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

в основном не обнаруживаются (даже при том, что они на самом деле реаль- ны), является то, что исследователи не искали их и не разработали соответ-

ствующих экспериментов для их выявления [424].

Сторонниками идеи радиационного гормезиса являются, как правило, ав- торитетные мировые исследователи в области биологических эффектов ради- ации, в то время как его полные отрицатели имеют меньшие научные величи- ны и меньший авторитет. Большинство же авторов-радиобиологов и специа-

листов в области радиационной медицины занимают по данному вопросу осторожную промежуточную позицию.

4.5.2.Гормезис – стимулирующее действие ионизирующей радиации

вмалых дозах

Термин «радиационный гормезис» был предложен в 1980 г. Т. Д. Лакки для обозначения благоприятного воздействия ультрамалых доз облучения [416].

Исследование феномена радиационного гормезиса в лабораторных услови- ях было начато на простейших, а затем продолжено на лабораторных живот-

ных. Параллельно велись эпидемиологические наблюдения за когортами людей, пребывающих в условиях несколько повышенной радиационной экспозиции.

Гормезис – стимуляция какой-либо системы организма внешними воздей-

ствиями, имеющими силу, недостаточную для проявления вредных факторов (введен С. Саузманом и Д. Эрлихом в 1943 г. [425]). Гормезис могут вызывать токсины, лекарства, вредные факторы окружающей среды и др. На рис. 4.16 изображен график гормезиса – обозначены зоны ингибирования и стимуляции.

Термин «гормезис» происходит от греческого «быстрое перемещение» (hórmēsis). Природу гормезиса хорошо передает фраза Ф. В. Ницше «Что не убьет меня, сделает меня сильнее». Первые предположения о существовании гормезиса были выдвинуты Х. Шульцем и Р. Ардтом в 1880 г. при исследова-

нии действия токсинов на дрожжи [426,427]. Исследователи заметили, что низкие дозы токсинов стимулируют дрожжи, средние – ингибируют, высокие дозы – приводят к гибели.

В своих работах Б. Шумахер исследовал проблемы повреждений ДНК, ме-

ханизмы репарации и др., основной тематикой его работ являлись возраст, проблемы старения и онкологические заболевания. Ученый развил концеп-

цию гормезиса ДНК повреждений, согласно

200

ни к стрессам, с другой – к контролю роста и выживаемости клетки. Накопле- ние повреждений ДНК и удельное увеличение активности процессов репара- ции приводит к запуску в клетке механизмов программируемой гибели (апоп- тозу). Большое количество повреждений ДНК свойственно для деградирую- щих тканей и проявляется при старении организма. Таким образом, количе-

ство повреждений ДНК/активность процессов репарации определяет «судьбу» клетки по кривой гормезиса: мало повреждений – жизнь, много повреждений – апотоз / деградация.

Э. Калабризе исследовал проблемы токсикологии и загрязнения окружающей среды. В работе 2010 г. он провел анализ порога чувствительности для большой базы антибактериальных препаратов (всего было использовано 1888 соединений) [429]. В качестве модели для исследования препаратов были вы-

браны Escherichia coli. Для изучения кривой чувствительности для каждого препарата использовали 11 концентраций. Особое внимание Э. Калабризе уде- лял чувствительности бактерий к низким (допороговым) концентрациям пре-

паратов. Оказалось, что культивирование E. coli с низкими концентрациями ряда препаратов приводит к выраженной стимуляции бактерий по сравнению с контролем. При увеличении концентрации препаратов соответственно до-

стигался порог и проявлялся ожидаемый антибактериальный эффект. Таким образом, кривая чувствительности бактерий ко многим антибактериальным препаратам выявляла свойства гормезиса [429].

Установлено, что имеется физиологический уровень воздействия излуче- ний, благоприятный для жизнедеятельности. Если культуру парамеций (ту-

фельки – семейство инфузорий) изолировать от радиационных воздействий в свинцовом контейнере, в ней резко замедляется процесс деления клеток. После помещения в контейнер радиоактивного источника, воспроизводящего фоно-

вый уровень радиации, митотическая активность парамеций нормализуется. Стимулирующие эффекты малых доз облучения используются в хозяй-

ственной деятельности. Это облучение куриных яиц в периоде инкубации, приводящее к повышению вылупляемости цыплят, ускорению полового со-

зревания кур, повышению их яйценоскости, а также предпосевное облучение семян, повышающее их всхожесть и урожайность и др.

4.5.3. Медицинские аспекты радиационного гормезиса

Если большие дозы радиации оказывают неблагоприятные эффекты на живые организмы – угнетают деление клеток, рост и развитие, то малые дозы стимулируют практически все физиологические процессы. Конкретные вели-

чины малых доз зависят от видовой характеристики, для млекопитающих они лежат в диапазоне до 0,5 Гр. Эксперименты свидетельствуют о том, что под влиянием малых доз ионизирующих излучений естественная продолжитель- ность жизни животных увеличивается на 10–12 % по сравнению с адекват-

ным контролем.

201

Сторонники идеи радиационного гормезиса не без оснований считают, что атомная радиация является естественным, постоянно действующим на орга- низм фактором, без которого нормальное существование невозможно, как не-

возможна жизнь без гравитации, магнитного поля или кислорода. Поэтому естественный радиационный фон – не только один из важнейших факторов эволюции живого на Земле, но и необходимое условие существования биоло-

гических объектов.

У человека при применении радоновых ванн или при приеме внутрь радо- новой воды, наблюдалось общестимулирующее действие на организм, улуч- шение обмена веществ, снижение артериального давления и другие благопри-

ятные эффекты.

Поразительное противоречие между издревле широко используемыми в бальнеологии радоновыми ваннами, целебные эффекты которых никто не подвергает сомнению, и признанием опасным радонового облучения давно обсуждается в медицинской и биологической литературе, однако прийти к ка-

кому-либо пониманию механизмов этих эффектов вряд ли возможно вне идей радиационного гормезиса.

Проявления стимулирующих эффектов малых доз свидетельствуют о по- вышении при их воздействии надежности механизмов гомеостаза, в частно- сти, за счет адаптивной (в ответ на повреждение клеток) активации восстано-

вительных процессов в разных системах.

Изучение проблем медицинского радиационного гормезиса в своих рабо- тах проводил Б. Скотт [430]. Современные рутинные медицинские обследова- ния включают большое количество манипуляций с радиацией: рентген, томо- графия и др. Влияние этих доз радиации на человека до сих пор изучено недо- статочно. В ряде случаев при накоплении таких случайных доз радиации ав- торы наблюдали радиационный гормезис – активация защитных свойств ор- ганизма под действием малых доз радиации. В частности, под влиянием ма-

лых доз радиации возможно удаление из организма предраковых клеток и клеток с нестабильным генетическим аппаратом [431].

Авторы предполагают, что одним из возможных объяснений положитель-

ного действия радиации на организм является активация p53-зависимого и p53-независимого апоптоза / процессов репарации и клеток иммунной систе- мы [432]. Учитывая низкий уровень терапевтического эффекта от «случай-

ных» доз радиации, исследователи предлагают в дальнейшем разработать схемы терапии с совместным применением радиации (иммуноглубулины, ме-

ченные изотопом) и препаратов, повышающих чувствительность к апоптозу. Одним из вероятных механизмов, по которым включается эффект горме-

зиса, является индукция при воздействии малых доз систем репарации ДНК. Благодаря этому могут устраняться не только индуцированные облучением, но и спонтанные повреждения ДНК, что, например, может привести к сниже- нию вероятности развития рака, вызванного не только облучением, но и дру-

гими воздействиями.

202

Глава 5

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ФАКТОРОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ

5.1.Влияние факторов среды на генетические эффекты радиации

ипроблемы защиты наследственности

На человека, как и на все живые организмы, влияет сложный комплекс факторов физической и химической природы. Поэтому одной из актуальней-

ших проблем генетики является оценка и прогноз отдаленных (генетических) последствий комбинированных воздействий ионизирующей радиации и раз-

личных химических веществ. Это и факторы антропогенного загрязнения окружающей среды, и бытовая химия, и остаточные количества удобрений

ипестицидов в воде и пищевых продуктах.

Внастоящее время ряд территорий Беларуси, Украины и России, загряз-

ненных радионуклидами вследствие Чернобыльской аварии, используются

вкачестве сельскохозяйственных районов. При этом широко применяются как химические удобрения, так и средства борьбы с вредителями. В пищевых продуктах, произведенных на таких территориях, помимо «допустимого» содержания радионуклидов, могут находиться и остаточные количества удо-

брений и гербицидов. Комбинированное действие физических и химических факторов даже в малых концентрациях может оказывать существенное влия-

ние на организм. Генетический аспект этой проблемы практически не изучен. Употребление в пищу сельскохозяйственных продуктов и питьевой воды, загрязненных различными радионуклидами и химическими веществами, мо- жет иметь непредсказуемые последствия, так как при комбинированном воз-

действии различных агентов могут наблюдаться эффекты, отличающиеся от суммы влияний каждого из этих агентов в отдельности.

Радиогенетический эффект зависит от многих факторов внутренней и внешней среды, он может быть как сенсибилизирован (усилен), так и подавлен (за-

щитным действием факторов среды) [187].

Эффект ионизирующих излучений зависит от влияния различных физиче-

ских факторов среды. Показано, что действие излучений усиливается при низких температурах. Инфракрасное облучение, предшествуя воздействию ионизирующих излучений, усиливает его генетический эффект. Ультрафиоле- товое облучение, примененное после рентгеновского, понижает частоту изме-

нений в хромосомах.

Многие химические факторы также модифицируют эффект действия ио-

низирующих излучений на наследственные структуры. Показано, что при облучении семян и пыльцы растений частота радиационных мутаций сильно

204

зависит от содержания в них воды. Формальдегид, введенный до облучения в спермии дрозофилы, увеличивает число летальных мутаций. Тем же эффек-

том обладает синильная кислота [35].

Антропогенное загрязнение окружающей среды приводит к увеличению частоты мутаций у организмов любого уровня организации – прокариот и эу-

кариот. Большинство индуцированных повреждающими агентами мутаций оказываются вредными для организма (летальные, понижающие жизнеспо-

собность и плодовитость) [433]. С увеличением загрязнения окружающей среды техногенными факторами различной природы актуальной задачей со-

временных исследователей является изучение комбинированного действия нескольких агентов на биологические объекты и определение спектра их влияния на молекулярном, клеточном, организменном и популяционном уровнях [434].

На территории Беларуси после аварии на Чернобыльской АЭС среди мута- генных воздействий заметную роль стало играть сочетание облучения с дру- гими видами загрязнений, в том числе и тяжелыми металлами. Даже веще-

ства, не являющиеся мутагенами, могут модифицировать действие других мутагенных факторов. Поэтому оценка генетического риска сочетанного дей-

ствия малых доз ионизирующей радиации, тяжелых металлов и тяжелых естественных радионуклидов вполне актуальна [253].

5.2. Генетические эффекты тяжелых естественных радионуклидов

Одним из основных источников радиоактивного загрязнения внешней сре- ды является выброс и накопление в окружающей природе тяжелых естествен-

ных радионуклидов, в частности продуктов деления урана и плутония. Они в большом количестве формируются как продукты распада при ядерных ис-

пытаниях и в реакторах энергетических установок – большей частью АЭС. Они могут также формировать повышенный радиационный фон в местах сво- его естественного выхода на поверхность почвы, либо в результате геологиче-

ских изысканий.

Природные радионуклиды связаны между собой генетическим родством, образуя ряд семейств, возглавляемых ядрами-прародителями. Сходство физи- ко-химических свойств атомов обусловлено аналогией их электронных кон- фигураций, причем в первую очередь важно подобие в распределении элек- тронов по внешним, валентным уровням. Из радиоактивных актиноидов наи-

более важны атомы урана-232 и 238, а также тория-232. Эти элементы часто называют трансурановыми. Некоторые из них найдены в земной коре; осталь- ные элементы получены искусственно с помощью ядерных реакций в ускори- телях элементарных частиц. Конечными продуктами многоступенчатых пре- вращений ядер атомов этих семейств после ряда α- и β-распадов (и образова-

ния промежуточных нестойких ядер) оказываются изотопы свинца с массой 206, 207 и 208 соответственно.

205

Как уже известно, основными источниками радиоактивного загрязнения при ядерных и термоядерных взрывах являются радиоактивные осколки деле-

ния урана и плутония. Общее количество радиоактивных изотопов, образующихся при делении урана и плутония, чрезвычайно велико.

Относительно урана и его соединений, важно отметить, что они часто встречаются вместе с редкоземельными элементами, например, в монацито- вых песках. Содержание урана в земной коре составляет 2,9·10–4 %. Как из-

вестно, химические элементы на земном шаре распределены неравномерно, что обусловлено в первую очередь особенностями геологических и почвоо-

бразовательных факторов. Уран легко химически растворим в разбавленных кислотах с образованием солей урана. Уран, почти исключительно, использу-

ется как активное вещество ядерных реакторов (в виде обогащенного 235U). Большой интерес представляют природные радионуклиды урана, которые

попадают в организм человека по пищевой цепочке: хвостохранилище → вода → почва → растения → животные → человек.

Различные ионизирующие излучения вызывают в биологических систе-

мах количественно разные эффекты даже при одной поглощенной дозе. Для малоразмерных биологических объектов (например, для клеток) при одной

итой же поглощенной дозе излучения ее биологический эффект тем больше, чем больше величина ЛПЭ. В то же время для крупных организмов, такая за- висимость нарушается, поскольку проникающая способность излучения на- ходится, как правило, в обратной зависимости от ЛПЭ, и при высоких значе-

ниях ее поступление и распределение энергии ионизирующего излучения внутри облучаемого объема оказывается неравномерным.

Впроцессе экспериментальных и клинических наблюдений было показа-

но, что есть органы и ткани более чувствительные к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения вероят- ность возникновения рака в легких больше, чем в щитовидной железе. Воз-

действие радиации на половые железы особенно опасно из-за дальнейшего риска генетических последствий, поэтому дозы облучения различных органов

итканей организма человека и животных также следует рассчитывать с раз-

личными коэффициентами.

Необходимо принимать во внимание, что облучение человека при посту-

плении в организм радиоактивных веществ зависит также и от особенностей поведения радионуклидов в организме: их распределения по органам, перио- ду полураспада, выведения из организма и т. д. Причем характеристики у раз-

ных радионуклидов отличаются.

Для определения дозы облучения человека в результате внутреннего по- ражения отдельными радиоактивными веществами применяют установлен- ные опытным путем и в результате сложных расчетов дозовые коэффициен- ты, которые отражают значение эффективной дозы, накапливающейся за пе-

риод времени до полного выведения радиоактивного вещества из организма.

206

Возможность поглощения энергии радиоактивного излучения той или иной молекулой не зависит от ее химического строения. В подвергнувшейся облучению клетке возбужденными и ионизированными могут в равной степе-

ни оказаться белки и углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды, молекулы воды и различных низкомолекулярных органических и неорганических сое-

динений.

Роль радиоактивных веществ как токсических агентов определяется:

1)характером излучения;

2)интенсивностью излучения, которая определяется величиной энергии испускаемого излучения, а также скоростью процесса радиоактивного распа-

да, обычно выражаемой в виде периода радиоактивного полураспада;

3)величиной коэффициента всасывания радиоактивных веществ в кровь

иинтенсивностью дальнейшего отложения их в органах;

4)распределением внутри организма – равномерное по всему организму или специфическое отложение в каких-либо определенных органах (подобно радиоактивному йоду в щитовидной железе), либо в определенных тканях (например, радиоактивный стронций в костной ткани);

5)скоростью выведения из организма, которая выражается или в виде пе-

риода биологического полувыведения, или некоторыми другими постоянными. Наличие у тяжелых естественных радионуклидов радиационного фактора обуславливает возможность их воздействия на живые организмы не только при инкорпорации, но и при внешнем облучении. Таким образом, в отноше-

нии тяжелых естественных радионуклидов сегодня поднимаются две тесно связанные между собой проблемы: найти и обосновать допустимые уровни содержания во внешней среде этих радионуклидов и, с другой стороны, дать прогноз о возможных последствиях аварийных выбросов их в окружающую природу.

Генетическая опасность тяжелых естественных радионуклидов в отличие от общебиологической изучена на сегодняшний день недостаточно, и резуль-

таты таких исследований довольно противоречивы. Поэтому исследование влияния этих факторов на генетические структуры вызывает особый интерес. Поскольку в природе чаще всего уровень содержания тяжелых естественных радионуклидов является низким либо умеренным, то возможность обитания животных в таких условиях не исключается. Таким образом, в подобных по-

пуляциях возможны эволюционные процессы, сдвигающие норму реакции их генетических структур, либо формирующие устойчивые компенсаторные ме-

ханизмы.

Проследить формирование новых генотипов позволяют модельные экспе-

рименты. В целях приближения условий такого эксперимента к природным вполне оправдано использование методики перекрывающихся популяций дрозофилы. Генетический мониторинг ряда поколений дрозофилы позволяет судить о возможности адаптации популяций животных к хроническому воз-

действию тяжелых естественных радионуклидов.

207

Уран, являющийся в основном α-излучателем, мало изучен в токсикогене- тическом отношении. Этот элемент способен накапливаться многими тканя- ми организма, при этом скорость выведения существенно различается: напри-

мер, из легких уран выводится за 24 дня, а из костной ткани – за 400 дней.

В. А. Шевченко и соав. [435] проведено изучение мутагенного действия со-

лей урана-238 – трикорбоната и нитрита уранила в диапазоне концентраций от 0,85 до 100 мг/л на хлорелле, традесканции, аквариумных рыбках гуппи и на развивающейся икре вьюна. При действии нитрата уранила в концентра-

ции 25 мг/л количество мутаций в клетках хлореллы увеличилось более чем в два раза – с 0,69 до 1,46 %.

Выявлен мутагенный эффект урана и у традесканции по тесту точковых мутаций в волосках тычиночных нитей цветов с максимумом при концентра- ции урана-238 равной 1,7 мг/л. Такая же дозовая зависимость получена в опы-

тах с рыбами гуппи, которых содержали в аквариумах при концентрации азотнокислого уранила от 0,85 до 3,4 мг/л по тесту аберраций хромосом

вклетках хвостовых плавников рыб. Существенный мутагенный эффект на-

блюдался и в опытах с вьюном. Минимальная концентрация обогащенного урана, вызывающая достоверное увеличение уровня аберрантных клеток

вразвивающихся эмбрионах, была 3,75 мг/л. По мнению исследователей, по- лученные результаты свидетельствуют о мутагенной эффективности ура-

на-238 и его солей.

В. С. Богатова и соавт. [436] исследовали генотоксическое действие ионов уранила по уровню окислительного повреждения гуанина в ДНК. Выявлена высокая генотоксичность окислов урана при их взаимодействии с ДНК.

При действии на млекопитающих плутония-238 с дозовой нагрузкой 0,06– 0,47 Гр и иода-131 – 0,008–4,0 Гр обнаружено увеличение уровня доминант-

ных леталей только в клетках, прошедших стадию мейоза. Закономерность носила прямо пропорциональный характер [437].

Наиболее полно генетический эффект тяжелых естественных радиону-

клидов был изучен на мышах. Учитывая схожесть радиочувствительности мыши и человека, данные, полученные в экспериментах, позволяют строить прогнозы о влиянии на человека различных повреждающих факторов, и в том числе тяжелых естественных радионуклидов [438].

Поскольку экспериментальные исследования мутагенных эффектов за- грязнения окружающей среды на человеке IN vivo не возможны, испытания

проводят в культивируемых соматических клетках человека, но результаты, полученные in vitro, нельзя полностью переносить на живой организм. Совре- менные методики не позволяют оценивать генетический риск воздействия ан-

тропогенных факторов в половых клетках человека, а ведь именно мутации

вполовых клетках являются истинно генетическим эффектом, в отличие от повреждений в соматических клетках, которые элиминируются при делении клеток и следующим поколениям не передаются. Оценить частоту мутаций, индуцированных мутагенами в половых клетках человека, можно не прямы-

208

ми методами, а путем экстраполяции данных с млекопитающих на человека и с соматических клеток на половые.

Разработана специальная методика, позволяющая анализировать цитоге-

нетические повреждения в половых и соматических клетках одних и тех же животных [405]. С помощью этой методики показано мутагенное действие уранила – соли урана-238 на спонтанный уровень хромосомных перестроек

вполовых и соматических клетках мышей. Исследование выполнялось на мы-

шах линии Af. Воздействию подвергали самцов в возрасте 2–2,5 мес. Уранил вводили животным с питьевой водой ежедневно в течение 1 мес. до суммар-

ной концентрации 32,45 мг/л, что соответствует 0,01 мкКи/мышь и в течение 3,5 мес. в суммарной концентрации 113,6 мг/л по урану. Интактных животных поили водой.

Вкачестве тестов использовали частоту реципрокных транслокаций в по-

ловых клетках, т. е. наследуемый тип мутаций, передающихся из поколения

впоколение, и уровень хромосомных аберраций в соматических клетках мы-

шей. При воздействии водного раствора уранила в течение 1 мес. наблюдалась лишь тенденция к увеличению выхода хромосомных перестроек в половых и соматических клетках мышей, но при воздействии в течение 3,5 мес. выяв-

лен существенный мутагенный эффект – введение уранила увеличило выход реципрокных транслокаций в половых клетках мышей и повысило уровень хромосомных перестроек в соматических клетках тех же животных почти

втри раза.

Таким образом, выявлена корреляция между мутагенными эффектами в генеративных и соматических клетках, что представляет несомненный ин- терес для определения коэффициентов корреляции и для разработки критери-

ев пересчета величины генетических эффектов в половых клетках человека, исходя из данных, полученных на соматических клетках (например, на лим-

фоцитах периферической крови) [405].

Несмотря на резко возросший в последнее время интерес к изучению гене- тической активности тяжелых естественных радионуклидов, подходы к реше- нию вопросов о ее молекулярных механизмах находятся еще на уровне физи- ко-химических, оторванных от биологии, исследований, либо на уровне пред-

положений.

В абсолютном большинстве случаев, когда речь идет о влиянии инкорпо-

рированного радионуклида на живой объект, нет попыток разделить эффекты токсического и радиационного факторов с различными повреждающими ме- ханизмами, хотя в этом, вероятно, кроется возможность дать объяснение ме- ханике многих параллельно идущих процессов активации и репарации гене-

тических структур (сочетанное действие). Существует много попыток объяснить явления синергизма, аддитивности и антагонизма на примерах комбинаций факторов, имеющих различный генезис, но в большей степени такие попытки носят гипотетический характер, так как конкретные механизмы мутабильно-

сти контролю при этом не подвергаются.

209