Радіочутливість живих систем та її модифікація

Радіочутливість живих систем та її модифікація

Всі живі організми мають власну радіочутливість — здатність реагувати у відповідь на подразнення, що викликанє поглинутою енергією іонізуючого випромінення. Радіочутливість частіше всього оцінюється за смертельною дією радіації. Різні біологічні об'єкти мають різний рівень радіочутливості. Наприклад, деякі найпростіші організми, бактерії, віруси здатні переносити величезні дози радіації 1000−10 000 Грн (10 000−1 000 000 Р) й при цьому зберігати свою життєдіяльність. У ссавців стійкість до іонізуючих випромінювань набагато менша. Аналліз нещасних випадків показує, що абсолютна смертельна доза для людини, це 600+/-100 Р, а безпосередні (найближчі) ефекти опромінення не розвиваються при дозах менших 100 Р короткочасового опромінення.

Взагалі чутливість клітини до опромінення залежить від швидкості процесив обміну, що відбуваються вони, кількості внутрішньоклітинних структур та інтенсивності поділу клітин.

Складність та різноманітність процесів, що мають місце між початковим поглинанням радіаційної енергії та кінцевим проявом біологічного ушкодження, обумовлюють можливість багаточисельних модифікацій. Різні фізичні, хімічні та біологічні фактори можуть модифікувати число радіаційних ушкоджень.

Радіочутливість.

Радіочутливість — це здатність живих організмів реагувати у відповідь на подразнення, викликане поглинутою енергією іонізуючого випромінення. Радіочутливість частіше на оцінюють за смертельною дією радіації.

У 1906 році Бергон'є та Трибондо вивчаючи дію опромінення на сім'яники щурів, з’ясували, що герменативні клітини значно пошкоджувались при опроміненні, у тому годину як інтерстеціальні залишалися непошкодженими. На основі цих спостережень смердоті сформулювали закон, який каже, що клітини є радіочутливими, якщо смердоті мають високу мітотичну активність, якщо в нормі смердоті здатні до великої кількості поділів, й якщо смердоті морфологічно й функціонально не диференційовані. Диференційована клітина — це зріла спеціалізована клітина, що не схильна до поділу. Таким чином радіочутливість тканини прямо пропорційна її мітотичній активності та обернено пропорційна ступеня диференціювання клітин, із які вона утворена. Отож, тканини, що діляться, є дуже радіочутливими, а более диференційовані є более резистентними.

То в ссавців печінка, м’язи, мозок, кістки, хрящі та сполучна тканина відносяться до резистентних, оскільки ці тканини у дорослих проявляють низьку проліферативну активність й складаються з спеціалізованих зрілих клітин. Навпаки ж клітини кісткового мозку, гермінативні клітини яєчників та сім'яників, епітелій кишківника та шкіри є сильно радіочутливими. Виключення: овоцити та лімфоцити хоч й не діляться, але й є радіочутливими.

дія іонізуючого опроміненя на рівні клітини.

Завдяки деяким захисним системам різномаінтні організми зберегли свою спадкову інформацію. Тому дози іонізуючого випромінення, що відповідають природного фонові, не шкідливі для життєдіяльності переважної більшості організмів та їхнього потомства. Проте навіть природний рівень випромінення в окремих випадках може спричинити шкідливі мутації. З підвищенням дози іонізуючої радіації імовірність виникнення таких змін зростає.

За ефектом прояву розрізняють два основних типи ушкожень ДНКсублетальні та потенційно летальні. Перші не можна вважати безпосередньою причиною загибелі клітин, але й смердоті сприяють їй при тривалому чи наступному опроміненні. Прикладом є одиниічні розриви нитки ДНК — смердоті не смертельні, проте чим їхні понад, тім імовірнішою стає поява подвійних розривів, котрі зумовлюють зазагибель клітини. Потенційно летальні ушкодження ДНК спричиняють зазагибель клітин, але й за певних умів смердоті усуваються завдяки реперативним системам.

Під годину дії іонізуючого випромінення уражуються також й інші біологічно активні сполуки, проте кількість клітин, що гинуть, значно менша, ніж у разі порушення структури ДНК. До таких речовин належати білки, ліпіди, вуглеводи, гормони й вітаміни.

При поглинанні білковими розчинами досить високих доз енергії випромінення (100 Грн й понад) змінюється конформація білкових молекул, відбувається їхня агрегація та деструкція. Якщо організм тварин опромінюється значно меншими дозами (приблизно 50 Грн), знижується концентрація вільних амінокислот, особливо метіоніну та триптофану, що сповільнує біосинтез білка. Зменшення вмісту сульфгідрильних груп у тканинах опроміненого організму — один із найбільш ранніх ефектів дії іонізуючого випромінення, що проявляється, мабуть, внаслідок впливу радикалів й перекисів.

Ферментні системи реагують на опромінення по різному: їхня активність може зростати, знижуватись чи залишатись незмінною, проте при великих дозах смердоті інактивуються.

Високою чутливістю до дії іонізуючого опромінення характеризуються процеси, що супроводжуються утворенням АТР. Насамперед це окислювальне фосфорилювання у внутрішній мембрині мітохондрій.

Опромінення розчину простих сахарів високим дозами спричинює їхнє окислення й розпад, полісахаридів — зменшення в’язкості й розпад на прості сахари. При поглинанні організмами доз 5−10 Грн порушуються процеси розщеплення глюкози, знижується вміст глікогену в тканинах, змінюються властивості ряду вуглеводів.

Дія іонізуючого випромінення призводить до підвищення окислюваності ліпідів, що зумовлює утворення перекисів, до перерозподілу вмісту ліпідів в різних тканинах.

Поглинена макромолекулами енергія може мігрувати по молекулах, зумовлюючи зміни в найслабших місцях. Насідком таких процесів є порушення структури та функцій біологічних мембран, а згодом й метаболізму (розпад білків, нуклеїнових кислот).

Іонізуюче випромінення зумовлює різноманітні ушкодження внутрішньоклітинних структур. Найчутливішими до радіації у клітинах ссавців є мітохондрії та ядро. При ушкодженні мітохондрій порушуються процеси енергозабезпечення клінити. Власлідок змін у ядрі пригнічуються енергентичні процеси, порушується функція мембрани. Можливі також усі види мутацій (зміну числа й структури хромосом, структури генів), що призводить до утворення білків із порушеною структурою, котрі втрачають біологічну активність.

Чутливість клітин до випромінення залежить від швидкості процесів обміну, що відбуваються у яких, й кількості внутрішньоклітинних структур. Клітини із великою кількістю мітохондрій менш чутливі; клітини із диплоїдним набором хромосом менш чутливі за клітини із гаплоїдним набором хромосом.

Слід зазначити, що кінцевий ушкоджуючий ефект радіації залежить від активності процесів відновлення, бо значна частина первинних ушкоджень є потенційними й реалізується, якщо не відбуваються відновні процеси.

дія іонізуючого опроміненя на рівні багатоклітинного організма.

як правило, існує взаємозв'язок між рівнем розвитку організму і чутливістю до іонізуючого опроміненя. Так, багатоклітинні організми чутливіші, ніж одноклітинні; найбільшу сприйнятливість мають ссавці.

Поглинені дозі, котрі призводять до загибелі половини популяції (ЛД50), для різних організмів мають такі значення,.

Причини різної чутливості організмів до іонізуючого опромінення досконало ще не вивчено. Низьку чутливість комах й ракоподібних намагаються пояснити підвищеним вмістом у яких сполук, котрі мають радіопротекторні властивості: у комах це каталаза, що розщеплює перекису, а й у ракоподібних — амінокислоти, аміни й поліпептиди, що беруть доля в регуляції осмотичного тиску. Чутливість ссавців до опромінення залежить від індивідуальних особливостей організмів й умів їхньої життєдіяльності. Найчутливішими до дії радіації є ембріони й немовлята, клітини які мають високу активність зростанню. Підвищеною є також радіочутливість у старих особин, оскільки вони погіршуються процеси відновлення.

Ефект дії радіації залежить також від того, котрі саме тканини й органи зазнали опромінення. Всі органи й частини тіла теплокровних тварин й людини за своєю радіочутливстю поліляють на окремі групи.

Залежність ураження від поглинутої дози подано в Таблиці 2.

Складність та різноманітність процесів, що мають місце між поглинанням радіаційної енергії та кінцевим проявом біологічного ушкодження, обумовлюють можливість багатьох модифікацій. Різні фізичні, хімічні та біологічні фактори можуть модифікувати число радіаційних пошкоджень.

Фізичні фактори, що впливають на радіаційний ефект.

Зі збільшенням дози опромінення звичайно збільшуються біологічні ушкодження. Чим більша доза — тім більший ефект. Це твердження є вірним лише частково, бо необхідно враховувати потужність дози, якість опроміення (ЛПЕ), а також ефект фракціонування дози. У загальному випадку ефект при даній дозі опромінення зменшується з зменшенням потужності дози опромінення. Наприклад, при зменшенні потужності дози вихід двухударних аберацій на одиницю дози також зменшується.

Біологічні фактори, що впливають на радіаційний ефект.

По-перше, біологічна ефективність опромінення — радіаційна зазагибель клітин — залежить від фази клітинного циклу. Важливу роль модифікації числа біологічних ушкоджень відіграють також різні репараційні механізми. По-друге, радіочутливість та радіорезистентність тканин залежить від їхнього проліферативної активності (закон Бергон'є - Трибондо). Будь-яка зміну проліферативної активності тканин може радикально змінити її реакцію на опромінення. По-третє, як було б уже зазначено в таблиці 1, різні види тварин мають різну чутливість до опромінення. І нарешті, у всіх видів, включаючи людину, велику роль зміні радіочутливості можуть відігравати генетичні фактори та гормональний баланс, хоча заподій їхнього відмінностей не завжди можна пояснити.

Хімічніі фактори, що впливають на радіаційний ефект.

Хімічні фактори, що впливають на радіаційний ефект, можна поділити на дві групи — сенсибілізатори та протектори. Сполуки, що підвищують ефективіність опромінення, — сенсибілізатори; найбільш відомими із них є кисень, сенсибілізатори гіпоксичних клітин та гаплоїдні піримідини. Речовини, котрі знижують ефект опромінення, називаються протекторами. До них відносяться, наприклад, цистеїн, цистеанін, глутатіонін та ін. — усі ці речовини мають сульфгідрильну групу SH.

Кисневий ефект. У присутності молекулярного кисню майже усі досліджені біологічні системи є более чутличими до рентгенівського та ?-випромінення, ніж при опроміенні в умовах низького вмісту кисню (гіпоксія) чи у відсутності його (аноксія). Ця властивість кисню підвищувати ефективність опромінення має назву кисневого ефекту й є одним із найбільш фундаментальних явищ в радіобіології. Кисень кількісно модифікує вихід радіаційних ушкоджень, але й не змінює їхні якісно, він лише зменшує дозу випромінення, котра є необхідною для індукції певного біологічного ефекту:

1. сенсибілізація за рахунок фіксації ушкоджень;

2. сенсибілізація за рахунок електронакцепторних властивостей.

Сенсибілізатори гіпоксичних клітин. Ці речовини здатні вибірково.

збільшувати чутливість гіпоксичних клітин до летального ефекту випромінення. Вони діють за тім ж принципом, що й кисень й є гарними електронакцепторами. Вони не сенсибілізують добро оксигеновані, тобто нормальні тканини й здатні дифундувати в тканинах набагато далі ніж кисень. Сенсибілізаторами є такі сполуки як: хінони, ацетофенони, нітрофурани, гліоксалі та нітроімідазоли. Наприклад, мізонідазол здатний підвищувати радіочутливість гіпоксичних клітин в пухлинах експериментальних тварин в 2,5 рази. Сенсибілізатори гіпоксичних клітин застосовуються при радіотерапії пухлин.

Протектори. Додавання хімічних захисних агентів знижує ефективність випромінення в 1,5 — 2 рази. Щоб бути достатньо ефективними, усі захисні агенти мають бути присутні под годину опромінення й знаходитися достатньо близько від критичних місць радіоційного ушкодження. Пострадіаційне застосування захисних агентів є неефективним. До добро вивченої групи захисних агентів відносяться: сірковмісні амінотіоли та їхнього дисульфіди, включаючи цистеїн, цистамін, цистеамін, меркаптоетігунідин, S-(2-амін-етіл)-ізотіуроній-бромід та глутатіон. Механізм їхні дії полягає в переносі атома водню до вільного біологічного радикалу, який таким чином репарується.