Лекция ИИ5

Лекция ИИ5
Дозовые зависимости радиобиологических эффектов.
Степень выживаемости
колонии клеток
Дозовые зависимости радиобиологических эффектов показаны на
рис.1.6. Пунктирная кривая носит пороговый характер и описывает такие
воздействия на организм, как химическое отравление.
Дозовая зависимость радиобиологических эффектов (сплошная
кривая на рис.1.6) имеет ряд особенностей:
1) беспороговый характер;
2) наличие горизонтального участка при малых дозах. Он обусловлен
явлением репарации – эффектом избавления биоструктур от повреждения собственными силами: облученные клетки способны удалять поврежденные азотистые основания, воссоединять разрывы полинуклеотидных
цепей ДНК.
Генные мутации: начиная с некоторой дозы выше естественного
радиационного фона (см. главу 1 §8), частота мутаций в половых клетках
прямо пропорциональна дозе ИИ (рис.1.7). Независимо от дозы существует некоторый уровень спонтанных мутаций, возникающих при транскрипции ДНК в процессе клеточного деления.
Генетические и соматико-стохастические эффекты не исключены
при малых дозах (см. гл. 1 §8) и условно не имеют дозового порога. Вы-
ход обоих эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется
суммарной накопленной дозой, независимо от того, получена она за одни
сутки или за 50 лет.
Выход соматико-стохастических заболеваний со смертельным исходом зависит от коллективной дозы (чел·Зв), возраста и пола человека.
Так, среднее значение выхода для мужчин составляет 100 случаев в год
на 104 чел·Зв, для женщин – 150 случаев на 104 чел·Зв. Более высокое
значение риска у женщин обусловлено большой вероятностью рака молочной железы. Имеется падание риска возникновения соматикостохастических и генетических эффектов при увеличении возраста, что
связано с существованием латентного периода развития раковой опухоли
после облучения, равного примерно 7-12 годам при лейкемии, 25 годам
для остальных злокачественных заболеваний [17, 18].
п. 5. Сравнительная радиочувствительность
различных структур организма.
Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующей радиации морфологические и гистологические изменения, то по
степени роста чувствительности к облучению ткани располагаются в
следующем порядке [3]:
1) нервная ткань;
2) хрящевая и костная;
3) мышечная;
4) соединительная;
5) щитовидная железа;
6) пищеварительные железы;
7) легкие;
8) кожа;
9) слизистые оболочки;
10) половые железы;
11) лимфоидная ткань, костный мозг.
Таким образом, особо большая чувствительность к облучению у
кроветворных органов. При однократном облучении человека D=0.5 Гр
через сутки после облучения резко сокращается число лимфоцитов, продолжительность жизни которых меньше суток. Уменьшается и число
эритроцитов по истечении двух недель после облучения (время жизни
эритроцитов около 100 суток). У здорового человека в крови находится
порядка 1014 красных кровяных телец (при ежедневном воспроизводстве
1012 штук), у больного лучевой болезнью такое соотношение нарушается
и организм погибает.
п.6. Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы.
Расширяющееся применение ИИ в различных областях науки и
техники выдвигают в качестве фундаментальной задачи современной
радиобиологии поиск путей повышения радиоустойчивости организма.
Один из реальных путей повышения устойчивости – использование
средств фармакохимической защиты.
Радиопротекторы – вещества, ослабляющие проявления лучевой
болезни. Радиопротекторы осуществляют:
1) тушение возбужденных состояний многоатомных молекул;
2) перехват радикальных состояний;
3) уменьшение концентрации радиосенсибилизаторов;
4) активацию репарационных (восстановительных) процессов.
Протектор вводится в организм перед облучением. Наиболее эффективны изученные в экспериментах на животных радиопротекторы
двух основных классов: содержащие серу (аминотиолы, меркаптоалкиламины), а также индопиликаламины, биогенные амины, не содержащие
серы.
Противолучевой активностью обладает группа веществ природного происхождения – витамины и их биологически активные формы:
коферменты, нуклеиновые кислоты и их производные, многие растительные фенольные соединения, аминокислоты, некоторые углеводы и липиды.
Биологические протекторы (адаптогены) повышают устойчивость
в том числе и к другим экстремальным воздействиям (химической вредности, холоду, кислородному голоданию, психоэмоциональным стрессам
и др.). К ним относятся препараты женьшеня, китайского лимонника, яды
змей и др.
Противолучевой эффект адаптогенов и витаминов проявляется
при длительном их введении в организм за много дней и недель до облучения.
Радиосенсибилизаторы – вещества, усиливающие тяжесть лучевого поражения. Применяются, например, в лучевой терапии. При этом в
результате облучения образуются активные радикалы и синглетный кислород.
Способы усиления дозовых нагрузок: уменьшение четырех ранее
перечисленных процессов; добавление веществ для усиления радиосенсибилизации (экзогенная сенсибилизация).
§7. Принципы количественной радиобиологии.
Соматические эффекты действия ИИ делятся на стохастические
(вероятностные) и детерминированные (нестохастические). К детерминированным относят эффекты, которые характеризуются изменением
сразу во множестве клеток и выявляются как повреждения тканей, органов и целых систем. К индуцированию стохастических процессов приводит биологическое воздействие радиации при медицинском применении.
Объяснения происходящих в тканях процессов радиобиологи связывают с первичными механизмами действия ИИ. Количественная радиобиология использует принцип попадания и теорию мишени, стохастическую гипотезу и вероятностную модель радиационного поражения. К качественному направлению описания действия ИИ на биообъекты относятся гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций и структурно-метаболическая гипотеза.
Для анализа радиобиологических эффектов используются принцип попадания и теория мишени (или мишеней) (статическая модель)
Они развиты в работах Дж. Кротутера, Д.Ли, К.Циммера, Н.В. Тимофеева–Ресовского и др. Полученные в эксперименте кривые “доза - эффект”
интерпретируются на основании следующих допущений:
1) ионизирующие излучения переносят энергию в дискретном виде;
2) акты взаимодействия с мишенью (попадания) не зависят друг от друга
и подчиняются пуассоновскому распределению;
3) исследуемый эффект наступает, если число попаданий в некоторую
чувствительную область, так называемую мишень, равно по крайней мере n.
Теория мишени: попадание лишь в определенные структуры приводит к лучевому поражению.
Рассмотрим случай “одноударного процесса”, когда попаданием
считают одиночный перенос энергии. Тестируемый эффект наступает
лишь тогда, когда определенное минимальное количество энергии поглощено чувствительной областью – мишенью.
Пусть облучаемая система состоит из N0 объектов, каждый из которых обладает мишенью сечением S, и объемом V.
Пусть для инактивации объекта достаточно чтобы трек плотноионизирующей частицы прошел через сечение S мишени; такое событие будем именовать попаданием. Вероятность n попаданий в мишень,
находящуюся в пределах объекта:
P(n) = (ne-)/n! ,
(1.2)
где  - среднее число попаданий в мишень. Если D – среднее число частиц, пролетающих через единичную площадку, а S – сечение мишени,
то
 = SD.
Если N – число объектов, сохранивших после облучения исходные свойства (т.е. «выживших»), то N/N0 соответствует вероятности
непопадания (n=0). Из уравнения (1.2) получим
N/N0 = ((SD)0e-SD)/0! = e-SD.
Если в среднем число попаданий равно числу мишеней, то SD=1,
тогда N/N0 = 0.37. По статистике Пуассона реально поражается только
63% мишеней, т.к. часть попаданий испытали уже однажды пораженные
мишени. Соответствующая доза обозначается как D37 (рис.1.8).
Графически зависимость доли выживших объектов от величины дозы выражается экспонентой
N/N0 = e-SD = e-D/D37.
РИ и -излучение вызывают редко
расположенные акты ионизации. Для них
вводят объем мишени. Аналогично выше
сказанному,
 = VD,
D – среднее число частиц, пролетающих через единичный объем мишеP(n) = (ne-)/n!,
ни. Доля выживших объектов (рис.1.8) составляет
N/N0 = e-VD = e-D/D37;
D37= 1/V.
Принцип усилителя – попадание в мишень приводит к развитию
вторичных процессов, усиливающих действие радиации во много раз.
Поскольку доказано существование ферментативных систем, способных репарировать повреждения генетического аппарата клетки, возник новый динамический подход к радиологическим моделям. Становится
общепринятым рассмотрение радиобиологического эффекта как результата интерференции двух противоположно направленных процессов –
развитие начального радиационного поражения и его элиминации за
счет функционирования репарирующих систем. Основываясь на этом, Хуг
и Келлерер [15] предложили в качестве общей теории действия индуцирующих излучений на клетку “стохастическую гипотезу”. Она базируется
на представлениях о том, что случайные и диффузно расположенные
акты ионизации и возбуждения только в редких случаях однозначно приводят клетку к гибели. На эту “стохастику первого порядка” должна
накладываться “стохастика более высоких порядков”, которая определяется динамической нестабильностью жизненных процессов, способных
элиминировать или усиливать начальное радиационное повреждение.
При формировании радиобиологического эффекта всегда происходит
взаимодействие множества случайных событий (множественная стохастика). Стохастическая концепция рассматривает любой биообъект как
динамическую систему, постоянно находящуюся в состоянии перехода из
одного состояния в другое. Полученные дозовые кривые хорошо согласуются с экспериментом (см. рис.1.8).
Вероятностная модель представляет собой модель синтез теории
попадания и стохастической концепции, дополненный вероятностными
представлениями. Разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той
же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но и потенциальные, и реализованные повреждения появляются с вероятностью меньшей единицы. Реализованные повреждения (или
индуцированные ними изменения) наследуются при делении клеток и с
некоторой вероятностью меньшей единицы и зависящей от числа этих
повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления. Модель
позволяет предсказать наблюдаемое многообразие радиобиологических
эффектов на основе минимума исходных повреждений.
Рассмотрим пример микродозиметрии. Стохастический характер
воздействия ИИ на биообъекты малых объемов и масс приводит к необходимости учитывать флуктуации, обусловленные следующими процессами:
1) случайным характером числа частиц, прошедших через объём;
2) вероятностным характером числа актов передачи энергии заряженной частицей при прохождении одного и того же отрезка пути;
3) вероятностным характером величины переданной энергии в
каждом акте взаимодействия.
Выход повреждений
y(D)
биологического объекта под дей-
ствием ИИ:

y ( D)   f D ( z )Y ( z )dz,
0
где
Y (z )
– функция отклика биоструктуры на событие энергопоглоще-
ния z, не имеет определения в виде простой математической зависимости;
f D ( z )dz
– вероятность того, что при дозе D удельная энергия в
микрообъёме находится в пределах от z до
z  dz ,
z  E , где Е –
m
поглощенная энергия в заданном микрообъёме, m – его масса.
§8. Репаративные процессы. Биологическое действие малых доз
ИИ
Радиационные эффекты существенно зависят от темпа облучения, интервалов между облучениями и ЛПЭ отдельных видов ИИ. Это
свидетельствует о возникновении процессов восстановления в клетках
облучённого организма. Если бы такие процессы не возникали, эффект
облучения не имел бы зависимости от мощности дозы и дробности облучения. Этот эффект обусловлен двумя основными факторами: репарацией субклеточных повреждений клеток и заменой летально повреждённых
клеток репопуляцией сохранившихся.
Предполагают, что система репарации более эффективна в растущем организме, где клетки постоянно обмениваются веществом с
окружающими клетками и жидкостями организма.
Время репарации для ОР в среднем составляет 10 мин, для ДР –
несколько часов. Хромосомные аберрации образуются в основном только
после двунитевых разрывов цепочек.
До некоторой дозы радиации восстановительные ферментные
системы клетки справляются с задачей своевременного устранения повреждений. Если же повреждение почему-либо не устранено, что может
привести к мутациям, ведущим к образованию опухолей, то в действие
вступает иммунная защитная система.
В клетке содержатся естественные ловушки радикалов. До тех
пор, пока они находятся в избытке по отношению к продуктам радиолиза, ДНК может быть защищена. Следовательно, для лучевого повреждения может существовать пороговая доза, при которой количество свободных радикалов не позволяет произвести их ликвидацию.
Принято считать, что дозы, превышающие в 5-10 раз естественный радиоактивный фон, являются малыми дозами. Для человека – это
4-5 рад (0,04 – 0,05 Гр ) при однократном облучении (см. главу 1 §4).
С научно-теоретической точки зрения невозможно доказать,
вредными или безвредными являются малые дозы радиации (в пределах
1 мЗв). С помощи эпидемиологических исследований невозможно достичь
надежного отношения доза–эффект при дозах менее 50 мЗв.
Доказано, что для запуска канцерогенного процесса должны
иметь место несколько почти одновременных повреждений ДНК. Излучение же с малой линейной передачей энергией (ЛПЭ) главным образом
вызывает ОР, которые репарируются. При малых мощностях дозы система сбора радикалов более эффективна, чем при высоких. При высоких
дозах каждая клетка ткани может испытать несколько попаданий, в то
время как при малых дозах клетка, подвергшаяся воздействию излучения, обычно окружена неповрежденными клетками.
Обратимся к экспериментальным данным. Так, эксперимент показал неправомерность экстраполяции эффектов, вызванными высокими
дозами на низкие 14. Цитогенетические повреждения характеризовались более высокой эффективностью на единицу дозы в диапазоне низких доз, чем при облучении высокими дозами, а также наличием дозонезависимого участка между ними. Было обнаружено, что In vitro при D 
0,3 Гр клеткам свойственна очень высокая радиочувствительность, гиперчувствительность; при D = 0,3 – 1,0 Гр – выживаемость мало зависела от дозы; при D  1 Гр наблюдалась линейная зависимость выживаемость/доза.
Для объяснения результатов авторы делают предположение, что
индукция процессов репарации происходит при определенном уровне
повреждения клеток. Запуск системы репарации и её эффективность за-
висят от типа клеток. Наблюдается также эффект адаптивного ответа
(АО): клетки, предварительно облученные в малых дозах, становились
менее чувствительными к последующим воздействиям высокой дозы. Но
АО проявляется в узком диапазоне адаптирующих доз с экстремумом в
очень узкой области доз, различающемся для разных типов клеток, в оптимальных для клеток физиологических условиях, зависящих от состава
среды 14.
Исследования же влияния малых доз показывают, что они не
только не оказывают угнетающего и тем более разрушительного действия на живые системы, но в очень многих случаях даже стимулируют
их жизнедеятельность.
рис.1.9. Дозовая зависимость риска заболевания раком.
Так, например, в работе 12 показано, что импульсное воздействие ИИ (время воздействия 10–8 и 210–8 с, доза 2,710–5 и 310-4 Гр, скорость дозы - 2,710-3 и 1,510-4 Гр/с) приводило к возбуждению биоэлектрической активности мозга и поведения животных. В то же время высокая скорость дозы при очень коротких импульсах воздействия вызывала
активизацию мозговых функций и влияла на поведение животных, тогда
как малые скорости дозы не оказывали воздействий. Единичные импульсы ИИ вызывали реакцию нервных клеток и нервной системы, которая
длилась от секунд до часов для нервных клеток и от дней до недель для
нервных систем. Сравнение действия ИИ и ЭМИ показало, что они отличаются. ИИ вызывает легкую активизацию нервных клеток и некоторых
форм поведения, тогда как ЭМИ импульсы вызывали слабое подавление
функции мозга и поведения.
Вероятность действия ИИ малой дозы на небольшие объекты
очень невелика. Например, сферу диаметром 7 мкм (ядро лимфоцита)
пересекла бы 1,3 частицы при дозе 0,01 Гр. Однако, при этом наблюдается значительный биологический эффект. Это предполагает, что частица теряет свою энергию порциями 10-30 эВ и переводит некоторые ферменты в активное состояние, что даёт начало некоторым химическим
процессам и активизирует клеточные функции. (Например, для зрения
животных порог активизации ретинальных клеток составляет 1-3 фотона
видимого излучения). Все реакции клеток в организме интегрируются в
центральной нервной системе, вероятно, это происходит в гипоталамусе.
Далее наступает реакция всего организма. Возможно, такой ответ организма подобен общему возбуждению при стрессах.
На рис.1.9 представлена дозовая зависимость риска заболевания
раком. Известный диапазон показан с разбросом вне круга, неизвестный
– внутри круга. Кривая «в» показывает порог в районе 50 мЗв, ниже которого опасность возникновение рака или других заболеваний, вызванных радиацией, не существует. Оценить риск в диапазоне 1-5 мЗв трудно, так как эти дозы находятся в пределах природного радиационного
фона.