Представления о механизме биологического действия ионизирующего излучения

Если проанализировать основные вехи формирования взглядов на природу радиобиологического эффекта, то, как и для развития других научных дисциплин, здесь легко установить традиционную зависимость возникновения и судьбы гипотез от возможности интерпретации новых экспериментальных фактов.

Смена представлений в радиобиологии происходила и происходит особенно быстро, так как они в значительной степени связаны с бурным прогрессом ядерной физики и молекулярной биологии.

Можно четко наметить два направления в развитии теоретических построений. Одно из них выражает стремление установить общие, в основном феноменологические, но обязательно количественные закономерности, характеризующие начальные звенья лучевого поражения клетки.

Другое - объединяет представления, стремящиеся объяснить все многообразие конкретных лучевых реакций биологических объектов; отсюда преимущественно качественный, описательный характер гипотез этого направления. Наиболее ранние и известные представления, относящиеся к первому направлению, принято обозначать термином количественная радиобиология, хотя, конечно, в радиобиологии есть много и других количественных закономерностей.

Указанным теоретическим направлениям присущи преимущества и свои ограничения. В ряде случаев они могли бы хорошо дополнять друг друга. Между тем, к сожалению, в пылу научной полемики авторы отдельных гипотез, отстаивая свою точку зрения, отвергают другие представления, не имея для этого достаточных оснований, в результате даже искушенному читателю нелегко разобраться в состоянии вопроса. В настоящем учебнике кратко рассмотрены основные гипотезы и ограничен круг явлений, на объяснение которых каждая из них может претендовать.

Камень преткновения на пути разгадки основного радиобиологического парадокса состоит в необходимости правильного истолкования несоответствия между ничтожным количеством поглощенной клеткой энергии излучения и вызываемым экстремальным биологическим эффектом. При объяснении этого парадокса в количественной радиобиологии были сформулированы два положения, лежащие в основе так называемой теории мишени.

Первое из них — принцип попаданий - характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии. Второе — принцип мишени — учитывает особенность облучаемого объекта — клетки — ее высокую гетерогенность в морфологическом и функциональном отношениях, а, следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание.

История количественной радиобиологии восходит к началу 20-х годов, когда Ф. Дессауэр сделал весьма важное обобщение, распространив известные к тому времени физические закономерности взаимодействия излучения с веществом на биологические объекты. Он предположил, что большой биологический эффект при ничтожном суммарном поглощении энергии объясняется тем, что она концентрируется в малых объемах, приводя их к микролокальному разогреву; отсюда и ее название — гипотеза точечного тепла.

Учитывая наличие в клетке более важных для жизни и менее существенных структур и микрообъемов, а также случайное распределение «точечного тепла», Ф. Дессауэр пришел к выводу о том, что исход клеточной реакции зависит от вероятности случайных попаданий дискретных порций энергии именно в эти жизненно важные микрообъемы-мишени. Наблюдая за количественными закономерностями радиобиологических реакций, он предположил, что они осуществляются лишь в том случае, если в клетке произошло определенное число «попаданий» в мишень.

Действительно, если при анализе зависимости эффекта от дозы при­нять в качестве регистрируемой реакции долю пораженных объектов, то легко обнаружить две специфические черты действия ионизирующих излучений.

1. Большинство клеточных реакций протекает практически при отсутствии порога, с нарастанием эффекта при увеличении дозы, что трудно объяснить изменением индивидуальной чувствительности, так как требует допущения ее невероятно высокой вариа­бельности.

2. Кривые выживания, как упоминалось ранее, от­ражают не столько степень проявления эффекта у отдельных осо­бей (клеток) с повышением дозы, сколько увеличение количест­ва (доли) пораженных единиц, т. е. возрастание вероятности про­явления регистрируемой реакции.

Иными словами, летальный эффект ионизирующих излучений име­ет вероятностный характер вследствие случайного распределения элементарных актов первичного взаимодействия частиц с чувствитель­ными объемами облученных объектов. В этом и состоит принципиаль­ное значение первоначальных взглядов, хотя само понятие «точечного тепла» потеряло значение.

Принцип попадания и принцип мишени и основанная на них теория мишени получили свое развитие в трудах Д. Кроузера, Н. В. Тимофеева-Рессовского, К. Циммера, Д. Ли и др.

Использование основных положений теории мишени ограничивается строго определенной областью — анализом самых первичных элементарных радиацион­ных событий. Это становится понятным хотя бы из интерпретации самих терми­нов — мишень и попадание. При рассмотрении радиобиологических эффектов на молекулярном и (или) клеточном уровне термин мишень удобно использовать для формального обозначения того микрообъема, в котором должны произойти одна или несколько ионизаций, приводящих к изучаемой реакции. В зависимо­сти от числа попаданий, необходимых для поражения, различают одно-, двух- или многоударные объекты или реакции, причем учитываются попадания в одну или разные мишени, которые функционально связаны. Отсюда ясно, что попытки применения теории мишени для объяснения природы и этапов формирования конечных лучевых реакций клеток и тем более организмов неправомочны. Так как при формулировании самих понятий «попадания» или «мишеней» не имеются в виду какие-то конкретные физико-химические или биохимические процессы, происходящие в микрообъеме.

Достоинством описываемых теоретических представлений о механизме летального действия ионизирующих излучений является простота объяснения основных экспериментальных данных.

В первую очередь это относится к количественному описанию кривых выживания.

Весьма очевидно, что исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе облучения. Поэтому в определенном диапазоне доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества; в связи с этим зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. III.35, А). С повышением дозы облучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100 % (рис. III.35, Б). Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы (см. рис. III.11).

Наиболее простой способ проверки экспоненциальности кривой, получаемой в эксперименте, состоит в логарифмировании числа выживающих объектов. Тогда при представлении экспериментальных данных в полулогарифмическом масштабе зависимость будет выражена прямой линией (см. рис III.11, Б).

Интерпретация основных количественных параметров кривых выживания поначалу исходила непосредственно из теории мишени. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, необходимо вернуться к анализу кривых доза — эффект и провести его с позиций теории мишени.

Рис. III.35. Зависимость измене­ния эффекта от дозы облучения. А и Б — при малых и больших дозах соответственно (по Д. Ли, 1963)

Рассмотрим определение основного параметра радиочувствительности - величину d ₀ или d ₃₇, которую в теории мишени принято называть инактивирующей, или среднелетальной (не путать с ЛД₅₀) дозой, на примере анализа одноударного поражения. В качестве такового подразумевают гибель облучаемого объекта от эффективного единичного попадания в мишень.

Тогда если N ₀ — исходное число объектов, а N — число объектов, не пораженных излучением при дозе d, то выход из строя определенной доли объектов dn/n при приращении дозы dd выражается уравнением dN/N = -dD / d ₀, где d ₀ - доза, при которой на каждый объект в среднем приходится одно попадание (от­сюда и наименование d ₀ - среднелетальная доза).

Рис. III.36. Дозовые кривые выживания для объектов с различной ударностью ми­шени. А - в обычном масштабе (S-образные, или сигмоидные, кривые; число уда­ров обозначено на кривых); Б—в полулогарифмическом масштабе

При интегрировании данного уравнения получаем

,

где е — основание натуральных логарифмов.

В природе чаще встречается другой тип кривых, характерный для большинства клеток растительного и животного происхождения; при­меры таких кривых были уже приведены ранее. В линейных координа­тах они имеют S-образную форму (рис. III.36, А). В этих случаях говорят о многоударном процессе, имея в виду, что для инактивации объекта необходимо не одно, а два и более попаданий в единственную мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена.

При изображении таких кривых в полулогарифмическом масштабе (рис. III.36, Б) они приобретают плечо, переходящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадает с наклоном соответствую­щей одноударной кривой. Экстраполированием прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мишеней (или их числу). Изображение многоударных кривых в полулогарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число, характеризующее число мишеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клеток.

Нужно иметь в виду, что возможность строгого применения теории мишени уже в самом начале была ограничена ее основоположниками (Д. Ли, 1946) областью анализа одноударных эффектов. Интерпретация конкретных многоударных кривых с тех же позиций затруднительна. Прежде всего, это связано с многочисленными экспериментальными фактами изменения экстраполяционного числа при применении самых различных модифицирующих агентов или изменении условий жизнедеятельности объектов, что само по себе не должно сказываться на числе мишеней. Кроме того, экстраполяционное число в ряде случаев достигает десятков и сотен единиц, что не позволяет их отождествить с числом мишеней в клетке.

По мере развития экспериментального изучения репарации потенциальных повреждений размер плеча на кривой выживания стали связывать со способностью клеток к пострадиационному восстановлению, а величиной плеча характеризовать их репарационную способность. Однако и в этом случае возникают большие трудности при попытках интерпретации, с позиций классической теории мишени, многих клеточных радиационных эффектов, обусловленных, например, изменением химизма клетки в результате радиолиза ее жидких компонентов или метаболического взаимодействия различных клеточных органелл. Эта теория не касается природы мишеней, ответственных за гибель клетки. Такими мишенями могут быть уникальные макромолекулы, определенные участки мембран и другие структуры, попадание в которые приводит к поражению. Поэтому для определения природы мишени следует привлекать данные, получаемые при использовании специальных методов исследования. Именно эти обстоятельства уже в 40-ых годах сделали очевидным необходимость строгого ограничения применения теории мишени только для анализа поражения одноударных эффектов.

В частности, потребовалось расширить само понятие попадания, так как стало известно, что первичные повреждения элементарных клеточных структур могут вызываться не только непосредственной их ионизацией, но и опосредованной: химически активными продуктами радиолиза окружающей среды. Кроме того, вследствие обнаружения миграции энергии по макромолекулам даже при непосредственных формах взаимодействия, реализация повреждения может происходить далеко от места первоначального «попадания».

Таким образом, классическая теория попаданий, плодотворная при анализе количественных закономерностей радиационного поражения отдельных мишеней, не ставит своей задачей решения вопроса о том, какими процессами связано поражение мишеней с проявлением конечного эффекта.

Все это обусловило появление в конце 60-х годов новой теории, призванной, согласно определению ее авторов О. Хуга и А. Келлерера, изложить теорию попаданий на основе стохастического прин­ципа.

(В 1966 г. была издана монография О. Хуга, А. Келлерера «Стохастическая радиобиология» (переведена на русский язык в 1969 г.), в которой обобщены собственные идеи авторов, а также проведен анализ большого фактического материа­ла с позиций развиваемых ими взглядов.)

В основе теории мишени лежало предположение о том, что характерные зависимости доза—эффект могут быть отражением квантованного характера взаимодействия излучения с веществом и наличия в клетках высокочувствительных объемов — мишеней.

В случае очень массивных повреждений конечный эффект действи­тельно детерминирован уже на начальной стадии, но в подавляющем большинстве других ситуаций все случайные факторы затрагивают более поздние звенья причинно-следственной цепи, ведущей к конечному эффекту. При этом каждому лабильному состоянию объекта соответ­ствует определенная повышенная вероятность наступления регистрируемой реакции, возрастающая с увеличением предварительного по­вреждения. Таким образом, при формировании радиобиологического эффекта всегда существует суперпозиция множества случайных собы­тий, что и учитывает стохастическое рассмотрение.

При таком подходе любой биологический объект, в частности клет­ку, представляют в качестве лабильной динамической системы, кото­рая постоянно находится в стадии 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. Естественно, что в процессе жизнедеятельности, благодаря влиянию самых разнообразных, не подлежащих учету факторов и малейших сдвигов в исходном состоянии, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого — «крушения» всей систе­мы. Поэтому любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной вероятностью.

На биологическую стохастичность при облучении объекта накладывается стохастичность вследствие случайного характера взаимодей­ствия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих со значительно меньшей частотой и в необлученном контроле.

Стохастическая теория рассматривает различные возмущения биологической системы, возникающие в процессе жизнедеятельности или под влиянием облучения, с позиций теории вероятностей, стремясь описать их моделями, максимально соответствующими представлениям динамической биохимии и молекулярной радиобиологии. В этом случае мишенями являются все компоненты живой системы, а регистрируемая реакция обусловлена суперпозицией самых разных событий.

Существенно, что стохастическая гипотеза учитывает как физиологические, так и индуцированные излучением процессы в их динамике, в то время как классическая теория мишени рассматривает эффекты, вызванные облучением, как строго детерминированные первичными актами абсорбции энергии.

Используя аппарат стохастической гипотезы, можно учесть реальное взаимодействие ряда последовательных попаданий, а также влияние фактора времени, репарационных процессов, роль ЛПЭ и т.д. Все это может быть выражено системой дифференциальных уравнений, описывающих переход биологического объекта под влиянием облучения из одного состояния в другое. В принципе можно учесть количественно влияние любого модифицирующего фактора на соответствующие дозовые зависимости.

Более того, этот аппарат может быть использован для анализа не только кинетических процессов на молекулярном уровне, но и морфологических процессов, образования новой клетки, ее дифференцировки и др.

Таким образом, «... дискретное изображение непрерывных физиологичесих процессов не является приближением, которое принимают только ради удобств, а становится необходимым при изучении различного поведения отдельных единиц популяции... Действие излучения на клетку свободно укладывается в эту общую схему, что также выражается в дискретных событиях. При этом не существенно, происходят ли соответствующие критические события в результате дискретных актов абсорбции энергии или в результате усиленной облучением лабильности, органически свойственной биологической системе... В этой схеме можно учесть даже такие сложные явления, как феномены обратной связи и механизмы регуляции, т. е. жизненные процессы, которые выявляются в результате нарушений, если экспериментальные данные указывают на необходимость и возможность такого учета» (О. Хуг, М. Келлерер, 1969).

Эффект, обусловленный попаданием в одну из уникальных структур клетки, приводящим ее к гибели, формально может быть описан как с классических позиций теории мишени, так и с позиций стохастической теории. Иными словами, выводы теории мишени являются частным случаем стохастического подхода.

Проведенные обсчеты некоторых экспериментальных результатов с помощь аппарата стохастической теории показали, что для инактивации клеток млекопитающих редко ионизирующим излучением в среднем необходимо совместное действие не менее четырех событий абсорбции.

Итак, в соответствии с основными исходными позициями стохастическая концепция предлагает как бы более «биологическую» интерпретацию кривых доза — эффект по сравнению с их объяснением с позиций теории мишени, хотя основное положение последней о том, что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорбции энергии, остается незыблемым.

Для обозначения клеточных повреждений, которые нельзя отождествлять с локальными изменениями клеточных структур, прежде всего генетических, стохастическая теория вводит понятие «дисперсного начального повреждения». Природа такого повреждения весьма разнообразна: изменение клеточных мембран и других множественных струк­тур, инактивация какой-либо жизненно важной системы и др.

Репаративные процессы, сказывающиеся на конечном эффекте, учитываются понятием компенсационной способности объекта. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности био­логических объектов стохастическая гипотеза приводит к пониманию того, что экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных механизмов, а сигмоидная — соответствует системам, обла­дающим такими механизмами, эффективность которых снижается при возрастании дозы облучения. Экстраполяционное число же следует рассматривать как количественное выражение компенсационной спо­собности облучаемого объекта, а не как «число мишеней».

Таким образом, сама по себе экспоненциальная зависимость эффек­та от дозы далеко не предопределяет решение о наличии первичных одно- или многоударных реакций, а с полным основанием делает ло­гичной другую интерпретацию.

Подводя итоги изложения обеих концепций — классической тео­рии мишени и стохастической теории, необходимо, прежде всего, под­черкнуть их основное общее свойство — строго количественный подход. Более того, стохастическая теория представляет собой логиче­ское дополнение классических представлений, которые не могли объ­яснить многообразие радиобиологических феноменов, да и не претендо­вали на это.

Вполне естественно, что первоначальные гипотезы исходили из упрощенных представлений о механизме первичных радиобиологиче­ских процессов на основе чисто физических, а позднее радиационно-химических закономерностей, установленных при облучении простых систем. Однако именно эти простые, общие и формальные схемы впер­вые перевели радиобиологию с описательных позиций на прочную количественную основу. Круг возможного применения первоначальных представлений был очерчен еще при их формировании, и в этом плане были получены наиболее значительные результаты. Дальнейшее накоп­ление новых фактов потребовало развития более широких подходов.

Нельзя не заметить, что при этом остались незыблемыми оба определяющих фактора классической теории мишеней — дискретность радиационного агента и функциональная негомогенность биологического объекта. Существенно, однако, что если в теории мишеней последняя определяется наличием фиксированных мишеней, поражение которых уже определяет конечный эффект, то в системе новых представлений показана несостоятельность такой точки зрения, взамен которой развита идея определяющей роли стохастической природы физиологических процессов и их радиационных нарушений.

Стохастическая гипотеза учитывает современные данные о микрораспределении энергии, вариабельности радиочувствительности логических объектов, а также роль репарационных процессов. Тем самым она значительно расширяет круг явлений, которые можно интерпретировать с новых позиций. Она более «биологична» по своей природе, так как устанавливает связи с конкретными морфологическими и функциональными разделами цитологии и физиологии. Однако ее математический аппарат достаточно сложен и это затрудняет ее широкое применение.

Анализ количественных закономерностей различных реакций дрожжевых клеток на облучение показал, что ни классические модели, основанные на принципе попадания, ни концепция биологической стохастичности не способны объяснить всю совокупность полученных экспериментальных данных. Дополнив принцип попадания предположением о вероятностном характере проявления повреждений, Ю. Г, Капульцевич (1978) предложил вероятностную модель радиационного поражения клетки.

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 неосуществлению клеточного деления. При этом вероятность проявления повреждения может зависеть как от биологических (генетических) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь при ухудшении этих условий.

Вегетативное размножение облученных клеток согласно этой модели - случайный процесс «рождения и гибели», приводящий к появлению нежизнеспособных клеток в отдельных размножающихся клонах (т. е. к наблюдающейся в эксперименте частичной инактивации); дело случая, образует ли данная облученная клетка макроколонию или погибнет после того или иного числа делений.

Таким образом, формально вероятностная модель, являясь как бы синтезом принципа попадания и стохастической концепции, используя сохранившие значение основные положения первого, дополняет последнюю, расширяя диапазон явлений, которые могут быть интерпретированы с позиций биологической стохастичности. Описывая не только качественно, но и количественно (с помощью специальной системы уравнений) различные проявления нарушений репродуктивной способности клеток, вероятностная модель выгодно отличается от классических схем тем, что позволяет предсказать наблюдаемое многообразие радиобиологических эффектов на основе минимума исходных предположений.

Тем не менее, 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 качественном ана­лизе экспериментальных данных, который ограничивается средними характе­ристиками популяции облученных клеток, вероятностная модель зачастую при­водит к таким же результатам, как и многоударная.

Главное отличие вероятностной модели от классических 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 Ю. Г. Капульцевич формально делит на три этапа.

Первый этап радиационного поражения - осуществление событий по­падания, в результате которых формируются первичные потенциаль­ные повреждения. Вероятность образования первичного повреждения на единицу дозы облучения зависит от величины эффективного объема и от величины энергии, необходимой для образования первичного по­вреждения. Поскольку отнюдь не всякое выделение энергии в эффек­тивном объеме может привести к образованию первичного поврежде­ния, клетка, по-видимому, способна восстанавливаться еще на стадии формирования потенциальных повреждений. На этой стадии радиочувствительность определяется величиной эффективного объема (V) и вероятностью (р) образования потенциального повреждения (при ло­кальном выделении энергии в эффективном объеме). Параметры V и р могут зависеть как от биологических особенностей объекта, так и от условий облучения, например от температуры, влажности, концентра­ции кислорода и др.

Второй этап радиационного поражения — реализация потенциальных повреждений. Так как клетки способны восстанавливаться от лучевых повреждений, 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, р и r) опре­деляют частоту (b) реализованных повреждений на единицу дозы облучения (b = Vpr) и среднее число α реализованных повреждений при дозе D, т. е. α = bD. С помощью параметра b вероятностная модель учитывает зависимость радиобиологических эффектов от дозы облучения, 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 компенсация, поэтому вероятность проявления реализованного повреждения не равна единице, а характеризуется величиной α, которая зависит от биологических особенностей клетки и от условий культивирования. Чем больше надежность системы, определяемая способностью клетки устранять всякие отклонения от нормы в работе внутриклеточных структур, тем меньше величина α. С помощью параметра α вероятностная модель позволяет анализировать пострадиационные модификации эффектов, не связанные с восстановлением.

Таким образом, радиочувствительность клетки, о которой судят по кривой выживания, определяется четырьмя параметрами: V, р, r, α. Эти параметры достаточны не только для описания формы кривой, но и всего многообразия проявления действия излучений на репродуктивную способность клеток, зависимость радиобиологических эффектов от условий культивирования клеток и физических характеристик излучения.

Таковы основные качества вероятностной модели, которую можно считать логическим звеном в развитии количественной радиобиологии.

Однако ни сама модель, ни производимый с ее помощью анализ реакций клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций. Кроме того, нельзя забывать, что сделанные выводы справедливы только для дрожжевых клеток, что затрудняет проверку применимости вероятностной модели к описанию лучевой реакции клеток млекопитающих.

Ниже будут рассмотрены качественные концепции, характерная черта которых заключается в попытке указать конкретные биохимические процессы, определяющие биологическое действие радиации. Основная роль при этом отводится высокореакционноспособным продуктам — радиотоксинам, образующимся в биосубстрате вслед за поглощением энергии излучения и инициирующим множественные повреждения различных клеточных органелл.

Радиобиологический парадокс несоответствия малых количеств поглощенной энергии с разительным биологическим эффектом с позиций качественных гипотез объясняется наличием различных биологических механизмов усиления первичных поражений.

Еще в 50-х годах А. С. Мочалиной и Ю. Б. Кудряшовым в лаборатории Б. Н. Тарусова было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из облученной печени при введении интактным животным вызывают гемолиз. В связи с этим было высказано предположение, что под влиянием облучения в печени образуется «гемолитический фактор». В результате его идентификации была установлена липидная природа образующегося цитотоксического агента, названного липидным радиотоксином (ЛРТ). Оказалось, что ЛРТ обнаруживается уже в первые часы после облучения не только в печени, но и в крови, тонком кишечнике, семенниках, почках, желудке и других органах животных, также этот эффект был получен на растениях и микроорганизмах.

ЛРТ представляет собой лабильный комплекс продуктов окисления жирных ненасыщенных кислот, гидропероксидов, эпоксидов, альдегидов и кетонов. Показано, что ЛРТ вызывает не только гемолиз, но и другие реакции, характер­ные для лучевого поражения: торможение клеточного деления, нарушение кроветворения, повреждение хромосомного аппарата некоторых объектов и др. В связи с этим ЛРТ был назван «естественным радиомиметиком», т. е. агентом, имитирующим биологическое действие ионизирующих излучений. Радиомиметическое действие токсических веществ липидной природы показано также в се­рии работ японских исследователей (С. Сено и др., I960; Ямамото и др., 1960; О. Юкава, 1987).

На рис. III.37 представлено содержание различных токсических про­дуктов в печени облученных крыс; видно, что в разные сроки после облучения наблюдается чаще увеличение, но иногда и уменьшение количества исследованных веществ: холина, хинонов, гистамина, про­дуктов автолиза, ЛРТ. Выясняя роль каждого из них, Ю. Б. Кудряшов показал, что введение ЛРТ интактным животным вызывало у них фазные изменения других «радиотоксинов», в том числе хинонов. Инъ­екция же хинонов или других «радиотоксинов» не приводила к обра­зованию ЛРТ. На этом основании ЛРТ были отнесены к первичным радиотоксинам, а все остальные — к вторичным.

Позднее к первичным радиотоксинам были отнесены авторами и хиноны на том основании, что и они «...способны накапливаться в клетках сразу после начала облучения как продукты первичных лу­чевых процессов окисления биосубстратов» (Ю. Б. Кудряшов, Г. Гончаренко, 1970).

Гипотеза липидных радиотоксинов базируется на выдвинутой Б. Н. Тарусовым и Н. М. Эмануэлем концепции о решающей роли в начальных процессах лучевого поражения цепных окислительных реак­ций свободнорадикального типа, наиболее подходящим субстратом для которых являются липиды. Так как последние представляют собой структурные элементы клеточных мембран, их поражение приводит к нарушению регуляции химизма живой клетки вплоть до уровня, приводящего ее к гибели. Возникновению цепных реакций согласно этой концепции, способствует вызываемое облучением разрушение или ингибирование природных антиокислительных (антиоксидантных) систем; в клетках, необлученных организмов они предохраняют липиды от самопроизвольного окисления.

Рис. III.37. Содержание различных веществ, которым приписывают роль «радиотокси­нов» в печени крыс в разные сроки после общего облучения в дозе 7 Гр (по Ю. Б. Кудряшову, Е. К. Гончаренко, 1970):

1 — холин, 2—хиноны, 3 — гистамин, 4 — белок (автолиз), 5 — ЛРТ

Легко заметить, что концепция ЛРТ и цепных реакций постулирует наличие в клетке мишеней в виде определенных фракций липидов, ибо именно их первичное поражение якобы способствует развитию всех последующих событий, включая и поражение генетического аппарата.

Анализ современных, экспериментальных данных не дает, однако, оснований для признания концепции ЛРТ и цепных реакций в качестве универсальной теории летального действия ионизирующих излучений на клетку.

Во-первых, аналогия в действии ЛРТ и ионизирующих излучений ограничена лишь определенным кругом явлений, но установлены и принципиальные различия: различаются структурные повреждения хромосомного аппарата, отсутствует мутагенное действие ЛРТ. Во-вторых, цепные разветвленные реакции in vivo пока еще не зарегистрированы, а возможность их развития и длительного протекания без обрыва в живой метаболизирующей многокомпонентной структурированной системе вообще маловероятна. В-третьих, накопление ЛРТ количественно не связано с ЛПЭ, а последняя в основном определяет ОБЭ ионизирующих излучений. В-четвертых, отсутствуют четкие количественные временные характеристики зависимости эффекта поражения биосистем от интенсивности образования ЛРТ при различных дозах облучения, не говоря уже о других «радиотоксинах».

В этой связи гипотезу липидных радиотоксинов и цепных реакций следует рассматривать лишь как попытку объяснить одно звено в сложном патогенетическом комплексе лучевых реакций, удельную роль которого в лучевой гибели клетки еще предстоит оценить.

В основе теории, активно разрабатываемой А. М. Кузиным с 1965 г., лежит идея о том, что под действием ионизирующего излучения в клет­ке возникают не только чисто радиационно-химические повреждения, но благодаря биохимическим механизмам усиления в организме синте­зируются и высокореакционные продукты, приводящие к дополни­тельному повреждению биологически важных макромолекул и обра­зованию низкомолекулярных токсических метаболитов.

В рассматриваемой теории решающее значение отводится не только радиационному поражению ядерных макромолекул, но и наруше­ниям цитоплазматических структур и их нормального функциониро­вания, осуществляемого благодаря присущей им упорядоченности.

Повреждение такой строго скоординированной системы в одном или нескольких звеньях приводит к нарушениям мембран и сопряжения важных метаболических процессов: инактивации ферментов, расстрой­ству управляющих систем и другим тяжелым последствиям.

В качестве токсических метаболитов особая роль, как и в предыдущей гипотезе, придается опять же первичным радиотоксинам (ПРТ), которыми теперь «... называют вещества, образующиеся в клетках об­лученных организмов тотчас или в ближайшие часы после облучения и обладающие свойством вызывать основные радиобиологические эф­фекты при действии на клетки или организмы» (А. М. Кузин. 1970, 1986). Множество «радиотоксинов», образующихся на поздних стадиях лучевого поражения, в отличие от ПРТ имеют в рамках этой гипоте­зы вторичное происхождение. Хотя им и отводится важная роль в исходе поражения организма, они не существенны для понимания пер­вичных процессов.

Полагают, что ПРТ — комплекс веществ, которые обладают близкими свойствами, хотя и относятся к различным классам химических соединений. Одни из них всегда существуют и в нормальной клетке, но в меньшем количестве, чем после облучения.

Работами А. М. Кузина и его сотрудников показано, что в водных или спиртово-водных вытяжках из облученных растительных объектов увеличивается содержание веществ, которые идентифицированы как хиноны или ортохиноны. По данным этих авторов, введение экстрактов из облученных объектов (например, картофеля) приводит к снижению массы животных, угнетению клеточного деления и возникновению хромосомных аберраций в клетках корешков растений, подавлению роста клеточных культур, увеличению числа уродств личинок вьюна и частоты мутаций у Е. coli. Те же изменения, но значительно менее выраженные, появляются при введении экстрактов из необлученных растений.

Нарастание концентрации хинонов в клетках после облучения носит экспоненциальный характер, что в совокупности с данными токсикологических исследований, где также наблюдается линейная зависимость между временем воздействия яда и логарифмом выживаемости (например, гибель микроорганизмов в растворе фенола), используется А. М. Кузиным для критики классической теории мишени, отвергающей роль ядов в радиобиологическом эффекте.

В монографии «Структурно-метаболическая теория в радиологии» (1986) сделана попытка анализа многочисленных фактов, накопленных радиобиологией за текущие десятилетия. В этой книге автор приходит к заключению, что «структурно-метаболическая теория является общей теорией действия радиации на биологические объекты, начиная с клеточного уровня и кончая высокоорганизованными многоклеточными организмами». Эта теория «рассматривает механизмы как поражающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малых доз радиации. Она применима и при исследовании синергизма действия ионизирующей радиации с другими физическими и химическими факторами».

Объективно оценивая предпринятый гигантский труд, нельзя не отметить, что, несмотря на солидный объем монографии, в ней так и не удалось сформулировать смысл теории или хотя бы изложить ее конкретные принципы.

Автор утверждает: «Структурно-метаболическая теория исходит из дискретного характера передачи энергии ионизирующих излучений молекулам и структурам клетки, возможного неравномерного распределения поглощенной энергии в облучаемой клетке или популяции клеток и использует «принцип попадания» только в его строго физическом смысле». Опустив весьма сомнительную правомерность объединения неравномерности распределения энергии в отдельной клетке и популяциях, легко видеть, что здесь по существу изложено первое положение теории мишени — принцип попадания, четко сформулированное шестьюдесятью годами ранее.

Ее второе положение — принцип мишени, учитывающий высокую гетерогенность клетки в морфологическом и функциональном отношениях, «затерялось» в следующем тексте: «Структурно-метаболическая теория, исходя из гетерогенности и неоднозначности субклеточных структур и учитывая внутриклеточные связи и зависимости, отмечает ведущую роль в формировании радиобиологических эффектов — нарушений, возникающих в клеточном ядре (геноме) и биомембранах, в генерации энергии и изменении уровня низкомолекулярных биологически активных веществ (радиотоксинов)». Структурно-метаболическая теория не может быть признана универсальной теорией биологического действия излучения по ряду причин. Прежде всего, не определены количественные соотношения между накоплением ПРТ в клетке и степенью ее поражения, а сам по себе факт экспоненциального роста содержания ПРТ с увеличением дозы и во времени, наблюдавшийся на отдельных объектах, не может претендовать на какую-либо однозначную интерпретацию.

Вряд ли в свете современных данных можно согласиться с ведущей ролью ПРТ в первичных процессах радиационного поражения клетки, если время образования токсинов, согласно определению, смещается от момента облучения к ближайшим часам и даже нескольким суткам после облучения. К сожалению, даже в упоминаемой монографии автора теории (1986), обобщающей многолетний путь формирования его пред­ъявлений о механизме лучевых повреждений, стохастические теории лишь упоминаются, а классические положения теории мишени по-прежнему критикуются без достаточных оснований, не учитывая того, что они адресованы определенному и совершенно другому классу яв­лений.

Более того, «в вину» теории мишени ставится и концепция «потенциальных повреждений». Между тем, как было изложено выше, понятие потенциальных повреждений привело к открытию таких фундаментальных радиобиологических феноменов, как по­тенциальные летальные и сублетальные повреждения, а главное, к открытию наиболее важного радиобиологического явления — репарации клеток. Открытие репарации - феномена, который не был известен создателям теории мишени, наполнило конкретным молекулярно-радиобиологическим содержанием такие вынужденные формальные понятия, как «эффективный объем», что лишь проде­монстрировало эвристический характер классического форма­лизма. И всё же, подводя итог современному состоянию радиобиоло­гической теории, следует признать, что классические представления принципа попаданий претерпели серьезную модификацию. Стала очевидной наряду с ролью повреждения и репарации ДНК важность повреждений и в других звеньях многокомпонентной строго упоря­доченной в структурном и функциональном отношении системы, ка­ковой является живая клетка. Отсюда создание единой теории радио­биологического эффекта — дело будущего, ибо оно непосредственно связано с познанием молекулярных основ жизни.

Итак, рассмотрены основные вопросы общей радиобиологии, включая ее физические основы, содержание предмета и метода его изучения, а также теории действия ионизирующих излучений на клетку. Полученная читателем информация о многогранности проявлений радиобиологического эффекта окажется необходимой при изучении любого частного раздела радиобиологии, в том числе и радиобиологии организма, которой посвящена вторая часть учебника.

Дискуссионность и недостаточная изученность многих вопросов, ни в какой степени не должны послужить причиной пессимизма. Напротив, они лишь ориентируют на необходимость и перспективность дальнейших исканий, результаты которых, а особенно время рождения принципиально новых данных, предсказать невозможно. И, тем не менее, имеющийся опыт свидетельствует о том, что прикладные, полезно используемые человеком возможности радиобиологии всегда основывались на фундаментальных научных достижениях. Следовательно, и практические перспективы радиобиологии будущего зависят, прежде всего, от успехов в решении ее общих вопросов.

В этом отношении не существует мелочей; количественное накопление самых незначительных, на первый взгляд, фактов в конечном итоге неизбежно приводит к качественному скачку. Разумеется, бездумное накопление фактов не должно быть самоцелью. Эксперимент должен базироваться на определенных принципах, знание которых, как говорили древние, иногда даже компенсирует незнание некоторых фактов. Отсюда, с одной стороны, — роль теоретических построений, с другой, напротив, — значение кардинальных фактов, либо не укладывающихся в прокрустово ложе устоявшихся представлений, либо их ниспровергающих, порождая тем самым новые плодотворные идеи.

В чем суть принципов попадания и мишени?

Как с позиций теории мишени интерпретируются основные параметры кривых доза — эффект?

Назовите границы применения теории мишени. В чем суть стохастической теории, ее сходство и отличие от мишени?

Изложите смысл вероятностной гипотезы.

Как понимается механизм биологического действия ионизирующих излучений с позиций гипотезы липидных радиотоксинов и структурно-метаболической теории?

В чем состоят ограничения качественных подходов к интерпретации механизма радиобиологического эффекта?

«Порядок и последовательность нужнее великих дарований для того, чтобы хорошо управлять».

О. Мирабо