Радиобиология с основами радиоэкологии

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 251

Прежде всего, следует отметить, что в отличие от эффектов, возникающих в результате воздействия любых видов энергии, биологические реакции на ионизирующие излучения определяются не общим количеством поглощенной энергии, а формой передачи в виде узколокальных процессов ее размена в микрогеометрических участках клетки. Исследователи еще в 1930-х гг. столкнулись с этим парадоксом биологического действия ионизирующего излучения: несоответствием между ничтожным количеством поглощенной клеткой энергии излучения и вызываемым биологическим эффектом. При объяснении этого явления, которое так и было названо – радиобиологическим пара­ доксом, в количественной радиобиологии были сформулированы два принципа – попадания и мишени.

Основы современной радиобиологии начинаются с попыток истолковать количественные особенности реакции живых организмов на воздействие проникающих излучений (зависимость эффекта от дозы) и в ее развитии наметились несколько направлений.

Первые шаги в развитии количественной радиобиологии были сделаны Ф. Дессауэром в 20-х гг. ХХ столетия. Именно они знаменуют начало второго этапа развития радиобиологии. Он подошел к проблеме биологического действия ионизирующей радиации исходя из физической природы излучения. Выдвинутая им гипотеза «точечного тепла» предполагала, что значительный биологический эффект при относительно небольшой общей энергии объясняется тем, что она концентрируется в малых объемах, приводя их к микролокальному нагреву. Так как распределение «точечного тепла» является чисто случайным, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки – мишени. На основе проведенных количественных опытов, раскрывающих закономерности радиобиологических реакций, Ф. Дессауэр предположил, что они осуществляются в том случае, если в клетке произошло определенное число «попаданий» в мишень. Следует перечислить основные положения принципа попадания:

–ионизирующие излучения обладают очень малой объемной плотностью по сравнению с другими видами излучения, например, с тепловым, т.е. переносят энергию в дискретном виде и попадают в некий объект «концентрированными порциями»;

–фотоны и частицы ионизирующего излучения обладают огромной дискретной энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи;

–за время первой, физической стадии воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты происходит поглощение, перераспределение и деградация энергии;

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 253

–ионизирующие излучения переносят энергию в дискретном виде;

–акты взаимодействия (попадания) не зависят друг от друга и подчиняются пуассоновскому распределению;

–исследуемый эффект наступает, если число попаданий в некоторую чувствительную область, так называемую мишень, равно по крайней мере n.

Оказалось, что при воздействии излучений на биологические объекты не всякая передача энергии ионизирующей частицей или квантом приводит к радиационному повреждению.

Живая клетка и ее органеллы оказались гетерогенными в отношении чувствительности к облучению. Воздействие излучений на одни участки объема клетки приводит к повреждению, такое же воздействие на другие участки не сказывается на той функции, по которой определяют повреждение. Радиационный эффект в клетке возникает по принципу «все или ничего» в зависимости от попадания или непопадания ионизирующих частиц в уникальную структуру. Именно это утверждение, основанное на экспериментальных фактах, получило название принципа мишени, согласно которому объем живых

клеток гетерогенен по своей радиочувствительности: в нем имеются определенные участки (мишени), попадание в которые и только в них приводит к поражению.

Основные положения принципа мишени:

–высокая энергия, дискретно поглощаемая в клетке, и отсутствие избирательного действия позволяют ионизирующим излучениям вызывать изменения любой молекулы или биологической системы; в биологических объектах не существует молекул или систем, испытывающих преимущественное поглощение энергии радиации;

–неоднородные элементы клетки, поглотившие одну и ту же энергию излучения, по истечении времени (различного для каждого элемента живой системы) претерпевают изменения, приводящие к различным по степени и биологической значимости повреждениям;

–кривые доза–эффект являются отражением квантованности характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и наличия в клетке высокочувствительных объемов – мишеней.

Исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе излучения. Поэтому в определенном диапазоне доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества; в связи с этим зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. 9.2, А). С повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень возрас-

Рис. 9.2. Зависимость изменения эффекта от дозы излучения.

А и Б – при малых и больших дозах соответственно (Д.Е. Ли, 1963, цит. по С.П. Ярмоненко, 1988).

тает, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, приближаясь к 100% (рис. 9.2, Б), т.е. количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы снижается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Интерпретация основных количественных параметров кривых выживания поначалу исходила непосредственно из теории мишени. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, необходимо вернуться к анализу кривых доза–эффект и рассмотреть их с позиций теории мишени. Весьма удобным для этого является анализ одноударного поражения. В качестве такового подразумевают гибель облучаемого объекта от единичного эффективного попадания в мишень. Основным параметром радиочувствительности является величина D0, которая определяется по кривой выживания как доза, при которой выживают около 37% клеток от исходного количества. Иногда поэтому ее называют D37, которую в теории мишени принято называть инактивирующей, или среднелетальной дозой, что не следует путать с ЛД50.

Представим, что если облучаемая система состоит из N0 – исходное число объектов, а N – число объектов, не пораженных излучением и сохранивших после облучения исходные свойства (т.е. выживших), то величина N/N0 соответствует вероятности непопадания (n = 0). Выход из строя определенной части объектов dN/N при приращении дозы dD выражается уравнением dN/N = –dD/D0, где D0 – доза, при которой на каждый объект в среднем приходится одно попадание (отсюда и наименование D0 – среднелетальная доза). После интегрирования данного уравнения получаем

ln(N/N0) = –D/D0; N = N0 e(–D/Do),

где e – основание натуральных логарифмов.

ударность мишени, тем заметнее так называемое «плечо» – начальный, более горизонтальный участок кривой. На основании принципов попадания и мишени можно анализировать кривые доза–эффект, полученные в эксперименте. В зависимости от вида объекта и характера излучения получают различные дозовые кривые – от простых экспоненциальных до сигмоидальных с разной величиной «плеча». Изображение многоударных кривых в полулогарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число, характеризующее число мишеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клеток. Такой тип кривых характерен для большинства клеток растительного и животного происхождения.

Наиболее строго принцип попаданий применим к анализу поражения одноударных объектов. В этом случае можно рассчитать размеры и число мишеней. Использование данных принципов позволило впервые определить размеры некоторых макромолекул, вирусов, бактерий, генов, получить сведения о строении и функциях исследуемых объектов. Наиболее значительным результатом применения теории мишени было установление того факта, что инактивация многих ферментов и вирусов является одноударной реакцией, а размер чувствительного объема часто близок к объему всей молекулы.

По мнению Н.В. Тимофеева-Ресовского, который внес большой вклад в развитие принципов попадания и мишени, действительно, принцип попадания не является теорией, это общее установление дискретной природы физических взаимодействий излучений с облучаемым веществом. Таким же общим принципом является принцип мишеней. В радиобиологии он отображает общее положение о крайней разнородности (с физической, химической и биологической точек зрения) облучаемого живого вещества (организм, ткани, клетки). Иначе говоря, принципы попадания и мишени характеризуют основу первичных физических процессов, ведущих к возникновению радиа- ционно-химических и радиобиологических реакций в облученных клетках.

Изложенные теоретические принципы носят чисто формальный характер. Интерпретация конкретных многоударных кривых с позиций теории мишени затруднительна. Пределы применимости принципов попадания и мишени не очень широки. Непосредственное аналитическое значение имеет применение принципов попадания и мишени при построении гипотез и теорий, объясняющих механизмы возникновения лишь относительно элементарных реакций организмов на облучение (таких, например, как возникновение мутаций, хромосомных аберраций). В более сложных и комплексных конечных радиобиоло-

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 257

гических реакциях принципы попадания и мишени могут и должны применяться лишь при количественной оценке первичных физических пусковых механизмов реакций в экспериментах с применением разных доз различных типов излучений

иразных режимов облучения. Многие радиационные эффекты, обусловленные изменением химического состава клетки в результате радиолиза ее компонентов или метаболическими процессами взаимодействия различных клеточных органелл, не подлежат интерпретации на основании этих принципов. Принципы попадания и мишени непосредственно ничего не говорят

ио химической природе мишеней, и с какими процессами связано поражение самих мишеней. Не объясняются, в частности, зависимости радиобиологического эффекта от наличия в облучаемой среде кислорода, от температуры и т.д. Все это явилось предпосылкой к появлению в 1960-х гг. новой теории, объясняющей принципы попадания и мишени с позиций стохастических, т.е. случайных, вероятностных процессов.

9.2. Стохастическая теория. Вероятностная модель радиационного поражения клетки

Дальнейшим развитием теории прямого действия ионизирующего излучения явилась стохастическая теория, предложенная в конце 1960-х гг. О. Хугом и А. Келлерером. Эта теория, как и теория мишени, основывалась на строго количественном подходе и учитывала дискретный и вероятностный характер попадания кванта или частицы излучения в чувствительный объем клетки, но в отличие от нее она еще учитывает состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической системы, принимая во внимание не только поражение, но и возможность восстановления жизнеспособности облученной клетки. Честь открытия феномена восстановления принадлежит отечественному радиобиологу В.И. Корогодину. При формировании биологического эффекта всегда существует множество случайных событий, что учитывает стохастическая теория. Каждая клетка представляет собой лабильную динамическую систему, которая постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое. Из-за сложности системы любой такой переход сопровождается множеством комплексных и элементарных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул. Благодаря влиянию различных, не подлежащих регистрации факторов и малейших сдвигов в исходном состоянии, в клетках возникает вероятность «отказов», а вследствие этого – «крушение» всей системы. На биологическую стохастичность (вероятность) первого порядка при облучении клетки накладывается стохастика второго порядка вследствие случайного взаимодействия излучения с веществом. При этом увеличивается

вероятность крушения системы, происходящей со значительно меньшей частотой и в необлученном контроле. Поэтому любое практическое событие, например, митоз или гибель клетки можно предсказать лишь с известной вероятностью.

Стохастическая теория рассматривает события, происходящие в клетках и системах в результате жизнедеятельности и облучения, с позиций теории вероятностей и описывает их моделями согласно представлениям динамической биохимии и молекулярной биологии. В данном случае мишенями являются все компоненты клетки или живой системы. В отличие от теории мишени стохастическая теория учитывает как физио­ логические, так и индуцируемые облучением процессы в динамике. Нельзя не заметить, что остались незыблемыми оба определяющих фактора классического принципа попаданий – дискретность радиационного агента и функциональная гетерогенность биологического объекта. Существенно отличным является лишь толкование второго фактора: если с формальных позиций он определяется наличием фиксированных мишеней, то в системе новых представлений показана несостоятельность этой точки зрения, взамен которой развита идея определяющей роли стохастической природы физиологических процессов и их радиационных нарушений.

Природа клеточных повреждений при действии ионизирующего излучения весьма разнообразна: изменение клеточных мембран и других структур клеток, инактивация какой-либо жизненно важной системы. Наиболее повреждаемы клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. У животных к ним относятся клетки органов кроветворения (красный костный мозг, селезенка, лимфоузлы), половых желез, эпителия кишечника и желудка, а также клетки быстрорастущих опухолей; у высших растений – в первую очередь клетки меристем.

Стохастическая теория учитывает не только все многообразие повреждений, вызванных ионизирующим излучением, но и роль репарационных процессов. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности биологических объектов стохастическая гипотеза приводит к пониманию того, что экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных механизмов, а сигмоидная соответствует системам, обладающим такими репаративными механизмами.

Следовательно, стохастическая теория учитывает современные данные о микрораспределении энергии, вариабельности радиочувствительности биологических объектов и роль репарационных процессов. Она более «биологична» по своей природе, так как устанавливает связи с конкретными морфологическими и функциональными разделами цитологии и физиологии. Однако математический анализ достаточно сложен, что затруд-

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 259

няет широкое применение этой теории, и она не в состоянии удовлетворительно объяснить все многообразие экспериментальных фактов.

В дальнейшем была предпринята новая попытка теоретического анализа. Ю.Г. Капульцевич в 1978 г. на основе анализа количественных закономерностей различных реакций дрожжевых клеток на облучение предложил так называемую вероятностную модель радиационного поражения клетки. Согласно этой модели, различные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, в соответствии с принципом попадания поражаются в разной степени. Однако в рамках предлагаемой модели в отличие от классических представлений и потенциальные, и реализованные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы и в зависимости от условий жизнедеятельности клеток, увеличиваясь при ухудшении этих условий. Реализованные повреждения (или индуцированные ими изменения) наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к торможению клеточного деления. При этом вероятность проявления повреждения может зависеть как от биологических (генетических) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь от ухудшения этих условий.

Главное отличие вероятностной модели от классических состоит в том, что согласно последним, радиочувствительность клетки определяется лишь объемом мишени и критическим числом попаданий. С позиций вероятностной модели процесс радиационного поражения клетки лишь формально делится на три этапа.

Первый этап – осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения, вероятность образования которых на единицу дозы излучения зависит от величины эффективного объема и величины энергии, необходимой для образования первичного повреждения. На этой стадии радиочувствительность определяется величиной эффективного объема (V) и вероятностью (р) образования потенциального повреждения. Эти параметры зависят как от биологических особенностей объекта, так и от условий облучения (температура, влажность, концентрация и некоторых других).

Второй этап – реализация потенциальных повреждений. Клетки способны восстанавливаться от радиационных повреждений, поэтому реализованной оказывается лишь часть потенциальных повреждений (r). Параметры V, p, r определяют частоту (b) реализованных повреждений на единицу дозы излучения (b = Vpr) и среднее число α при дозе D (α = b.D). С помощью параметра b учитывается зависимость радиобиологических эффектов от дозы излучения, ЛПЭ и продолжительности восстановления.

Третий этап – различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. На этом этапе также возможно восстановление клеток от последствий реализованных повреждений или их компенсация, поэтому вероятность проявления реализованного повреждения не равна единице, а характеризуется величиной α, зависящей от биологических особенностей клетки и условий культивирования.

Таким образом, вероятностная модель, являясь как бы синтезом принципа попадания и стохастической концепции, использует сохранившие значения основные положения первого и дополняет последнюю, расширяя диапазон явлений, которые могут быть интерпретированы с позиций биологической стохастики. Недостатком данной теории является то, что ни сама модель, ни производимый с ее помощью анализ реакции клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций. Выводы справедливы только для дрожжевых клеток, что затрудняет использование теории при описании реакции клеток млекопитающих на действие радиации.

9.3. Гипотеза радиотоксинов

Понятие о радиотоксинах как о веществах, образующих­ ся под влиянием облучения, являющихся биологически ак­ тивными и вызывающих в той или иной мере радиационные эффекты в облученном организме, возникло еще в самом начале развития радиобиологии. Так, Д.Е. Ли в 1946 г. в своем классическом труде «Действие радиации на живые клетки» допускал, что продукты, образующиеся под действием излучений, будучи клеточными ядами, даже при очень низких концентрациях могут оказывать вредное воздействие. Однако доказать эту гипотезу в то время не позволяло отсутствие реальних знаний о химических и биохимических изменениях в облученном организме. Позднее, отмечая сходство действия ионизирующих излучений с действием бактериальных экзотоксинов или иприта и его аналогов (радиомиметических веществ), многие исследователи вновь возвращались к мысли, что ряд последствий облучения может быть объяснен образующимися радиотоксинами.

В конце 1940-х и начале 1950-х гг. были проведены биохимические исследования облученных организмов, выявивших в результате те или иные изменения в содержании различных веществ в тканях облученных животных. В 1954 г. Б.Н. Тарусов в монографии «Основы биологического действия радиоактивных излучений» указывал на зависимость радиационного эффекта от развития физико-химических процессов в облученном ор-