Теории прямого действия радиации

На основе представления о прямом действии ионизирующих из​ лучений возникла теория мишени и попаданий, выдвинутая Дессауэром, а в последующем развитая Кроутером, Тимофеевым-Ресовс​ ким, Циммером, Ли и другими исследователями.

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

Попадание в мишень — вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее (доза-эффект); чем меньше, тем оно менее веро​ ятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно.

В опытах на микробных клетках была показана количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом: с увеличени​ ем дозы излучений в геометрической прогрессии увеличивается ко​ личество поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно опи​ сать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попа​ дания (это для микробных клеток, бактерий, вирусов).

В определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней при одноударном поражении строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества, в связи, с чем зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. 1 а). С повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличи​ вается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональ​ ным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается_; и ко​ личество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптоти​ чески приближаясь к 100% (см. рис. 1 б). Иначе говоря, количе​ ство жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Для инакти​ вации и разрушения клеток животных и растительных тканей тре​ буется более одного попадания в мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена. Поэтому данный процесс называется многоударным, и гибель клеток описывается S-образно кривой, вычерченной в нормальных координатах.

При изображении таких кривых в полулогарифмическом мас​ штабе (см. рис. 11.2, б) они (см. гл. 7) приобретают плечо, перехо​ дящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадает с наклоном соответствующей одноударной кривой. При экстраполи​ ровании прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мише​ ней» (или их числу). Изображение многоударных кривых в полуло​ гарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число, характеризующее число ми​ шеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клетки.

Таким образом, 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 пор​ ций энергии при случайном попадании в мишень. Второе положе​ ние — принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и то же попада​ ние.

Однако эта теория многое не объясняет, в частности зависимос​ ти радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облу​ чаемой среде кислорода. Было замечено, что понижение температу​ ры и снижение концентрации кислорода в среде снижают радиаци​ онный эффект, т. е. гибель клеток уменьшается.

По мнению Д. Е. Ли, одного из авторов теории мишени, эта тео​ рия может быть справедливой только в отдельных случаях – при инактивации или убивании бактерий, вирусов и одноклеточных организмов и при мутации. Эта особенность лежит в основе приме​ нения ионизирующих излучений в радиационной генетике и селекции микроорганизмов, грибов и растений, а также в радиационно-биологической технологии (РБТ) как способ холодной стерилиза​ ции биологических препаратов (вакцин, сывороток, гормонов, ви​ таминов), медицинских инструментов и перевязочного материала, не выдерживающих термической или химической обработки или теряющих при этом свои функциональные свойства, консервации пищевых продуктов.

Стохастическая (вероятностная) теория. Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений явилась стохастическая теория, предложенная в конце 60-х годов О. Хугом и А. Келлером. Эта тео​ рия, так же как и теория мишени, учитывает вероятностный харак​ тер попадания излучения в чувствительный объем клетки, но в от​ личие от нее она еще учитывает и состояние клетки как биологичес​ кого объекта, лабильной динамической системы.

Клетка как лабильная динамическая система постоянно находит​ ся в стадии перехода из одного состояния в другое путем клеточного деления – митоза. На каждой стадии деления существует вероят​ ность повреждения ее вследствие различных факторов, в том числе и радиационного. В процессе деления клетки выделяют две фазы: интерфазу и собственно митоз.

Интерфаза — самая длительная по времени и составляет проме​ жуток между двумя делениями (от 10 до 48 ч). В интерфазе отчетли​ во выделяются три стадии. Первая стадия – предсинтетическая (G,), начинается сразу после окончания деления клетки. За ней следует вторая – стадия синтеза (S); в это время синтезируются ДНК и хро​ мосомные белки. Третья стадия – постсинтетическая (G₂); она пе​ реходит в профазу (начало деления клетки).

Митоз имеет четыре стадии: профазу (начало деления), метафазу (разделение хромосом), анафазу (расхождение хромосом к полюсам клетки) и телофазу (формирование дочерних клеток). Митоз длится 30...60 мин.

Излучение влияет на все фазы и стадии клеточного цикла, одна​ ко радиочувствительность клетки в различные стадии митоза нео​ динаковая. Наибольшую чувствительность к ионизирующему излу​ чению имеет клетка в стадии профазы, т. е. в начале деления. Облу​ чение в период интерфазы приводит к потери способности присту​ пать к новому делению. В клетках, уже начавшихся делиться (про​ фаза), облучение тормозит его завершение. В этих случаях легко на​ рушается структура хроматинового вещества, в результате чего клетка может погибнуть.

Необходимо отметить, что на принципах радиопоражаемости быстро растущих клеток базируется практическое применение иони​ зирующей радиации в онкологии для подавления злокачественного роста опухолевых клеток. Лучевая терапия до настоящего времени является пока единственным лечебным фактором в борьбе со злока​ чественными новообразованиями, не считая химиотерапии.

Если рассматривать радиочувствительность различных компонентов клетки, то наибольшая поражаемость принадлежит ядру. В экспериментах на амебах было показано, что пересадка ядра из об​ лученной клетки (доза 1, 5 кГр) в необлученную вызывает гибель последней, а при пересадке ядра из необлученной клетки в облучен​ ную этого не наблюдают. Эти и другие данные экспериментальных работ свидетельствуют о том, что главную ответственность за гибель клетки при облучении несет ядро.

Стохастическая теория учитывает не только все многообразие повреждений, вызываемых ионизирующим излучением, но и роль репарационных процессов. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности клетки экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных реакций, а сигмоидная соответствует системам, обладающим такими репаративными меха​ низмами.

Таким образом, стохастическая теория как бы более биологична по сравнению с теорией мишени, но и она не смогла объяснить не​ которые эффекты, и в частности эффект разведения.

Исследования, проведенные Г. Фрикке на разбавленных водных растворах, показали, что с увеличением концентрации вещества ко​ личество инактивированных под действием облучения молекул не возрастает согласно принципу мишени. Эффект разведения свиде​ тельствует о наличии косвенного (непрямого) действия радиации.