7.7 Моделі відновлення у радіобіології

Довгі роки, можливість відновлення радіаційних уражень після дії іонізуючого опромінення вважалося принципово неможливою. Енергія квантів та йонізуючих частинок є такою значною (від декілька Кев до Мев), що важко було собі уявити хімічний зв`язок (енергія , яких не перевищує, декілька - ев) щоб він встояв проти такої високої енергії і міг відновитися після такого значного ураження.

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 відновлення клітин після ультрафіолетового ураження, при участі видимого світла. Цей ефект назвали фотореактивацією. Фотореактивація репарує так звані пірімідінові димери (наприклад ТТ- димери), що виникли внаслідок УФ-опромінення, за рахунок дії спеціального ферменту –фотоліази, який здатен розщіпляти димери, за участю видимого синього світла.

Пізніше у 60 роки ХХ-століття були відкриті та детально досліджені явища відновлення клітин після дії іонізуючого опромінення (гамма- радіації та рентгенівських променів). Ці 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 процесів відновлення опромінення різними потужностями дози. Відомо, що доза це добуток потужності дози радіації (Гр/сек.) - на T- час опромінення у даній дозі. Перші дослідження К.Циммера на різних потужностях дози від сГр/сек, до 1 Гр/сек., дозволили встановити, що при наявності відновлення радіаційний ефект тим більший, чим більша потужність дози, при однаковій загальній дозі 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

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 :

(7.11),

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.

Нездатність УФ-опромінених клітин дріжджів бути фотореактивованими «до кінця» може бути пов`язана з трьома 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);

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 гамма-опромінення 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) :

( 7.12)

Тоді приріст числа елементарних ушкоджень Dф , що вже були фотореактивовані, буде визначатися :

(7.13)

Рішення цього диференційного рівняння (7.13) дає загальне число відновлених уражень – Dф , як функцію часу відновлення - t :

(7.14).

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

(7.15).

Якщо припустити, що 1 - [ p₂ / p₁ + p₂] = k (необернена складова процесу відновлення) , то (p₁ + p₂) = b

дорівнює швидкості процесу відновлення. Тоді рівняння (7.17) можливо записати у формі моделі Новіка –Сциларда –

(7.16).

Користуючись цими формулами, можна показати, що :

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.