Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

Рис 7.9. Експерименти по відновленню по Корогодіну

виживаності . Було визначено, що з часом витримки, виживаність зростала , наприкінці процесу відновлення вже досягла насичення і не зростала. Ці дані виживаності з часом відновлення були нанесено на той же графік, де і дозова залежність, але для побудови графіку відновлення зверху була нанесена шкала часу відновлення по годинах витримки на «голодному» середовищі ( у водопровідній воді). Використовуючи шкалу ординат, ту саму що і при побудові дозової залежності виживаності, а у якості осі абсцис – верхню шкалу часу відновлення, була побудована крива відновлення клітин у пострадіаційний період. Вона має характер висхідної експоненціальної залежності.

Оскільки для аналізу отриманих даних по відновленню було використано модель Новика-Сцилларда – модель зменшення

172

ефективної дози, то нам слід отримати залежність D eff (t ) від часу відновлення – t.

Для цього, використовуючи криву відновлення та дозову криву, на графіках зробили оцінку якій дозі ураження відповідають нові рівні ураження клітин після різного часу відновлення. По цих ланих оцінок ефективних доз побудуємо слідуючу таблицю (7.1).

Таблиця 7.1. Розрахункова таблиця значень ефективних доз по даних реального експерименту.

Перебудуємо формулу (7.19) у слідуючий вигляд :

що іде до ∞ )вираз (1 – k ) exp ( - bt ) буде дуже малим, практично дорівнювати -0 . Тоді формула 7.22 буде дорівнювати - D eff (t =∞) / Do ~ k ( тобто наприкінці процесу відновлення це відношення - D eff

(t) / Do буде практично дорівнювати значенню k – величині необерненої складової досліджуваного на даному об`єкті процесу відновлення. Таким чином величина необерненої складової процесу відновлення становить 0,13. Тобто, приблизно 13 % ушкоджень диплоідних клітин дріжджів (Saccaromyces vini, штамм B) не можуть бути в принципі відновлені за даним механізмом пострадіаційного відновлення. Зрозуміло, що для інших видів клітин, ця величина може

(зокрема 2 та більше, які не були відновлені), для того щоб клітина була інактивована, тобто втратила здатність до мітозу. Так однониткові розриви молекул ДНК, можуть не призводити до інактивації клітини, бо здатні відновлюватися. Треба щоб було реалізована двонитковий розрив ДНК і тоді клітина буде не здатна до ділення. Двониткові ураження ДНК виникають як результат виникнення поряд на обох нитках ДНК двох однониткових розривів ДНК, або при дії густо іонізуючого опромінення (наприклад при дії на клітини альфа-випромінення), що практично зразу призводить до ураження обох ниток ДНК і формування подвійного розриву.

Поняття про потенційно-летальні ураження виникло при аналізі експериментів з фракціонування дозі опромінення. На рис 7.11 представлені результати такого типу експериментів. Якщо клітини опромінити в дозі 200 Гр, то висаджуючи ці клітини на питне середовище зразу, отримаємо виживаність у 50%. Якщо ці клітини опромінювати зразу більшими дозами, то отримаємо класичну дозову залежність з плечем характерну для цих типів клітин. Якщо, ж тут зробити паузу (фракцію) у часі з різними фракціями у 2,5, 10 годин, і вже потім продовжувати опромінювати ці клітини більшими дозами, то можемо отримати різні продовження дозової залежності. З часом фракції та такій дозовій залежності буде формуватися плече, як при значній фракції плече дозової залежності, може стати, таким же, як у базовій кривій (рис 7.10). Це буде означати, по думці авторів таких

ушкодження, що виникають у даного типу клітин при дозах до величини «плеча» являють собою потенційно-летальні ушкодження, які можуть стати летальними, якщо їх не відновить відповідна система відновлення.

175

Доза опромінення, Гр

Рис 7.10. Відновлення плеча на кривій виживаності клітин лимфоми мишей при повторному опроміненні.

1.одноразове опромінення, 2- повторне опромінення через 4 години після першого опромінення.

Таким чином сублетальні ушкодження, це ті ушкодження що виявляють методом фракціонування дози опромінення , а потенціально-летальні, виявляють при зміні виживаності клітин під впливом зміни умов, в котрих клітини знаходяться у перші часи після опромінення. Це чисто формальні поняття, які не визначають конкретних видів ушкоджень.

Процес відновлення клітин від радіаційних ушкоджень складає одну з головних проблем радіобіології. При дослідженні молекулярних механізмів репарації виявлено велике різноманіття типів і форм відновлення. Визначено множину ушкоджень ДНК, що піддаються процесам ферментативної репарації дота постреплкативного типу. Описані гені та ферменти, що визначать процеси репарації клітин. Слід відзначити, що ці дослідження ведуться дуже інтенсивно і в нинішній час.

При вивченні ролі процесів відновлення використовують математичні моделі. В основі більшості моделей лежить ідея про те, що процес відновлення можна звести до зменшення ефективної дози опромінення клітин. Формально ця ідея була розроблена у вигляді математичної моделі Новика і Сцилларда, яка вже розглянута вище. До тепер різнобічні дослідження у галузі молекулярних механізмів

176

репарації не вдавалось звести у едину систему уявлень із існуючими математичними моделями. Мова іде про те, що молекулярна радіобіологія оперує з конкретними типами ушкоджень і системами репарації, а в математичні моделі вводяться узагальнені уявлення про обернені та необернені ураження.

Залишається до сих пір неясним цілий ряд питань: які з типів

експериментів та математичні моделі можуть дозволити чітко розділити обернені та не обернені ураження.

Для розвитку цих підходів було запропоновано використати ідею про зменшення ефективної дози радіації у самому широкому плані. На цій основі був сформований принцип зменшення ефективної дози опромінення (ПЗЕД). Мова іде про те, що у процесі

). Особливість полягає в тому, що у процесі відновлення міняється не тільки середня доза опромінення, але і розподіл уражень по клітинах.

Моделювання процесів відновлення клітин від променевих уражень та принцип зменшення ефективної дози опромінення.

Розвиток радіаційного ураження опроміненої клітини, є багатоступінчастий процес, котрий можна уявити слідуючими основними етапами : норма – первинне ураження – модифікаціяпрояв у реєстрований ефект (інактивація клітини тощо).Першій перехід описується принципом попадання. Кожна клітина згідно принципу мішені має надчутливу мішень, і процес опромінення можна звести до окремих попадань у неї. Якщо рахувати, що одне попадання призводить до одного ураження, то кількість первинних

Методами теорії випадкових процесів показано, що реалізація принципу ПЗЕД, призводить до опису процесу відновлення ,як процесу зменьшення ефективної дози опромінення, яку ми приводили вище, у вигляді моделі Новіка-Сцилларда (7.11):

опромінення у момент часу -t = 0. Крива 2 –відображає варіант пролонгованого опромінення с постійною потужністью дози, що почалося в момент часу –t = Т. Третя крива відображає опромінення клітин з допомогою короткоживучого радіонукліду, що розпадається з часом після введення його у середовище, де перебувають клітини. Можливі і інші варіанти опромінення, зокрема фракціоноване опромінення і т.і.

Спеціальні випадки моделі відновлення для деяких режимів опромінення. Зупинемося на найбільш цікавих варіантах умов опромінення при вивченні роли процесів відновлення. Наш підхід дозволяє з загальних позицій визначати внесок процесів відновлення клітин при радіаційному ураженні до регистрованого ефекту , і визначати параметри процесу відновлені при любих умовах опромінення.

Фракціонування дози опромінення. Ця методика складається з того, що дозу розбивають на дві або більше число фракцій. Порівнюючи отриманий результат з регістрованим ефектом за умов гострого опромінення , можна зробити висновки про процеси відновлення, що відбуваються за час між перою та останньою фракцією дози опромінення. Хай у моменти часу 0=to< t1< t2 …..< t n = T фракціоновано опромінюють клітини в дозах відповідно D0,D1,D2 ….Dn . Математичний аналіз дозволив отримати слідуючий вираз для формулі ефективної дози за умов фракціонованого опромінення клітин:

Формула добре описує експерименти по фракціонованому опроміненню клітини дріжджів.

Особливий інтерес представляє окремий варіант фракціонування, коли величина кожної фракції і час між фракціями однаковий :

178

2.

Цей варіант опромінення має широке вживання в радіотерапії пухлин. В цьому випадку формула (7.25) приймає більш простий вид :

Розглянемо слідуючий спеціальний варіант- пролонговане опромінення. Якщо інтенсивність (потужність дози) опромінення невелика, тоді відновлення може проявляти себе вже під час опромінення. Пролонговане опромінення має широкий вжиток в радіотерапії, коли разове опромінення неможливе, або в ситуаціях радіонуклідного забруднення довкілля при радіаційних аваріях. Формально ця ситуація означає, що функція режиму опромінення має

У практиці важливий випадок коли опромінення припиняють у деякий момент часу – Т, тоді ця формула приймає вигляд:

Опромінення короткоживучими ізотопами (наприклад 131I ). В

радіотерапії пухлин та в радіоекологічних ситуаціях може мати місце опромінення короткоживучими радіонуклідами. Тут не можна використовувати формули для пролонгованого опромінення (7.28), тому що потужність дози зменшується з часом (рис ). Нехай Т 1/2 - період напіврозпаду радіонукліду, Io -початкова активність джерела

асинхронній популяції клітин, що діляться. Це стосується популяції клітин пухлин, популяції стовбурових клітин, меристем коренів рослин тощо. У цьому випадку час відновлення не може перевищувати довжини циклу ділення. В той же час в асинхронній популяції клітин є клітини, котрі зразу після опромінення вступають у ділення і зовсім не відновлюють своїх ушкоджень. В цій складній системі процес відновлення клітин можна описати у рамках принципу зменшення ефективної дози опромінення Dt , слідуючим чином :

де k – не обернена компонента променевого ураження клітин, b – швидкість процесу відновлення клітин, Т – середня довжина клітинного циклу в асинхронній популяції клітин, Dо – висхідна доза опромінення. Слід відмити, що розроблена модель дозволяє проводити оцінку параметрів пострадіаційного відновлення для практично любих асинхронних популяцій клітин і для умов модифікації іх виживаності різними засобами, зокрема різними радіопротекторами і т.і.

Таким чином, розроблені математичні моделі відновлення клітин від радіаційних уражень утворюють систему моделей, в котрих чітко і послідовно застосовується принцип зменшення ефективної дози,або

Математичні моделі дозволяють зробити висновок, що не обернені ураження у клітині можуть виникати як у момент попадання так і в процесі відновлення, а також і в послідуючий період. Застосовані у радіобіології схеми експериментів по вивченню процесів відновлення не дозволяють однозначно визначати місце та час виникнення не обернених ушкоджень. Можна вважати, що практично любе первинне ураження, що виникло може бути відновлено або може перейти у необернений стан. Цей важливий висновок дозволяє