Лекция 12. Клеточные эффекты ии. Радиационная задержка клеточного деления. Программируемая смерть клетки (апоптоз). Цитогенетические аномалии. Кривые дозаэффект
 Скачать 296.31 Kb.
|
6 Изучение образования соединений, передающих сигнал об облучении на интактные клетки, и каскада биохимических реакций, возникающих в клетках в ответ на поступление такого сигнала, указывает на участие в этом процессе такого универсального передатчика сигналов, как окись азота — NО. При исследовании роли непосредственного межклеточного взаимодействия показано участие в осуществлении коммунального эффекта белка коннексина — межклеточного передатчика сигналов. Введение антител к фактору некроза опухолей а в среду также подавляет выраженность коммунального эффекта. Однако в целом механизм этого удивительного явления остается малоизученным. Радиационный гормезис. Феномен стимулирующего действия малых доз излучения, который обозначается специальным термином «радиационный гормезис», заключается в увеличении выживаемости клеток облученных малыми дозами ИИ. Убедительных объяснений этому явлению до сих пор нет. Одним из механизмов такого стимулирующего действия малых уровней облучения называют функционирование легко индуцибельной системы ферментативной репарации. Секторальная гибель клеток. Характерная для первых дней роста колонии гибель части потомков облученной клетки сохраняется в течение многих поколений. Колонии, образуемые облученными клетками, отличаются замедленным ростом и большой вариабельностью в размере. Медленный рост колоний определяется не увеличением длительности генеративного цикла (она постепенно возвращается к исходному значению), а постоянной гибелью части клеток, образно называе- мой секторальной гибелью потомков (полной гибелью всех потомков одной из двух дочерних клеток, которая может происходить как при делении самой облученной клетки, так и при одном из делений в ряду ее поколений, Генетическая нестабильность. Еще одним проявлением лучевого поражения клетки является «генетическая нестабильность», под которой понимается длительное сохранение отклонений в строении и функционировании генетического аппарата, в конечном счете, ДНК-белкового комплекса. Впервые это явление было обнаружено как сохраняющаяся в течение 12—25 поколений повышенная (10 6 ) частота трансформации мышиных клеток после однократного рент- геновского облучения. Механизмы индукции и поддержания генетической нестабильности не ясны. Имеются данные как о роли прямого поражения ДНК, так и о влиянии на генетическую нестабильность измененного клеточного метаболизма, хотя в этом случае не ясно, передаются ли эти изменения от клетки к клетке каким-то цитоплазматическим фактором или существенную роль играют изменения генетической информации, записанной в ДНК. РЕЗЮМЕ Облучение приводит к ряду эффектов, выявляемых на клеточном уровне: замедлению прохождения генерационного цикла, образованию хроматидных и хромосомных аберраций, возникновению микроядер. Сочетание биохимических и цитологических методов позволило определить признаки клеточной гибели, проходящей по апоптотическому и некротическому пути. Предполагается, что некоторые клетки, в первую очередь лимфоидного проис- хождения, «запускают» апоптотический путь гибели клетки при обнаружении повреждений, которые сами по себе не являются летальными. 7 Гибель клеток как по апоптотическому, так и по некротическому пути происходит как в первой интерфазе после облучения, еще до вступления клетки в митоз, так и в интерфазе между последующими делениями. Небольшая часть клеток гибнет после вступления в митоз. Основным количественным критерием лучевого поражения клеток является степень утери клетками клоногенной активности, способности к образованию видимых глазом макроколоний. Количество клеток с хромосомными аберрациями, количество аберраций на клетку, а также число клеток с микроядрами и число микроядер на клетку коррелируют со снижением выживаемости клеток. У некоторых радиорезистентных клеток обнаружено варьирование радиочувствительности, состоящее в крутом спаде выживаемости при дозах 0,1— 0,3 Гр и некотором повышении при дальнейшем увеличении дозы до 0,8 Гр. Эти данные интерпретируются как свидетельство индукции у таких клеток системы репарации, включение которой происходит при дозах 0,2—0,5 Гр, что способствует повышению их выживаемости. Установлено, что поражение клеток, как в культуре, так и на тканевом уровне, наступает не только при их непосредственном облучении, но проявляется и после облучения клеток, находящихся в том же культуральном сосуде, или в составе тка- ни, часть клеток которой подвергается лучевому воздействию. Это явление носит название «коммунального эффекта», или «эффекта свидетеля» (bystander effect). Его природа остается неясной, но к ее раскрытию привлечено внимание многих исследователей. Помимо гибели непосредственно облученной клетки, облучение вызывает гибель части ее потомков в течение нескольких последующих поколений, а также приводит к генетической нестабильности среди ее потомков, проявляющейся в виде повышения уровня аберраций и других форм нарушения структуры ДНК, например, точковых мутаций. Лекция 13. Радиочувствительность. Вариабельность радиочувствительности по фазам клеточного цикла и типам клеток. Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы. Кислородный эффект. Радиочувствительность тканей, органов, организма. Ранние и поздние детерминированные эффекты. Лучевая болезнь. Радиационные синдромы. Терапия лучевой болезни. Радиочувствительность. Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако дозы излучения, приводящие различные объекты к гибели, отличаются друг от друга в очень широких пределах, даже на несколько порядков. Иными словами, каждому биологическому объекту (клеткам, тканям, органам или организмам) свойственна своя мера восприимчивости к воздействию ионизирующей радиации, своя видовая радиочувствительность. В качестве примера крайне низкой радиочувствительности можно привести бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора, которые, испытывая гигантские дозы ионизирующего излучения, не только не погибли, но и размножаются, в связи, с чем они названы Micrococcus radiodurens — радиорезистентный микрококк. Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида — индивидуальная радиочувствительность, к тому же зависит от возраста и пола. Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочув- ствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой 8 тонкого кишечника) имеются радиоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными. Применительно к абсолютному большинству радиобиологических задач в качестве такого интегрального критерия радиочувствительности обычно используют либо непосредственно изменение выживаемости изучаемых объектов в результате облучения в определенных дозах, либо такие количественные показатели поражения, которые в данном диапазоне доз однозначно связаны определенным соотношением с выживаемостью. Под радиочувствительностью понимают степень реакции клеток, тканей, органов или организмов на воздействие ионизирующего излучения. Мерой количественной оценки радиочувствительности является доза облучения, при которой возникает регистрируемый эффект. Наиболее часто с этой целью используют так называемую величину ЛД 50 — дозу, приводящую к гибели 50% подвергнутых радиационному воздействию особей. Величины ЛД 50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида (например, между мышами разных линий). В таблице представлены данные, характеризующие большие различия в радиочувствительности различных биологических объектов: в дозах γ-излучения, вызывающих гибель 50% объектов. Биологический вид Доза, Гр* Биологический вид Доза, Гр Человек 2,5 — 4 Птицы 8-20 Обезьяна 2,5 — 6 Рыбы 80 - 200 Овца 1,5 — 3 Змеи 10—100 Собака 2,5 — 3 Насекомые 10-1500 Осел 2 — 4 Растения Кролик 9 — 10 Хомяк 9 — 10 Мыши разных линий 6 — 15 Крысы разных линий 7 — 9 *Гр (грей) — единица измерения поглощенной дозы излучения ). Проблема радиочувствительности занимает центральное место в радиобиологии, ибо познание природы естественной радиочувствительности и механизмов ее регуляции имеет не только большое теоретическое значение в общебиологическом плане, но и практически важно, имея в виду возможность искусственного управления лучевыми реакциями тканей — их ослабление, в случае противолучевой защиты организма, или усиление — при облучении злокачественных опухолей. Вариабельность радиочувствительности клеток. Радиочувствительность разных видов клеток варьирует в широких пределах. Наиболее радиочувствительными среди всех видов клеток организма являются клетки лимфоидного происхождения, для которых обычная величина D 50 составляет 0,5 Гр. Высокая радиочувствительность характерна и для опухолевых клеток лимфоидного происхождения. Представление о радиочувствительности нормальных клеток другого происхождения дают данные о параметрах кривых доза—эффект для клеток нормальных тканей грызунов. 9 По степени проявления морфологических изменений клетки и ткани млекопитающих, т.е. по степени возрастания радиочувствительности можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткань, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань и костный мозг. Исходы поражения зародышевых и соматических клеток при воздействии ионизирующей радиации различны. Когда поражаются зародышевые клетки, возникающие мутации (генные и хромосомные) с той или иной скоростью, зависящей от степени доминантности и от степени снижения жизнеспособности, элиминируются (выводятся) из популяции. Но многие мутации, в особенности рецесивные, благодаря генетическому дрейфу и эффекту родоначальника, могут размножаться в популяции и приводить к увеличению числа случаев врожденных уродств, аномалий обмена веществ и т.д. Мутационные изменения в соматических клетках могут выражаться в гибели клеток или в приобретении клеткой новых наследственных свойств, которые проявляются процессами малигнизации, преждевременного старения клеток и тканей, развитием новообразований. Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что критической мишенью радиационного поражения клеток является ДНК, облучение на клеточном уровне приводит к замедлению прохождения цикла деления клетки, образованию хроматидных и хромосомных аберраций, возникновению микроядер, гибели клеток по апоптотическому и некротическому пути в интерфазе деления и после вступления в митоз. Радиочувствительность клеток на разных стадиях цикла Изменение радиочувствительности по фазам цикла прослежено для нескольких видов клеток. Общий вывод таков, что наиболее радиочувствительными клетки оказываются в митозе. В фазе G1 радиорезистентность клеток линии HeLa сначала возрастает, а потом снижается, вновь возрастая в S-фазе, в то время как у клеток китайского хомячка линии V-79 радиорезистентность постоянно растет, достигая максимума в конце S-фазы. В периоде G 2 радиорезистентность вновь снижается. Особняком находятся данные, полученные при изучении фибробластов мышей линии L, у которых клетки в предсинтетическом периоде более радиорезистентны, чем в периоде S. Виды тканей Д о Лимфоидные клетки 0,5 Клетки костного мозга (кроветворные) 0,9-1,0 Клетки эпителии кишечника 1,3 Клетки спермиогонного эпителия 1,7 Эпителии почечных канальцев 1,5-1,6 Эпителии альвеол молочной железы 1,3 Фолликулы щитовидной железы 2,0 Радиочувствительность клеток по Д 0 *, Гр Примечание. Д 0 - доза, при которой доля живых клеток уменьшается в сравнении с исходной в е раз (е - основание натуральных логарифмов = 2,72 10 Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы. В 1912 г. Г. Шварцем было замечено, что после рентгенотерапии опухолей на гиперемированной коже больных остается более светлая область, повторяющая форму окна тубуса рентгеновской трубки, которую в те годы старались плотно прижать к коже, что вызывало временную локальную ишемию. Как выяснилось позднее, именно прекращение кровотока и вызванное им снижение концентрации кислорода было причиной уменьшения лучевых реакций. Сейчас установлено, что кислород является одним из наиболее сильных модификаторов радиочувствительности. Явление зависимости тяжести лучевого поражения от содержания кислорода в окружающей клетки среде — усиление при повышении концентрации и уменьшение при ее снижении — в радиобиологии называют кислородным эффектом (КЭ). В радиационной биологии принято говорить о радиосенсибилизирующих и радиозащитных веществах (и агентах); при этом имеется в виду, что идеальные сенсибилизаторы или защитные вещества сами по себе не влияют на конечный эффект облучения. Кроме того, радиомодификаторами принято называть агенты, которые должны присутствовать или воздействовать на клетку (если это агенты физической природы) непосредственно в момент облучения. Для оценки радиомодифицирующего эффекта используют три критерия. Основной из них — фактор изменения дозы (ФИД) — отношение равноэффективных доз в опыте и контроле; при этом как при усилении, так и при ослаблении лучевого эффекта берется отношение большей дозы к меньшей. Величина ФИД является наиболее полной характеристикой эффективности модификатора. Для ее определения нужно располагать дозовыми зависимостями исследуемого эффекта, например кривыми выживания в опыте и контроле. При рассмотрении радиомодифицирующего действия кислорода величину ФИД часто называют коэффициентом кислородного усиления (ККУ), что является дословным переводом англоязычного термина «oxygen enhancement ratio» (OER). Кислородный эффект. Радиомодифицирующее действие кислорода связано с его электронакцепторными свойствами, благодаря которым он присоединяется к радикалам ДНК, образующимся при прямом и косвенном действии излучений. При ионизации атомов на одном из участков макромолекулы образуется неспаренный электрон, который и захватывается кислородом на свою орбиту, и кислород, таким образом, присоединяется к молекуле ДНК в месте разрыва одной из химических связей. Такая модификация макромолекулы снижает эффективность ее репарации, а также меняет закодированную в ней информацию, что при синтезе белка приводит к вставке в молекзулу «неправильного» аминокислотного остатка. Помимо «фиксации», уменьшения репарабельности лучевых повреждений за счет присоединения к радикалам ДНК, кислород также способствует формированию более активных продуктов радиолиза воды, тем самым увеличивая число «первичных» повреждений макромолекул. Рассмотрим основные показатели радиомодифицирующего действия кислорода и их зависимость от условий облучения. Кислород является одним из самых сильных модификаторов радиочувствительности. Для проявления сенсибилизирующего действия кислород должен находиться в клетке непосредственно в момент радиационного воздействия или поступить в клетку в течение нескольких микросекунд после акта ионизации. Величина кислородного эффекта зависит от ЛПЭ излучения, снижаясь при ее возрастании. При ЛПЭ свыше 150 кэВ/мкм кислород перестает модифицировать радиочувствительность клеток. Промежуточное значение (1,6) имеют быстрые нейтроны с энергией 15 МэВ и ЛПЭ 80 кэВ/мкм. Общепринятых представлений о причинах снижения радиозащитного действия гипоксии для плотноионизирующих излучений не существует. Одно из них объясняет 11 снижение защитного действия гипоксии фактором объема локального поражения ДНК, ко- торое при действии плотноионизирующих излучений столь велико, что вообще не репарируется, независимо от того, присоединился ли кислород в местах разрыва внутримолекулярных связей. Увеличивать радиочувствительность наряду с кислородом могут и другие соединения, обладающие электронакцепторными свойствами. Такие соединения специально разрабатываются для сенсибилизации гипоксических опухолевых клеток, повышенная радиорезистентность которых отрицательно влияет на эффективность лучевой терапии. Антагонистами кислорода, его конкурентами за взаимодействие с радикалами макромолекул в клетке выступают эндогенные доноры электрона, в первую очередь соединения, имеющие SH-группы. При присоединении электрона макромолекула теряет свою химическую активность (электроны становятся парными) и уже не взаимодействует с кислородом. Поэтому при изменении в клетке концентрации эндогенных SH-содержащих соединений, например глутатиона, кислород начинает сенсибилизировать клетки при более низком парциальном давлении. Действие многих радиозащитных препаратов основано на повышении количества SH-соединений в клетке. Действие ИИ на организм человека. Многообразие сложной картины лучевого поражения организма определяется особым свойством ионизирующих излучений, не присущим ни одному другому агенту внешней среды. Речь идет об их проникающей способности (отсюда и название — проникающая радиация). В результате общего (тотального) облучения ни один участок организма не остается интактным от радиационного воздействия. Это определяет одновременно и своеобразие, и многообразие форм непосредственных и отдаленных последствий облучения. Закономерности поражения организма определяются двумя факторами: 1) радиочувствительностью отдельных тканей, органов и систем, в том числе и критических, — ответственных за выживание организма; 2) величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в облучаемом объеме и во времени. Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после него или в отдаленные сроки) и их значимость для организма (преходящие или летальные). Радиочувствительность тканей, органов, организма. При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все проявления радиационных эффектов усложняются. Это происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов; следовательно, ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. |