3 Восстановление клеток после комбинированных воздействий различных факторов окружающей среды

Поскольку многие авторы [16, 24, 25] связывают механизм синергического взаимодействия ионизирующего излучения с физическими и химическими агентами с уменьшением способности клеток восстанавливаться от радиационных повреждений, представляет интерес проанализировать участие процессов восстановления клеток в механизме проявления синергических эффектов после комбинированных воздействий различных факторов окружающей среды.

Была предложена оригинальная кинетическая схема [16] развития радиационного поражения при комбинированном действии ионизирующего излучения с различными химическими агентами, изменяющими радиочувствительность клеток. В принципе не существует никаких ограничений на использование такой схемы и для физических факторов, модифицирующих чувствительность клеток к действию ионизирующего излучения, а также физических и химических агентов, изменяющих чувствительность клеток к УФ-излучению. В соответствии с этой схемой, модификация радиочувствительности клеток, характеризующихся различными вероятностями ферментативной репарации, должна происходить с разной эффективностью при комбинированном действии ионизирующего излучения с гипертермией, кислородом, гипоксическими сенсибилизаторами, ингибиторами восстановления и даже радиопротекторами. Это было подтверждено в серии экспериментов с дрожжевыми клетками с разной эффективностью восстановления [15, 16]. Оказалось, что модификация радиочувствительности многими физическими и химическими агентами была более эффективной для диплоидных дрожжей дикого типа, чем для изогенных гаплоидных штаммов, и значительно менее эффективной для rad-мутантов, дефектных по репарации. Аналогичные результаты известны для бактерий Escherichia coli [3] и культивируемых клеток млекопитающих, в том числе человека [24].

Восстановление клеток от потенциально летальных повреждений проявляется и в клинической радиологии, снижая эффективность лечения опухолей ионизирующим излучением. Способность клеток восстанавливаться после радиационных повреждений – главная причина резистентности некоторых опухолевых клеток к действию ионизирующего излучения. Большинство современных способов повышения радиочувствительности раковых клеток основаны на подавлении способности клеток к восстановлению от радиационных повреждений [16]. Поэтому апробирован ряд химических ингибиторов, подавляющих способность клеток восстанавливаться от потенциально летальных повреждений, вызванных воздействием излучения [16].

Было проведено исследование влияния метилена синего, являющегося ингибитором фермента полимеразы, на клетки бактерий Escherichia coli, облученных рентгеновским излучением. Исследователи [3] пришли к выводу, что метилен синий ингибирует восстановление клеток бактерий после воздействия рентгеновским излучением. Эта информация представляет большой интерес, так как метилен синий накапливается преимущественно в злокачественных тканях. Однако исследователи не дифференцировали, происходит ли это ингибирование за счет нарушения процессов восстановления или формирования большей доли необратимых повреждений.

Существует большое количество работ [3, 15, 18, 19, 21] по изучению комбинированного действия химических ингибиторов восстановления клеток с ионизирующим излучением. Так, в экспериментах по комбинированному действию ионизирующего излучения с камптотецином и этопозидом VP16 на радиочувствительных и радиоустойчивых клетках меланомы человека было показано, что в обеих линиях химические соединения ингибировали восстановление от сублетальных, но не потенциально летальных повреждений [21]. В другой работе [20] исследовали восстановление облученных клеток опухоли мочевого пузыря человека после действия камптотецина и VP16. Эксперименты показали, что камптотецин ингибирует сублетальные и потенциально летальные повреждения, индуцируемые радиацией, в то время как после действия VP16 такого эффекта не наблюдали. Авторы пришли к выводу, что возможно только топоизомераза I участвует в репарации ДНК повреждений, индуцированных ионизирующим излучением.

Есть данные, свидетельствующие о том, что способность некоторых химических веществ ингибировать клеточное восстановление зависит от типа клетки [19]. Было показано, что многие испытанные ингибиторы восстановления не только снижают скорость восстановления от потенциально летальных повреждений, но и одновременно увеличивают долю фиксированных или необратимо пораженных клеток, не способных к такому восстановлению [18, 19]. Возрастание доли необратимо пораженных клеток само по себе также должно приводить к замедлению скорости восстановления не только из-за того, что сам процесс восстановления нарушен, а благодаря увеличению числа повреждений, которые могут быть восстановлены в принципе. Однако количественных оценок увеличения доли необратимо пораженных клеток при комбинированном действии ионизирующего излучения и различных химических соединений авторы процитированных работ не проводили.

Таким образом, можно сделать вывод, что замедление скорости восстановления от потенциально летальных повреждений может быть следствием следующих причин: нарушение процесса восстановления самого по себе; увеличение доли необратимых повреждений, которые клетка в принципе не способна восстановить; оба этих процесса происходят одновременно. Следовательно, представляет интерес оценить относительный вклад и значимость каждой из этих причин при использовании ингибиторов восстановления. Такие работы в литературе не были описаны.

4 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Возможные молекулярно-клеточные механизмы возникновения синергизма проанализированы во многих работах [10, 11]. Одним из возможных факторов повышенной чувствительности живых объектов к комбинированному действию ионизирующего излучения и различных факторов внешней среды является нарушение процессов репарации. Процессы пострадиационного восстановления хорошо изучены при действии одного ионизирующего излучения [10]. Однако повреждения ДНК клеток являются лишь одним из возможных механизмов летального действия излучения. Другим таким механизмом является повреждение мембран. Поэтому предполагается, что механизм проявления эффекта синергизма может быть обусловлен взаимодействием различных типов повреждений, вызванных каждым агентом и взаимодействующими друг с другом при комбинированном воздействии. Другими словами, механизм синергизма может быть связан с проявлением скрытых повреждений.

В соответствии с другой, также широко распространенной точкой зрения, механизм синергического взаимодействия может быть обусловлен формированием дополнительных эффективных повреждений за счет взаимодействия субповреждений, образованных каждым агентом и неэффективных при их раздельном действии [16]. Не исключено, что оба представления о механизме синергического усиления радиационного эффекта не являются взаимоисключающими, а могут быть связаны друг с другом. Например, возможно, что формируемые при комбинированном воздействии дополнительные повреждения носят необратимый характер, т.е. клетка не способна от них восстанавливаться или ее способность значительно снижена. Подобные данные были получены ранее для диплоидных дрожжевых клеток [15, 16]. В таком случае даже для клеток с полноценной системой репарации общий объем восстанавливаемых повреждений должен уменьшаться, что и наблюдается в эксперименте. Тогда можно полагать, что снижение способности клеток к пострадиационному восстановлению при комбинированных воздействиях является неизбежным следствием, а не причиной синергического взаимодействия [16]. Таким образом, ингибирование восстановления, т.е. уменьшение объема восстановления и замедление его скорости после комбинированных воздействий ионизирующего излучения с другими агентами внешней среды является не причиной синергического взаимодействия, как это традиционно предполагается, а следствием формирования необратимых повреждений, от которых клетки неспособны восстанавливаться.

Отсутствие или снижение синергического эффекта для радиочувствительных мутантов с дефектами в системах репарации может быть объяснено отсутствием субповреждений, поскольку вполне вероятно, что из-за отсутствия восстановления, в таких клетках индуцированные в них субповреждения носят летальный характер. Аналогично объясняется и отсутствие синергического усиления радиационного эффекта или его существенное снижение при комбинированном воздействии гипертермии с плотноионизирующими излучениями, когда последние вызывают больше нерепарируемых повреждений и, соответственно, меньшее число субповреждений, взаимодействие которых могло бы привести к синергизму.