ТЕОРИИ НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Лекция № 9

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Вопросы:

ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ТЕОРИИ НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Теоретические представления о механизме биологического действия ионизирующих излучений.

Радиобиология – экспериментальная научная дисциплина, поэтому в историческом аспекте возникновение и судьба гипотез и теорий о механизмах радиобиологических эффектов теснейшим образом связаны с возможностью интерпретации новых экспериментальных фактов.

При анализе основных этапов формирования взглядов на природу радиобиологического эффекта можно выделить два основных направления.

Первое выражается в стремлении установить общие, преимущественно формальные, но обязательно количественные закономерности, которые характеризуют самые первичные («пусковые») звенья радиобиологических реакций. Это теоретическое направление объединяет гипотезы, составляющие основу количественной радиобиологии.

Второе пытается объяснить все многообразие сложных лучевых реакций биологических объектов от момента поглощения энергии и до проявления конкретных радиобиологических эффектов. Отсюда преимущественно качественный (описательный) характер объединяемых в этом направлении гипотез.

Из количественных концепций мы рассмотрим основанную на принципе попаданий теорию мишеней, стохастическую гипотезу и вероятностную модель радиационного поражения клетки, а из качественных – гипотезу первичных радиотоксинов и цепных реакций и структурно-метаболическую гипотезу.

ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Принцип попаданий и теория мишеней .

В связи с необходимостью объяснения основного радиобиологического парадокса исторически первыми были сформулированы два положения, которые легли в основу наиболее ранних теоретических представлений в радиобиологии, получивших название классического формализма. Первое из них – принцип попаданий (Ф.Дессауэр, Д.Ли) – основан на дискретности событий поглощения энергии, квантованности взаимодействия излучений с веществом, вероятностности распределения поглощаемой энергии в пространстве. Второе – принцип мишени (Д.Ли, Н.В.Тимофеев-Рессовский, К.Циммер) – учитывает высокую в физическом и функциональном отношении гетерогенность клеточных структур.

Основные положения принципа попадания заключаются в следующем:

1)Ионизирующие излучения обладают очень малой объемной плотностью по сравнению с другими видами излучения, например, с тепловым, т.е. переносят энергию в дискретном виде и попадают в некий объект «концентрированными порциями»;

2)Фотоны и частицы ионизирующего излучения обладают огромной дискретной энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи;

3)За время первой, физической стадии воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты происходит поглощение, перераспределение и деградация энергии;

4)Энергия поглощенных живой системой фотонов или заряженных частиц полностью (прямо или косвенно) расходуется на возбуждение и ионизацию атомов и молекул;

5)Вероятность переноса энергии к молекуле не зависит от ее химической структуры, она определяется суммарной электронной плотностью вещества, имеющей примерно равные значения для различных элементов клетки.

В основу принципа мишени положено представление о том, что структура и функции живой системы неравноценны, гетерогенны и различаются в ответах на одно и то же попадание. Если радиация «одинаково безразлична» к облучаемым субстратам («не выбирает» их), то повреждение отдельных элементов биологических систем имеет неодинаковую значимость для судьбы клетки.

Основные положения принципа мишени:

1)Высокая энергия, дискретно поглощаемая в клетке, и отсутствие избирательности действия позволяет ионизирующим излучениям вызывать изменения любой молекулы в составе любого структурного компонента биологической системы. В биологических объектах не существует молекул или систем, испытывающих преимущественное поглощение энергии излучения;

2)Неоднородные элементы клетки, поглотившие одну и ту же энергию излучения, по истечении времени (различного для каждого элемента живой системы) претерпевают изменения, приводящие к различным по степени и биологической значимости повреждениям;

3)Кривые доза-эффект являются отражением квантованности характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом и наличия в клетке высокочувствительных объемов – мишеней.

“Минусы” теории - не объясняет зависимость радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облучаемой среде кислорода.

Однако отказ от теории мишени, как общей теории биологического действия ионизирующих излучений, не означает отрицания возможности прямого действия излучения и признания того, что в клетках и организмах могут быть менее и более чувствительные к облучению структуры и системы.

Все это обусловило появление в конце 60-х годов новой количественной гипотезы – стохастического действия излучений, призванной, согласно определению ее авторов (О.Хуг, А.М.Келлерер), «изложить теорию попаданий на основе стохастического принципа».

Теория мишени и попаданий.

Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки.

В основе теории мишени лежат два положения. Первое из них — принцип попадания — характеризует особенность действующего агента (излучения). Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т. е. поглощения порций энергии при случайном попадании в мишень. Второе положение — принцип мишени — учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и то же попадание.

Стохастическая гипотеза.

Эта гипотеза рассматривает любой биологический объект, в частности клетку, как лабильную динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из одного состояния в другое. Вследствие крайней сложности системы любой такой переход сопровождается и связан с множеством комплексных и элементарных сопряженных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул. Совершенно ясно, что в процессе жизнедеятельности, благодаря влиянию самых разнообразных, не подлежащих учету факторов и малейших неопределенностей исходного состояния, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого и/или независимо от них – «крушения» всей системы. Поэтому, любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной неточностью. Зная это и стремясь к достижению желаемой точности, обычно оперируют средними значениями вероятности события. Таким образом, любым критическим событиям в живой нативной системе свойственна некая изначальная биологическая стохастичность.

На биологическую стохастичность (вероятность) первого порядка при облучении объекта накладывается стохастика второго порядка вследствие случайного взаимодействия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих со значительно меньшей скоростью и в необлученном контроле.

В этом случае классические представления об отдельных попаданиях и дискретных мишенях теряют первородное значение – мишенями в этом случае служат все компоненты живой системы, а регистрируемая реакция обусловлена взаимодействием самых различных первичных пусковых событий.

Весьма вероятно, что случайное «удачное» попадание в одну из уникальных структур клетки приведет ее к гибели, и формально это может быть описано с классических позиций теории попаданий. Однако ясно, что такие ситуации должны быть достаточно редкими, а следовательно, положения теории попаданий – лишь простейшие частные случаи стохастической схемы.

Первая особенность стохастической гипотезы – то, что она учитывает как физиологические, так и индуцированные облучением процессы. В то же время, классические положения теории попаданий не только не учитывают спонтанные физиологические процессы, но и сами процессы, индуцированные облучением, рассматривают как строго детерминированные первичными актами абсорбции энергии.

Вторая (проистекающая из первой) очень важная особенность стохастической схемы – ее стремление описать кинетику индуцированных излучением изменений в динамическом аспекте, тогда как классическая теория попаданий рассматривает изменения, возникающие только в статической системе, что является заведомым упрощением, особенно при анализе клеточных лучевых реакций.

Наиболее радиочувствительным компонентом клетки являетсяядро.

“Плюсы ” теории

- учитывает многообразие повреждений, вызываемых ионизирующим излучением,

- учитывает роль репарационных процессов.

Стохастическая теория как бы более биологична по сравнению с теорией мишени.

“Минусы” теории - не смогла объяснить некоторые эффекты, и в частности эффект разведения.

Вероятностная модель радиационного поражения клетки.

Вероятностная модель радиационного поражения клетки предложена Ю.Г.Капульцевичем в 1978г на основе анализа количественных закономерностей различных реакций дрожжевых клеток на облучение. В предлагаемой модели принцип попаданий дополняется предположением о вероятностном характере повреждений.

Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но в отличие от классических представлений, и потенциальные, и реализованные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения ( или индуцированные ими изменения ) наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений приводят к торможению клеточного деления. При этом вероятность проявления повреждения может зависеть как от биологических ( генетических ) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь от ухудшения этих условий. Вероятностная модель в значительной степени основанная на принципе попадания, имеет много общего с классическими моделями. В тех случаях, когда вероятность проявления повреждения равна единице, вероятностная модель переходит в классическую одноударную модель. При количественном анализе экспериментальных данных, который ограничивается средними характеристиками популяции облученных клеток, вероятностная модель зачастую приводит к таким же результатам, как и многоударная. Следовательно, классические модели теории попаданий можно считать частными случаями вероятностной модели, проявляющимися при определенных ограничениях.

Главное отличие вероятностной модели от классических представлений состоит в том, что согласно последним радиочувствительность клетки определяется лишь объемом мишени и критическим числом попаданий. С позиций же вероятностной модели проблема радиочувствительности представляется более сложной. Процесс радиационного поражения клетки предлагается формально разделить на три этапа.

Первый этап – осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения. Вероятность образования первичного повреждения на единицу дозы излучения зависит от величины эффективного объема (V) и от величины энергии, необходимой для образования первичного повреждения. Поскольку, отнюдь не всякое выделение энергии в эффективном объеме может привести к образованию первичного повреждения, то клетка, по-видимому, способна восстанавливаться от него еще на стадии формирования потенциальных повреждений. Итак, на этой стадии радиочувствительность определяется величиной эффективного объема и вероятностью (p) образования потенциального повреждения при локальном выделении в эффективном объеме энергии «Е». Оба эти параметра (V и p) могут зависеть как от биологических особенностей объекта, так и от условий облучения, например, от температуры, влажности, концентрации кислорода и т.п.

Второй этап радиационного поражения – реализация потенциальных повреждений. Так как клетки способны восстанавливаться, то реализованными оказываются не все возникшие потенциальные повреждения, а лишь часть их (r). Следовательно, радиочувствительность клетки определяется и вероятностью реализации потенциального повреждения. Все три параметра ( V,p,r ) определяют частоту «b» реализованных повреждений на единицу дозы излучения b=V·p·r и среднее число «а» реализованных повреждений при дозе «D», т.е. а = b·D. С помощью параметра «b» вероятностная модель учитывает зависимость радиобиологических эффектов от дозы излучения, ЛПЭ и продолжительности восстановления.

Третий этап радиационного поражения – различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. По-видимому, и на этом этапе возможно восстановление клеток от последствий реализованных повреждений или их компенсации. Поэтому вероятность проявления данного реализованного повреждения не равна единице, а характеризуется величиной (α), которая зависит от биологических особенностей клетки и от условий культивирования.

Таким образом, радиочувствительность клетки, о которой мы судим по кривой выживания, определяется четырьмя параметрами ( V, p, r и α ) достаточными, однако, не только для описания формы кривой, но и всего разнообразия проявления действия излучений на репродуктивную способность клеток, зависимости радиобиологических эффектов от условий культивирования клеток и физических характеристик излучения.

Таковы достоинства рассмотренной вероятностной модели, которую можно считать логическим звеном в развитии количественной радиобиологии.

Однако, впоследствии сам автор модели указал на ряд ее ограничений, свидетельствующих о необходимости дальнейшего совершенствования наших теоретических представлений.

Прежде всего, ни сама модель, ни производимый с ее помощью анализ реакций клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций, ибо для этого необходимы специальные методы исследования. Кроме того, нельзя забывать, что сделанные выводы справедливы для изученных эффектов только применительно к дрожжевым клеткам.

Если говорить о клетках млекопитающих, то до сих пор детальное распределение их по формам инактивации количественно не изучено и это затрудняет проверку применимости вероятностной модели к описанию лучевых реакций этих клеток.

ТЕОРИИ НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

В этой лекции мы переходим к рассмотрению качественных концепций, которым можно дать характеристику качественно-биохимических.

Характерная черта качественных гипотез состоит в том, что они придают определяющее значение в первичных процессах лучевого поражения неким высокореакционным продуктам, образующимся в биосубстрате вслед за поглощением энергии излучения, которые и инициируют множественные реакции повреждающего типа. Эти продукты, называемые радиотоксинами, и служат предметом изучения, идентификации, а также кинетики их образования и последующих превращений.

Основной радиобиологический парадокс несоответствия малых количеств поглощенной энергии с разительным биологическим эффектом с позиций данных гипотез объясняется наличием различных биофизических и биохимических механизмов усиления первичных элементарных процессов размена энергии излучения.

Предположение о лучевом поражении как своеобразном радио токсикозе, возникающем вследствие накопления в облученных клетках и в крови токсических веществ, высказывались еще на самых ранних этапах изучения биологического действия ионизирующих излучений. Наиболее активное развитие этих представлений относится к началу 50-х годов, когда началась атака на теорию мишеней в связи с появлением большого числа экспериментальных данных, не укладывавшихся в рамки классических представлений, особенно в связи с установлением возможности ослабления радиационных эффектов с помощью различных химических соединений.

Большой вклад в изучение роли токсического компонента лучевого поражения внесли советские исследователи, причем значительное число соответствующих работ было выполнено на организменном уровне ( Кричевская Е.Н., Горизонтов П.Д., Груздев Г.П., Свердлов А.Г. ).

Природа токсинов точно не определена. Высказывается предположение о том, что они являются продуктами распада белковых и липидных компонентов облученных клеток и возникновения аутоиммунных реакций. Детально эти взгляды развиваются в работах Кузина А.М., Тарусова Б.Н., Кудряшова Ю.Б.

Многолетние исследования Кузина А.М. и его сотрудников выявили, что под влиянием облучения растительных и животных объектов в их клетках и тканях появляется большое количество активных продуктов, выполняющих роль радиотоксинов. Наиболее подробно ими изучены продукты окисления фенолов – хиноны и их производные. На основе этих исследований была сформулирована структурно-метаболическая гипотеза в радиобиологии.

Тарусов Б.Н. и Кудряшов Ю.Б. отводят определяющее значение в радиобиологическом эффекте возникновению токсических метаболитов липидной природы, так называемым липидным радиотоксинам.

Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 88; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!