Радіочутливість та радіостійкість.

Всі живі організми мають класову, видову і індивідуальну радіочутливість. Їх радіочутливість оцінюється напівлегальною, критичною і летальною дозами. Складність та різноманітність процесів, що мають місце між початковим поглинанням радіаційної енергії та кінцевим проявом біологічного ушкодження, обумовлюють можливість багато чисельних фізичних, хімічних біологічних модифікацій.

Розрізняють рівні радіочутливості мікро- (молекули, ДНК, органоїди клітин, клітини) та макрорадіочутливість (тканини, органи, організм).

Комплексом факторів (захисних і еволюційних) обумовлено, що дози іонізуючого опромінення, які відповідають природному фонові, не шкідливі для життєдіяльності переважної більшості організмів. Проте, навіть природний рівень випромінювання, в окремих випадках, може спричинити шкідливі мутації. З підвищенням дози іонізуючої радіації імовірність виникнення таких мутацій зростає.

В основі біологічної дії радіації лежать процеси іонізації й збудження молекул, радіаційно-хімічні реакції, що порушують або змінюють функції біополімерів, головним чином нуклеїнових кислот і ферментів.

Радіочутливість і радіостійкість – це чутливість біологічних об’єктів до дії іонізуючого випромінювання.

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 випадку 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 у всіх 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 дає можливість 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 утворення колоній 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 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, що чим ця крива крутіша, тим більше зменшується виживаність у випадку зростання дози, що є свідченням вищої радіочутливості клітин. 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 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 вміст клітини лише у випадку 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 багатоклітинних вищих організмів є диференційовані тканини, клітини яких зазвичай мають значно вищу радіостійкість, ніж клітини твірних тканин. Логічно припустити, що у випадку дії іонізуючого випромінювання на багатоклітинний організм насамперед інактивуються 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 радіочутливих 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 D_50/30, де 50 – процент загибелі особин, 30 – день, в який визначається виживаність.

Мірою радіочутливості є доза опромінення, що викликає загибель 50% опромінених клітин або організмів (напівлетальна). Критичною дозою є така, коли гине 75%, а летальною – коли гинуть всі 100% опромінених клітин або організмів. Вони у різних біологічних об’єктів можуть розрізнятися в сотні й, навіть, тисячі разів. Так, для клітин організму ссавців 200…250 рад, а для ссавців-тварин – від 350 до 1200 рад (так, 50% гине від опромінення протягом 30 діб: морські свинки дозою 250 рентген, собаки 335 Р, мавпи 600 Р, миші 550...650 Р, карасі 1800 Р, гадюки 8000...20000 Р, для комах – 30…50 тис. рад, для інфузорій – 300…500 тис. рад. (Рад – це доза кількості поглинутої енергії в 0,01 Дж/кг). Більш стійкі одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 Р, амеби – 100000 Р, а інфузорії витримують опромінення до 300000 Р. Рослини значно менш чутливі до радіації, ніж тварини.

При поглинанні білковими розчинами високих доз (100 Гр і більше) змінюється конфігурація білкових молекул, спостерігається їх агрегація і деструкція. При опроміненні дозами до 50 Гр знижується концентрація вільних амінокислот, зокрема, метіоніну та триптофану, що сповільнює біосинтез білків.

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

Опромінення розчину простих цукрів високими дозами спричинює їх окислення і розпад полісахаридів на прості цукри, зменшується в’язкість. Уже при поглинанні організмом доз 5-10 Гр порушуються процеси розщеплення глюкози, знижується вміст глікогену в тканинах.

Іонізуюче опромінення обумовлює підвищення окислюваності ліпідів, що зумовлює утворення перекисів і перерозподіл вмісту ліпідів у різних тканинах.

Всі живі організми характеризуються власною радіочутливістю і реакцією на радіацію. Наприклад, деякі найпростіші організми, віруси, бактерії здатні витримувати величезні дози радіації (до 1000…10000 Гр, що дорівнює 10000 …1000000 Р) і при цьому зберігати свою життєдіяльність. Низьку чутливість комах і ракоподібних намагаються пояснити підвищеним вмістом у них сполук, які мають радіопротекторні властивості у комах це каталаза, що розщеплює перекиси, а у ракоподібних – амінокислоти, аміни і полі пептиди, що беруть участь у регуляції осмотичного тиску.

У ссавців стійкість до радіації значно менша. Аналіз нещасних випадків показує, що абсолютно смертельна доза радіації для людини дорівнює 600 … 700 Р, а безпосередні ефекти опромінення не розвиваються при дозах менших до 100 Р короткочасного опромінення.

Радіочутливість клітин зростає прямолінійно зі збільшенням ДНК, розмірів і кількості хромосом та інших структур у клітині, швидкості їх ділення, інтенсивності росту, швидкості та інтенсивності процесів обміну речовин.

Складність та різноманіття процесів, що мають місце між початком поглинання радіації та кінцевими проявами біологічного ураження, обумовлюють наявність багато чисельних модифікацій: фізичні, хімічні, біологічні та комплексні фактори можуть модифікувати значну кількість радіаційних уражень.

Ефект дії радіації залежить також від того, які саме тканини й органи зазнали опромінення.

На радіочутливість впливає хімічний склад клітини, фізіологічний стан (фаза клітинного циклу, фаза диференціації), умови під час опромінення.

Нервові клітини не діляться, тому вони стійкі до радіації. У ссавців печінка, м’язи, кістки, хрящі та сполучна тканина мають досить низьку проліферативну активність і складаються зі зрілих спеціалізованих клітин, тому вони характеризуються низькою радіочутливістю.

Найчутливішими до радіації у клітинах ссавців є мітохондрії та ядро. Найбільш чутливі до радіації дуже молоді і дуже старі клітини. Високою радіочутливістю характеризується меристема рослин та стовбурні клітини тварин.

В одному і тому ж організмі клітини, які найменшою мірою контактують із зовнішнім середовищем, є найбільш чутливі до радіації, хоча складний організм відповідає (реагує) на радіацію системно - як одне ціле.

У гібридних клітин і організмів діапазон від напівлетальних до летальних доз значно ширший, ніж у чистих, чистокровних.

 

Критичні органи

 

У радіобіології виділяють критичні органи –це органи, тканини, частини тіла, опромінення яких у відповідних умовах спричиняє найбільшу шкоду організмові, здоров’ю.

За радіочутливістю критичні органи поділяють на три наступні групи:

1 група – усе тіло, гонади, червоний кістковий мозок;

2 група – щитоподібна залоза (у щитоподібній залозі найбільше накопичується радіонуклідів), легені, печінка (печінка займає друге місце після щитоподібної залози щодо накопичення радіонуклідів), селезінка, нирки, молочна залоза, м’язи, жирова тканина, шлунково-кишковий тракт, кришталик ока та інші;

3 група – кісткова тканина, шкіряний покрив, передпліччя, долоні, ступні.

М’язи і головний мозок відносяться до радіо резистентних тканин.

Поглинена доза випромінювання, що викликає поразку окремих частин тіла, а потім смерть, перевищує смертельну поглинену дозу опромінення всього тіла. Смертельні поглинені дози для всього тіла наступні: голова - 2000 рад, нижня частина живота - 5000 рад, грудна клітка - 10 000 рад

Стронцій інтенсивно накопичується в кістках організму, цезій – в печінці, м’язах, серці, нирках, легенях, селезінці; радіоактивний йод – в щитоподібній залозі. Їх накопичення в організмі зумовлює стан субкомпенсованого метаболічного ацидозу, порушення кислотно-лужного стану в організмі людини і тварин. 

Багатоклітинні організми мають вищу радіочутливість, ніж одноклітинні. Дози опромінення, що відповідають природному фонові, не шкідливі для життєдіяльності більшості організмів. Проте, навіть природний рівень опромінювання в окремих випадках може спричинити шкідливі мутації.

Складність та різноманітність процесів, що мають місце між радіаційним опроміненням та кінцевим проявом біологічного ураження, обумовлюють можливість наявності багатьох модифікацій. Тобто, різні фізичні, хімічні та біологічні фактори можуть модифікувати різне число і різні форми радіаційних уражень. Наприклад, зміна дози, часу, виду опромінення обумовлюють зміну і радіаційного ефекту (рівня ураження).

 

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.