Радиобиология с основами радиоэкологии

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 381

ков клетки, образуя смешанные дисульфиды, которые оказываются более устойчивыми к действию излучений. Но сведений о корреляции между концентрацией дисульфидных групп и степенью радиозащиты нет, что не позволяет полностью принять такое предложение.

З. Бак и П. Александер в начале 1960-х гг. выдвинули гипотезу объяснения механизма радиозащитного действия сульф­ гидрильных соединений, которую назвали гипотезой «биохи­ мического шока», или «метаболической защиты». Она состоит в том, что сульфгидрильные соединения в радиозащитных концентрациях вызывают во всех живых организмах – от бактерий до млекопитающих – глубокие биохимические нарушения, приводящие к изменению нормального метаболизма. Они проявляются в торможении синтеза ДНК, РНК, белков, углеводов, разобщений окислительного фосфорилирования, ингибировании анаэробного и аэробного гликолиза. Особенно значительные нарушения происходят в синтезе ДНК, приводящие к снижению скорости клеточного деления, возникновению аберраций хромосом, нарушению роста и формирования различных тканей и органов.

Основной постулат гипотезы биохимического шока, предлагаемый авторами, заключается в том, что сдвиг биохимических процессов под влиянием сульфгидрильных радиопротекторов обусловливает повышение устойчивости организма к ионизирующей радиации за счет временного «шокового» торможения синтеза нуклеиновых кислот, белков и углеводов и наступающими вслед за ними некоторыми морфологическими изменениями.

Эта гипотеза хорошо согласуется с выдвинутой примерно в то же время гипотезой отечественных исследователей из лаборатории Т.К. Джаракяна, которые связывают радиозащитное действие сульфгидрильных радиопротекторов с задержкой митоза, нарушением синтеза ДНК, окислительного фосфорилирования и функционального состояния регуляторных систем организма.

Позднее Е.Ф. Романцев также указывал на то, что использование сульфгидрильных соединений в количествах, оказывающих радиозащитное действие, вызывает глубокие изменения биохимических систем и физиологических функций, приводящие к моменту облучения в состояние повышенной радиоустойчивости. Более того, Е.Ф. Романцев считает (и это мнение разделяют многие радиобиологи), что данный механизм может иметь место не только при действии сульфгидрильных соединений, но и других радиопротекторов, поскольку биохимический шок или то метаболическое состояние, которое под ним подразумевается, может быть вызвано введением очень многих радиозащитных соединений. В этом состоит плодотворное зна-

чение данного подхода, намечающего общие пути к решению сложной и практически важной проблемы защиты организма от радиационного поражения и объяснению механизмов противорадиационного действия огромного количества химических веществ самой различной природы.

Другие восстановители. Не только сульфгидрильные соединения, но и многие другие химические вещества самых разных классов, проявляющие антиокислительные свойства, вызывающие инактивацию свободных радикалов, нарушающие транспорт и утилизацию кислорода в клетках и тканях, являются довольно эффективными радиопротекторами. К ним относятся биологически активные амины серотонин, триптамин, мексамин, гистамин, тирамин. От поражающего действия рентгеновской и γ-радиации данные вещества защищают животных самых разных видов при значениях ФИД, достигающих 1.5. Кроме восстановительного действия эти соединения могут вызывать циркуляторные изменения кровоснабжения в отдельных тканях и органах, в результате чего развивается гипоксия, определяющая радиозащитный эффект.

Противолучевое действие цианидов, среди которых наиболее выраженными радиозащитными свойствами обладают цианид натрия и цианид калия (ФИД до 1.4), связывается с их способностью блокировать активность железосодержащих дыхательных ферментов и, прежде всего, цитохромоксидазы, обеспечивающей транспорт электронов от цитохрома к кислороду.

Существенным радиозащитным действием обладают нитриты, витамины-антиоксиданты А, Е, С, U. Хорошо известно, хотя и слабое, радиопротекторное действие спиртов, ингибиторов дыхания, некоторых низкомолекулярных наркотиков.

Далеко не всегда механизм радиозащитного действия этих соединений, объединенных несколько искусственно в одну группу, обусловлен чисто химическими антиокислительными свойствами путем перехвата образующихся при облучении свободных радикалов. Но практически всегда он в той или иной мере связан со снижением выходов химически высокоактивных продуктов радиолиза то ли путем создания региональной и транспортной гипоксии, то ли снижением усвоения кислорода

вклетках, то ли ингибированием цепных реакций автоокисления липидов. Подобные вещества могут и индуцировать повышение уровня эндогенных сульфгидрильных соединений.

Соли и другие соединения металлов. Многими исследователями в опытах с растениями и животными продемонстрировано радиозащитное действие ионов некоторых металлов как

вформе простых солей, так и сложных соединений самой различной природы.

Показано, что намачивание семян и проростков в 0.05– 4.0 М растворах солей калия, кальция, натрия, магния за-

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 383

метно снижает степень повреждающего действия последующего рентгеновского и γ-облучения. Сильным противорадиационным действием при облучении растений обладают соли железа, марганца, цинка, кобальта, никеля при концентрациях в питательной среде 10–4–10–3 М. Как свидетельствуют данные, приведенные в табл. 13.2, значения ФИД при использовании наиболее эффективных из них достигает 1.5–1.7.

Некоторые металлы оказывают радиозащитное действие и при введении в организм животных. Известны препараты, созданные на основе вышеназванных микроэлементов и других веществ, являющиеся эффективными радиопротекторами. Как правило, это сложные соединения с одним или несколькими металлами. Так, на основе кобальта известны радиопротекторы кобамид, кобадекс, кобамин; никеля – никамидон, никавит; меди – медианокс, медикостерон. Имеются радиопротекторы, в состав которых входят соли железа, цинка, марганца и других металлов.

К числу радиопротекторов на основе металлов относятся простые и комплексные соединения селена, такие как коллоидный селен, селеноцистеин, селенометионин, селеноксантин, селеноксиксантон, селенохромон. Основанием для синтеза селеновых аналогов соответствующих серосодержащих соединений послужило сходство химических свойств селена и серы, входящих в одну (шестую) группу периодической системы элементов. При введении животным они по радиозащитному действию не уступают цистеину, а селоноцистеин, сочетающий свойства цистеина и металла, его превосходит. Однако высокая токсичность селеносодержащих веществ заставляет с определенной осторожностью относиться к препаратам на его основе.

Последнее, впрочем, в различной степени касается и других металлов, в частности, меди, цинка, никеля, принадлежащих к группе тяжелых металлов. И хотя в роли радиопротекторов они используются в низких концентрациях, с возможностью их токсического действия нельзя не считаться.

Многие радиозащитные соединения на основе металлов в водных растворах и организме сравнительно долго сохраняют свои химические и радиопротекторные свойства, т.е. обладают определенной стабильностью. Показано, что в отличие от большинства других, в частности, сульфгидрильных соединений и других восстановителей, они проявляют радиозащитные свойства при хроническом γ-облучении.

Имеются данные о радиозащитном действии некоторых металлов при облучении плотноионизирующей радиацией – быстрыми нейтронами.

Учитывая важную роль, которую играют металлы в живых организмах, можно допустить наличие многих механизмов, обусловливающих их противорадиационные свойства. Так, с од-

ной стороны, их можно связать с предупреждением радиационного поражения металлосодержащих ферментов – ферментов, образующих комплексы с железом, цинком, марганцем, кобальтом и другими металлами. Некоторыми исследователями отмечается, что многие металлосодержащие ферменты оказываются чувствительными к действию ионизирующей радиации.

С другой стороны, можно допустить, что при поражении клетки радиацией немаловажное значение имеют химические изменения в молекулах ферментов, не содержащих металлов, но конформация которых чрезвычайно чувствительна к ним. В том случае введение металлов будет способствовать образованию комплексов с данными ферментами, что, в свою очередь, может приводить к изменению их вторичной структуры.

Вэтом отношении весьма плодотворной является гипотеза

Г.Эйхгорна (1962) о стабилизации водородных связей в некоторых биполимерах клетки под влиянием положительно заряженных ионов металлов. Благодаря наличию ионов металлов отдельные цепи ДНК и белков поддерживаются в таком состоянии, что после разрыва под действием излучений чувствительных водородных связей они сохраняют свое начальное положение, способствуя восстановлению вторичной структуры.

Безусловно, рассматривая возможные механизмы радиозащитного действия металлов, нельзя обойти и тот факт, что различные ионы по-разному влияют на проницаемость клеточных мембран. В то время, как одни повышают проницаемость, другие, наоборот, уменьшают ее. В условиях облучения, когда происходит увеличение проницаемости мембран, ведущее к нарушению слаженности процессов метаболизма, избыточному накоплению одних продуктов обмена и нехватке других, вполне вероятна защитная роль некоторых металлов.

Ингибиторы метаболизма. К этой весьма пестрой группе радиопротекторов относятся многие вещества – ингибиторы процессов биосинтеза, которые, подавляя отдельные реакции, разрывая последовательную цепь метаболических превращений различных продуктов, блокируя транспорт отдельных метаболитов, индуцируют в организме состояние, близкое биохимическому шоку. Такими свойствами обладают ингибиторы синтеза ДНК оксимочевина, 5-аминоурацил, 5-фтордезоксиу- ридин; ингибиторы синтеза РНК 6-азоурацил, актиномицин D; ингибиторы синтеза белков гидроксиламин, хлорамфеникол, ингибиторы дыхания азид натрия, амитал и некоторые другие, в том числе упомянутые цианиды.

Ввиду того, что сущность действия ингибиторов метаболизма обычно заключается в торможении синтеза активности определенных ферментов, ответственных за протекание отдельных реакций, и проявляется на биохимическом уровне, они не специфичны по отношению к животным, растениям и другим

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 385

организмам. Некоторые из них обладают весьма существенным противорадиационным действием, они относительно стабильны и, безусловно, токсичны.

Природные метаболиты. Подавляющее большинство эффективных радиопротекторов в той или иной степени токсичны для всех видов организмов. Это относится не только к ингибиторам метаболизма и солям тяжелых металлов, но и практически ко всем восстановителям, в том числе и сульфгидрильным соединениям, которые не только при повышенных, но и при «защищающих» концентрациях могут выступать в роли довольно сильных клеточных ядов. Более того, многие из них оказывают противорадиационное действие именно в токсических количествах, с чем, как уже отмечалось, связываются их радиопротекторные свойства. Все чаще внимание исследователей привлекает возможность использования в качестве радиозащитных средств естественных для организма веществ – его метаболитов. Таких веществ множество. В определенных количествах они, как правило, нетоксичны или малотоксичны. Вследствие этого важного свойства допускается их повторное периодическое введение, т.е. обеспечивается защита в условиях хронического облучения. Но, к сожалению, все они малоэффективны – значения ФИД редко превышают 1.3.

Четко выраженными радиопротекторными свойствами обладают препараты ДНК. Во многих экспериментах как с животными, так и растениями показано, что независимо от происхождения введение экзогенной ДНК заметно ослабляет степень радиационного поражения. Радиозащитную эффективность проявляют всевозможные гидролизаты ДНК, различные нуклеотиды ДНК и РНК, дезоксинуклеозиды, основания ДНК и РНК и их разнообразные смеси.

Высоким радиозащитным действием обладает нуклеотид аденозинтрифосфат (АТФ) – универсальный переносчик и основной аккумулятор химической энергии в живых клетках, циклический нуклеотид аденозинмонофосфат (цАМФ) – универсальный регулятор внутриклеточного метаболизма. Повидимому, посредством синтеза АТФ обусловлено противорадиационное действие экзогенно вводимых гексозных сахаров, используемых как субстраты дыхания, и некоторых других углеводов.

Имеется огромное количество данных о противорадиационной эффективности экзогенных аминокислот несульфгидрильной природы. Интерес к данной группе веществ не ослабевает, напротив, в последнее десятилетие он возрос. Это объясняется тем, что все аминокислоты практически не обладают токсическими свойствами, а модификация структуры многих противолучевых препаратов аминокислотами обуславливает снижение их токсичности. Кроме того, некоторые аминокислоты являют-

ся стимуляторами глутатион-синтетической системы и обеспечивают увеличение содержания внутриклеточного глутатиона, являющегося сильным эндогенным радиопротектором.

Многие специфические физиологически активные вещества растений, в частности фитогормоны ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и этилен, при введении в растения в концентрациях, индуцирующих ускорение или ингибирование ростовых процессов в норме, и в более высоких, в норме не влияющих на рост, в значительной степени ослабляют радиационное поражение. Радиозащитное действие фитогормонов обычно объясняется довольно просто. Считается, что одной из причин радиационного поражения растений, первым визуальным признаком которого является торможение их роста, есть подавление синтеза ростактивирующих веществ и нарушение баланса между активаторами и ингибиторами роста. Уменьшение содержания в растениях ауксинов, гиббереллинов

ицитокининов, как и увеличение количества абсцизовой кислоты уже в первые часы после облучения, доказано многими исследователями. И защитное действие экзогенно вводимых активаторов роста связывается с тем, что они восстанавливают это нарушенное облучением соотношение.

Защитное действие фитогормонов – ингибиторов роста – абсцизовой кислоты и этилена, о последнем из которых говорилось в разделе 13.1, объясняется блокированием деления клеток и индукций у растений состояния, близкого к покою, возможно, чем-то подобного биохимическому шоку.

Кэтому классу радиопротекторов следует отнести и витамины, не только упоминавшиеся выше А, С, Е, U, но и D, группы В и РР.

Примечательно то, что многие метаболиты, в отличие от большинства радиопротекторов, в том числе и лучших из них – сульфгидрильных соединений, проявляют радиозащитное действие не только при введении в организм до или во время облучения, но и после него. Этот факт вполне объясним. Так, противорадиационное действие экзогенных нуклеиновых кислот и отдельных нуклеотидов и оснований обычно связывается с тем, что они служат субстратом либо источником предшественников при восстановлении поврежденных радиацией эндогенных макромолекул в процессе, осуществляемом в пострадиационный период. Участием аминокислот в восстановлении белков

иферментов можно объяснить их способность снижать последствия радиационного поражения при использовании после облучения.

В свою очередь, восстановление нуклеиновых кислот, белков и других макромолекул и структур клетки представляет собой реакции и процессы, сопровождающиеся потреблением больших количеств энергии АТФ. Синтез последней, ввиду

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 387

чрезвычайно низкой радиоустойчивости окислительного фосфорилирования, может весьма существенно уменьшаться. По­ этому предоставление клеткам в пострадиационный период экзогенной АТФ должно способствовать ослаблению последствий действия радиации. С аналогичных позиций можно объяснить и противорадиационную эффективность других метаболитов при их использовании в пострадиационный период.

Выделяют и другие классы радиопротекторов: комплексообразователи, антимутагены, алкалоиды, гормоны, жирные кислоты, соединения гетероциклической структуры и многие другие. Некоторые из них были рассмотрены в составе выделенных групп, но классификация радиопротекторов – весьма сложная задача. Попытки классифицировать радиопротекторы по химическим, фармакологическим свойствам, механизмам действия или другим признакам следует признать несостоятельными. Это обусловлено тем, что, как уже можно было убедиться, многие из них обладают многогранным действием и с равным успехом могут быть отнесены к разным классам. Это относится к большинству восстановителей, некоторым природным соединениям, металлам.

Следует подчеркнуть, что при использовании радиопротекторов на практике, как правило, применяют не какие-либо отдельные из них, а смеси или сложные комплексные соединения, объединяющие положительные свойства представителей различных их классов: высокую эффективность одних, например, сульфгидрильных соединений; низкую токсичность других, например, природных метаболитов; стабильность третьих, например, солей металлов. При подобных комбинациях удается за счет уменьшения концентраций снизить отрицательные качества радиопротекторов и повысить эффективность противорадиационной защиты. Именно по такому принципу составлены новейшие радиопротекторы WR-2721 и WR-77913, упомянутые в табл. 13.1.

Описанные защитные эффекты радиопротекторов, их приведенные значения ФИД как для животных, так и растений обычно наблюдаются при остром рентгеновском, γ-, жестком β-облучении. В настоящее время после аварии на Чернобыльской АЭС важнейшим заданием противорадиационной защиты является поиск средств для условий хронического облучения, длящегося годами, десятилетиями, радиопротекторов так называемого пролонгированного, т.е. продолжительного действия.

Радиопротекторы пролонгированного действия. Совершенно очевидно, что в условиях хронического облучения защитным действием должны обладать только те радиопротекторы, которые на протяжении длительного времени сохраняют свою эффективность, т.е. имеют высокую стабильность, и которые нетоксичны либо мало токсичны и допускают повторное при-

менение через определенный промежуток времени. Лишенные этих свойств самые эффективные при остром облучении радиопротекторы большинства классов, в том числе и сульфгидрильные соединения, не обладают защитным действием при хроническом облучении.

Пролонгированный эффект защиты наблюдается при использовании радиопротекторов на основе природных метаболитов, в особенности биологически активных соединений. Механизм их противолучевого действия принципиально отличен от такового протекторов, эффективных при остром облучении, и связан с изменением гормонального фона, активацией функций различных систем жизнеобеспечения.

Радиозащитное действие препаратов на основе нуклеиновых кислот, аминокислот, углеводов (полисахаридов) сохраняется на протяжении нескольких суток и, по-видимому, связано с ослаблением процессов катаболизма и интенсификацией пост­ радиационного восстановления.

Довольно высокой стабильностью обладают, как отмечалось, соли и другие соединения металлов, но и металлы через определенное время также могут окисляться, включаться в обмен веществ и выводиться из организма. Повторное введение новых доз металлов может привести к различным токсикозам.

В целом, применение комплексных препаратов на основе гормонов, витаминов и других биологически активных соединений и таких макро- и микроэлементов, как кальций, калий, железо, цинк, кобальт, марганец, селен, молибден, способствует реализации гормонального и иммунного статуса организма, повышает его неспецифическую устойчивость к различным неблагоприятным факторам, в том числе и хроническому действию ионизирующей радиации.

Радиосенсибилизаторы. Под радиосенсибилизацией понима­ ют искусственное увеличение радиочувствительности биоло­ гических объектов, сопровождающееся усилением повреждаю­ щего действия ионизирующей радиации. Соответственно радио­ сенсибилизаторы – это химические вещества, введение ко­ торых в организм перед либо во время облучения приводит к усилению радиационного поражения.

Выделяют две основные группы радиосенсибилизаторов: усиливающие первичное радиационное поражение и влияющие на пострадиационное восстановление. Первые, в свою очередь, можно разделить на радиосенсибилизаторы, обладающие электронноакцепторными свойствами и действующие на основе кислородного эффекта, и соединения, снижающие собственные радиозащитные возможности. Вторые – на радиосенсибилизаторы, подавляющие процессы репарации: поклеточного восстановления на уровне макромолекул и клеточных структур, и радиосенсибилизаторы, ингибирующие процессы репопуляции и регенерации.

13. Противорадиационная биологическая защита и радиосенсибилизация 389

Несмотря на то, что приходится повторяться, следует еще раз подчеркнуть уникальные радиосенсибилизирующие свойства кислорода, который по сравнению с аноксическими условиями способен усиливать радиационное поражение всех живых организмов в 2.5–3.0 раза, а иногда и более.

Значительно усиливает радиочувствительность и растений,

иживотных окись азота NО. Подобно кислороду она обладает неспаренным электроном и способна, проявляя электронноакцепторные свойства, как и кислород, соединяться со свободными радикалами, усиливая их активность. Б.А. Килман (1978) показал, что NО повышает чувствительность конских бобов к рентгеновскому излучению почти в такой же степени, как и кислород. Сходство радиосенсибилизирующего действия этих газов является одним из доказательств того, что влияние кислорода обусловлено именно его присоединением к органическому радикалу.

Впоследние годы активно изучаются радиосенсибилизирующие свойства более сложных химических соединений, действующих на основе кислородного эффекта. Имитируя сродство кислорода к электрону, т.е. проявляя те же электронноакцепторные свойства, они способны существенно усиливать степень радиационного поражения. Такими свойствами обладают производные сильнейшего окислителя нитроимидазола — метронидазол и мизонидазол. Вслед за опытами на млекопитающих

идругих животных было показано, что они проявляют радиосенсибилизирующее действие в опытах с растениями.

Особый интерес представляет сенсибилизация действия ионизирующих излучений специфическим соединением йодацетамидом. Он обладает способностью образовывать свободные йодные радикалы, связывающие сульфгидрильные группы белков (известно свыше 100 ферментов, активность которых определяет наличие в их структуре именно сульфгидрильных групп), ослабляя тем самым радиозащитную эффективность эндогенных сульфгидрильных соединений, иными словами, снижая естественную радиоустойчивость. Многочисленными исследованиями животных и растений было установлено, что йодацетамид усиливает степень радиационного поражения, уменьшая значение ФИД до 0.6.

Кстати, Г.А. Надсон и А.Я. Жолкевич еще в 1920-е гг. установили, что соли йода усиливают радиационное поражение микроорганизмов и растений при рентгеновском облучении. Ими было показано радиосенсибилизирующее действие некоторых металлоидов и металлов, в частности, солей меди. Позднее некоторыми исследователями, в том числе одним из авторов данного учебника (И.Н. Гудков, 1967), было подтверждено, что хлориды и сульфаты меди способны снижать ФИД при рентгеновском облучении растений­ до 0.7.

Такое действие меди можно объяснить двумя причинами. Во-первых, в отличие от ионов других металлов, обладающих способностью стабилизировать структуры высших порядков биополимеров клетки, с чем мы склонны связывать радиопротекторные свойства некоторых из них, медь обладает уникальной способностью к их дестабилизации, что и может обусловливать ее радиосенсибилизирующий эффект. Во-вторых, медь является специфическим ядом аминокислот, содержащих SHгруппы. Именно она катализирует присоединение кислорода к сере этих групп, приводя к их окислению, что может вызвать снижение радиоустойчивости, обусловленной вышеупомянутым содержанием сульфгидрильных соединений.

Исходя из того, что в облученном или облучаемом организме одновременно с развитием и реализацией радиационного поражения на всех уровнях организации идут процессы пост­ радиационного восстановления, которые будут рассмотрены в следующей главе, логично допустить, что все физические факторы и химические вещества, ингибирующие восстановление, будут усиливать степень проявления радиобиологических эффектов, т.е. проявлять радиосенсибилизирующее действие. Среди таких веществ, в первую очередь, следует выделить специфические ингибиторы репарационного восстановления. Имеется довольно много сведений о том, что такие ингибиторы, как кофеин, акрифлавин, аминоптерин повышают радиочувствительность бактерий, растений, животных, клеток человека в культуре. Очень многие специфические и неспецифические ингибиторы синтеза ДНК, РНК, белков, ДНК-полимеразы, РНКполимеразы и другие усиливают степень радиационного поражения самых различных видов живых организмов не только на уровне репарации – поклеточного восстановления, но и на уровне репопуляции и регенерации. Так, ингибитор синтеза ДНК, блокирующий восстановление рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов­ и останавливающий митоз в наиболее радиочувствительном G1/S периоде клеточного цикла, обусловливает сильнейшее повышение радиочувствительности популяции делящихся клеток. Поэтому он известен как противоопухолевый препарат. Естественно, что максимальной радиочувствительности такая популяция достигнет после достаточно длительного введения ингибитора, когда все или большая часть клеток пройдет через этот блок.

Все вещества, которые ингибируют клеточное размножение, дифференциацию клеток, пролиферацию тканей и органов, будут подавлять репопуляцию и регенерацию, т.е. также могут рассматриваться как радиосенсибилизаторы. Поскольку интенсивность этих процессов в значительной мере регулируется определенными группами гормонов активаторов и ингибиторов, то и сенсибилизация радиационного поражения будет