Радиобиология с основами радиоэкологии

ми видами опухолей, свидетельствующих об уменьшении пула покоящихся клеток при облучении. Обычно это связывается с их вступлением в клеточный цикл и переходом в пролиферирующий пул, что позволяет рассматривать состояние покоя клеток как способ создания клеточных резервов ткани, служащих основой их репопуляционного восстановления.

15.3. Регенерационное восстановление

Если восстановление по пути репарации и репопуляции свойственно всем многоклеточным живым организмам, то регенерация – восстановление организмом утраченных или поврежденных органов и даже всего организма из отдельных групп клеток и тканей – лишь немногим видам животных. У животных к регенерации нередко относят пострадиационное обновление клеток крови, костного мозга, эпителиальных и некоторых других тканей. Авторы учебника выделяют этот тип восстановления в выше рассмотренное репопуляционное восстановление.

К явлениям регенерации близки такие процессы, как рубцевание ран, гипертрофия и гиперплазия – увеличение объе­­ ма тканей и органов вследствие избыточного новообразования клеток, однако механизмы восстановления у данных процессов разные и существенно отличны от истинной регенерации.

Очень эффективно система регенерационного восстановления представлена у растений. Эволюция обрекла подавляющее большинство видов высших растений на прикрепленный к одному месту способ существования, лишив возможности укрываться от действия неблагоприятных факторов. Взамен она дала растениям мощную систему регенерации – способность к возрождению (именно так буквально переводится с латыни это слово), восстановлению de novo.

Вразличных органах растений имеются ткани и даже зачатки отдельных органов, которые в течение определенного периода онтогенеза, а нередко и на протяжении всей жизни растения находятся в состоянии покоя. Клетки таких тканей заблокированы

вG1-фазе и отличаются от окружающих меньшими размерами, меньшим объемом ядер, отличающихся крупными скоплениями конденсированного хроматина, ядрышки очень плотные и так-

же уменьшены в размерах – типичные признаки G0-фазы. Но их пролиферацию можно индуцировать, подавив деление клеток в близлежащих активно растущих тканях и органах, что и отмечается при облучении растений ионизирующей радиацией.

15.3.1.Регенерация клеток покоящихся центров

Вмеристемных тканях растений имеются группы клеток, которые делятся очень редко. Английский исследователь Ф. Клаус, впервые обнаруживший их с помощью метода авто-

Рис. 15.7. Радиоавтографы меристем корней необлученного (1) и облученного в дозе 8 Г (2) проростков гороха. Срезы не окрашены, увеличе-

ние 200.

определенного количества пролиферирующих клеток меристемы, клетки покоящегося центра начинают активно делиться (рис. 15.7). После восстановления начального клеточного объема меристемы и возобновления нормального роста корня возникает новый покоящийся центр. Не случайно французский ботаник и физиолог растений А. Нугаред, впервые показавшая существование групп покоящихся клеток в точках роста побегов, назвала их «меристемами ожидания».

Способность клеток покоящихся центров переходить к делению в определенных ситуациях, по всей вероятности, является результатом межклеточных взаимодействий, существующих между пролиферирующей и покоящейся субпопуляциями клеток. Скорее всего, они имеют гормональную природу и определяются соотношением между фитогормонами – активаторами и ингибиторами роста. При прекращении деления у части пролиферирующих клеток это соотношение нарушается и клетки покоящихся центров вступают в деление. Восстановление меристемы индуцирует возникновение новых покоящихся меристем.

15.3.2.Регенерация покоящихся органов

Увысших растений активно растущие верхушечные меристемы в различной степени, а иногда и полностью подавляют деление у множества способных к делению клеток различных тканей и органов: перицикла, интеркалярных меристем, пазушных почек и др. – так называемых потенциальных точек роста. Это явление, получившее название апикального доминирования, представляет собой сильнейшее межклеточное взаимодействие, осуществляемое на уровне целостного организма.

Удаление верхушечной меристемы (меристем) приводит к снятию апикального доминирования и усилению пролиферативной активности покоящихся тканей и даже процессам дедифференциации некоторых уже дифференцированных тканей. Ярчайший пример – отрастание поросли от пня спиленного дерева. Все эти явления относятся к регенерационным.

Имеется множество разнообразных центров, ответственных за процессы регенерации. Так, корни могут возникать из эпидермальных клеток, каллуса, клеток коры. Нередки случаи регенерации клеток листьев, где имеются участки покоящихся меристем в субэпидермальных слоях клеток формирующегося листа либо участков меристем, сохраняющихся в пластинке взрослого листа вдоль жилок, эпидермальных и паренхимных тканей в черешках листьев или стебля. Иногда даже клетки мезофилла могут служить местом заложения таких вторичных образовательных тканей.

Апикальное доминирование также определяется гормональным типом воздействия на точки роста. Это подтверждается многочисленными исследованиями, в которых с помощью кинетина и гетероауксина удавалось снимать апикальное доминирование либо, наоборот, восстанавливать его при удаленной верхушечной меристеме.

Облучение растений ионизирующей радиацией приводит к большему повреждению активно делящихся и растущих верхушечных меристем. Гибель их вызывает регенерацию вторичных образовательных тканей. И, несомненно, многократно описанные в радиобиологической литературе факты, свидетельствующие о сильном ветвлении облученных растений (дихотомия, фасциации), активации образования боковых корней, появлении аэральных корней, повышении кустистости, описанные в главе 7 многостволовые кустообразной формы растения сосны, выросшие в зоне отчуждения после аварии на Чернобыльской АЭС, объясняются снятием апикального доминирования и усилением регенерационных процессов.

Наиболее четко апикальное доминирование проявляется у растений с моноподиальным и симподиальным типами ветвления. Очень хорошо оно изучено у бобовых, обладающих мощным апикальным доминированием как в побегах, так и корнях. Боковые почки у бобовых располагаются в пазухах листьев и поэтому носят название пазушных. При нормальных условиях роста и развития они находятся в покоящемся состоянии на протяжении всего онтогенеза. Но при снятии апикального доминирования, например, путем механического удаления верхушечной почки (декапитация), одна (реже две) боковая почка трогается в рост и развивается в побег, полностью повторяющий организацию главного побега, формирующего в последующем все растение.

Аналогичная ситуация возникает при облучении растений, как, впрочем, и при повреждении апикальной почки химическими веществами, ее усыхании, отмерзании и действии других повреждающих факторов. Существует минимальное пороговое значение дозы облучения, при котором снимается апикальное доминирование. Оно зависит от видовой и индивидуальной радиочувствительности растения и определяется тем уровнем дозы, который приводит к прекращению деления у определенного числа клеток (возможно, всех) и ингибированию синтеза фитогормонов, подавляющих рост пазушных почек (рис. 15.8). Именно тогда покоящиеся меристемы пазушных почек вступают в пролиферацию.

При облучении в отличие от механической декапитации апикальное доминирование снимается не сразу, а постепенно. Поэтому нередко одновременно к пролиферации приступают несколько пазушных почек, но очень быстро одна из них подавляет рост остальных и становится доминирующей.

Существует максимальное критическое значение дозы, которое может приводить к снятию апикального доминирования и осуществлению пострадиационного восстановления по пути регенерации. Оно определяется радиоустойчивостью клеток по-

Рис. 15.8. Взаимодействие фитогормонов в растении в норме и при снятии апикального доминирования после облучения ионизирующей радиацией: 1 – растение в норме – цитокинины (ц), синтезируемые в корне, транспортируются в апикальную почку побега, а синтезируемые в ней ауксины (а), двигаясь вниз по стеблю, посредством индукции образования этилена и абсцизовой кислоты подавляют деление пазушных почек и покоящегося центра; 2 – при облучении и снятии апикального доминирования пода - вляется синтез ауксинов, а цитокинины устремляются к пазушным почкам и покоящимся центрам, клетки которых начинают делиться; 3 – покоящийся центр восстанавливает меристему корня, а в побеге устанавливается доминирование нового апикального органа, которое приводит к его восстановлению.

коящихся меристем и, как правило, в 1.5–2.0 раза превышает значение минимальной дозы – примерно во столько раз радиоустойчивость покоящихся клеток превышает таковую у пролиферирующих, находящихся в радиоустойчивых периодах клеточного цикла. Безусловно, при таких дозах вновь отрастающие побеги растут медленно, листья могут приобретать характерные для лучевого поражения признаки: скручиваемость, морщинистость, изменение формы, появление пятен и др.

Способность к регенерации, несомненно, следует отнести к самой мощной системе восстановления, в том числе и пострадиационного. К сожалению, у животных она выражена несравнимо слабее, чем у растений. Лишь у низших беспозвоночных возможно регенерационное восстановление всего организма из небольшого кусочка тела, и у ракообразных, земноводных и некоторых других путем регенерации могут восстанавливаться конечности, хвост, части глаза, внутренние органы. Роль этих процессов в пострадиационном восстановлении животных изучена недостаточно.

15.4. Компенсаторное восстановление

Этот тип пострадиационного восстановления является наименее изученным в радиобиологии, хотя нередко приходится наблюдать компенсаторное усиление отдельных функций на самых разных уровнях организации у облученных ионизирующим излучением растений и животных. Среди них можно выделить два основных вида компенсаторных реакций. Первый из них связан с выполнением неповрежденными клетками, тканями, органами не свойственных им функций. Второй – именно с усилением функций, когда неповрежденные клетки, ткани, органы увеличивают собственную нагрузку с целью компенсировать функции других, утерявших ее вследствие повреждения радиацией.

К первому виду следует отнести уже упоминавшуюся интереснейшую способность клеток к дедифференциации.

15.4.1. Дедифференциация специализированных клеток и тканей

Известно, что в течение онтогенеза и ходе процессов морфогенеза в организме возникают различия между однородными клетками образовательных тканей и происходит формирование специализированных клеток, тканей и органов – процесс дифференцировки. Молекулярно-генетической основой дифференцировки является активность специфических для каждой ткани генов. И хотя все соматические клетки любого организма обладают одинаковым набором генов, в каждой части активна лишь часть их, ответственная за данный этап дифференциров-

ки. Роль факторов дифференцировки сводится к избирательной активации (включению) одних и подавлению (выключению) других генов. Природа этих факторов изучена недостаточно, но известно, что на ход дифференцировки оказывают влияние гормоны. Наиболее широко распространено представление о том, что дифференцировка контролируется соотношением между отдельными гормонами и другими веществами, обладающими физиологической активностью.

Обычно дифференцировка необратима. Однако в условиях повреждения тканей, приводящих к соматическим мутациям

идругим трансформациям клеток, при злокачественном росте

инекоторых других ситуациях, обусловливающих изменение баланса физиологически активных веществ, естественный ход клеток по жизненному циклу нарушается, и они могут приобретать способность движения в обратном направлении – дедифференцировке. Именно такие условия могут сложиться при облучении организма и потере способности к делению клеток образовательных тканей. При этом дифференцированные клетки могут вновь обрести способность к делению и стать источником восстановления или возникновения образовательных тканей de novo. К слову, на способности клеток дифференцированных тканей к делению и вновь к последующей дифференцировке основаны способы клонального размножения клеток, лежащие в основе новейших биотехнологий выращивания клеточной биомассы и тканей для медицинских целей, тиражирования уникального материала в растениеводстве, получения чистых линий животных и растений для селекции, генетики и других экспериментальных работ, в том числе и в области радиобиологии.

15.4.2.Усиление функций

Ккомпенсаторному пути пострадиационого восстановления следует отнести нередко констатируемое после облучения усиление функций оставшихся неповрежденными клеток, тканей и органов. В красном костном мозге, эпителии кишечника, меристемах растений после частичного опустошения клеточной популяции делящихся клеток у сохранивших способность к делению нередко наблюдают резкое увеличение скорости деления – сокращение продолжительности клеточного цикла на 25–30%. Как правило, это поясняется «стремлением» популяции быстрее восстановить нормальный клеточный объ-

ем. Уменьшение происходит обычно за счет длительности G1- и G2-фаз, т.е. клетки проходят фазы подготовки к синтезу ДНК и митозу с повышенной скоростью, в результате чего может возрастать количество клеток с повреждениями. Однако в последующем, по мере восстановления клеточного объема образовательной ткани, темпы клеточного деления постепенно возвращаются к норме.

Такое, пусть даже кратковременное, но порой весьма существенное увеличение скорости деления клеток является очень характерным примером проявления компенсаторных явлений на уровне популяции клеток.

Свидетельством компенсаторного типа восстановления может быть нередко наблюдаемое после облучения в повреждающих дозах временное усиление синтеза нуклеиновых кислот, белков, различных ферментов, макроэргических и других биологически активных соединений. Впрочем, все эти процессы являются отражением функции деления клеток, которое можно считать их интегральным показателем.

Компенсаторные восстановительные процессы на уровне тканей и органов очень четко проявляются у растений. Так, при облучении кустистых форм злаков и уменьшении числа стеблей на растении выжившие, как правило, оказываются более рослыми и мощными, чем многочисленные стебли необлученных растений. В них активнее протекают фотосинтез, дыхание и другие процессы обмена.

При повреждении генеративной сферы и уменьшении числа завязей на растениях оставшиеся плоды нередко оказываются более продуктивными, чем на необлученных. При уменьшении числа семян в колосе, стручке, бобе, коробочке оставшиеся, как правило, по размерам и абсолютной массе превышают контрольные.

В целом, понимая под термином пострадиационное восста­ новление совокупность процессов, обеспечивающих сохранение организма от повреждения и даже гибели при действии ионизирующей радиации, следует крайне внимательно изучать особенности проявления разнообразных реакций, направленных на возобновление утраченных функций. Радиоустойчивость критических тканей и органов животных и растений состоит

вспособности сохранять постоянным свой клеточный состав и поддерживать нормальные темпы клеточного размножения при повреждении ионизирующей радиацией. Такая способность осуществляется с помощью систем, обеспечивающих гомеостаз образовательных тканей при облучении и их восстановление в пострадиационный период. И как свидетельствует изложенный

вглаве материал, процесс восстановления является комплексным и многоуровневым.

Хотя к настоящему времени получены прямые доказательства возможности репарации клеток практически у всех типов критических органов, однозначного ответа о роли этого типа восстановления у животных и растений нет. Не показана убедительно и корреляция между радиоустойчивостью организмов и способности их клеток к репарации. Допуская, что в механизмах пострадиационного восстановления определенное значение могут иметь процессы поклеточной репарации, следует

все же признать, что основная роль в восстановлении всех типов постоянно обновляющихся тканей, к которым относятся критические органы, принадлежит репопуляции клеток, а у высших растений – и регенерации тканей и органов, сохраняющих при облучении способность к делению. Это оказывается возможным благодаря тому, что в системе постоянно обновляющихся тканей существует сложная организация гетерогенных субпопуляций клеток, обладающих различной степенью пролиферативной активности и в значительной степени варьирующих по радиоустойчивости. При различных уровнях радиационного поражения наличие таких субпопуляций обеспечивает последовательное подключение к процессам репопуляции отдельных пулов более радиоустойчивых клеток.

Несомненно, такая эволюционно возникшая как защитное приспособление организма реакция на повреждение, в основе которой лежит гетерогенность образовательных тканей, является неспецифической. Поэтому изучение механизмов репопуляции и регенерации клеток в тканях и органах, а также путей регуляции и управления ими являются весьма важными для решения проблемы повышения радиоустойчивости организмов, в том числе и человека.

Что касается компенсаторного восстановления, то оно изучено в наименьшей степени. Хотя не исключено, что этому широко распространенному в природе пути восстановления, имеющему место на всех уровнях организации, принадлежит ведущая роль в нормализации функций поврежденного ионизирующей радиацией организма.

Контрольные вопросы к главе 15

1.Определение понятия пострадиационного восстановления.

2.Классификация путей пострадиационного восстановления.

3.Сублетальное и потенциально летальное повреждение клетки.

4.Фактор времени и мощность дозы при радиационном поражении.

5.Механизм эксцизионной репарации молекулы ДНК.

6.Механизм ликвидации двойных разрывов молекулы ДНК.

7.Репарация сшивок ДНК–белок.

8.Индуцибельная, или SОS-репарация ДНК.

9.Репарация хроматина.

10.Восстановление хромосом.

11.Восстановление мембранных структур клетки.

12.Возможность репарации РНК и белков.

13.Роль асинхронности деления клеток в репопуляционном восстановлении.

14.Пути репопуляционного восстановления.

15.Особенности регенерационного восстановления.

16.Роль покоящихся тканей и органов в регенерационном восстановлении растений.

17.Особенности компенсаторного восстановления.

450Радиобиология с основами радиоэкологии

16.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ, СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ, МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ

ИПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Использование ионизирующих излучений в медицине. Применение ионизирующих излучений в диагностике заболеваний. Применение ионизирующих излучений в лечении болезней. Использование ионизирующих излучений при трансплантации органов и тканей. Радиационная стерилизация материалов и инструментов, применяемых в медицине. Использование ионизирующих излучений в сельском хозяйстве. Облучение семян, органов вегетативного размножения растений, рассады и некоторых объектов животного происхождения для ускорения роста, развития и увеличения продуктивности организмов. Предпосевное облучение семян. Предпосадочное облучение органов вегетативного размножения и рассады. Облучение животных. Радиационный мутагенез в селекции растений, животных и микроорганизмов. Радиационная биотехнология преодоления несращиваемости компонентов при вегетативных прививках растений. Радиационная технология предотвращения­ прорастания клубней, корнеплодов и луковиц при хранении. Преодоление сроков хранения продукции овощеводства, плодоводства.

Развитие фундаментальных исследований в области общей радиобиологии открыло широкие перспективы для использования выявленных закономерностей проявления радиобиологических эффектов в различных сферах деятельности человека, в том числе медицине, сельском хозяйстве, микробиологической, пищевой, фармацевтической промышленности и некоторых других. Однако практическое применение ионизирующих излучений требует не только знания таких закономерностей, но и разработки специальных технологических приемов и операций, создания принципиально новой облучательной техники. Именно при комплексном развитии этих направлений науки, технологий и техники в радиобиологии возникла новая область прикладная радиобиология. Данная область радиобиологии включает результаты фундаментальных исследований тех радиобиологических явлений, которые могут быть положены в основу определенных приемов направленного воздействия ионизирующих излучений на жизненные процессы в различных организмах, отдельных их органах и тканях, возможно-