Модифікація радіобіологічних ефектів

 

Поняття модифікації променевого ураження є широким за змістом, охоплює коло найрізноманітніших ефектів. Складність та різноманітність процесів, що мають місце між початковим поглинанням радіаційної енергії та кінцевим проявом біологічного ураження, обумовлюють можливість багато чисельних модифікацій. Різні фізичні (кількість дози, температура тощо), хімічні (сенсибілізатори, протектори) та біологічні (клітинні цикли, проліферативна активність тощо) фактори можуть модифікувати радіаційні ефекти.

Під впливом певних модифікаторів ультраструктурні мішені клітини можуть переходити у такий стан, коли їх ураження внаслідок опромінення буде більшим або меншим порівняно з біологічними об’єктами, які не зазнали дії модифікаторів. За характером розрізняють позитивну й негативну модифікацію променевого ураження.

Під модифікацією радіаційного ураження слід розуміти зміну ступеня прояву радіобіологічного ефекту втручанням у процес його розвитку за допомогою чинників фізичної або хімічної природи до, під час або після опромінення.

Модифікацію променевого ураження можна розглядати на молекулярному, клітинному, тканинному, органному, системи органів, організменому, популяційному і біоценозному рівнях.

Слід виділяти дві групи факторів, які модифікують радіаційне ураження. Перша група - фактори, що знижують ступінь радіаційного ураження, і друга - фактори, які підвищують його.

Коли модифікаційні впливи виявляються ефективними лише за умови їх наявності в момент опромінення, то механізм їхньої дії пов’язаний із впливом на радіаційно-хімічні реакції.

Коли модифікаційний ефект виявляється після опромінення, то це пов’язано зі змінами процесів репарації і розвитку опроміненого об’єкту.

За своєю природою модифікаційні фактори можуть бути наступними:

- Фізичні. Вони пов'язані власне з характером опромінення. До них можна віднести фізичні поля, під дією яких змінюється розвиток променевого ураження різної природи. Звичайно фізичними модифікаторами є температура, фотомодифікація, малі дози радіації, вологість, тиск тощо.

- Хімічні. До них можна віднести речовини, під впливом яких змінюється інтенсивність прояву радіобіологічних реакцій.

1. Сенсибілізатори. Сенсибілізація (лат. sensibilis – чутливість) – це підвищення чутливості організму, окремих органів, тканин, клітин до дії того чи іншого фактору. Сенсибілізація лежить в основі алергічних захворювань. Наприклад, сенсибілізатором радіочутливості є кисень. Так, у присутності кисню майже всі біологічні системи є більш чутливими до рентгенівського та гама-опромінення, ніж при опроміненні в умовах низького вмісту кисню (гіпоксії) або при його повній відсутності (аноксії). Ця властивість кисню підвищувати ефективність опромінення одержала назву кисневого ефекту. Кисень модифікує радіаційне ушкодження, він не змінює їх якісно, а лише зменшує дозу, яка стає достатньою для індукції певного біологічного ефекту. Сенсибілізаторами є такі сполуки як хінони, ацетофенони, нітрофурани, гліоксани та нітроімідазоли. Підвищують радіочутливість катіони срібла і ртуті. Сенсибілізатори застосовують при радіотерапії, вводячи їх до злоякісних пухлин, при цьому радіочутливість їх підвищується в 2 і більше разів.

Велике значення для радіаційно-хімічних реакцій має газове оточення.

Дослідження радіосенсибілізації є актуальною проблемою. При цьому слід визначати фізико-хімічні, біохімічні, фізіологічні зміни та особливості радіогенних структурних а також функціональних змін в біологічних системах.

Реакція надчутливості (РНЧ) має важливе значення в радіотерапії. ЇЇ використовують при захисті рослин від фітопатогенних мікроорганізмів.

2. Протектори - це група речовин, які знижують ефект опромінення, якщо вони вводяться в організм до опромінення (перед опроміненням). До ефективних радіопротекторів відносять речовини, які містять сульфгідрильні групи (-SH). До них відносяться, наприклад, цистеїн, цистамін, глутатіон, меркаптоетігунідин, S-(2-амін-етіл)-ізотіуроній-бромід та інші речовини. 

Додавання протекторів (хімічних захистних агентів) в 1,5-2 рази знижує радіаційний ефект. Але, щоб реалізувати свою захисну дію, протектори мають бути присутніми під час опромінення і знаходитись безпосередньо в місцях критичного радіаційного ушкодження. Пострадіаційне застосування протекторів не є ефективним. Величину дії радіопротектора виражають фактором зменшення дози (ФЗД) – відношення дози опромінення без застосування радіопротектора до дози, коли застосовується радіопротектор.

Захисна дія радіопротекторів є видоспецифічною. Деякі радіопротектори можуть захищати мікроорганізми і не захищати ссавців.

Радіопротектори частково запобігають виникнення хімічно активних радикалів, що утворюються під впливом випромінювання. Механізми дії радіопротекторів різні. Одні з них вступають у хімічну реакцію з радіоактивними ізотопами, що попадають в організм, і нейтралізують їх, утворюючи нейтральні речовини, які легко виводяться з організму. Інші мають відмінний механізм. Одні радіопротектори діють протягом короткого проміжку часу, час дії інших більш тривалий. Існує кілька різновидів радіопротекторів: таблетки, порошки і розчини.

- Біологічні. До таких модифікаторів можна віднести фази мітотичного ділення, функціональну здатність системи репарації, проліферативну активність клітин, генетичні фактори, вік, фізіологічний і клінічний стан організму, здатність клітин нагромаджувати продукти метаболізму, що виявляють властивості радіомодифікаторів. 

Як правило всі ці фактори (фізичні, хімічні, біологічні) діють паралельно і проявляються у комплексі. Цим певною мірою можна пояснювати явища синергізму (невідповідності незалежної дії суми ефектів реальному ефекту дії радіації на біологічний об’єкт).

Всі модифікатори за ефектом і часом впливу можна поділити на групи:

- профілактичні – ефект їхнього впливу здійснюється до опромінення. Це - протирадіаційний біологічний захист і радіосенсибілізація - посилення радіаційного ураження.

- пострадіаційні – ефект їхнього впливу здійснюється після опромінення;

- терапевтичні – ті, що ослаблюють прояв радіобіологічного ефекту. Операції, які здійснюються після опромінення, повинні розглядатися як терапевтичні заходи, що впливають на процеси післярадіаційного відновлення.

Протипроменевий біологічний захист - це послаблення дії на організм іонізуючих випромінювань у результаті впливу на них перед опроміненням або під час нього чинника фізичної природи чи введення хімічних речовин.

Радіосенсибілізація - це посилення дії іонізуючих випромінювань на організм за допомогою фізичних факторів або хімічних речовин.

 

Процеси розвитку радіаційного ураження залежать від багатьох факторів, дія яких проявляється на різних етапах організації: молекулярному (створення умов, що перешкоджають взаємодії продуктів радіолізу з високомолекулярними сполуками), біохімічному (зміни в реакціях метаболізму властивостей мембран, які визначають радіаційні виходи); клітинному (ступінь проліферативної активності, фаза клітинного циклу); тканинному (міжклітинні взаємодії); органному (регуляція процесів регенерації).

Навіть побіжне перерахування зазначених факторів, від яких залежать первинне радіаційне ураження і його розвиток, свідчить про те, що всі вони значною мірою визначаються умовами навколишнього середовища. Саме завдяки цьому проявляється велика залежність радіобіологічних ефектів від умов культивування рослин, існування тварин. Дійсно, склад речовин клітин, їхня метаболічна активність багато в чому зумовлюються особливостями живлення, фотосинтетичною діяльністю, проліферативною активністю та іншими процесами, які залежать від газового складу атмосфери, температури середовища, вологості, освітлення та інших факторів. Тому вивчення явищ протирадіаційного захисту і радіосенсибілізації потребує чіткого врахування основних факторів, що впливають на ріст і розвиток організму. їхня дія проявляється в усіх інтервалах доз, при яких виявляється радіобіологічна дія випромінювань, починаючи з явища радіаційної стимуляції й закінчуючи загибеллю.

При вивченні впливу окремих фізичних факторів на радіостійкість і можливості прояву їхніх протирадіаційних і радіосенсибілізуючих можливостей слід виділити кілька аспектів.

По-перше, деякі з них можуть бути прямими модифікаторами радіаційного ураження, наприклад, світло в ефекті фотозахисту.

По-друге, фактори, які діють у момент опромінення, створюють певний фон, що відбивається на виході радіаційно-хімічних реакцій, скажімо, вміст кисню, води.

По-третє, деякі фактори, які впливають на проліферативну активність клітин і функції окремих органів, по суті, можуть визначати їхню радіочутливість, наприклад, температура. Але при цьому треба враховувати, що дія будь-якого одного фактора, зокрема вологості, може проявлятися, з одного боку, на різних рівнях організації від молекулярного до організменного, а з другого - виступати в ролі типового модифікатора радіаційного ураження, впливаючи на радіаційно - хімічні реакції та проліферативну активність.

 

Кисневий ефект

 

Від наявності кисню в реакційному середовищі, де опроміненням індукована поява іонізованих і збуджених станів атомів та молекул, залежить подальший розвиток радіаційно-хімічних і радіаційно-біохімічних реакцій і, врешті-решт, вихід радіаційних ушкоджень біологічно важливих молекул у клітинних ультраструктурах.

Вплив кисню на перебіг радіаційно-хімічних перетворень речовин, який посилює прояв радіобіологічної реакції, дістав назву кисневого ефекту.

Цей ефект проявляється у випадку опромінення біологічних об‘єктів в атмосфері, що містить кисень у різних концентраціях. Кисневий ефект зумовлений взаємодією кисню з вільними радикалами, які виникають унаслідок дії іонізуючого випромінювання на молекули різних речовин, насамперед води. В складних біологічних системах вплив кисню на вихід продуктів радіаційно-хімічних перетворень молекул визначає подальший розвиток радіобіологічного ефекту.

Кисневий ефект проявляється на різних рівнях організації процесів у біологічних системах, починаючи з елементарних радіаційно-хімічних реакцій – радіолізу води, й закінчуючи складними, інтегральними радіобіологічними реакціями клітин, тканин і багатоклітинних організмів.

Прояв кисневого ефекту – посилення індукованої іонізуючим випромінюванням реакції – поширюється на різні системи – як прості хімічні, так і складні біологічні: за наявності кисню в середовищі спостерігається збільшення виходу радіаційно-хімічних реакцій унаслідок опромінення окремих речовин, а також клітин, органів і цілісного багатоклітинного організму.

У разі опромінення хімічних систем наявність кисню підвищує виходи кінцевих продуктів радіаційно-хімічних реакцій. Це явище спостерігається як унаслідок дії іонізуючого випромінювання на водні розчини багатьох речовин, так і на безводні системи та розчини в неполярних розчинниках. Кисень істотно збільшує вихід молекулярних ушкоджень різних органічних сполук.

Внаслідок поглинання іонізуючого випромінювання в молекулах виникають активовані стани, в яких кисень реагує з молекулою, що й призводить до її хімічних перетворень. Такі стани названо метіонічними. Метіонічний стан існує протягом досить короткого часу, порядку мілісекунд, після чого білкова молекула втрачає здатність до взаємодії з киснем. Тому кисневий ефект проявляється лише за умови присутності кисню в середовищі в момент опромінення.

У випадку дії іонізуючої радіації на речовини неполярної будови, зокрема на ліпіди, кисневий ефект проявляється дуже сильно через участь кисню в ланцюгових реакціях пероксидного окислення ліпідів.

Кисень може посилювати радіаційне ураження молекул різних речовин унаслідок парамагнетизму його молекули. Ця особливість молекул кисню проявляється в тому, що він здатен гасити флуоресценцію ароматичних сполук, тобто впливати на триплетні рівні збудження молекул. Таку саму здатність мають молекули оксиду азоту, який на численних об‘єктах радіобіологічних досліджень виявляв ефект, подібний до кисневого.

Отже, можливі механізми кисневого ефекту в загальному вигляді можна охарактеризувати так: кисень може впливати на виходи радіаційно-хімічних реакцій опосередковано, беручи участь у дихальних і ензиматичних процесах; крім того, кисень бере пряму участь в утворені біологічно активних вільних радикалів, а також неорганічних або органічних пероксидів. Важливу роль відіграють також парамагнітні властивості молекули кисню, через які зазнає модифікації електронне оточення в біомакромолекулах, і це істотно впливає на долю вільнорадикальних станів, що первинно виникають у цих молекулах.

Кількісною оцінкою кисневого ефекту є коефіцієнт кисневого посилення (ККП). Його можна визначити або через радіаційно-хімічні виходи окремих продуктів реакцій, або через значення доз, які спричиняють однаковий ефект за умов наявності або відсутності кисню в середовищі. Як правило, максимальне значення ККП дорівнює 3.

В дії кисню на формування радіобіологічних ефектів слід розрізняти власне кисневий ефект і вплив кисню на ті процеси, в ході яких формується відповідь організму на опромінення.

Первинне ушкодження макромолекули у формі її вільно радикального стану є потенційним, бо його поява може й не супроводжуватися подальшим розвитком радіаційного ураження молекули внаслідок інактивації радикала під впливом тіолів або інших речовин, які здатні виконувати роль перехоплювачів вільнорадикальних станів. Участь додаткових хімічних факторів, які називають “домішковими”, в реалізації первинних ушкоджень біомакромолекул може спричинити прояв так званого зворотного кисневого ефекту, коли наявність кисню зумовлює захисну дію на опромінюванні молекули. Механізм зворотного кисневого ефекту пояснюють тим, що кисень, взаємодіючи з домішковими вільними радикалами, може дезактивувати їх, що зменшуватиме шкідливий вплив останніх на макромолекули.

Російський радіобіолог Л.Х. Ейдус виявив так називаний відтермінований кисневий ефект, який полягає в тому, що інактивація біологічних макромолекул, опромінених в аноксичних умовах, може посилюватися під впливом кисню, якщо його вводити в середовище через деякий час після опромінення. Наявність кисневої післядії свідчить про те, що за умов опромінення в безкисневому середовищі в макромолекулах виникають кисневочутливі ушкодження, що можуть зберігатися досить тривалий час. Ці ушкодження належать до потенційних, бо вони реалізуються лише за наявності кисню. Потенційні кисневочутливі ушкодження є стабільними вільнорадикальними станами молекул, і їх можна реєструвати.

У складніших системах, наприклад у клітинах або багатоклітинних організмах, кисневий ефект проявляється не тільки в зростанні радіочутливості, яку визначають, досліджуючи виживаність, а й на рівні різних молекулярно-біологічних або метаболічних процесів.

Кисневий ефект є дуже контрастним радіобіологічним явищем і має такі характеристики:

· значення 1/D₀ зменшується в умовах аноксії в 2-3 рази;

· для прояву ефекту необхідна наявність кисню в момент опромінення;

· деякі гази запобігають прояву кисневого ефекту;

· деякі гази посилюють радіобіологічний ефект, так само, як і кисень