Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

71

72

1.Контрольні запитання і завдання

1.Дайте визначення одиниць дози йонізуючого випромінювання.

2.Які види випромінювання і частинки належать до йоиізуючих?

4.Як будують дозові залежності виживаності?

5.У чому полягає основний парадокс радіобіології?

6.У чому полягає ВБЕ (відносна біологічна ефективність) різних видів йонізуючого випромінювання?

7.Як розрахувати ВБЕ?

8.Назвіть основні ефекти впливу йонізуючого випромінювання на клітину.

9.Як відбувається репарація клітин у разі променевого ураження?

10.Що таке радіорезистентність і радіочутливість?

11.Що таке D0 на дозових кривих виживаності клітин?

12.Що таке радіотаксони і каріотаксони?

13.Назвіть критерії надійності генетичного апарату клітин.

14.Назвіть особливості побудови різних радіотаксонів за Сперроу і за Корогодіним.

15.Назвіть критерій надійності геному.

16.Навіщо потрібно знати міру надійності геному?

17.Яка роль процесів репарації у надійності геному?

18.Чи належить ультрафіолетове випромінювання до йонізуючого?

19.Що таке інтерфазна загибель клітин?

20.Назвіть особливості впливу йонізуючого випромінювання на багатоклітинні організми.

21.Яка роль процесів репопуляції у радіорезистентності багатоклітинних біосистем?

22.Назвіть види йонізуючого випромінювання.

23.Яка залежність радіочутливості біосистем від тривалості опромінення?

24.Що таке ЛПЕ?

25.Яке значення ЛПЕ йонізуючого випромінювання для біологічного ефекту і його вплив на різні об'єкти?

26.Які відмінності ЛПЕ різних видів випромінювання?

27.Яка залежність радіочутливості клітин від ЛПЕ?

28.Як впливає здатність до відновлення на радіочутливість клітин за різних ЛПЕ?

29.У чому полягає мутагенна дія йонізуючого випромінювання?

30.Назвіть основні типи мутацій хромосом, зумовлені впливом йонізуючого випромінювання.

31.Яке біологічне значення мутацій хромосом?

73

32. Які генні мутації зумовлені впливом йонізуючого випромінювання?

33. Назвіть основні форми реакції клітин на вплив йонізуючого випромінювання.

74

РОЗДІЛ 3. БІОЛОГІЧНА ДІЯ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

Іонізуючому випромінюванню притаманна біологічна ефективність. Це обумовлено, на першому етапі, здатністю викликати збудження та іонізацію атомів і молекул із подальшим перетворенням молекул речовин і, цим самим, ініціювати протікання хімічних реакцій. Хімічні процеси, що виникають у клітині за дії іонізуючої радіації, можуть проявлятись на різних рівнях організації: молекулярному (розрив ДНК, окиснення ліпідів тощо), клітинному (ураження ядра, мембран), тканинному та організменному.

Біологічна дія іонізуючої радіації характеризується рядом закономірностей:

1.Відсутність специфічних аналізаторів для сприйняття випромінювання.

2.Суттєві ушкодження процесів життєдіяльності обумовлюються незначною

кількістю поглинутої енергії. Так, експозиційна доза -випромінювання 0,258 Кл/кг (100 Гр) для більшості ссавців є летальною, але при цьому їх тканини поглинають дуже малу кількість енергії – приблизно 10 Дж/кг. Така кількість енергії викликає підвищення температури тіла ссавців тільки на 0,001 0С (основний парадокс радіобіології).

3.Проявляється не тільки в опроміненому організмі, але і у нащадків.

4.Характерним є прихований (латентний) період, тобто розвиток ушкоджень спостерігається не відразу. Тривалість латентного періоду може варіювати від

(рис.3.1). Перша (неспецифічна) - фізична стадія іонізації та збудження атомів триває 10-16 - 10-14 с. Вона включає процеси поглинання та перерозподілу енергії, що призводить до виникнення іонізованих та збуджених молекул. На другій - хімікофізичній стадії, що протікає 10-13 - 10-10 с утворюються високоактивні в хімічному відношенні вільні радикали, які, взаємодіючи з різними речовинами, дають початок вторинним радикалам. Вони мають значно більший, у порівнянні з первинними, час життя. На третій - хімічній стадії, що триває 10-7 -10-6 с, утворені радикали вступають у реакції з органічними молекулами, що призводить до різноманітних ушкоджень клітинних структур.

75

Рис. 3.1. Схема розвитку променевого ураження Процеси перших трьох стадій є первинними і визначають подальший розвиток

променевого ураження. У наступній за ними четвертій, біологічній стадії дії випромінювань різноманітні пошкодження молекул та

субклітинних структур призводять до різноманітних функціональних порушень та формуванню відповідної реакції опроміненої клітини. Різноманітні та взаємопов’язані зміни на біологічній стадії формуються протягом секунд, годин, діб, всього періоду життя клітини та організму.

Прямая дія радіації – це ураження ядра клітини та\або матричних структур. Непряма дія радіації-це утворення продуктів радіолізу води, які опоседковано здатні атакувати чутливі біологічні структури і призводити таким чином до радіаційного ураження (рис.3.2).

76

Н2О →Н+ + ОН-

Рис.3.2. Пряма (I ) та непряма (II) дія іонізуючого випромінення на клітину. Чорне коло – мішень; хвиляста стрілка – опромінення; пунктир-дифузія вільних радикалів до молекули – мішені.

Пряма та непряма дія іонізуючих випромінювань на біологічно-важливі молекули призводить до різноманітних змін опроміненого організма, які можна схематично представити як зміни на різних рівнях біологічної організації від молекули до цілісного організма (табл. 3.1).

Таблиця 3.1. Типи радіаційного ушкодження у савців

3.1. Радіаційно-хімічні перетворення речовин

Радіаційно-хімічні перетворення молекул речовин є результатом прямої та непрямої дії іонізуючої радіації.

77

Пряма дія іонізуючих випромінювань – призводить до ушкодження молекул, що виникають в результаті поглинання ними енергії випромінювання (частинок або квантів електромагнітного випромінювання).

Непряма дія іонізуючих випромінювань – призводить до ушкодження молекул внаслідок взаємодії зі збудженими або іонізованими молекулами та вільними радикалами. В живих організмах непряма дія обумовлена, як правило, продуктами радіолізу (радіаційно-індукованого розкладання) води. За дії іонізуючої радіації на молекулу води відбуваються наступні реакції:

Електрон (е-) здатний взаємодіяти з молекулою води, що призводить до утворення

Вільні радикали (Н· і ОН·) містять неспарені електрони, і тому їм притаманна надзвичайно висока реакційна здатність. Час їх “життя” у воді не більший 10-5 с. Вони можуть рекомбінувати один з одним:

Крім того, ці радикали здатні також реагувати з іншими молекулами.

У присутності О2 утворюються інші продукти радіолізу, які мають окиснювальні властивості: радикал гідроксиду (Н2О˙), гідроген пероксиду (Н2О2):

Н· + О2 НО2· НО2· + ОН- Н2О + О 2 ·

У процесі радіолізу молекул води електрони, які піддаються гідратації, перетворюються у гідратовані електрони (е-гідр). Вони мають високу реакційну здатність, зокрема взаємодіють з Н2О та О2. :

Крім того, гідратовані електрони також можуть реагувати з легковідновлюючими речовинами (наприклад, дисульфідами).

Радіаційно-хімічні реакції у водних розчинах відбуваються переважно за участю е- гідр, Н·, ОН·, О 2 ·, НО2- і Н2О2. Радикали ОН·, О 2 · та Н2О2 реагують як окисники, е-гідр, та Н· – відновник, НО2· – як окисник, так і відновник.

78

Пряма дія радіації характеризується, в основному, окисними реакціями. Так, наприклад, електрони, здатні взаємодіяти із ферумом, що входить до складу молекул, з утворенням вільних радикалів.

За цих умов поява вільних радикалів у результаті радіолізу води чи розчинених в ній речовин – є первинним етапом. Взаємодія вільних радикалів з органічними і неорганічними сполуками в клітинах організму протікає за типом окисно-відновних реакцій і складає основу непрямої дії іонізуючої радіації. Ступінь прямої та непрямої дії іонізуючої радіації в первинних радіобіологічних ефектах неоднакова у різних системах. У сухих речовинах переважає пряма, а розчинених – непряма. Вважається, що у тварин (за даними Кузіна О.М.) приблизно 45% поглинної енергії безпосередньо (прямо) діє на молекули, а 55% - викликає непряму дію.

Безпосередньо з прямою і непрямою дією іонізуючої радіації пов’язані ефект розведення та оксигенний ефект.

Ефект розведення – залежність виходу радіаційно-хімічних реакцій від концентрації речовини. У слабо розчинному розчині кількість ушкоджених молекул не залежить від їх концентрації та залишається за дії даної дози опромінення постійною. Це пов’язано з тим, що за певної дози у розчині утворюється постійна кількість активних радикалів.

Даний ефект проявляється при опроміненні розчинів і суспензій макромолекул, вірусів, фагів тощо. Разом з тим, він не спостерігається за опромінення суспензії клітин та тканин, оскільки більша частина утворених радикалів води взаємодіє з молекулами у місці їх утворення і не доходить до більшості макромолекул клітини.

Оксигенний ефект визначається впливом оксигену на протікання радіаційнохімічних перетворень речовин. З підвищенням концентрації оксигену у довкіллі та об’єкті опромінення, підсилюється ефект променевого ушкодження, а при зниженні – зменшується.

Прояв оксигенного ефекту пояснюється тим, що оксиген приймає участь в утворенні реакційно-здатних радикалів, пероксидів, які мають високу хімічну активність та відіграють важливу роль у протіканні біохімічних реакцій.

Зниження оксигенного ефекту, як засобу захисту від ушкоджуючої дії іонізуючої радіації, обмежене внаслідок того, що для аеробних організмів створення стану гіпоксії є дуже несприятливим. Разом з тим оксигенний ефект використовують при лікуванні онкохворих. Для посилення променевого ураження злоякісних пухлин створюють умови для підвищеного в них вмісту оксигену. Одночасно з цим, для зменшення ураження здорових тканин у них створюють умови гіпоксії. Підвищення вмісту оксигену в довкіллі та об’єкті опромінення після дії іонізуючої радіації позитивно впливає на процеси післярадіаційного відновлення. Найбільші зміни радіочутливості організмів до зміни парціального тиску оксигену відбуваються в діапазоні 0 – 4 кПа.

Для кількісної оцінки оксигенного ефекту введено поняття коефіцієнт оксигенного підсилення (КОП). За одним із способів його визначають через радіаційно-хімічні посилення виходу продуктів реакцій:

оксигену або його відсутності.

Інший підхід – це визначення КОП через значення доз, які спричиняють однаковий ефект за умов наявності або відсутності оксигену в середовищі:

КОП=Д O2 /Д O2

де Д O2 і Д O2 – значення Д0 або Д50 за наявності або відсутності оксигену.

Оксигенний ефект (значення КОП) залежить від лінійної передачі енергії (ЛПЕ), з її підвищенням ефект зменшується. Найбільше він проявляється для рідкоіонізуючого випромінювання (рентгенівське, гамма-випромінювання тощо). Для щільноіонізуючого випромінювання ( -частинки, протони, мезони тощо) оксигенний ефект зовсім не проявляється.

За опромінення у водних розчинах деяких ферментів (пепсину, каталази, лізоциму, рибонуклеази та ін.), бактеріофагів відбувається прояв так званого зворотнього оксигенного ефекту, коли присутність оксигену викликає захисну дію у реалізації радіаційно-індукованих ушкоджень макромолекул в клітинах. У цих випадках оксиген при взаємодії з вільними радикалами призводить до їх дезактивації. Слід враховувати, що зворотній оксигенний ефект проявляється тільки тоді, коли продукти взаємодії оксигену з радикалами менш небезпечні, ніж продукти взаємодії молекул речовин із радикалами.

3.2. Основні уявлення про механізми біологічної дії іонізуючої радіації

Джерела іонізуючих випромінювань (див. розділ 2) діють на біологічний об’єкт, як правило, внаслідок зовнішнього опромінення. Радіонукліди впливають на організм двома шляхами. По-перше, внаслідок їх зовнішнього випромінювання. По-друге, якщо радіонукліди накопичуються в клітинах та тканинах, то внаслідок внутрішнього

(інкорпорованого) випромінювання.

Питомий внесок внутрішнього та зовнішнього опромінення залежить від багатьох причин, основними з яких є кількість поглинної енергії, час дії, розмір об’єкту опромінення, коефіцієнт накопичення тканинами та їх клітинами тощо.

Механізми біологічної дії іонізуючої радіації складні і до кінця не з’ясовані. Їх встановлення базується на декількох теоріях і гіпотезах.

ТЕОРІЯ МІШЕНІ. Відображає погляди на першопричини радіаційного ураження клітин внаслідок прямого впливу іонізуючого випромінювання на клітину.

В основі теорії мішені лежать наступні принципи: 1) принцип влучання, який обумовлює особливості передавання енергії випромінювання об’єктам, а саме дискретність поглинання енергії; 2) принцип мішені, який обумовлює інактивацію клітин за умов влучання в певні її ультраструктури. Мішень в радіобіології (на молекулярному та/чи клітинному рівнях) – формальна назва того мікрооб”єма, наприклад, ДНК, в якому повинно відбутись одна чи кілька іонізацій (попадань), що призводить до радіаційної відповіді.

80

Ця теорія виходить з того, що наслідок реакції клітин на опромінення залежить від випадкових влучень (передавань) дискретних порцій енергії в життєво важливі для клітин структури – мішені. Радіобіологічні ефекти реалізуються лише тоді, коли в клітині відбулося певне число „влучень” у мішень. Певним підтвердженням теорії мішені є те, що більшість реакцій клітин на опромінення відбувається практично без порогу і зі збільшенням дози опромінення посилюється ефект, що може бути пов’язано зі зростанням вірогідності прояву ефекту. Таким чином, існує певна кількісна залежність між дозою опромінення і біологічним ефектом.

Якщо загибель клітин, порушення структури макромолекул, зміни активності ферментів або інші радіаційно-індуковані ефекти в залежності від дози описуються експоненціальною кривою (в напівлогарифмічному масштабі прямою лінією), то говорять про одноударне ураження. Разом з тим, ураження більшості рослинних і тваринних клітин в залежності від дози опромінення описується сигмоїдною (S- подібною) кривою. Це можна пояснити тим, що прояв більшості біологічних ефектів дії іонізуючої радіації в залежності від дози відбувається у випадку двох або більше „влучень” в одну мішень або одночасне ураження двох або більше мішеней, кожна з яких повинна бути інактивована.

Однак, теорія мішеней має ряд обмежень. Одно- і багатоударні теорії мішеней можуть певним чином пояснити тільки кількісні ураження окремих мішеней, не визначають розвиток первинних радіаційно-хімічних реакцій у часі, не з’ясовують виникнення радіобіологічних ефектів, які відбуваються у цілому об’єкті опромінення. Крім того, теорія мішеней не може пояснити встановлену можливість прояву ефектів опромінення у віддалених від місця „влучення” ділянках, що є наслідком міграції енергії по макромолекулах у клітині.

СТОХАСТИЧНА ГІПОТЕЗА. Радіологічні ефекти прояв яких носить випадковий (ймовірний) характер називається стохастичними (гр. stochasis - здогад). Кінцевий ефект дії іонізуючої радіації може визначати як на початковій стадії, так, і є наслідком великої кількості порушень, що призводять до прояву ефекту у більш віддалені терміни.

Стохастична гіпотеза дії іонізуючого випромінювання розглядає радіаційноіндуковані порушення біологічних систем з позицій теорії ймовірності взаємодії випромінювання з клітиною, а залежність „доза-ефект”обумовлюється не тільки прямим влученням у структури-мішені, але і станом біологічного об”єкта як динамічної системи. Тобто, ця теорія враховує як безпосередні радіаційно-індуковано ефекти, що проявляються за первинного акту дії іонізуючого випромінювань (як в теорії мішеней), так і ті, що відбуваються в динаміці. Останні можуть бути різноманітними – зміна структурно-функціональних властивостей біологічних мембран, ферментів, нуклеїнових кислот тощо.

Стахостична гіпотеза враховує репаративні процеси, які впливають на кінцевий ефект. Саме завдяки ним крива прояву ефекту (зокрема, загибель клітин) від дози може мати сигмоїдну форму. Крім того, вона враховує можливість перерозподілу енергії випромінювань між структурами клітин.

ІМОВІРНІСНА МОДЕЛЬ. Об’єднанням принципу „влучення” та імовірного характеру прояву радіаційно-індукованих уражень стало створення імовірнісної моделі радіаційного ураження клітин. Згідно з цією моделлю клітини, які опромінюються, уражуються по-різному у відповідності з принципом „влучення”, але реалізація