В основі будь-якого радіобіологічного ефекту на різних рівнях його прояву лежить реакція клітин, індукована ушкодженням певних їхніх структур. Одним із фундаментальних радіобіологічних ефектів є радіаційна загибель клітин і багатоклітинних організмів – наслідок інактивації життєво важливих ультраструктур клітин і подальшого системного за своєю сутністю процесу розвитку радіаційного ураження.
Системність радіаційного ураження полягає в тому, що кінцевий ефект – загибель клітини або багатоклітинного організму – є результатом багатьох подій, започаткованих первинними радіаційно-хімічними перетвореннями порівняно не дуже великої кількості молекул, а іноді лише однієї.
Розрізняють два типи загибелі клітин: проліферативну та інтерфазну. У разі проліферативної загибелі клітина втрачає здатність до поділу, а отже, до утворення дочірніх клітин.
Клітини, які зазнали проліферативної загибелі, виявляють певні ознаки життєдіяльності: в них відбуваються основні процеси метаболізму, біосинтез білків та інших речовин, рух цитоплазми, зберігається мембранна проникність тощо.
Інтерфазна загибель – це цілковита втрата життєздатності клітини, що супроводжується її лізисом. Якщо проліферативна загибель виявляється лише для клітин, здатних до поділу, під час їх мітозу, то інтерфазна загибель реєструється в усіх клітин за припиненням їхньої життєдіяльності в будь-який момент. Тому цю форму загибелі й назвали інтерфазною.
Кількісною мірою летальної дії опромінення є виживаність. Виживаність клітини або багатоклітинного організму W=1-L, де L – смертність. Аналіз дозової залежності виживаності вможливлює порівняння радіостійкостей різних видів організмів, тих або інших типів клітин, і в чисельних значеннях параметрів кривих дозових залежностей відображаються особливості тих клітинних структур, із радіаційного ураження яких розпочинається процес формування радіобіологічних ефектів.
Проліферативну загибель клітин здебільшого досліджують методом макроколоній. Суспензію клітин, які здатні до поділу, опромінюють іонізуючою радіацією в різних дозах, і після відповідного розведення суспензії клітини висівають на тверде поживне середовище, так щоб його поверхня була вкрита доволі рідко розташованими поодинокими клітинами. Після утворення макроколоній із клітин, що не зазнали проліферативної загибелі, підраховують кількість макроколоній. Порівнюючи кількості колоній, що утворилися з посіву опромінених клітин (N1), і в посівах неопромінених (контрольних) клітин (N2), за такого самого розведення, визначають виживаність популяції, частина клітин якої зазнала проліферативної загибелі (N1/N2).
Далеко не всі типи клітин, здатних до поділу, можна використовувати для визначення дозових залежностей проліферативної загибелі методом макроколоній.
Дозові залежності проліферативної загибелі клітин досліджують на бактеріях, клітинах гаплоїдних і диплоїдних дріжджів, культурі ізольованих клітин тварин, людини, рослин. Дозова залежність проліферативної виживаності організмів до дії іонізуючих випромінювань істотно залежить від їхнього фізіологічного стану. Для вивчення виживаності клітин in situ використовують метод розведення та систему колонієутворення кісткового мозку.
Метод розведення полягає в тому, що з тварин-донорів вилучають різні кількості клітин пухлин, які ін’єкціями вводять у тварин-реципієнтів, після чого визначають кількість клітин, необхідних для того, щоб у половини тварин-реципієнтів виникли пухлини (TD50). Співвідношення цих кількостей для контрольних та опромінених донорів береться як значення фракції клітин, що виживали. Наприклад, вважають, що для прищеплювання лейкемії достатньо двох клітин, і якщо, скажімо, внаслідок ін’єкції 20 опромінених клітин розвинулась одна пухлина, то вижило дві клітини з 20.
Опрацьовано систему для кількісної оцінки виживаності колонієтвірних клітин кісткового мозку, опромінених in vivo. Як реципієнтів використовують 8-12 тижневих гібридних мишей, котрих опромінюють у суперлетальних дозах (понад 9…10 Гр). При цьому стерилізується кістковий мозок. Клітини ізологічного кісткового мозку, взяті з інших тварин, інтравенозно вводять реципієнтам. Через 10-11 днів підраховують кількість колоній клітин, утворених у тварин-реципієнтів. Як виявилося, для утворення однієї колонії необхідно близько 10000 клітин. Зазначену величину враховують, оцінюючи виживаність клітин після опромінення (рис. 1).
0 1 2 3 4 5 6 D, Гр
Рис. 1
Дозова залежність виживаності клітин кісткового мозку в разі опромінення гамма-радіацією
Дозові залежності проліферативної виживаності здебільшого мають вигляд експоненціальних кривих. Відповідно аналітичний вираз, що описує криву дозової залежності виживаності, є експоненціальною функцією:
N/N0=e-kD,
де N – кількість клітин, що вижили після опромінення; N0 – загальна кількість клітин, опромінених у дозі D; k – коефіцієнт, що характеризує кут нахилі експоненти до осі абсцис; е – основа натурального логарифма.
Очевидно, чим ця крива крутіша, тим більше зменшується виживаність у разі зростання дози, що є свідченням вищої радіочутливості кілтин. Тому константу k можна використовувати як коефіцієнт радіочутливості.
Оскільки на кривій доза ~ ефект немає чіткого граничного значення дози, за якого не виживає жодна клітина, для характеристики радіостійкості клітин введено спеціальну величину – дозу, за якої гине певна частина клітин введено спеціальну величину – дозу, за якої гине певна частина клітин у популяції. Часто використовують значення дози, за якого гине половина клітин. Це – так звана напівлетальна доза D50. У разі опромінення клітин у цій дозі відповідно виживає 50% клітин.
Поняття напівлегальної дози стосується популяції – достатньо великої кількості однорідних клітин, що зазнають опромінення. Стосовно ж окремої клітини ця величина трансформується в характеристику ймовірності її інактивації. Дозі D50 відповідає ймовірність інактивації 0,5, тобто рівноймовірно, що клітина або загине, або залишиться неушкодженою.
На відміну від проліферативної загибелі клітини, інтерфазна загибель – це цілковите припинення життєдіяльності клітини, її смерть. Кількісною оцінкою інтерфазної загибелі клітини є процент клітин у популяції, які після опромінення загинули, не вступаючи в мітоз.
Виявити інтерфазну загибель можна за допомогою барвників, які проникають крізь мембрану й забарвлюють уміст клітини лише в разі її остаточної загибелі, коли плазмолема втрачає свою бар’єрну функцію.
Було б невірним вважати, що інтерфазна загибель клітин спостерігається лише у випадку опромінення в дозах, котрі перевищують ті, за яких відбувається проліферативна інактивація. Іноді інтерфазна загибель індукується опроміненням у порівняно малих дозах.
Регульована клітиною загибель називається апоптозом, або плановою загибеллю, на відміну від некрозу – необоротного припинення життєдіяльності клітини, причини якого не пов’язані з регуляцією, а є наслідком несприятливих впливів.
У багатоклінних вищих організмів є диференційовані тканини, клітини яких зазвичай мають значно вищу радіостійкість, ніж клітини твірних тканин. Логічно припустити, що в разі дії іонізуючого випромінювання на багатоклітинний організм насамперед ін активуються найчутливіші клітини, й це може спричинити загибель організму.
Дозові залежності виживаності багатоклітинних організмів часто характеризуються наявністю інтервалу в області малих доз, за яких виживаність, котру реєструють протягом певного часу після опромінення, не змінюється. Це свідчить про компенсацію функцій радіо чутливих клітин, які були інактивовані внаслідок опромінення, якщо їх число не перевищує певного критичного значення.
Загибель багатоклітинних організмів настає відразу за дуже високих доз іонізуючого випромінювання, коли основною причиною смерті є масове радіаційно-хімічне ураження молекул. Тому цю форму загибелі називають молекулярною (“смерть під променем”).
За менших доз загибель опромінених організмів від інактивації радіочутливих клітин спостерігається не відразу після опромінення, а через певний час. Проміжки часу, протягом якого гинуть усі особини, приречені на загибель через опромінення, дуже відрізняються для різних видів тварин і рослин. Наприклад, індукована опроміненням загибель усіх особин дрібних гризунів настає через 30 днів. Для рослин цей час буває значно більшим.
Зазначені часові характеристики загибелі багатоклітинних організмів унаслідок опромінення дають підставу використовувати як міру радіостійкості значення напівлетальної дози на певний час після опромінення D50/30, де 50 – процент загибелі особин, 30 – день, в який визначається виживаність.
Контрольні запитання теми 6:
1. Поняття модифікації радіаційного ураження організму.
2. Суть протирадіаційного біологічного захисту і сенсибілізації радіаційного
ураження.
3. Фізичні радіозахисні і радіосенсибілізуючі фактори.
4. Механізм реалізації кисневого ефекту в клітині і коефіцієнт кисневого
підсилення (ККП).
5. Фактор зміни дози (ФЗД) і його числові значення для радіозахисних і
радіосенсибілізуючих факторів.
6. Хімічні радіозахисні речовини.
7. Визначення поняття радіопротекторів та їх класифікація.
8. Порівняльна ефективність радіопротекторів окремих класів.
9. Шляхи практичного застосування радіопротекторів і радіосенсибілізаторів.
10. Радіоблокіратори і радіодекорпоранти.
І1. Визначення поняття післярадіаційного відновлення.
12. Класифікація типів післярадіаційного відновлення.
13. Види репараційного відновлення.
14. Механізм ексцизійної репарації ДНК.
15. Роль асинхронності клітинного поділу у репопуляційному відновленні
твірних тканин.
16. Роль клітин і тканин, що перебувають в стані спокою, у післярадіаційному відновленні.
17. Роль апікального домінування в регенераційному відновленні рослин.
І8. Особливості компенсаторного відновлення.
19. Можливості управління процесами післярадіаційного відновлення.
Рекомендована література
Белов А.Д., Косенко А.С., Пак В.В., Лысенко Н.П., Рогожина Л.В. Практикум по ветеринарной радиобиологии. - М.: Агропромиздат, 1988. – 240 с.
Гудков І.М., Віннічук М.М. Сільськогосподарська радіобіологія. - Житомир: ДАУ, 2003. – 472 с.
Гудков І.М., Ткаченко Г.М. Основи сільськогосподарської радіобіології та радіоекології. – К.: Вища школа, 1993. – 257 с.
Гудков И.Н., Ткаченко Г.М., Кицно В.Е., Практикум по сельскохозяйственной радиобиологии. - К.: УСХА, 1992. - 207 с.
5. Довідник для радіологічних служб Мінсільгосппроду України. – К.: Вид-во “Нора-прінт”, 1997. – 200 с.
6. Ильин Л.А., Кириллов В.Ф., Коренков И.П. Радиационная гигиена. – М.: Медицина, 1999. – 380 с. или Кириллов В.Ф., В.А.Книжников, И.П.Куренков. Радиационная гигиена. - М.: Медицина, 1988. - 336 с.
7. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 192 с.
