканях, но и благодаря связям их физиологических функций в организме – в общих реакциях, присущих организму как единой и сложной биологической системе.

Существует определенная зависимость между степенью и уровнем развития организмов и их радиочувствительностью. Так одноклеточные организмы значительно более устойчивы, чем многоклеточные, особо высокой чувствительностью обладают млекопитающие.

В качестве критерия радиочувствительности используется такой показатель, как ЛД_50/30 – летальная доза облучения, которая вызывает 50% гибели за 30 суток.

Определенную роль в радиочувствительности играет число хромосомных наборов в клетках организма. Так диплоидные клетки более устойчивы к действию ионизирующих излучений, чем гаплоидные.

Различия радиочувствительности в пределах разных биологических видов называют видовой радиочувствительностью. Однако даже в пределах одного вида степень радиочувствительности сильно варьирует и ее называют индивидуальной радиочувствительностью. Кроме того, различают также возрастную и половую радиочувствительность. Так молодые организмы более радиочувствительные, чем взрослые и старые, так как у них в силу своего роста более высокий уровень клеточного деления в органах и тканях и, следовательно, клетки такого организма более радиопоражаемые. Однако способность к пострадиационному восстановлению у них выше по той же причине. Женские особи более радиорезистентны, чем мужские, так как считается, что женские половые гормоны обладают радиозащитными свойствами.

Модификация радиочувствительности

Существующие живые организмы в сотни и тысячи раз различаются по степени чувствительности к радиационному воздействию. Помимо генетически детерминированных различий, наблюдаемых у объектов из разных филогенетических групп, возможны значительные вариации радиочувствительности у особей одного вида, которые находятся в неодинаковых условиях питания, аэрации, температуры, сезона года и т.д. Кроме того, степень лучевого поражения организмов связана с возрастом, полом, физиологическим состоянием, активностью метаболических систем и другими факторами. За счет различных внешних воздействий может быть достигнута избирательная регуляция многих перечисленных процессов. Это создает предпосылку для модификации радиочувствительности организмов.

Искусственная модификация радиочувствительности базируется на результатах биофизических исследований на молекулярном и субклеточном уровнях. Анализ этих исследований позволил установить причинную связь между степенью лучевого поражения организмов и характером начальных физико-химических процессов, включающих миграцию поглощенной энергии излучения, радиолиз воды и органических молекул, перекисное окисление липидов, реакции свободнорадикальных продуктов, формирование структурных повреждений ДНК, белков, липидов и других жизненно важных макромолекул и молекулярных комплексов в клетке. Интенсивность и характер протекания перечисленных зависят от того химического «фона», на котором развертываются начальные физико-химические реакции, определяющие биологические эффекты облучения. Различными внешними воздействиями, в первую очередь введением в организм ряда химических соединений, можно прямо или опосредованно создать в клетках и тканях условия, способствующие или затрудняющие реализацию лучевых повреждений, и таким образом либо понизить устойчивость биологических объектов к действию радиации, либо сделать их более радиорезистентными.

Усиление поражающего действия радиации. При усилении эффекта радиационного воздействия химическими соединениями различают:

1. Синергетическое действие, когда комбинированный эффект двух агентов выше, чем суммарное действие каждого из них, определенное в отдельности;

2. Аддитивное действие, при котором комбинированное действие двух агентов равно сумме эффектов, вызываемых каждым из них в отдельности (в этих случаях подразумевается, что химические соединения сами оказывают определенное действие);

3. Сенсибилизация, когда химическое соединение само неактивно, но при совместном действии с облучением увеличивает его эффективность.

Вещества, способные усиливать действие излучения, а также вызывать многочисленное эффекты, имитирующие действие ионизирующей радиации, получили название радиомиметики. Они способны, как и ионизирующее излучения, вызывать мутагенное действие, подавлять рост опухолей, повреждать хромосомы, блокировать митозы и т.д.

Ослабление поражающего действия радиации. Способность химических соединений снижать лучевое поражение простых молекулярных систем впервые была продемонстрирована В. Дейлом в 1940 году. Изучая механизмы непрямого действия радиации на растворы ферментов, он показал, что тиомочевина, коллоидная сера уменьшают степень радиолиза ферментов, и предположил, что наблюдаемый защитный эффект осуществляется в результате конкуренции за свободные радикалы воды, возникающие при ее радиолизе.

В начале 50-х годов в лаборатории З. Бака были выявлены противолучевые свойства цистеамина, серотонина, гистамина, триптамина, тирамина. Все исследованные препараты были эффективны только при введении животным до облучения, поэтому они получили название радиопротекторы. Радиопротекторы – вещества, которые способствуют выживанию организмов при введении за определенное время до облучения.

На сегодняшний день испытано более 30 тысяч различных фармакохимических соединений, обладающих радиозащитным действием. Наиболее перспективные и высокоэффективные относятся к двум классам соединений:

• Индолилалкиамины (производные триптамина, серотонина, мексамина);

• Меркаптоалкиламины (цистеин, цистамин, 2-меркаптоэтиламин, меркаптопропиламин и др.).

По мнению ряда исследователей, противолучевая защита радиопротекторов направлена, в первую очередь, на снятие прямого и косвенного действия радиации в период первичной реакции на облучение и включает следующие механизмы:

• Перехват и инактивация свободных радикалов и активных продуктов радиолиза воды;

• Снижение окислительно-восстановительного потенциала клеток;

• Увеличение содержания тиольных групп в организме;

• Увеличение содержания эндогенных аминов;

• Снижение уровня продуктов окисления липидов;

• Перевод различных биохимических систем в состояние повышенной радиорезистентности (этот процесс называется биохимическим шоком – вызывается ожогом, сильным действием токсических веществ);

• Снижение парциального давления кислорода в клетках и тканях (кислородный эффект).

В настоящее время определенного внимания заслуживает гипотеза эндогенного фона радиорезистентности, сформулированная Ю. Б. Кудряшовым и Е. Н. Гончаренко в 1969 году, обоснованность которой подтверждается и поныне в экспериментах. Согласно этой гипотезе, устойчивость биологических объектов и систем к действию ионизирующей радиации определяется рядом эндогенных веществ, способных влиять на зарождение и развитие первичных лучевых процессов. Гипотеза рассматривает возможность модификации лучевого поражения за счет мобилизации внутренних ресурсов организма эндогенными радиозащитными и радиосенсибилизирующими веществами. К числу эндогенных защитных соединений помимо тиолов авторы гипотезы относят биогенные амины: серотонин, гистамин, дофамин, норадреналин, адреналин. Их противолучевая активность хорошо известна, однако ранее эти вещества практически не были изучены в качестве возможных участников опосредованного действия вводимых в организм радиозащитных соединений.

Заслуживают внимания 3 пути реализации эффекта в организме животных:

• За счет «кислородного эффекта», связанного с сосудосуживающим действием этих соединений (гипоксическое действие);

• За счет прямого влияния биогенных аминов на перекиси в процессе перекисного окисления липидов;

• В результате участия биогенных аминов в регуляции клеточного обмена.

В настоящее время разрабатываются различные гипотезы механизма действия биологических радиопротекторов. Но в основном они сводятся к тому, что в иммунном организме происходит частичное связывание «лучевых антигенов» специфическими антителами, присутствующими в организме в момент облучения.

Адаптогены – вещества растительного или биологического происхождения, которые применяются длительное время для повышения, как общей резистентности организма, так и радиорезистентности.

Для повышения резистентности при хроническом облучении живых организмов широкое применение получили адаптогены – это зоопрепараты, фитопрепараты, многокомпонентные смеси, иммуномодуляторы, общим свойством которых является их способность стимулировать возрастания уровня эндогенного вона радиорезистентности; активировать антиокислительные, а также и репаративные процессы систем, мобилизировать противолучевые и общебиологические защитные ресурсы организма. Среди них особый интерес вызывают фитопрепараты природного происхождения, поскольку они более доступны, как правило, не токсичны, а потому их применение не вызывает побочных эффектов. Доказательством тому является успешное применение препаратов женьшеня, элеутерококка, китайского лимонника для повышения как общей резистентности, так и радиорезистентности организма. Фитопрепараты природного происхождения относятся к препаратам народной медицины и среди них особо выделяют 2 группы: алкалоиды, полисахариды.

Фитоалкалоиды, выделенные из корней бобового растения, из капусты огородной, брюквы, редьки, жирушника обладают радиопрофилактическим действием. Алкалоидные экстракты способны вызывать и длительно поддерживать состояние повышенной общебиологической устойчивости к неблагоприятным факторам среды и ионизирующим излучениям.

Из фитополисахаридов, обладающих радиопрофилактическим действием, заслуживают внимания экстракты из древесных съедобных грибов, лишайников, плавунов. Фитополисахаридные экстракты, обладающие радиотерапевтическим действием, представлены семейством трихоломовых древесных съедобных грибов и другими растениями: осенний огонек, ежовник, морская капуста, лечебная трава. Экстракты из дрожалковых съедобных грибов активны как радиопротекторы и как лечебные средства.