Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

застосування радіопроектора, та без нього. Побудувавши такі дві дозові залежності по них можно визначити дози рівного радіаційного

доза опромінення клтин у випадку застосування радіопротектора.

активних вільних радикалів і таким чином зменшення ефективного об`єму мішені клітини. Для більшості радіопротекторів ФЗД не перевищує 2 одиниць.

Окрім радіопротекторів були відкриті сполуки, які мають сенсибілізуючий ефект. Насамперед у якості радіосенсибілізатора виступають молекули кисню. У цьому випадку наявність молекул кисню поблизу чутливої мішені клітини призводить от збільшення кількості активних форм кисню, які здатні збільшувати ефективний об`єм чутливої мішені клітини.

Доза опромінення, Гр

0 10 20 30 40

10

N/N0

162

Рис 7.6. Криві виживаності (N/No) клітин китайського хомячку, при рентгенівському опроміненні.

1 –опромінення на повітрі, 2 –опромінення в атмосфері азоту.

Видно, що дози котрі визивають однакову виживаність при опроміненні при опроміненні у повітрі та в атмосфері азоту складають 30 та 10 Гр – відповідно. Тобто ФЗД сенсибілізуючого ефекту становить у цьому випадку значення -3. У цьому випадку ФЗД – фактор зміни дози дає зворотній ефект у порівнянні з дією радіопротектора. ФЗД для дії кисню також називають коефіцієнтом кисневого підсилення (ККП) ефекту дії радіації на біологічні системи.

Встановлено, що величина ККП залежить від виду опромінення

(рис 7.7).

0,1

163

Рис 7.7. Залежність кисневого ефекту від виду іонізуючого опромінення. А-рентгеніське опромінення; Б-нейтроні з енергією 15

МеВ; В- альфа-опромінення.

Видно, що ККП найбільший у випадку рентгенівського опромінення, менший у випадку опромінення нейтронами, та зовсім відсутній у випадку дії альфа-опромінення. Це зрозуміло, бо непряма дія радіації практично відсутня при дії альфа – опромінення. Таким чином , ККП та ФЗД найбільші в умовах наявності непрямої дії радіації.

Встановлено що є багато різних факторів, що здатні модифікувати радіаційне ураження. Це насамперед –фактор температури, видиме світло, гормони, інгібітори біохімічних процесів, додавання у питне середовище мікроабо макроелементів. Всі ці факторі можуть мати, як захисний ефект, так і сенсибілізуючу дію на виживаність клітин, стабільність макромолекул і тощо.

Є одне важливе правило в радіобіології, це те , що радіобіологічні ефекти, не є чимсь особливим, характерним для дії радіації на біосистеми. Як правило всі радіаційні ураження на всіх рівнях організації біосистем, існують і реалізуються в нормі, і тільки з дозою опромінення зростає частота таких подій. Таке важливе узагальнення стосується практично всіх реалізацій радіобіологічних ефектів.

Друге важливе правило, стосується засобів та методів модифікації радіаційних уражень. Практично всі модифікації зводяться до того, що при дії модифікаторів відбувається видиме «зменшення», або «збільшення» дози опромінення. Це дозволяє нам у додачу до трьох основних принципів радіобіологіі додати ще один – принцип зменшення, або збільшення ефективної дози опромінення. Особливо цей принцип стосується прояву механізмів та ефектів відновлення клітин при дії іонізуючої радіації.

7.7 Моделі відновлення у радіобіології

Довгі роки, можливість відновлення радіаційних уражень після дії

164

Але поступово почали виявлятися експериментальні дані, які вказували на можливість відновлення. Перший прорив відбувся в 1949 році, коли Ковалев, Кельнер, Новик та Сциллард відкрили ефект

Фотореактивація репарує так звані пірімідінові димери (наприклад ТТдимери), що виникли внаслідок УФ-опромінення, за рахунок дії спеціального ферменту –фотоліази, який здатен розщіпляти димери,

явища відновлення назвали, темновою репарацією (на бактеріх, де не було потрібно використання видимого світла), та пострадіаційне відновлення клітин дріжджів(В.І. Корогодін 1960 р). На основі аналізу подібних результатів, можно виділити три основні моделі або типи експериментів, в яких були отримані дані про процеси відновлення.

Перша експериментальна модель – використання для дослідження

опромінення.

Друга експериментальна модель - це фракціонування дози опромінення на дві рівні частини, із різним проміжком часу між ними. При наявності ефекту відновлення в експерименті, виживаність клітин була тим більша, чим більший проміжок часу фракціонування дози використовували експериментатори.

Третя експериментальна модель була застосована для тих типів клітин, поділ яких можна було штучно зупиняти, за рахунок низької температури витримування (для бактерій), або за рахунок використання так званої «голодного» або «холодного» середовища ( водопровідна вода для клітин дріжджів ). Було показано, що чим довше тривало витримування клітин у такому холодному середовищі, при зупиненому мітозі клітин, тим більше часу було для відновлення

7.8. Модель Новіка -Сцилларда

165

Модель Новіка-Сцилларда , ще називають моделлю зменшення ефективної дози, за рахунок процесів відновлення. Мова іде про те, що більшість досліджуваних процесів відновлення діють незалежно, відновлюючи кожне ушкодження окремо. Тобто механізми відновлення не розбирають, скільки уражень є в клітини, одне чи сотні. Інакше кажучи, процес відновлення не може визначити, те чи є сенс відновлювати елементарні ураження, коли все одно молекулярних машин (ферментів) буде недостатньо, щоб відновити, або знешкодити усі елементарні ураження для виживання клітини. Формально модель Новіка-Сцилларда має слідуючий вигляд :

де - Do вихідне значення дози опромінення клітин до початку дії процесів відновлення (t = 0), D eff (t) – ефективна доза опромінення клітин, яка залишається не відновленою до моменту часу дії процесу відновлення – t , k –необернена частина уражень клітини, які не можуть бути даною системою відновлені (безрозмірна величина), (1- k ) частина уражень клітини, яка може бути відновлена, за рахунок дії досліджуваної системи відновлення), b - швидкість процесу відновлення клітини – розмірність 1/ час (с, хвил, часи). b – практично означає долю елементарних уражень, яку здатна відновити досліджувана система відновлення за одиницю часу.

Експериментальні дані по дослідженню процесів відновлення свідчать, що :

1)елементарними одиницями відновлення є окремі елементарні ураження – наслідки дискретних попадань;

2)процес відновлення призводить до зменшення середнього вмісту в клітинах числа елементарних ушкоджень, що еквівалентно зменшенню отриманої клітинами дози опромінення;

3)мірою величини відновлення є зміна величини ефективної дози опромінення. Ці висновки однаково відносяться до відновлення клітин від уражень іонізуючими випромінюваннями так і до фотореактивації клітин, уражених ультрафіолетовими променями.

Розглянемо цю проблему на прикладі фотореактивації дріжджів.

причинами:

1) з вичерпанням в ході відновлення відповідних метаболітів клітини (наприклад ферментів фотореактивації. За даними експериментів вважається , що у клітині є до 10 ферментів фотореактивації);

166

2)з виникненням при опроміненні деякого числа елементарних уражень, що не піддаються фотореактивації;

3)з переходом деяких елементарних уражень у необернений стан.

Ці уявлення дозволили В.І. Корогодіну та Е.Н.Кабакову побудувати наступну модель фотореактивації, яка придатна для опису різних процесів відновлення (пострадіаційне відновлення після гаммаопромінення і т.і.).

Припустимо, що елементарні радіаційні ураження, відразу після свого формування, метастабільні, тобто можуть бути відновленні, а можуть і втратити здатність до відновлення. Число таких метастабільних уражень (наслідків елементарних актів попадання ) Dм- пропорційно заданій дозі опромінення Dо . Кожне з цих уражень можна охарактеризувати деякою ймовірністью p1 – втратити в одиницію часу свою здатність до відновлення, а також ймовірністью - p2 - бути відновленим. Тоді на момент часу t – число таких метастабільних уражень буде дорівнювати (згідно теорії випадкових процесів) :

Рішення цього диференційного рівняння (7.13) дає загальне число

Тоді зменшення у клітинах числа первинних ушкоджень, що не були відновленими , виражене у формі ефективної дози Dt буде описане рівнянням :

Користуючись цими формулами, можна показати, що :

167

p1 = b k , p2 = b( 1 – k ).

Ці формули дозволяють по даних експериментів по відновленню вирахувати ці важливі ймовірності, які необхідні для розуміння процесів відновлення.

7.9.Модель відновлення у тварин (Модель Блера-Девідсона)

Паралельно із дослідженнями процесів відновлення на клітинах, було проведено дослідження та моделювання цього процесу відновлення у тварин, який у більшості випадків теж проходить по експоненційному закону. Згідно гіпотези Блера тут променеве ураження складається з двох компонентів: оберненого (що може відновлюватися) та не оберненого (що не може бути відновленим). Висхідним пунктом цієї гіпотези є уявлення, що променеве ураження розвивається пропорційно інтенсивності хронічного або багатократного опромінення, а процеси відновлення йдуть зі швидкістью, що пропорційна величині цього ураження. При цьому зостається не обернена частина ураження пропорційна величині накопиченої дози.

Основні положення гіпотези Блера слідуючи:

1)Загальне ураження, викликане іонізуючим опроміненням, пропорційне дозі діючого опромінення;

2)Це ураження є частково оберненим, а частково не оберненим ;

3)Темп відновлення знаходиться у пропорційній залежності від величини оберненого ураження;

4)Нерепароване ураження аккамулюєтья в организмах пропорційно загальній дозі опромінення;

5)Як обернені так і не обернені ураження суммуються в усіх

відношеннях та загибель відбувається, коли їх сума перевищить визначений ліміт.

З цієї гіпотези, створеної Блером на основі спостережень за летальністью у мишей, морських свинок, щурів та собак при хронічних опроміненнях до летального результату , слідувала і формальна модель постпроменевого відновлення.

Таким чином, виходячи із гіпотези Блера, обернена частина радіаційного ураження у тварин знижується з часом по експоненційному закону, тобто швидкість відновлення у першому наближенні знаходиться у постійному відношенні до залишкового ураження. Модифіковане Девідсоном рівняння для визначення залишкового ураження Dt (в одиницях дози має вигляд :

168

де D- доза сумарного опромінення однією або двома фракціями; f – доля не обернених променевих уражень ; (1-f) – доля обернених променевих уражень; λ – константа відновлення ; t - час після опромінення однією дозою - D , або час фракції дозі – D на дві частини ( у днях).

Модель відновлення для тварин, зовні подібна моделі відновлення клітин. Згідно даних експериментів та гіпотези Блера, обернена частина радіаційного ураження тварин, зменшується з часом також приблизно експоненційному закону, тобто швидкість відновлення знаходиться у постійному відношенні до ураження, що залишилось.

7.10.Модель відновлення за Циммером

Вчисельних експериментах по виживаності клітин, залежність ефективної дози від потужності дози опромінення К. Циммер отримав таку модель для оцінки ефективної дози :

(с) при фіксованій дозі – D (Гр), Р -параметр, котрий характеризує тип та ефективність процесів відновлення , що характерний для даного виду клітин. Можна побудувати графік залежності величини - D eff (T), від Т часу опромінення в заданій дозі – D. Показано, що коли в експерименті D eff (T) – не залежить від часу – Т, і дорівнює – D, то величина Р =1, і досліджуваний вид клітин не має ефективної системи відновлення, яка могла б функціонувати в досліджуваному діапазоні часу опромінення . Якщо в експерименті на конкретному виді клітин, або інших біологічних об`ектів, будуть отримані результати, що D eff (T) – збільшується з часом – Т, тобто, що Р > 1. Це означає, що у даного об`екту дослідження є процес обернений відновленню. Тобто чим більше час опромінення даною дозою – D, тим більшим слід очікувати радіобіологічний ефект. Реально є такі

означати, що Р < 1. Цей випадок буде свідчити про те, що у даного об`єкту дослідження є процес відновлення. При чому чим менше

169

величина Р, тим ефективнішим є процес досліджуваного тут явища відновлення. Слід підкреслити, що у більшості експериментів такого типу, час опромінення –це секунди, хвилини, часи. Мова не іде про часи, за якій біологічний об`ект може рости, мінятися. Важливо, за умов таких експериментів із зміною потужності дози опромінення , проявляють себе насамперед «швидкі» процеси відновлення, які в інших моделях дослідження можуть себе не проявляти. За

принципово різні за механізмами явища відновлення. У конкретних дослідженнях такого фундаментального явища, як відновлення після радіаційного ураження, є принципова можливість дослідити різні механізмі відновлення. Вони можуть бути різними: за швидкістью роботи по відновленню елементарних уражень; за співвідношенням оберненої та не оберненої частини цього ураження; за часом включення (малі або значні часи функціонування) і т.і. Дослідження явищ відновлення в останні десятиріччя, виявили дуже багато нового. Так, встановлено, що є у клітин постійно існуючи молекулярні машини – ферментні системи для відновлення, які можуть бути і додатково індуковані. Це означає, що у відповідь на радіаційне ураження клітини здатні ініціювати нові гени, які відповідальні за синтез необхідних для репарації ферментів і тощо.

7.11. Післярадіаційне відновлення клітин та визначення параметрів моделі зменшення ефективної дози у

процесі відновлення

Одним із перших регулярні експерименти по дослідженню пострадіаційного відновлення клітин за моделлю зменшення ефективної дози провів В.І. Корогодін на клітинах діплоідних клітин дріжджів (Saccaromyces vini штамм-B)і відобразив їх результати у своїй класичній книзі «Проблеми пострадиционного восстановления»(1960).