Радиобиология с основами радиоэкологии

Рис. 8.7. Наследственные дефекты (частота рождения детей с наследственными дефектами для населения Земли в целом в расчете на 1 млн. новорожденных: доминантные и рецессивные мутации – 12 500, хромосомные аберрации – 3400, другие наследственные болезни – 90 000.

мутации подразделяются далее на доминантные (проявляющиеся сразу в первом поколении) и рецессивные (которые могут проявиться лишь в том случае, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген). Такие мутации могут не проявиться на протяжении многих поколений или не обнаружиться вообще. Оба типа аномалий могут привести к наследственным заболеваниям в последующих поколениях, а могут и никогда не проявиться.

Хотя наследственные дефекты и так встречаются достаточно часто, всякое дополнительное облучение может еще более увеличить частоту их появления. Диаграммы на рис. 8.7 показывают текущие оценки частоты рождения детей с серьезными наследственными дефектами в популяции всего населения Земли (учитывают и влияние естественного радиационного фона), а также оценки НКДАР ООН вероятного прироста частоты рождаемости детей с аналогичными дефектами при получении поколением родителей дополнительной индивидуальной дозы облучения в 1 Гр. Цифры на рисунке соответствуют частоте рождения детей с серьезными генетическими дефектами указанного типа (в расчете на 1 млн. новорожденных).

Среди более 27 тыс. детей, родители которых получили относительно высокие дозы во время атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, были обнаружены лишь две вероятные мутации, а среди примерно такого же числа детей, родители которых получили меньшие дозы, не отмечено ни одного такого случая. У людей, получавших малые дозы облучения, действительно наблюдается повышенное содержание клеток крови с хромосомными нарушениями. Этот феномен при чрезвычайно низком уровне облучения был отмечен у жителей курортного местечка Бадгастайн в Австрии и там же среди медицинского персонала, обслуживающего радоновые источники. Среди пер-

сонала АЭС в ФРГ, Великобритании, США, которые получают дозы, не превышающие предельно допустимого согласно международным стандартам уровня, также обнаружены хромосомные аномалии.

При оценке риска появления наследственных дефектов у человека НКДАР использует два подхода. При одном пытаются определить непосредственный эффект данной дозы облучения, при другом – дозу, при которой удваивается частота появления потомков с той или иной разновидностью наследственных дефектов по сравнению с нормальными радиационными условиями.

При дозе в 1 Гр, полученной при низком уровне радиации только особями мужского пола, индуцируется появление от 1 до 2 тыс. мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1 тыс. хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных. Оценки, полученные для особей женского пола, гораздо менее определенны, но явно ниже; это объясняется тем, что женские половые клетки менее чувствительны к действию радиации. При этом частота мутаций составляет от 0 до 900, а частота хромосомных аберраций – от 0 до 300 случаев на миллион живых новорожденных.

Оценка риска, полученная вторым методом, показала, что хроническое облучение при мощности дозы в 1 Гр на поколение (для человека – 25–30 лет) приведет к появлению около 2 тыс. серьезных случаев генетических заболеваний на каждый миллион живых новорожденных среди детей тех, кто подвергся такому облучению. Это в какой-то мере учитывает влияние рецессивных мутаций.

Цитогенетические эффекты радиации изучены во многих странах и лабораториях. Сейчас на примере многочисленных данных установлено, что в диапазоне малых доз (1–200 мГр) обнаруживается участок плато или даже парадоксальная бимодальная зависимость, обусловленная своеобразием этого диапазона, включением индуцибельных систем репарации. На основании полученных экспериментальных данных можно сделать такие выводы:

–отсутствие порога мутабильности: самые малые дозы ионизирующей радиации могут индуцировать мутации;

–пролонгированное (хроническое) облучение в малых дозах может в результате кумулятивного эффекта действия оказывать существенное влияние на возрастание мутабильности;

–возрастание уровня мутабильности может привести к существенным микроэволюционным событиям.

Согласно современным представлениям, при действии малых доз ионизирующей радиации индуцируются механизмы, приводящие к повышению нестабильности генома. Основным из них является изменение активности транспозиции мобиль-

ных генетических элементов. Эффекты, получаемые после облучения в данных дозах, могут проявляться в форме стимуляции и величина эффекта может изменяться в пределах нормы реакции изучаемого признака. При повышении дозы облучения возможна индукция системы адаптивного ответа клетки, в результате чего происходит активация механизмов индуцибельной системы репарации. Величина изучаемого признака может существенно отличаться от спонтанного уровня. Кроме этих механизмов в регулировании уровня генетических эффектов действия радиации в диапазоне повышенных доз могут принимать участие механизмы апоптоза, репродуктивной гибели клеток. Дальнейшее повышение дозы облучения приводит к увеличению уровня интерфазной гибели клеток, механизмы которой могут быть весьма разнообразны.

Повреждение биологически важных структур клетки при действии ионизирующей радиации может проходить двумя способами. В первом способе электроны, образовавшиеся в процессе размена энергии, как правило, приводят к разрыву молекулярных связей той структуры, которая является мишенью. Благодаря этому возникают одно- и двунитевые разрывы молекул ДНК. Такого рода повреждения типичны для средних и высоких значений доз. Однако при определенных обстоятельствах опаснее по удельному вкладу может оказаться второй способ взаимодействия ионизирующей радиации с живой системой, при котором повреждение биологических структур происходит за счет очень реакционноспособных химических агентов, образующихся в местах размена энергии частицы или кванта, способных мигрировать на значительные расстояния и приводить к повреждению структур-мишеней. Одной из активных химических групп, количество которых увеличивается при взаимодействии радиации с живой клеткой, являются свободные радикалы кислорода (супероксидный анион – .О –, гидроксильный анион – .ОН–, другие радикалы – .Н, НО –,2 .Н О+, .ОН, .О и Н2О2). Самые реакционноспособные из них –2.О2–, 2.ОН и Н2О2. Благодаря высокой химической активности свободные радикалы при определенных условиях легко вступают в реакции с основными биологическими соединениями, нарушая их структуру и функции. Нормально функционирующие живые системы обладают эффективными средствами защиты от свободных радикалов, к ним можно отнести ферменты, содержащие металлы (супероксиддисмутаза, глютатионпероксидаза и каталаза) и антиоксиданты, которые, легко окисляясь, инактивируют свободные радикалы. Свойствами антиоксидантов обладают вещества различной химической природы: токоферол, каротин, глютатион, аскорбиновая кислота, цистеин, белки, содержащие SHгруппы. Защитным от активных свободных радикалов свойством обладают также фосфолипиды мембранного комплекса,

в основном за счет ненасыщенных жирных кислот. Установлено исключительно важное значение свободно радикальных процессов окисления липидов в повреждении клеток при действии различных физических факторов, в том числе ионизирующей радиации в малых дозах, и их роль в развитии патологических процессов в организме.

Таким образом, свободные радикалы и инициируемые ими процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) – очень агрессивные агенты, повреждающие биологически важные молекулы и структуры. Эти процессы являются основными повреждающими факторами для клеточных мембран, роль которых при действии ионизирующей радиации в малых дозах, наряду с повреждениями ДНК клетки, значительно возрастает.

Накопленный значительный материал научных данных позволяет прийти к выводу о существенном значении непрямого механизма действия радиации низких интенсивностей. Особенности его заключаются в том, что с уменьшением интенсивности излучения вероятность повреждения клетки увеличивается, при этом механизме действия чувствительными мишенями являются мембраны. При значительных дозах и высоком уровне радиации имеет место повреждение генетических структур, а именно они преимущественно в этом случае являются чувствительными мишенями, эффект прямо пропорционален плотности ионизации.

В диапазоне низкоинтенсивных излучений восстановительные системы «успевают» достаточно надежно защитить генетический материал от прямого действия радиации и для проявления биологического эффекта при этом взаимодействии у объектов, обладающих достаточно мощной системой восстановления, требуются дозы Д0 порядка 104–105 сГр. В то же время косвенные повреждения при данных интенсивностях радиации имеют очень низкие Д0, достигающие единиц или десятых долей сГр.

При действии малых доз ионизирующего излучения (однократного или хронического действия) в клетках живых организмов происходят различные биохимические и биофизические изменения, приводящие в конечном счете к нарушению регуляции важных систем организма. Общепризнанно, что интенсификация свободнорадикальных процессов является одним из ведущих путей радиационного поражения организма. Показано, что облучение приводит к истощению резервов тканевых антиоксидантов, изменению фракционного состава мембран фосфолипидов, в том числе к увеличению доли лизоформ фосфолипидов, наблюдается угнетение активности ферментов антипероксидной защиты (рис. 8.8). Важным фактором в развитии радиобиологического эффекта ионизирующей радиации является пострадиационное нарушение пассивной проницаемости мембран, которому придается значение одного из наиболее

Рис. 8.8. Схема токсического действия продуктов перекисного окисления липидов (ППОЛ) на клетку (Барабой В.А. и др., 1992).

ранних событий в лучевой патологии. Оно приводит к коллоидосмотическому набуханию цитоплазмы клеток, растяжению и разрыву мембраны, результатом которого является выход ферментов во внеклеточную среду. Имеется обширный экспериментальный материал, дающий основание полагать, что мембрана, как и ДНК, – важная мишень действия облучения, а липидная фаза биомембран чувствительнее к облучению, чем белковая. Усиление реакции ПОЛ в мембранах приводит к возрастанию интенсивности адаптивных биохимических реакций. Этот период характеризуется неадекватным напряжением всех компонентов и звеньев антиоксидантной системы с ее последующим истощением. Патофизиологические механизмы радиационного поражения во многом обусловлены развивающейся антиоксидантной недостаточностью. Доказано, что в тканях с высокой радиорезистентностью скорость образования продуктов ПОЛ гораздо меньше, чем в тканях с низкой радиорезистентностью, а нарушения в системе прооксиданты–антиоксиданты могут выступать в качестве важного механизма цитотоксичности. Роль возможных цитотоксических медиаторов, инициирующих апоптоз, могут выполнять и продукты ПОЛ мембран, образующиеся в результате воздействия ионизирующей радиации.

Существуют и сходство, и различия в биохимических процессах, происходящих в тканях животных при хроническом облучении в малых дозах и при остром облучении. Таким об-

разом, при низких дозах и мощностях дозы более вероятными структурами-мишенями являются клеточные мембраны, обеспечивающие жизнедеятельность клетки, повреждающими агентами – активные свободные радикалы, а стабилизирующими защитными факторами выступают специализированные ферментные и антиоксидантные системы.

Высокая эффективность малых доз радиации, обусловленная свободнорадикальными механизмами усиления первичных нарушений, доказана в многочисленных экспериментах на животных и растениях. Считают, что из всех режимов облучения при прочих равных условиях наиболее неблагоприятным в плане глубины биологического эффекта является постоянное длительное облучение. В этих условиях системы репарации либо не индуцируются, либо работают с существенно меньшей интенсивностью и включаются в более позднее время, когда в облученном объекте уже появились радиационные повреждения. При скрытом течении процессов, обусловленных хроническим действием радиации, возможны отдаленные эффекты облучения на фоне клинического благополучия, обусловленные компенсаторными и приспособительными реакциями организма. Экспериментально установлено, что при мощностях доз от 1 до 3 сГр/сут., не влияющих на среднюю продолжительность жизни крыс при облучении в течение всей жизни, происходят глубокие изменения метаболизма, затрагивающие системы регуляции роста, пролиферации и дифференцировки. Облучение в малой дозе (15 сГр) с низкой интенсивностью оказывает на организм повреждающее действие, соизмеримое с эффектом острого облучения.

Считается, что ионизирующая радиация в малых дозах может вызывать в организме млекопитающих типичную реакцию, инициирующую развитие общего адаптационного синдрома. В этом случае хроническое воздействие радиации следует рассматривать как своеобразный стресс-агент, а характер ответной реакции клетки – результат сложной цепочки событий. Постоянный радиоактивный стресс может привести к обеднению адаптивных возможностей и, в конечном итоге, к развитию патологического процесса.

Глубокое истощение антиоксидантной системы организма и активацию ПОЛ под влиянием длительного низкоинтенсивного и низкодозового радиационного воздействия отмечают многие авторы как в эксперименте, так и при анализе биохимических показателей у мелких млекопитающих в районах с радиоактивным загрязнением разного происхождения, а также у людей, вошедших в группу радиационного риска после аварии на Чернобыльской АЭС. Действие малых доз не всегда однозначно. Прогнозирование биологических эффектов, обусловленных слабым воздействием химических и физических агентов

на сложные организмы, затрудняется некоторыми обстоятельствами: нелинейной зависимостью доза–эффект для систем разной степени сложности, увеличением масштаба изменений различных показателей со снижением мощности дозы, зависимостью величины и знака эффекта от исходного состояния параметров биообъектов, непредсказуемостью совокупного действия множества факторов.

Кроме того, многие физико-химические и биологические процессы у облученных организмов протекают подобно синусоидальным или же другим колебательным процессам, поскольку облученный организм стремится устранить повреждение за счет разнообразных регуляторных процессов. Нелинейный характер дозовой зависимости при хроническом действии излучений в малых дозах для разных показателей, в том числе биохимических, биофизических параметров клеточных систем регуляции, отмечен многими исследователями. Можно предположить, что немонотонный ход кривой доза–эффект является спецификой малых доз излучения и отражает включение ком- пенсаторно-восстановительных процессов с целью сохранения гомеостаза в клетке в ответ на повреждающее действие ионизирующей радиации.

Контрольные вопросы к главе 8

1.Понятие малых доз ионизирующей радиации.

2.Границы малых доз в соответствии с различными уровнями радиационного воздействия на организм.

3.В чем суть микродозиметрической теории малых доз радиации?

4.Особенности действия малых доз на живые организмы.

5.Гипотезы, поясняющие механизм действия малых доз излучения.

6.Две концепции действия ионизирующей радиации – беспороговая доза и понятие пороговой дозы.

7.Понятие радиационного гормезиса.

8.Практическое использование малых доз ионизирующей радиации.

9.Стохастичские и нестохастичские эффекты, в чем их различия?

10.Виды радиационного канцерогенеза при действии малых доз радиации.

11.Оценка биологического риска воздействия ионизирующего излучения в малых дозах.

12.Генетические и биохимические изменения, происходящие в организме при действии малых доз ионизирующего излучения.

9. ТЕОРИИ И ГИПОТЕЗЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Принципы попадания и мишени. Стохастическая теория. Вероятностная модель радиационного поражения клетки. Гипотеза радиотоксинов. Гипотеза биохимического шока. Гипотеза биохимического фона радиорезистентности. Структурно-метаболическая теория.

В истории радиобиологии как научной дисциплины с появлением различных представлений, гипотез и теорий о природе радиобиологических эффектов наблюдаются и определенные периоды ее становления и развития. Есть немало теорий, объясняющих биологические эффекты ионизирующих излучений. Многие из них имеют в полном смысле слова лишь исторический характер и не получили дальнейшее развитие. Но некоторые, сформировавшись еще на заре радиобиологии в 1920–1930-х гг., оказались совершенными и плодотворными и сохранились до настоящего времени, претерпев определенные доработки в связи с прогрессом ядерной физики, химии, молекулярной биологии, генетики. Количественные эксперименты в радиобиологии начали проводиться с 20-х гг. ХХ в. Представители различных групп организмов подвергались действию рентгеновского излучения и излучению радия. Интенсивным радиобиологическим исследованиям в этот период способствовало бурное развитие ядерной физики и биологической науки. К этому времени в физике начинается широкое использование методов дозиметрии и радиометрии, соответственно, у радиобиологов появляется возможность регламентации доз облучения. В первую очередь к ним относятся представления о прямом и непрямом действии ионизирующей радиации, а также принципы попадания и мишени.

9.1. Принципы попадания и мишени

В основе изменений, вызываемых ионизирующими излучениями в биологических системах, лежат два основных механизма, которые были представлены более подробно в главе 6.

Прямое действие, при котором молекула испытывает из­ менения непосредственно от излучения при прохождении че­ рез него фотона или заряженной частицы, а поражающее дей­

Кривые построены авторами на основании экспериментов с разными объектами – простейшими, яйцами аскариды, вирусами, ферментами. Но во всех случаях наблюдается интересная закономерность: при самых малых дозах облучения уже обнаруживаются инактивированные клетки, вирусные частицы или макромолекулы, а при дозах, в сотни и тысячи раз больших, все еще удается обнаружить объекты, сохранившие исходные биологические свойства, т.е. не пораженные излучением. Отсутствие нижнего порога на кривой доза–эффект означает, что в пределах генетически однородной популяции существуют объекты, которые гибнут при самых малых дозах, тогда как другие выживают при действии огромных доз излучения. Объяснение этому следует искать в особенностях воздействия ионизирующего излучения. Решающее влияние на характер дозовой кривой оказывают не особенности объектов, а способ сообщения энергии. Известно, что ионизирующие частицы сообщают системе энергию дискретными порциями и процесс передачи энергии носит статистический характер. Поэтому среди совокупности облучаемых микроструктур одни из них с определенной вероятностью поглощают энергию излучения, тогда как другие вообще «не знают», что облучение имело место. Такие представления, основанные на фундаментальных физических концепциях о механизме взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, позволяют объяснить количественные закономерности, наблюдаемые в радиобиологических экспериментах.

Было обращено внимание на характерные особенности летального действия ионизирующего излучения. Оказалось, что облученные объекты погибают не сразу под лучом, а по прошествии некоторого времени и их резистентность по отношению к поглощенной дозе излучения варьирует в широких пределах. Если сравнить поглощенную дозу общего облучения в дозе 5 дж/кг, которая может вызвать гибель лабораторных животных и человека, с ее эквивалентной поглощенной энергией, являющейся ничтожно малой и сравнимой с энергией, содержащейся в стакане горячего чая, то можно сделать вывод о чрезвычайно высокой эффективности ионизирующего излучения. Это замечательное свойство ионизирующей радиации можно сравнить только с эффективностью сильнодействующих ядов. Однако при действии ядов имеет место 100%-ный летальный исход при критических значениях доз, меняющихся в узком интервале, а при действии ионизирующего излучения распределение выживаемости по дозам облучения не имеет такого эффекта. Гибель отдельных клеток и особей наблюдали при сравнительно небольших поглощенных дозах, тем не менее, при очень высоких дозах некоторое количество облучаемых объектов могло выжить.