Радиобиология / Моссэ И. Б., Морозик П. М. Генетические эффекты ионизирующей радиации

Обычно сравнивают риски, используя простой показатель – ежегодный риск гибели. Многие считают, что сравнение рисков гибели является неудов- летворительным, хотя и не ясно, чем их можно заменить. Мы должны прини- мать во внимание не только величину рисков – количество смертей, но и при- роду рисков. Риск гибели при аварии отличается от риска мучительной гибе-

ли от рака в течение 20 лет жизни. Можно учитывать число потерянных лет, а не число смертей. Но здесь есть много сложных моральных аспектов. Явля-

ется ли медленная смерть от рака более приемлемой, чем внезапная гибель в транспортной аварии? Сочтем ли мы авиакатастрофу более приемлемой, если пассажирами являются пенсионеры преклонного возраста, а не малень-

кие дети? Это, несомненно, трудные вопросы, на которые нет простых ответов. Все, о чем говорилось выше, указывает на сложность проблемы. Привле-

каемые эксперты также должны учитывать, что существует важный мораль-

ный аспект, который нельзя свести к цифрам и который может находиться вне зоны их компетенции. Члены МКРЗ могут быть радиационными экспертами, но они не обязательно сильны в морали.

Поскольку интерпретация многих существующих данных противоречива, то эта проблема подвержена влиянию идеологии писателя – набор предполо-

жений и идей, многие из которых сомнительны, могут формировать точку зрения. Надо отдавать себе отчет в том, что в области малых доз радиации идеология может проявляться как в том, какие доказательства выбирает ав- тор, так и в том, на каких аспектах этого доказательства он делает акцент. На-

пример, два письма в журнал «The Lanсet» [286, 287] цитируют одну и ту же статью [288] для доказательства противоположных точек зрения.

Некоторые думают, что многие ученые имеют «особый взгляд» на радиа- цию, который согласуется с нуждами ядерной промышленности, что суще-

ствует конспирация, как и ранее, которая скрывает правду о радиационных рисках. Но это не так. Позиция большинства ученых определяется осторожно-

стью и консерватизмом. Предположим, что группа ученых объявила бы, что они проделали эксперимент, результаты которого не согласуются с теорией относительности Эйнштейна. Другие ученые отнеслись бы скептически, по-

скольку теория относительности доказана во многих других экспериментах. Вероятно, научное сообщество согласилось бы с тем, что новые результаты – это только «ложная тревога»; мнение изменилось бы в том случае, если бы результаты были воспроизведены неоднократно, и если можно было бы пока-

зать, что эти результаты никак не совместимы с теорией Эйнштейна.

Сила науки заключается в том, что ее теории постоянно критически об- суждаются и подвергаются строгим экспериментальным проверкам, а сла-

бость в том, что наука не всегда готова отказаться от привычной теории перед лицом неподходящих доказательств. Исследовать радиационные эффекты особенно трудно, потому что мы не можем позволить себе роскошь повтор- ных экспериментов, чтобы подтвердить или опровергнуть теорию. Ограни-

160

Глава 4

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ

4.1. Относительная биологическая и генетическая эффективность различных видов ионизирующих излучений

Основными категориями ионизирующих излучений служат электромаг- нитные и корпускулярные излучения (электроны, протоны, нейтроны, дей-

троны, альфа-частицы). Называют их также излучениями с высокой энергией. Известно, что различные виды ионизирующих излучений обладают отно-

сительной биологической эффективностью (ОБЭ), что обусловлено отличиями

вих скорости линейной передачи энергии (ЛПЭ). В общем виде ОБЭ разных видов излучений обратно пропорциональна дозе, необходимой для того, что-

бы вызвать тот же эффект. Иными словами, ОБЭ одного вида излучений

всравнении с другим определяется как отношение доз, необходимых для по-

лучения одинаковых биологических эффектов.

ОБЭ в первую очередь зависит от скорости ЛПЭ, свойственной данному виду излучения.

Энергия ионизирующих излучений измеряется в электронвольтах (эВ), в тысячах электронвольт (кэВ) и миллионах (МэВ). 1 эВ выражает энергию, приоб- ретаемую электроном между пластинами конденсатора с разностью потенци-

алов 1 В. К электромагнитным излучениям относятся электрические волны, радиоволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи, гамма-лучи. Однако способностью ионизировать атомы и молекулы могут обладать лишь те излучения, энергия которых намного больше по сравнению с энергией, удерживающей электроны в атомах, которая равна примерно 10 эВ, и атомы в молекулах, где она равна примерно 5 эВ. Та-

ким образом, электромагнитные колебания с энергией фотонов 20–100 эВ уже являются ионизирующими. Однако они отличаются очень малой проницаемо-

стью, целиком задерживаясь на поверхности жидкостей и твердых тел. Чтобы ионизировать вещество, необходимо проникнуть в него. Проницаемость из-

лучений связана с энергией их фотонов. Так, например, фотоны гамма-лучей, испускаемых радиоактивным изотопом кобальта (60Со), имеют энергию

в1 МэВ. Быстрые частицы (протоны и другие) обладают громадной энергией до 10 МэВ.

Взаимодействие каждого из видов ионизирующих излучений с веществом зависит от их массы и заряда. Нейтроны, рентгеновские лучи и гамма-лучи лишены заряда, и поэтому эти виды излучений обладают исключительно большой проницаемостью. Ионизирующий эффект этих излучений обуслов-

162

лен появлением вторичных, уже заряженных частиц. Гамма-лучи и рентгеновские лучи в основном ионизируют атомы и молекулы при действии заряженных вторичных электронов, которые выбиваются из атомов и, имея большую энергию, проходят в вещество. Вторичный электрон, проходя сквозь вещество, ионизирует атомы и молекулы. При замедлении движения вторичного электрона линейная плотность вызываемой им ионизации увеличивается. В конце пробега возникает так называемый хвост, содержащий густо ионизированный отрезок на пути заканчивающего свой пробег электрона.

По физической природе от электронов не отличаются так называемые бе- та-частицы, которые возникают в ядрах атомов и вылетают оттуда при радиоактивном распаде. Положительно заряженные бета-частицы называются позитронами. Бета-частицы испускаются при распаде искусственно полученных радиоактивных веществ. Например, радиоактивный фосфор (32Р) при потере бета-частиц превращается в серу (32S).

Нейтроны вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности при делении ядер урана и плутония. Не имея заряда, нейтроны непосредственно не ионизируют атомы и молекулы. Однако сталкиваясь с ядрами атомов, быстрые нейтроны (энергия их около 1 МэВ) выбивают из этих атомов протоны, которые являются уже заряженными частицами, ионизирующими вещество. Особенно эффективны столкновения нейтронов с атомами водорода. Что касается медленных нейтронов (энергия от долей до нескольких электронвольт), то механизм их действия иной. Эти нейтроны захватываются в клетке главным образом атомами натрия и фосфора. Ядерная реакция захвата медленных нейтронов связана с появлением радиоактивных изотопов (24NA, 32P) и с испусканием гамма-квантов. Быстрые нейтроны после

нескольких столкновений с атомами водорода замедляются и, будучи захваченными атомами натрия или фосфора, становятся причиной появления гам- ма-квантов и радиоактивных веществ.

При прохождении через вещество электрически заряженных частиц (электроны, альфа-частицы, протоны, дейтроны) эти частицы интенсивно взаимодействуют с молекулами, находящимися на их пути. Связи электронов в молекуле основаны на чисто электрических силах, проходящие рядом заряженные частицы нарушают организацию электронов в молекулах и последние испытывают возбуждения или ионизируются.

Протоны и дейтроны представляют собой заряженные ядра водорода. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона, которая принимается за единицу. Дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, имеет массу 3671. Эти частицы при некоторых ядерных реакциях выбрасываются из атомных ядер. Протоны, обладающие колоссальной энергией, в составе космических лучей приходят на Землю из мирового пространства.

Альфа-частица в 7236 раз тяжелее электрона, она состоит из двух протонов и двух нейтронов. По физической природе альфа-частицы являются ядрами атома гелия с атомным весом 4,003. Испускаются они при распаде радия, плутония и некоторых других радиоактивных элементов (табл. 4.1).

163

Таблица 4.1. Основные характеристики различных видов радиации [289]

Таким образом, первая стадия в действии ионизирующих излучений на клетку связана с передачей энергии непосредственно от заряженных частиц или от вторичных электронов атомам и молекулам веществ клетки. Первичным продуктом такого действия являются ионы и возбужденные состояния, локализованные в непосредственной близости к пути прохождения частицы в клетке. Затем наступает вторая стадия, которую можно назвать физико-хи- мической. В течение этой стадии ионы реагируют с молекулами клетки, а возбужденные молекулы претерпевают диссоциации. В этих реакциях возникают химически неустойчивые свободные радикалы. Третья химическая стадия связана с реакцией между свободными радикалами и макромолекулами

вклетке, такими как ДНК, белки и другие. В условиях клетки длительность первой стадии составляет 10–13 с, второй – 10–11 и третьей – 10–6 с.

Степень взаимодействия заряженной частицы с атомами и молекулами вещества находится в прямой связи с величиной ее заряда. Кроме того, это взаимодействие имеет обратную зависимость от скорости пробега частицы, ибо медленная частица располагает большим временем для такого взаимодействия. В связи с разной линейной передачей энергии находится и микрогеометрия распределения ионизации внутри клетки, вызванных прохождением разных частиц. Тяжелые частицы, такие как альфа-частицы и протоны, теряют по сравнению с их зарядом ничтожную энергию при отдельных ионизациях, и потому их путь совершается по прямой линии. Картина движения бетачастицы с сравнительно малой массой имеет вид неправильной ломаной линии. Таким образом, заряженная частица постепенно растрачивает свой заряд. В среднем на образование пары ионов и двух-трех возбужденных молекул затрачивается 34 эВ. Бета-частица с начальной энергией в 1,7 МэВ на своем пути

вткани, равном 800 мк, образует около 50 тыс. пар ионов, а альфа-частица с энергией 5,486 МэВ на пути в 41,4 мк дает около 170 тыс. пар ионов. Различия в линейной передаче энергии ясны, если указать, что в воздухе бета-частица в зависимости от начальной энергии на 1 см пути образует 30–300 пар ионов, а альфа-частица – 40–100 тыс. пар ионов.

Относительная генетическая эффективность (ОГЭ) одного вида излучений

всравнении с другим определяется, по аналогии с ОБЭ, как отношение доз, необходимых для получения одинаковых генетических эффектов.

164

При сравнении ОГЭ разных видов радиации за единицу принимаются рентгеновские и гамма-лучи. Зависимость ОГЭ от величины ЛПЭ очень сложна (табл. 4.2). В среднем медленные нейтроны оказываются эффективнее в 5 раз, альфа-частицы и быстрые нейтроны – в 10 и тяжелые ионы – в 20 раз. Однако для разных организмов и типов мутаций генетическая эффективность разных видов излучений может заметно уклоняться от указанных средних показателей. Для некоторых мутаций у растений показано, что быстрые нейтроны могут в 100 раз превышать по своей генетической эффективности гамма-лучи.

Таблица 4.2. Относительная генетическая эффективность различных видов ионизирующих излучений

*Данные по [290].

**Данные по [291].

***Данные по [292].

Противоречивые данные по ОГЭ были получены при изучении мутационного процесса у дрозофилы. Первые эксперименты, проведенные с этим объектом, в которых изучались сцепленные с полом рецессивные летальные мутации, показали меньшую эффективность нейтронов по сравнению с рентгеновским излучением [293]. В отношении хромосомных аберраций наблюдалась примерно одинаковая действенность сравниваемых видов излучения при относительно малых дозах облучения и меньшая эффективность нейтронов при больших дозах [294]. Более поздние исследования не подтвердили этих данных, показав большую мутагенную действенность нейтронного, чем рентгеновского или гамма-облучения [295–297].

Большая эффективность была показана для летальных рецессивных мутаций у дрозофилы в экспериментах, где использовались нейтроны, полученные не только в ускорителе, но и при испытании атомного оружия [298]. В последнем случае большая мутагенность нейтронов установлена и для доминантных летальных мутаций у мышей [292]. Не исключено, что причины расхождения данных, выявленных в ранних и более поздних экспериментах, связаны с не-

165

достаточной разработанностью нейтронной дозиметрии во время выполнения первых работ.

Для правильной оценки эффективности плотно ионизирующих излуче- ний, в частности нейтронов, необходимо учитывать особенность их мутаци-

онного действия.

Существенным является тот факт, что количественные зависимости меж-

ду генетическим эффектом и дозой облучения для разных видов излучений оказываются разными. Мы видели раньше, что при действии гамма- и рентге-

новских лучей для точковых мутаций установлена линейная зависимость от дозы, а для двухударных хромосомных перестроек – пропорциональность квадрату дозы. Однако при действии нейтронов и альфа-частиц количество всех типов перестроек растет в линейной зависимости от дозы.

Указанное обстоятельство делает необходимым использование для пол-

ной характеристики ОГЭ не случайно выбранных единичных доз облучения изучаемых видов радиации, а получение соответствующих кривых доза–эф-

фект, что, несомненно, усложняет проведение сравнения.

Для радиации принято, что кривая доза–эффект является линейной при малых дозах и закругляется вниз при высоких дозах вследствие гибели кле-

ток, о чем упоминалось выше (рис. 4.1).

Если в этом случае мы будем использовать линейную модель для экстра-

поляции с таких высоких доз, то недооценим реальный риск. Это особенно актуально для излучений с высокой ЛПЭ. При этом излучения с низкой мощ-

ностью дозы могут быть более опасны, чем с высокой.

Для большинства типов мутаций ОГЭ увеличивается с возрастанием ЛПЭ до определенного максимума. При очень высоких ЛПЭ величины ОГЭ могут снова падать. Кроме того, для большинства плотноионизирующих излучений более характерна индукция двунитевых нерепаруемых разрывов – при воз-

растании ЛПЭ выход однонитевых разрывов уменьшается, а двунитевых – растет.

Рис. 4.1. Возможная кривая доза–эффект для излучений с высокой ЛПЭ

166

4.1.1. Влияние условий облучения на ОГЭ

Решение вопроса об относительной биологической эффективности пози- ций величин ЛПЭ у разных видов излучений осложняется тем, что эффектив-

ность излучения может зависеть от условий в момент или даже после облучения. Необходимо помнить, что с ростом ЛПЭ повышается поражаемость кле- ток и снижается их способность к восстановлению. Генетические поврежде- ния, вызываемые излучениями с высокой ЛПЭ, практически не репарируют-

ся. Поэтому все средовые факторы, так или иначе связанные с репарацией, не влияют на эффективность плотноионизирующих излучений в отличие от из- лучений, принимаемых за единицу. Следовательно, при количественной оцен-

ке относительной эффективности мутагенного действия различных видов излучения необходимо принимать во внимание условия проведения экспери-

мента.

Одним из важных факторов в этом отношении служит эффект напряже-

ния кислорода. Так, в некоторых случаях возможна завышенная оценка ОГЭ. Известно, что гамма- и рентгеновское излучения более эффективны, когда об-

лучение проводится в аэробных условиях (и менее – в анаэробных). Дело в том, что кислород препятствует репарации предмутационных повреждений. Поскольку результативность воздействия нейтронами и альфа-частицами не зависит от репарации, то практически не зависит и от наличия или отсутствия кислорода.

Следовательно, в аэробных условиях соотношение эффективностей излу- чений с малой и большой удельной ионизацией будет иным, чем в анаэроб-

ных. В последнем случае относительная эффективность нейтронов как бы еще больше возрастет по сравнению с гамма- и рентгеновским излучением.

Хорошей иллюстрацией сказанного являются данные, по выяснению от-

носительной эффективности рентгеновского и нейтронного облучения на примере возникновения хромосомных аберраций в клетках асцитной карциномы Эрлиха. Было показано, что при наличии кислорода эффективность нейтро- нов и рентгеновских лучей соответствовала отношению 2,5:1, тогда как в ана-

эробных условиях (в атмосфере азота) – 6:1 [299].

Необходимо также иметь в виду мощность дозы, при которой проводится облучение. Так, частота возникновения мутаций, индуцированных излучени-

ями с низкой ЛПЭ, зависит от мощности дозы облучения – при хроническом облучении генетический эффект ниже, чем при остром, что объясняется боль-

шей возможностью репарации при длительном облучении. Эта зависимость отсутствует при нейтронном и альфа-воздействиях. Таким образом, и в этом случае возможна завышенная оценка эффективности излучений с высокой удельной ионизацией.

Примером такого рода могут служить данные, полученные при гамма- и нейтронном облучениях микроспор традесканции. Так, отношение частот возникновения хромосомных аберраций при нейтронном и гамма-воздействии,

167

продолжавшемся 48 ч, равнялось 80:1, тогда как при облучении в течение не-

скольких минут – 10:1 [291].

Установлено, что с увеличением ЛПЭ затрудняется модифицирование биологических эффектов излучений и, в частности, снижается эффективность хи-

мической защиты против радиационного поражения. При действии альфачастиц отмечено полное отсутствие радиозащитного эффекта.

4.1.2. Различия в спектре мутаций

Необходимо остановиться также на сравнительной характеристике мута- генной эффективности различных видов излучений, имея в виду не количе- ственную ее сторону, а известную специфику вызываемого ими спектра мута- ций. К настоящему времени накопилось некоторое количество данных, в ос-

новном полученных при изучении растительных объектов, указывающих на то, что в ряде случаев под влиянием излучения с большой удельной ионизаци- ей возникают мутации, которые редко появляются при воздействии излуче-

ния с малой плотностью ионизации, и наоборот, те мутации, которые часто наблюдаются при гамма-облучении, сравнительно реже возникают при ней-

тронном воздействии.

В табл. 4.3 приведены данные, иллюстрирующие это положение [300].

Таблица 4.3. Возникновение эректоидных мутаций (с укороченными междоузлиями и прочной соломой) у ячменя под действием разных видов излучений

П р и м е ч а н и е. Различие статистически достоверно, Р = 0,001.

Эти данные имеют очень большое значение для радиационной селекции растений, так как позволяют модифицировать спектр индуцируемых мута-

ций, используя разные типы ионизирующих излучений (п. 6.2).

4.2. Радиационно-индуцированный адаптивный ответ

Одним из феноменов, связанных с действием малых доз радиации, являет- ся существенное повышение радиорезистентности клеток при предваритель-

ном облучении в малой дозе, т. е. так называемый адаптивный ответ (АО) [301]. Радиационно-индуцированный адаптивный ответ (radiation-induced adap-

tive response) – защитная реакция биологических объектов при воздействии на

168

них повреждающего фактора в незначительных дозах или концентрациях. По- нятие адаптивного ответа характеризует способность клеток отвечать на об- лучение в малых дозах снижением уровня радиационно-индуцированных по-

вреждений. В случае двукратного облучения адаптивный ответ проявляется в том, что предварительное воздействие облучения в малой дозе (обычно ниже 30 сГр) может снизить эффект последующей радиационной обработки в высо-

кой дозе [302].

В этом случае возникает резистентность к повторному воздействию, но уже в высокой повреждающей дозе.

Адаптивная реакция прослеживается по всем общепринятым критериям оценки повреждаемости генетического аппарата клеток, таким как образова-

ние хромосомных аберраций, генных мутаций, микроядер и т. д.

По сложившейся к настоящему времени терминологии первую незначи- тельную дозу, стимулирующую развитие адаптивного ответа, принято назы- вать адаптирующей. Высокую дозу, используемую при повторном воздей-

ствии, называют повреждающей, выявляющей или разрешающей. В англоязычной литературе принято обозначать адаптирующее воздействие как «con- ditioning or priming dose», а повреждающее как «challenging dose» [301].

Специфической особенностью радиационно индуцированного АО являет-

ся значительная, порой более чем на несколько порядков, разница в величинах адаптирующего и повреждающего воздействия. Обычно первая доза не вызы- вает регистрируемых нарушений, но при дополнительном облучении в высо- кой дозе наблюдается значительное снижение выхода радиогенетических по-

вреждений, по сравнению с однократным острым облучением в суммарной дозе [303].

Еще одной особенностью является неспецифичность в отношении харак-

тера адаптирующего воздействия. Реакция АО может развиваться как под действием малых доз радиации, так и в результате теплового шока, действия химических мутагенов и др. Причем защитный эффект прослеживается и при использовании в адаптирующем и повреждающем качестве разнородных фак-

торов [304].

Таким образом, можно сделать вывод, что АО – это специфическая общая реакция клеток, возникающая в ответ на незначительное повреждающее воз-

действие стресорного типа.

Впервые АО был показан в 1977 г. в экспериментах Сэмсона и Кэрнса по изучению влияния алкилирующих соединений на клетки E. Coli [305]. Произ- ведя оценку по критериям выживаемости и выхода мутаций, авторы показа-

ли, что инкубация бактерий в среде с внесенным в концентрации 1 мкг/мл N-метил-N-нитро-N-нитрозогуанидином формирует резистентность к повторному воздействию этого мутагена в концентрации 100 мкг/мл. При пересадке обработанных малой дозой мутагена бактерий на чистую среду, устойчивость к большой концентрации сохранялась на протяжении четырех часов культи-

вирования.

169