Радиобиология с основами радиоэкологии

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 261

ганизме, приводящих к появлению «первичных токсинов». На роль радиотоксинов в развитии лучевого поражения ука­ зывали многочисленные исследования по дистанционному действию радиации, эксперименты с парабионтами, опыты по повышению радиоустойчивости клеток при их пострадиационном выдерживании в тканевых культурах и исследованию по влиянию облученной цитоплазмы на необлученные ядра клеток.

П.Д. Горизонтов в конце 1950-х гг., анализируя данные о развитии лучевого поражения у млекопитающих, пришел к выводу, что токсемия занимает важное место в патогенезе лучевого заболевания. Токсемия, или токсинемия – циркуляция в крови животного токсических веществ, обусловливающих яв­ ления интоксикации.

К1950–1960-х гг. в радиобиологии уже накопился зна­ чительный фактический материал, свидетельствующий о том, что в облученном организме возникает на различных стадиях развития лучевого поражения целый ряд таких активных веществ, образующих как бы класс «радиотоксинов». А.М. Кузин в 1962 г. в монографии «Радиационная биохимия» обращал внимание на тот факт, что воздействие ионизирующих частиц на множественные структуры клетки может изменить их функции в процесах обмена, привести к образованию в клетке измененных метаболитов, накопление и действие которых на уникальные молекулы клетки могут вызывать многие из известных радиационных эффектов. К этому классу принадлежат довольно различные по химической природе вещества: хиноны, продукты окисления ненасыщенных жирных кислот перекисной, эпоксидной или карбонильной природы, холин, гистамин. Наконец, убедительно показано, что на поздних стадиях развития лучевого поражения явление токсемии тесно связано с продуктами белкового распада. Однако множество «радиотоксинов» можно легко расклассифицировать на три группы.

Такие вещества, как холин, гистамин можно отнести к малоспецифичным для радиации токсинам, они обладают очень небольшим радиомиметическим спектром.

Ко второй группе следует отнести радиотоксины белковой природы. Они появляются в разгар течения лучевого поражения в результате уже глубоких первичных изменений в нуклеи­ ново-белковом обмене. Однако их появление имеет вторичное происхождение. Они не обнаруживаются сразу после облучения и им можно дать название «вторичные радиотоксины».

Ктретьей группе следует отнести биологически активные вещества, принадлежащие к классам о-хинонов и продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот. Именно для этих веществ характерно образование их тотчас после облучения, за-

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 263

В ней отражено ведущее значение хинонов в поражении цитогенетических структур клетки и роль липидных радиотоксинов в нарушении функций митохондрий и лизосом в процессе цитолиза. Особое значение придается биохимическому усилению процессов образования радиотоксинов за счет их первичного действия на мембраны митоходрий и искажения течения ферментативных окислительных процессов в этих структурах.

9.4. Гипотеза биохимического шока

Анализ физиологических и биохимических изменений, возникающих в тканях животных после введения серосодержащих радиозащитных соединений, привел в середине 1960-х гг. З. Бака и П. Александера к формулированию гипотезы «биохимического шока», согласно которой различные радиопротекторы однотипно изменяют метаболические процессы, переводя клетки в состояние повышенной устойчивости к действию ионизирующей радиации. В результате проведенных обширных исследований, посвященных анализу конкретных биохимических изменений, возникающих под влиянием радиозащитных агентов и модифицирующих радиорезистентность организма, в 1970-е гг. возникают гипотезы «комплексного биохимического механизма действия радиозащитных средств» (Е.Ф. Романцев, 1968), «сульфгидрильная гипотеза» (Э.Я. Граевский, 1969). По- казано, что «биохимический шок» возникает не только при защите клеток SH-соединениями, но и при действии других радиозащитных агентов, что дало основание предположить, что его связь с модификацией повреждения клеток неслучайна. При этом установлено, что радиопротекторы способны переводить различные биохимические системы в состояние повышенной радиорезистентности. К числу таких систем, являющихся наиболее радиочувствительными, относятся контрольные механизмы биосинтеза ДНК, ядерное фосфорилирование, окислительное фосфорилирование в митохондриях. Биофизический механизм этого явления, приводящий к увеличению объема ферментативной репарации потенциальных повреждений клеток, в дальнейшем предложен Л.Х. Эйдусом (1977). Согласно его представлениям, биохимический шок, наблюдавшийся при введении радиопротекторов, аноксии и других агентов, лишь частный случай общей неспецифической реакции клеток на действие любых повреждающих агентов. Несмотря на стремление некоторых исследователей придать исключительное значение какому-то одному фактору, экспериментальные данные указывали на существование альтернативных путей реализации защитного эффекта даже для одного и того же радиопротектора.

9.5. Гипотеза биохимического фона радиорезистентности

Исследование эндогенных липидных радиосенсибилизаторов – продуктов перекисного окисления липидов – впервые было начато Ю.Б. Кудряшовым в 1960-е гг. в развитие теории первичных механизмов радиационного поражения Б.Н. Тарусова. В 1970-е гг. исследования роли биогенных моноаминов в формировании радиорезистентности биологических объектов были начаты Е.Н. Гончаренко. В 1969 г. была выдвинута идея о комплексном эндогенном фоне радиорезистентности, представляющем собой отношение между уровнями эндогенных протекторов и сенсибилизаторов, определяющих устойчивость системы к радиационному поражению и объясняющих механизм противорадиационной защиты организма с помощью протекторов, применяемых до облучения. Согласно этой гипотезе, введение в

организм эффективных доз радиопротекторов сопровождается значительными изменениями различных биохимических процессов, на фоне которых и происходит облучение. Образование эндогенных тиолов (сульфгидрильных групп) в результате применения не только внешних тиоловых протекторов, но и при введении индолилалкиламинов и других соединений – одно из проявлений таких многочисленных изменений. Кроме того, придается значение и другим эндогенным биологически активным соединениям, изменение содержания которых под влиянием средств химической защиты создает биохимический фон радиорезистентности за счет мобилизации защитных ресурсов организма. С одной стороны, наблюдаемое под влиянием протекторов увеличение содержания эндогенных аминов, обладающих радиозащитной активностью (серотонин, дофамин, гистамин), с другой стороны – снижение содержания продуктов окисления липидов, обладающих радиомиметическим действием. Первые из них рассматриваются как эндогенные протекторы, вторые – как эндогенные радиосенсибилизаторы. Биогенные амины наряду с гипоксическим механизмом действия активизируют систему циклических нуклеотидов, контролирующих клеточное деление, синтез нуклеиновых кислот, гликолиз, проницаемость мембран и другие клеточные процессы, переводя их в состояние радиорезистентного метаболизма (рис. 9.6).

Гипотеза эндогенного фона радиорезистентности не противоречит ряду других современных представлений о механизмах радиозащитного эффекта, она обобщает их и ставит в основу формирования радиорезистентности биологического объекта суммарные изменения в нем эндогенных модификаторов лучевого поражения, а также отмечает пути реализации создавшегося фона в процессе противолучевой защиты.

9.6. Структурно-метаболическая теория

Важную роль в развитии радиобиологии сыграла струк- турно-метаболическая теория лучевого поражения, сформулированная и развитая А.М. Кузиным. На основе анализа собственных исследований и обобщения огромного научного материала, накопленного другими учеными, А.М. Кузин в 1986 г. представил основные положения структурно-метаболической теории действия ионизирующей радиации на живые организмы, явившейся, по мнению многих радиобиологов, прогрессивным развитием гипотезы радиотоксинов. Главная задача этой теории – показать молекулярно-клеточные механизмы формирования радиобиологических эффектов в облученном организме. В ее основе лежат представления о том, что под влиянием ионизирующих излучений в организме развиваются не только процессы, связанные с первичными и начальными радиацион- но-химическими реакциями, но и с образованием токсических веществ, обусловливающих повреждение биологически важных макромолекул, ответственных за радиационное повреждение и,

впервую очередь, молекул ДНК. Структурно-метаболическая теория исходит из представления о том, что любой радиобиологический эффект возникает во времени в результате взаимодействия многих процессов, как развивающихся после облучения, так и нормально протекающих в организме.

Воснове структурно-метаболической теории лежат важные положения, к которым можно отнести следующие:

1. Она исходит из дискретного характера передачи энергии ионизирующих излучений молекулам и структурам клетки, возможного неравномерного распределения поглощенной энергии в облучаемой клетке или популяции клеток и использует «принцип попадания» только в его строго физическом смысле. Таким образом, для понимания механизмов возникновения любых радиобиологических эффектов необходимо учитывать количество поглощенной энергии, ее мощность, плотность ионизации.

2. Теория строго различает механизм прямого и непрямого (опосредованного) действия радиации на молекулы, клеточные структуры, клетки и ткани сложных организмов.

Влюбой облучаемой системе воздействие радиации на молекулы может осуществляться двумя путями. Первый – непосредственное взаимодействие ионизирующей частицы с молекулами – прямое действие радиации, вызывающее немедленный эффект, не зависящий от внешних условий. Второй путь воздействия в сложных системах (в любой клетке) имеет место тогда, когда энергия излучения поглощается другими молекулами; в результате развития радиационно-химических процессов

всистеме появляются активные молекулы (ионы, радикалы,

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 267

возбужденные молекулы) с определенным временем жизни, активно реагирующие с молекулами клетки. Это непрямое, опосредованное действие радиации имеет временной и дистанционный характер. В отличие от прямого, опосредованное действие радиации зависит от внешних условий, природы молекул, физиологического состояния клетки.

3.Теория подчеркивает значение фактора времени в проявлении любых радиобиологических эффектов.

Любые радиобиологические эффекты, проявляющиеся как на клеточном уровне (образование хромосомных аберраций, мутаций, интерфазная или репродуктивная гибель клеток), так и на уровне организма (морфологические, биохимические сдвиги

втканях, изменение темпа роста, гибель и отдаленные последствия) возникают со временем.

Возможности усиления или ослабления конечного эффекта путем изменения условий существования облученного объекта

впериод между облучением и проявлением радиобиологического эффекта имеют большое значение в формировании и развитии радиобиологических эффектов тех процессов (биохимических, биофизических), которые появляются в пострадиационный период в облученном организме.

4.Теория исходит из того, что любой радиобиологический эффект формируется в биологической системе, т.е. в целостной системе, гетерогенно структурированной на молекулярном уровне, существование которой определено единством структуры и метаболизма.

Тесная взаимосвязь всех частей биологической системы делает принципиально неправильным игнорирование процессов, идущих в одних участках системы, при рассматривании изменений в других. Изучение сдвигов в структурах биологической системы следует проводить с одновременным исследованием нарушений метаболизма и энергетики, неразрывно связанных с этими структурами.

5.Теория рассматривает радиобиологические процессы с точки зрения раскрытия нормально протекающих биохимических и биофизических реакций, которые находятся под влиянием регуляторных механизмов живой системы.

Природу первичных реакций, возникающих в облученном организме, можно объяснить на основе знаний радиационной химии нуклеиновых кислот, белков, липидов и других низкомолекулярных веществ.

6.Теория учитывает множественность событий, участвующих в формировании радиобиологических эффектов, т.е. принцип многофакторности.

Для понимания причин возникновения или отсутствия конечного эффекта, его зависимости от уровня поглощенной энергии, ее качества, состава и физиологического состояния облу-

чаемого объекта всегда необходимо учитывать взаимодействие множества событий, т.е. исходить из принципа многофакторности.

7.Теория отмечает ведущую роль в формировании радиобиологических эффектов нарушений, возникающих в клеточном ядре (геноме) и биомембранах, в генерации энергии и изменении уровня низкомолекулярных биологически активных веществ (радиотоксинов).

Совершенно очевидно, что клеточное ядро как система, хранящая генетическую информацию клетки и участвующая в ее реализации, и тесно связанные с ним мембраны играют важную роль в процессах регуляции и самоуправления жизнедеятельности клетки. В облученной клетке поражение генома взаимосвязано с изменениями функций биомембран и образованием низкомолекулярных активных веществ.

8.Теория рассматривает вероятностный характер проявления радиобиологических эффектов как результат не только вероятного распределения поглощенной энергии в клеточных структурах, но и вероятностного характера взаимодействия процессов, приводящих к развитию радиобиологического эффекта, с процессами, ликвидирующими первично возникающие отклонения от нормы.

9.Теория рассматривает механизмы как повреждающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малых доз радиации. Она применима и при исследовании синергизма действия ионизирующей радиации с другими физическими и химическими факторами.

10.Структурно-метаболическая теория является общей тео­ рией действия радиации на биологические объекты, начиная

склеточного уровня и кончая высокоорганизованными многоклеточными организмами.

Основные перечисленные положения структурно-метабо- лической теории свидетельствуют о том, что она не является противопоставлением принципу попадания и мишени, а лишь стремится дополнить механизм развития радиационного поражения организма, отводя решающую роль фактору функциональной гетерогенности клетки и опосредованным (через образование радиотоксинов) эффектам ионизирующих излучений.

Подводя итог современному состоянию вопроса о механизмах биологического действия ионизирующих излучений, следует исходить из того, что классические представления о принципах попадания и мишени претерпели серьезную модификацию. Очевидно, наиболее правильное решение в рассматриваемой проблеме лежит на пути признания решающей роли совокупности повреждений, возникающих в отдельных звеньях многокомпонентной, чрезвычайно сложной, строго упорядоченной в структурном и функциональном отношении системы, како-

9. Теории и гипотезы биологического действия ионизирующих излучений 269

вой является клетка. Более того, имеющиеся в настоящее время попытки теоретически объяснить механизм биологических эффектов ионизирующих излучений носят, в основном, гипотетический характер и пока не могут дать однозначный ответ о природе «радиобиологического парадокса» – несоответствия количества поглощенной энергии реакции организма. К сожалению, ни одна из гипотез пока не может быть названа общепризнанной, так как появляются все новые факты и открытия. В целом же они не противоречат друг другу, потому что пытаются объяснить радиобиологические эффекты на различных уровнях организации живого, различных уровнях развития лучевого поражения и в той или иной степени дополняют друг друга. По мнению Ю.Б. Кудряшова (2004) вековой опыт радиобиологических исследований позволяет сделать вывод о том, что в целом при изучении биологического действия ионизирующего излучения следует исходить из четырех основных принципов, касающихся особенностей взаимодействия ионизирующих излучений с живой системой и характера ее ответа на облучение: принципа попаданий (дискретности ионизирующих излучений), принципа мишени (структурной и функциональной гетерогенности клетки), принципа усиления первичных радиационных повреждений в критических структурах-мишенях и принципа системного ответа клетки на повреждение радиационных мишеней (регуляции клеточного гомеостаза). Рассмотрение упомянутых принципов с позиции современной радиобиологии показывает, что достигнутый уже к началу нашего столетия уровень знаний в этой области может служить основой для построения общей теории механизмов действия ионизирующих излучений на живые системы и объекты. Несомненно, создание единой теории биологического действия ионизирующих излучений, способной до конца объяснить механизм различных радиобиологических эффектов, – дело будущего.

Контрольные вопросы к главе 9

1.Особенности прямого и косвенного действия ионизирующих излучений на организм.

2.Гипотеза «точечного тепла».

3.Суть принципов попадания и мишени.

4.Границы применения теории мишени, ее недостатки.

5.Суть стохастической теории, ее отличие от принципов попадания и мишени.

6.Сущность вероятностной модели радиационного поражения.

7.Что такое радиотоксины, где они образуются?

8.Какие процессы происходят в клетке при действии радиотоксинов?

9.В чем суть гипотезы биохимического шока?

10.За счет каких процессов происходит повышение биохимического фона радиорезистентности?

11.Основные положения структурно-метаболической гипотезы.

10. РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ РАЗЛИЧНЫХ ТАКСОНОМИЧЕСКИХ ГРУПП

Радиочувствительность и радиоустойчивость. Сравнительная радиочувствительность живых организмов. Радиочувствительность растений. Радиочувствительность животных. Радиочувствительность бактерий и вирусов. Радиочувствительность биоценозов. Причины широкой вариабельности радиочувствительности организмов.

При разных дозах облучения живых организмов ионизирующей радиацией проявляются различные радиобиологические эффекты. Радиационная стимуляция – первый соматический эффект, который визуально можно наблюдать при минимальных дозах. Морфологические изменения и лучевая болезнь проявляются при дозах, в десятки раз более высоких. При максимальных дозах наступает гибель.

Но не только от дозы облучения зависит проявление радиобиологических эффектов. Так, дозы, стимулирующие рост и развитие растений семейства крестоцветных (редиса, капусты, рапса), смертельны для многих растений семейства бобовых (бобов, гороха, фасоли). Дозы, которые практически безвредны для насекомых, смертельны для всех млекопитающих. Все радиобиологические эффекты определяются чувствительностью организмов к ионизирующей радиации, или их радиочувствительностью.

10.1.Радиочувствительность и радиоустойчивость

Врадиобиологии на равных правах существуют два термина, характеризующих отношение организма к ионизирующей радиации, – радиочувствительность и радиоустойчивость (встречается синоним «радиорезистентность»). Считается, что они взаимосвязаны и с разных сторон отражают одно и то же явление: если организм обладает высокой радиочувствительностью, то он характеризуется низкой радиоустойчивостью, и наоборот. Действительно, такую связь трудно отрицать. Но все же эти понятия отражают разные аспекты реакции на облучение.

Радиочувствительность организма – это его способность реагировать на минимальные дозы ионизирующей радиации, улавливать с помощью различных систем незначительные уровни облучения. Радиоустойчивость – способность организ­