3.2. Действие ионизирующих излучений на клетку

Повреждением биологически важных макромолекул далеко не полностью объясняется ионизирующее поражение клетки. Клетка - слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые скомпонованы в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции. Поэтому эффект действия источников ионизирующих излучений можно понять, лишь приняв во внимание изменения, происходящие как в самих клеточных органеллах, так и во взаимоотношениях между ними.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреж-

дения этих структур наступают при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатиче- ских клеток дозой 0,5 Гр и более процессы окислительного фосфорилирования угнетаются в ближайшие часы облучения. При этом обнаруживаются изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения ДНК и разобщается процесс синтеза ДНК- РНК-белок. В ядрах радиочувствительных клеток почти тотчас же после облучения угнетаются энергетические процессы, ионы натрия и калия выбрасываются в цитоплазму, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, выявляемые в период клеточного деления, хромосомные аберрации и точковые мутации, в результате которых образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность. Более выраженной радиочувствительностью, чем ядра, обладают митохондрии. Так, зна- чительные изменения в структуре митохондрий лимфатических клеток селезенки обнаруживаются уже через 1 ч после облучения дозой 1 Гр. Эти изменения проявляются набуханием митохондрий, деструкцией крист и просветлением матрикса. В ряде случаев отмечаются повреждения мембраны митохондрий, проявляющиеся прежде всего в резком угнетении процессов окислительного фосфорилирования. В чувствительных к излучению тканях это нарушение обнаруживается уже при дозах фотонного излучения 0,5-1 Гр.

Эффект воздействия ионизирующего излучения на клетку - результат комплексных взаимосвязанных и взаимообусловленных преобразований. По А.М. Кузину, радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа.

На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе фотонного излучения 10 Гр в клетке образуется до 3?10⁶ ионизированных и возбужденных молекул. При этом в ядре должно возникнуть около 9?10⁵ активных центров, в каждой митохондрии - 900 центров, в эндоплазматическом ретикулуме - 4,5?10⁵ и в каждой лизосоме - около 200 активных центров. На эти процессы прямого воздействия расходуется до 80% поглощенной энергии. Кроме того, от 25 до 50% образовавшихся в результате радиолиза воды радикалов реагируют с макромолекулами клетки.

Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах. В белках, вероятно, это SН-группы, в

ДНК - хромофорные группы тимина, в липидах - ненасыщенные связи. Указанный этап повреждения может быть назван физической стадией лучевого воздействия на клетку.

Второй этап - химические преобразования, соответствующие процессам взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, радикалами воды и биомолекулами, а также возникновению органических перекисей, вызывающих быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Радикалы, появляющиеся в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул, взаимодействуют с образованием сшивок, в результате чего нарушается структура биологических мембран. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов. Вследствие повреж- дения лизосомных мембран увеличивается активность ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов.

Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности, соответствуют третьему этапу лучевого поражения клетки - биохими- ческому.

Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Было бы неправильным особо выделять какое-то одно биохимическое нарушение, возникающее при этом, так как радиационный эффект отмечается в результате многих самых разнообразных повреждений тонко сбалансированного механизма биохимических реакций. Вместе с тем, рассматривая действие радиации на клетки, можно говорить о ведущих повреждениях, приводящих к нарушению той или иной функции. Так, нарушения процессов окислительного фосфорилирования связаны с повреждением структуры митохондрий. В то же время указанные нарушения могут возникать в результате повреждения лизосом и высвобождения из них гидролитических ферментов. Изменения в клеточном ядре способны приводить к синтезу ферментов с измененной или утраченной активностью и т.д. Действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным вследствие физического, химического и био-

химического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью.

В зависимости от количества этих структур в клетках в определенной степени изменяется и их радиочувствительность. Так, при удвоенном количестве ДНК в клетке при облучении повышается содержание части ДНК в неповрежденном виде. Поэтому диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные. Уменьшение числа митохондрий повышает степень поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает.

Радиочувствительность клеток в значительной мере зависит от скорости протекающих в них обменных процессов. Клетки, для которых характерны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, обладают более высокой радиочувствительностью, чем клетки, пребывающие в стационарной фазе.

Наконец, следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения является результатом не только первичного повреждения клеток, но и последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализации потенциальных повреждений не произошло, клетка может в них восстановиться. Такое восстановление, как предполагается, связано с ферментативными реакциями и обусловлено энергетическим обменом. Считается, что в основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса.

Таковы современные взгляды на механизм развития поражения клетки, возникающего при действии ионизирующих излучений. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующему излучению морфологические изменения, то ткани клетки и органы человека по степени снижения чувствительности можно расположить в следующем порядке: гонады и красный костный мозг; толстая кишка, легкие и желудок; мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, щитовидная железа; кожа и клетки костных поверхностей; остальные органы и ткани.

Генетическое действие ионизирующих излучений

Мутагенное воздействие ионизирующей радиации впервые установили советские ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филатов в 1925 г. в опытах на дрожжах. В 1927 г. это открытие было подтверждено Г. Меллером на классическом генетическом объекте - дрозофиле.

Ионизирующие излучения способны вызывать все виды наследственных перемен или мутаций (мутация - это всякое изменение наследственных структур). К ним относятся геномные мутации (кратные изменения гаплоидного числа хромосом), хромосомные мутации или хромосомные аберрации (структурные и численные изменения хромосом) и точковые или генные мутации (изменения молекулярной структуры генов).

Спектр мутаций, индуцированных ионизирующими излучениями, не отличается от спектра спонтанных мутаций.

Генные мутации. На основании количественного учета генных мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с лабораторными животными позволили сделать вывод, что частота летальных мутаций в половых клетках возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения. Экстраполяция этих данных приводит к выводу о том, что любая сколь угодно малая доза ионизирующего излучения повышает частоту мутаций по сравнению с уровнем спонтанных мутаций.

На ранних этапах оценки эффектов облучения по частоте возникновения мутаций считалось, что фракционирование дозы дает такой же эффект, как и доза однократного облучения.

Исследования последних лет, проведенные с облученными мышами, радикально изменили эту точку зрения. Полученные резуль- таты позволили предположить, что между индукцией первичного повреждения и его конечной реализацией происходит репарация и что удлинение экспозиции или фракционирование дозы менее 8 мГр-мин^-1 (до 0,007 мГр-мин^-1) при воздействии на сперматогонии мышей вызывает 1/3 мутаций, образующихся при облучении с большей мощностью дозы. Сходным образом фракционирование дозы дает меньше мутаций, чем одномоментное облучение.

Хромосомные мутации. В результате действия ионизирующих излучений на хромосомы возникает большое количество хромосомных перестроек. Различные типы хромосомных перестроек по-

разному зависят от дозы облучения. Частота хромосомных перестроек, происходящих в результате одиночного разрыва (например, деления-нехватки), находится в линейной зависимости от дозы. Частота же хромосомных перестроек, возникших в результате двух независимых одновременных разрывов и соответственно основанных на них двуударных перестроек (например, транслокаций), возрастает пропорционально квадрату дозы вследствие того, что вероятность одновременного возникновения двух независимых событий равна произведению вероятностей.

Прямые цитологические исследования - подсчет клеток с нарушенными хромосомами - показали, что возникновение хромосомных аберраций зависит от плотности ионизации. Излучения с меньшей энергией и большей плотностью ионизации более эффективно способствуют хромосомной перестройке. Нейтроны, обладающие, например, энергией 7,5 МэВ, вызывают больше хромосомных перестроек, чем нейтроны с энергией 15 МэВ. В опытах с рентгеновским излучением показано, что его эффективность зависит от длины волны: более эффективно рентгеновское излучение с длиной волны 4,1 А, менее эффективно с длиной волны 0,15 А. Еще менее эффективно γ-излучение. Можно сказать, что корпускулярные излучения - быстрые нейтроны и α-частицы - вызывают хромосомные перестройки чаще, чем электромагнитные излучения. Эти различия объясняются разницей в плотности ионизации, которую они производят.

Рядом исследователей было показано, что облучение дрозофилы в атмосфере чистого кислорода повышает частоту мутаций, а облучение в атмосфере азота снижает ее. Бескислородная атмосфера оказывается в некотором смысле защитной при ионизирующем облучении клетки. Повышение концентрации кислорода во время облучения от 0 до 21% линейно увеличивает число хромосомных перестроек; дальнейшее повышение концентрации кислорода ока- зывается менее эффективным.

Эти явления подтверждают положение о том, что хромосомные перестройки возникают в результате обратимого нарушения в ядре клетки, вызванного облучением.

Во время воздействия ионизирующего излучения на ядро клетки могут возникать истинные и потенциальные разрывы хромосом. Последние, в зависимости от условий, складывающихся в клетке после облучения, могут реализоваться в истинные разрывы

или совсем не реализоваться. Количество фиксированных мутаций в клетке определяется двумя факторами: количеством первичных поражений хромосом, возникающих в момент радиационного воздействия, и вероятностью перехода первичного изменения в конечную мутацию.

На основании различных опытов складывается представление, что способность разорванных концов хромосом к соединению в новой комбинации или воссоединению исходной структуры зависит от фазы митотического и мейотического циклов клетки, специфики объекта, характера излучения (величина, мощность дозы, ЛПЭ) и биохимических условий микросреды.

Исходы поражений зародышевых и соматических клеток

Принципиальной разницы в механизме действия источников ионизирующих излучений на соматические и зародышевые клетки нет. Одинаково поражаются и те и другие. Однако исходы поражений разные. Когда повреждаются зародышевые клетки, возникающие мутации (генные и хромосомные) с той или иной скоростью, зависящей от степени доминантности и степени снижения жизнеспособности, элиминируются из популяции. Эта элиминация далеко не всегда бывает быстрой. Многие мутации, в особенности рецессивные, благодаря различным генетическим процессам, таким как, например, дрейф генов или эффект родоначальника, могут заметно размножаться в популяциях. Это может приводить к увеличению числа случаев врожденных уродств, аномалий обмена и т.д.

Мутационные события в соматических клетках могут выражаться в гибели клеток (клеточные летали) или в приобретении клеткой новых наследуемых свойств, выводящих ее из-под контроля организма. Это находит свое выражение в процессах малигнизации.