Биологическое усиление радиационного поражения

Реакции клеток на облучение

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность (“радиационный блок митозов”). Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток). Может наблюдаться задержка перехода из фазы G₁ в S и из фазы G₂ в M.

Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения.

К функциональным нарушениям в клетках могут быть отнесены и такие проявления, как снижение фагоцитарной активности нейтрофилов после облучения, изменения активности некоторых ферментов в этих клетках. При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.

Важным для организма результатом лучевой модификации молекул ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала - мутаций, следствием которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток. Причиной возникновения мутации могут стать и вызванная облучением дестабилизация ДНК, и процесс репарации ее повреждений. В обоих случаях облегчается внедрение онковирусов в геном клетки или активации тех онковирусов, которые уже предсуществовали в геноме в репрессированном состоянии. Следствием мутации в зародышевых клетках могут стать дефекты развития у потомства облученных родителей.

Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК. Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотдов. В крови и моче облученных нарастает количество нуклеотидов и продуктов их разрушения - азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Отчасти нарушение синтеза РНК зависит от повреждения матричных структур ДНК.

Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса. Повышается активность протеолитических ферментов в крови, тканях, моче. Нарушается активность ингибиторов протеаз. Активация протеолиза не всегда является выражением процессов, происходящих в сохранивших жизнеспособность клетках. Она может отражать завершение деструкции уже погибших клеток.

Биосинтез белка нарушается мало. Однако, продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК- гистон облегчает доступ мута­генов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

Интенсивность потребления кислорода существенно не изменяется. Однако, в первые часы после облучения иногда наблюдаются признаки тканевой гипоксии. В высоко радиочувствительных клетках уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования, проявляющееся снижением коэффициента Р/О.

В клетках кроветворных тканей угнетение окислительного фосфорилирования выявляется уже через 2-4 ч после облучения, параллельно с глубоким распадом ДНК. По мнению ряда исследователей, нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК. Нарушение синтеза макроэргов может сказаться и на развитии восстановительных процессов, в частности, на работе системы ферментов репарации ДНК. Таким образом, подавление окислительного фосфорилирования играет заметную роль в радиационном поражении генетических структур клетки.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках перенесшего облучение организма, как правило, довольно быстро восстанавливается.

Формы лучевой гибели клеток

Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные ее формы: репродуктивную, то есть непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.

Если в результате облучения возникли повреждения ДНК, например, двойные разрывы или сшивки, нормальная репликация клеток делается невозможной. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых летальны, поскольку невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Эта форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели.

Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения достаточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр, в каждой клетке человека возникает около тысячи одиночных и ста-двухсот двойных разрывов. Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало упоминавшихся ранее систем, способных ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Клетки, успевшие репарировать повреждения ДНК до вступления в фазу митоза, способны к нормальному делению. Вызываемое облучением торможение процессов подготовки к делению объективно может благоприятно сказаться на судьбе клетки, поскольку в результате увеличивается время, необходимое для репарации лучевого повреждения. Сейчас большинство исследователей считает, что непосредственной причиной репродуктивной гибели клеток являются нерепарированные повреждения ДНК, прежде всего, двойные разрывы цепей и повреждения ДНК-мембранного комплекса. Морфологически клетки, погибающие по репродуктивному типу, можно выявить в ана- или метафазе митоза, обнаружив в них хромосомные аберрации.

По интерфазному типумогут погибать клетки находящиеся вне фазы митоза. Чаще всего для возникновения интерфазной гибели требуется облучение в достаточно высокой дозе. Для некоторых типов клеток (миоциты, нейроциты) это десятки и даже сотни грей, а такие клетки, как лимфоциты, тимоциты, ооциты могут погибнуть уже после воздействия в дозах порядка десятых и даже сотых долей грея.

Механизмами интерфазной гибели клеток могут быть некроз и апоптоз. Исходным событием для некроза клеток, подвергшихся облучению, является чаще всего вызванное активацией перекисного окисления липидов повреждение внутриклеточных мембран. Повреждение мембран нарушает работу связанных с мембранами ферментов, подавляет процесс окислительного фосфорилирования; повышение проницаемости мембран приводит к нарушению градиентов концентраций низкомолекулярных веществ в клетке, выходу лизосомальных протеаз и нуклеаз в цитоплазму и проникновению их в ядро. В результате всех этих процессов развивается деградация нуклеопротеидных комплексов в ядре, происходит расплавление или (реже) пикноз ядра, цитолиз с выходом содержимого клетки за пределы клеточной мембраны.

В случае апоптоза происходит межнуклеосомная деградация хроматина, проявляющаяся позднее фрагментацией ядра. Распадается и цитоплазма, участки которой, окружающие осколки ядра получили наименование “апоптотических телец”. По существующим представлениям процесс апоптоза запускается включением программы самоуничтожения клетки. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина. Эту активацию могут вызывать стимулы, возникающие под влиянием разных факторов, в том числе и вызванных облучением повреждений мембранных структур, ядерного хроматина. Механизм апоптоза особенно характерен для интерфазной гибели лимфоидных клеток, клеток кроветворной ткани.

Действие излучений на ткани, органы и системы организма

Механизмы поражения ионизирующим излучением тканевых систем и организма будут подробно рассмотрены на практических занятиях. В настоящей лекции будет рассмотрена лишь схема развития патологического процесса на.

Ткани организма сильно различаются по радиочувствительности. Если опустошение лимфоидных тканей наблюдается после облучения в дозе несколько грей, то мышечная и нервная ткани выдерживают десятки Гр. Определенная закономерность распределения тканей по радиочувствительности была отмечена еще в 1906 г. французскими учеными Бергонье и Трибондо в виде правила, согласно которому ткани тем радиочувствительнее, чем выше пролиферативная активность составляющих их клеток, и тем радиорезистентнее, чем выше степень их дифференцировки.

На тканевом уровне острое лучевое поражение проявляется нарушениями структуры и функции, зависящими, прежде всего, от клеточного опустошения. Поэтому радиочувствительность тканей определяется, главным образом, радиочувствительностью составляющих их клеток. При оценке радиочувствительности тканей следует иметь в виду, что при общем облучении организма поражение в так называемых радиорезистентных тканях просто не успевает проявиться, так как при необходимых для этого дозах организм погибает раньше, чем развивается эффект пострадиационного опустошения этих тканей.

Костный мозг - типичный образец системы клеточного обновления, обеспечивающей поддержание постоянства числа клеток с ограниченным периодом жизни, в данном случае - клеток крови. После облучения временно прекращается деление клеток. Часть пролиферирующих клеток (например, для стволовых клеток мышей - примерно две трети при дозе 1 Гр) погибает в интерфазе или после возобновления деления. Клетки созревающего и функционального пулов существенно не повреждаются радиацией. Исключение составляют клетки лимфоидного ряда, которые гибнут интерфазно уже после воздействия десятых долей грея.

В результате в костном мозгу быстро убывает численность клеток - вначале наименее дифференцированных, а затем все более зрелых, ибо естественная их убыль не компенсируется в достаточной степени поступлением новых клеток из истощенных предшествующих пулов. Убыль функциональных клеток начинается, когда последние клетки, поступившие к моменту облучения в созревающий отдел, выйдут в периферическую кровь. Для этого требуется срок, необходимый для прохождения кроветворных клеток через созревающий отдел в норме, т.е. 5-6 суток. Именно с этого времени начинают исчезать из крови нейтрофильные гранулоциты и тромбоциты.

Число нейтрофилов снижается наиболее быстро из-за их короткого периода жизни (8-10 час). Лишь временный подъем численности этих клеток на 10-12 сутки, обусловленный выходом в кровь сохранивших жизнеспособность потоком клеток облученного пролиферативного пула не позволяет развиться максимальной нейтропении ранее, чем к концу третьей недели.

Глубина цитопении зависит от дозы облучения. При дозах порядка 5-6 Гр нейтрофилы и тромбоциты могут вовсе не обнаруживаться. Клинические проявления дефицита функций этих клеток (геморрагические, инфекционные осложнения) проявляются, однако, лишь в случае, если достигнут соответствующий “порог” цитопении. Для нейтрофилов это 0,8-1,0, для тромбоцитов - 30-50 тысяч клеток в 1 мкл крови. Снижение численности всех форменных элементов крови называют панциотопеническим синдромом.

Таким образом, ионизирующие излучения, передавая организму сравнительно небольшие количества энергии, способны, тем не менее, нарушать естественный ход метаболических процессов в клетках, уменьшать численность клеток в тканевых системах и, таким образом, вызывать угрожающие жизни нарушения их функций.