Радиобиология с основами радиоэкологии

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 371

Вопрос о роли влажности в радиоустойчивости вегетирующих растений и животных практически не исследован. На основании очень немногочисленных сведений и самых общих соображений можно лишь предполагать, что искусственное формирование некоторого ксероморфизма, приводящего к потере воды и снижению интенсивности метаболизма, будет способствовать возрастанию радиоустойчивости, поскольку растенияксерофиты и ксерофильные животные обычно легче переносят действие экстремальных факторов, чем мезофиты и гигрофиты.

13.1.3.Температура

Врадиобиологической литературе содержится немало сведений о действии температуры на радиоустойчивость, но они также относятся в основном к семенам, в меньшей мере – спорам микроорганизмов, физиологическое состояние которых позволяет в широких пределах варьировать диапазон температур.

Так, работами многих исследователей было совершенно однозначно установлено, что охлаждение семян в момент облучения ионизирующей радиацией до температуры сухого льда (–78 °С), жидкого воздуха или кислорода (около –190 °С) оказывает существенный противорадиационный эффект. Принято считать, что радиозащитное действие очень низких температур обусловлено тем, что при глубоком охлаждении создается неблагоприятная ситуация для переноса энергии излучения и ее поглощения веществом. При низких температурах ограничена также подвижность свободных радикалов и затруднено их взаимодействие с молекулами вещества клетки.

Вместе с тем показано, что и повышение температуры при облучении семян до 35–85 °С снижает радиационное поражение. Предполагается, что защитное действие высоких температур обусловлено ослаблением кислородного эффекта за счет уменьшения растворимости кислорода при нагревании.

При облучении вегетирующих растений и животных температура также влияет на радиочувствительность. Снижение ее до 5–10 °С оказывает радиозащитное действие. Напротив, повышение температуры свыше 30 °С при выращивании растений и на несколько градусов выше нормальной у теплокровных животных, как правило, усиливает радиационное повреждение. Для некоторых видов холоднокровных животных, в частности, класса насекомых, показана близкая к линейной прямо пропорциональная зависимость между радиочувствительностью и температурой тела.

Влияние температурного фактора на степень проявления радиационного поражения, несомненно, сложный процесс, где могут сочетаться и некоторые прямые реакции на его действие,

иопосредованные через разнообразные явления и процессы, в той или иной степени зависящие от температуры. Измене-

ние температуры может вызывать сдвиги окислительно-вос- становительных процессов в клетках облучаемых организмов и способствовать изменению их радиочувствительности. Тепловое воздействие играет роль стресса, влияющего на ход обмена веществ и, соответственно, радиочувствительность организма. Температура влияет на конформационное состояние макромолекул клетки, в том числе и ДНК – мишень действия ионизирующей радиации, физико-химическое состояние мембран и других внутриклеточных структур, в той или иной степени определяющих радиочувствительность.

13.1.4. Неионизирующая радиация

Предшествующее основной дозе облучение в невысоких дозах ионизирующей или некоторых видов неионизирующей радиации может влиять на радиочувствительность организма путем инициирования в клетках процессов фотореактивации, фотозащиты, репарации, а также воздействуя на интенсивность метаболических процессов. Имеющиеся в этой области радиобиологии сведения сравнительно немногочисленны, противоречивы и трудно поддаются обобщению. В данном разделе приведены лишь отдельные характерные примеры, иллюстрирующие радиозащитное или радиосенсибилизирующее действие предварительного облучения организмов различными видами излучений и силовыми полями.

Так, достоверно установлено, что предварительное рентгеновское и γ-облучение семян, проростков, растений, культуры клеток животных за несколько десятков минут до облучения в основной дозе в дозах, в 5–50 раз ее ниже, снижает степень радиационного поражения. Доказано, что предварительное облучение индуцирует в клетках процессы репарационного восстановления, о котором будет говориться в следующей главе, что приводит к повышению радиоустойчивости организма в целом.

Аналогичный эффект достигается при облучении растений и культуры клеток ультрафиолетовой (УФ-) радиацией, что связывается с индуцированием систем фотореактивации. Однако в определенных условиях облучение УФ-радиацией может приводить к усилению радиационного повреждения, и это определяется не только величиной дозы, но и зависит от таких факторов, как длина волны, временной интервал между основным и предварительным облучением. Наиболее действенным диапазоном считается УФ-излучение с длиной волны 254–260 нм – зона поглощения нуклеиновых кислот.

Нет однозначного мнения и по отношению эффективности инфракрасного (ИФК-) излучения. Известно, что предварительное облучение ИФК-радиацией в диапазоне 750–1500 нм с максимумом в области 1000 нм может вызвать задержку деления клеток и повышать их устойчивость к последующему об-

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 373

лучению ионизирующей радиацией. Другие исследователи не наблюдали никакого изменения в действии рентгеновского и γ-излучения под влиянием ИФК-излучения, а некоторые, напротив, отмечали усиление поражения.

Изменить радиочувствительность растений можно с помощью предварительного освещения видимым светом или выращивания растений при различных световых режимах. В зависимости от интенсивности и спектрального состава света в клетках растений в результате фотосинтетических процессов может появляться много восстановительных соединений, способствующих повышению радиоустойчивости. Этому, в частности, благоприятствует накопление свободных аминокислот. Некоторые из них обладают радиозащитными свойствами. Под влиянием видимого света могут изменяться морфологические реакции растений, что отражается на функциональном состоянии образовательных тканей, и в экспериментах отдельных исследователей удавалось наблюдать сильное влияние видимого света на радиочувствительность. Однако, к сожалению, не удается выявить каких-либо четких общих закономерностей. Как правило, растения, выращиваемые при оптимальных режимах светового потока, обладают более высокой радиоустойчивостью, чем выращенные при недостатке света. Имеются данные, свидетельствующие о том, что затенение растений на некоторый период перед облучением ионизирующей радиацией приводит к повышению их радиоустойчивости. По-видимому, переход растений под влиянием видимого света в относительно устойчивое состояние зависит от многих трудно учитываемых и контролируемых факторов, определяемых его чисто физическими характеристиками, а также от специфики видов и их отношения к свету.

Взаимодействие между ионизирующими излучениями, с одной стороны, и УФ-, ИФК- и видимой радиацией, с другой – очень сложно. Суммарная реакция зависит от очень многих факторов: соотношения доз, их мощностей, т.е. продолжительности облучения, энергии, спектральных характеристик, спе­ цифики объекта, фазы его развития, методов регистрации повреждения и многих других. Что касается ИФК- и видимой радиации, то при их действии важную роль у растений могут играть взаимодействия с низкоэнергетической фитохромной системой, способной оказать существенное влияние на изменение окислительного фосфорилирования, синтез АТФ и другие системы метаболизма. И хотя вероятные механизмы таких взаимодействий многократно обсуждались в литературе, они пока не позволяют достаточно четко представить пути модификации радиочувствительности организмов под влиянием этих типов радиации. Именно поэтому, а также из-за трудной воспроизводимости результатов в последние годы количество подобных исследований значительно уменьшилось.

374Радиобиология с основами радиоэкологии

Вто же время в связи с актуальнейшей современной проблемой действия на живые организмы магнитных и электрических полей и микроволн проявился значительный интерес к совместному испытанию действия ионизирующих излучений и этих типов радиации на биологические объекты. Имеются данные о том, что предварительная или совместная обработка семян, проростков самых различных видов растений, насекомых, лабораторных животных магнитными полями напряженностью от 1 до 8 кЭ, слабым электрическим током, микровол-

нами разной частоты от нескольких сотен до нескольких тысяч миллионов герц и рентгеновскими или γ-излучениями приводит к ослаблению повреждающего действия последних.

Радиозащитное действие названных типов неионизирующей радиации объясняется разными причинами: образованием радиоустойчивых хелатных соединений в результате комплексирования белков клеток с магниточувствительными металла- ми-микроэлементами, с перераспределением анионов и катионов между различными тканями, с изменением состояния и проницаемости клеточных мембран под влиянием магнитных и электрических полей. Все они, к сожалению, малообоснованы и носят гипотетический характер. Но самое главное – имеется еще большее количество данных об аддитивном и синергическом действии этих типов излучений и ионизирующей радиации, т.е. об их радиосенсибилизирующих эффектах. Это также не позволяет сделать определенные выводы о механизмах совместного действия ионизирующих и неионизирующих излучений, а тем более – о возможности использования магнитных и электрических полей и микроволн в качестве средств, однозначно снижающих либо повышающих радиочувствительность организмов. К тому же сама природа их действия на живые клетки исследована еще не полно.

13.2. Химические противорадиационные

ирадиосенсибилизирующие вещества

В1949 г. практически одновременно радиобиологи З. Бак и

А.Эрве из Бельгии и Г.М. Патт с сотрудниками из США сообщили о двух химических соединениях, введение которых лабораторным животным перед рентгеновским облучением повышает их выживаемость. Первые установили, что таким действием обладает очень сильный яд цианистый натрий, инъекция которого мышам в количестве всего 5 мг/кг живой массы непосредственно перед облучением снижала степень радиационного поражения. Вторые – о не менее известном веществе – аминокислоте цистеин, которая при введении мышам 1000 мг/кг повышала их выживаемость при облучении в летальной дозе.

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 375

Через два года З. Бак с сотрудниками обнаружили, что синтетическое соединение декарбоксилированный цистеин, получаемое путем отнятия от цистеина карбоксильной группы, называемое также цистеамином, бета-меркаптоэтиламином (МЭА), бекаптаном, и его дисульфид цистамин обладают намного более выраженной способностью снижать степень радиационного поражения как при инъекциях, так и при скармливании животным. При введении мышам всего лишь (по сравнению с цистеином, но не с цианистым натрием) 150 мг/кг цистеамина фактор изменения дозы (ФИД) составил 1.8 (у цианистого натрия и цистеина не превышает 1.4). В исследованиях других авторов значения ФИД достигали 2.0. Это значит, что при использовании цистеамина дозу облучения нужно увеличить в два раза, чтобы получить такой же радиобиологический эффект. Иными словами, препарат в два раза повышает радиоустойчивость.

Вслед за опытами на млекопитающих была продемонстрирована противорадиационная эффективность всех этих веществ и их аналогов в экспериментах с растениями, насекомыми, микроорганизмами, в культуре клеток, т.е. была показана универсальность их радиозащитных свойств.

Этот период (конец 1940-х–начало 1950-х гг.) следует считать временем, когда в радиобиологии зародилось учение о биологической химической противорадиационной защите – о радио­ протекторах. Под радиопротекторами понимают вещества, введение которых в организм с помощью инъекций, скармлива­ ния, добавления в культурную или питательную среду и про­ чими путями перед облучением или во время облучения иони­ зирующей радиацией, снижает степень проявления радиобио­ логических эффектов.

До недавнего времени термин «радиопротектор» полностью отождествлялся с понятием «радиозащитные вещества». Однако в последние годы все чаще к радиозащитным веществам причисляют соединения, способные ослаблять поражающее действие ионизирующих излучений не только путем защиты непосредственно от радиации, но и путем блокирования по­ ступления в организм и даже выведения из него радиоактив­ ных веществ (о них будет сказано далее). Поэтому синоним к термину «радиопротектор» правильнее использовать понятие «противорадиационные вещества» – защищающие именно от радиации, излучения.

Идеальный радиопротектор, впрочем, как и любое идеальное радиозащитное вещество (как любой фармакологический препарат), должен отвечать следующим трем основным требованиям. Во-первых, обладать высокой эффективностью, в данном случае – высоким противорадиационным действием – это, безусловно, главное его свойство. Во-вторых, быть стабильным, т.е. сохранять свои противорадиационные свойства в течение

определенного достаточно продолжительного периода времени. И, в-третьих, не проявлять токсического действия при введении в организм.

Известны тысячи природных и синтезированных соединений, обладающих радиопротекторными свойствами. С.П. Ярмоненко в уже не раз упоминавшейся книге «Радиобиология человека и животных» отмечает, что нет такого класса химических соединений, в котором не был бы произведен поиск радио­ защитных средств. Но в последние десятилетия во всем мире наблюдается общая тенденция к сокращению работ, связанных с поиском, синтезом и испытанием новых препаратов. В книге «Защита растений от лучевого поражения» Д.М. Гродзинский

иИ.Н. Гудков еще в 1973 г. отмечали, что за прошедшее более чем 20-летие со дня открытия радиопротекторных свойств цистеамина не было найдено ни одного соединения, достоверно превосходящего его по своему действию. Превосходство открытого в 1954 г. Д. Доэрти аминоэтилизотиурония (АЭТ) подтверждается немногими исследователями – в основном он приравнивается к цистеамину. Сведения о высокой противорадиационной эффективности производных амидофосфортиоата, превосходящих, якобы, действие названных веществ, также не доказаны – это все соединения одного класса. К сожалению, спустя сорок лет ситуация не изменилась – до настоящего времени не найдены эффективные радиопротекторы или их комбинации, позволяющие достигать четко воспроизводимого значения ФИД, равного 2.0. Многие радиобиологи говорят о глубоком кризисе данного направления радиационной биологии, о том, что уже в самом начале поиск радиопротекторов достиг предела возможностей повышения радиоустойчивости организмов с помощью химических средств, о том, что для открытия

исоздания более эффективных противорадиационных веществ необходимы принципиально новые подходы, основанные, возможно, как на нетрадиционных способах их получения, так и на необычных приемах их применения.

13.2.1. Классификация противорадиационных химических веществ и механизмы их действия

Среди веществ, обладающих противорадиационными свойствами – радиопротекторов, следует выделять два основных типа. Первые – это радиопротекторы универсального действия, т.е. обладающие способностью проявлять противорадиационные свойства при облучении любых организмов. Это вещества, механизмы действия которых связаны со специфическим вмешательством в ход радиационного поражения, как правило, на начальных этапах его развития. Их можно назвать истинными радиопротекторами.

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 377

Можно выделить второй тип противорадиационных веществ, действие которых обусловлено неспецифическим влиянием на системы организма, повышающие его устойчивость к ионизирующей радиации (и обычно не только к ней). Такие радиопротекторы обыкновенно бывают эффективны лишь по отношению к определенному царству, классу или другой таксономической группе живых организмов. Например, медиатор нервной системы гормон серотонин оказывает радиопротекторное действие только при облучении животных, а фитогормоны, напротив, лишь высших растений. Подобные радиопротекторы можно назвать специфическими.

Впрочем, провести достаточно четкую границу между истинными (неспецифическими) и специфическими радиопротекторами очень сложно, так как многие из них обладают и спе­ цифическим (с точки зрения радиобиологии) и неспецифическим действием.

Ниже приводятся характеристики основных классов радио­ протекторов и рассмотрены наиболее аргументированные теории и гипотезы, объясняющие механизмы их действия.

Сульфгидрильные соединения. К сульфгидрильным соеди­ нениям относятся уже упоминавшиеся цистеин, цистеамин, ами­ноэтилизотиуроний, амидофосфортиоаты, а также метионин, глютатион, тиомочевина, британский антилюзит (БАЛ) и многие другие соединения, содержащие сульфгидрильные (SН-) группы. Иногда в эту группу включают производные этих соединений – дисульфиды, содержащие –S–S-группу: цистамин, дитиопропанол, цистин. Со времени открытия радиозащитных свойств сульфгидрильные соединения считаются самым эффективным и наиболее изученным классом радиопротекторов. В радиобиологической литературе описано огромное количество экспериментов и фактов, иллюстрирующих их высокую противорадиационную эффективность с самыми различными организмами.

В табл. 13.1 приведены данные о наиболее эффективных радиопротекторах, проявляющих противорадиационное действие при облучении млекопитающих, а в табл. 13.2 – высших растений. С обоими классами живых организмов сульфгидрильные соединения проявляют максимальный радиопротекторный эффект – значение ФИД при использовании некоторых из них достигает 1.8–2.0.

Здесь следует подчеркнуть, что лишь для немногих радио­ протекторов, кроме приведенных в этих таблицах, значение ФИД превышает 1.5. Эффективность подавляющего большинства химико-фармакологических средств, обладающих противорадиационными свойствами, оценивается значениями ФИД 1.2–1.5.

* внутрибрюшинно; ** через рот; *** под кожу; **** внутривенно.

Животным радиопротекторы, как правило, вводятся тремя основными способами: внутрибрюшинно, под кожу и перорально (через рот). В растения – через корни при их выращивании на питательных средах, содержащих радиопротектор. Но можно вводить и через надземные органы путем опрыскивания по типу внекорневых подкормок. Действие радиопротекторов проявляется и при облучении семян, намоченных в растворах радиопротекторов.

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 379

Таблица 13.2

Эффективность радиопротекторов при остром рентгеновском или γ-облучении растений

Противорадиационный эффект сульфгидрильных, как и многих других радиопротекторов в значительной степени зависит от их количества в клетке в момент облучения, которое, в первую очередь, определяется концентрацией в препарате. Но следует учитывать способность радиопротекторов сохранять химические и радиозащитные свойства, поскольку при длительном хранении в растворе или другом состоянии, при введении в организм может происходить распад легкоокисляющихся сульфгидрильных групп или других активных форм, ответственных за проявление противорадиационного эффекта, т.е. частичное или полное разрушение протектора. Поэтому радиозащитное действие зависит и от таких факторов, как способ введения радиопротектора животному или растению, продолжительность контакта с организмом до и во время облучения, время облучения и мощность дозы.

Для достижения концентрации радиопротектора в клетке, обеспечивающей максимальный противолучевой эффект, необходим определенный промежуток времени между началом его введения и моментом облучения. Величина этого промежутка определяется скоростью поступления протектора и характером его внутриклеточного распределения. Значительное увеличение продолжительности контакта организма с протектором может привести к ослаблению радиозащитного эффекта вследствие

метаболических превращений его активных групп либо выведению из соответствующих тканей. Кроме того, в связи с токсическим действием многих радиопротекторов сульфгидрильной природы, в частности, цистеамина, высокие концентрации или длительный контакт с ними может приводить к метаболическим и даже структурным нарушениям в клетках. Поэтому в наиболее типичном случае зависимость между эффективностью радиопротектора и временем, прошедшим после начала его введения, описывается одновершинной кривой.

Так, при внутрибрюшинном введении цистеамина, амино­ этилизотиурония животным, максимум защиты, по данным разных авторов, наблюдается в интервале от 10-й до 30-й мин. после инъекции. Это время необходимо для поглощения и распределения протектора в тканях. Через 1 ч защитный эффект практически уже не проявляется, причем только 10–20% введенного радиопротектора остается в организме неизменным. При введении через рот защита достигает максимума через 30– 60 мин., но спустя 2 ч действие протекторов уже не обнаруживается. Оптимальная экспозиция вегетирующих растений в сульфгидрильных протекторах составляет 2-3 ч.

Что касается остальных временных показателей, таких как продолжительность и способ облучения, мощность дозы, то чем меньше времени занимают эти процедуры, тем выше, как правило, эффективность защиты. При хроническом облучении сульфгидрильные соединения радиопротекторных свойств не проявляют.

Известны случаи применения некоторых радиопротекторов сульфгидрильной природы в чрезвычайных условиях ликвидации последствий радиационных инцидентов. При этом до- бровольцам-ликвидаторам делалась инъекция препарата и через 10–15 мин. они входили в радиационное поле повышенной мощности дозы для выполнения кратковременных (не более нескольких минут) работ.

Существует достаточно много гипотез и теорий, объясняющих механизм радиозащитного действия сульфгидрильных соединений. Одна из них основывается на том, что они, являясь сильными восстановителями, выступают как перехватчики свободных радикалов и не допускают их взаимодействия с макромолекулами нуклеиновых кислот и белков. Однако этот путь лишь частично может реализоваться в живой клетке, так как заметное подавление выхода свободных радикалов наблюдается при введении в нее сульфгидрильных веществ в количествах, в 500–1000 раз превышающих те, которые оказывают радиозащитное действие.

В основе гипотезы смешанных дисульфидов лежат представления о том, что сульфгидрильные соединения (а в них входят SH-группы) вступают в связи с S–S- или SH-группами бел-