Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

50

авіатранспорту, викидів
теплових електростанцій
Медична діагностика	7,2·10-4	29,2
Радіоактивні опади внаслідок	2·10-5	0,8
ядерних вибухів
Споживчі товари (годинники,	1,2·10-5	0,4
телевізори та ін.)
Радіоактивні газоаерозольні	1·10-8	0,001
викиди ядерних реактивів (без
урахування аварій)
Всього (округлено)	2,4·10-3	99,9

Таблиця 3.9. Еквівалентні дози опромінення людини від природних джерел радіоактивності

Джерело		Еквівалентна доза,		Зв/рік
опромінення
		Типова		Підвищена
Космічне		3,9 · 10-4		2,0	· 10-3
випромінювання
Земне	-	4,6 · 10-4		4,3	· 10-3
випромінювання
Радіоізотопи	в	2,3 · 10-4		3,6	· 10-4
організмі
(за виключенням
родону)
Родон та продукти		1,3 · 10-3		1 · 10-2
його розпаду
Всього (округлення)		2,4 · 10-3		1,710ּ -2

Таблиця 3.10. Еквівалентні дози опромінення людини від джерел природного походження з урахуванням керованої і некерованої компонент випромінювання

Джерела випромінювання	Еквівалентна	Внесок у
	доза, Зв/рік	сумарну дозу, %
Керована компонента

51

234-238U, 226Ra, 222Rn у воді		1,710ּ	-4		3,5
					5,5
Радіоактивність	будівельних	2,610ּ	-4		77,9
матеріалів
224Rn у повітрі		3,810ּ -3
Некерована компонента
Внутрішнє β-випромінювання		210ּ		-4	4,1
Космічне випромінювання		310ּ		-4	5,9
Природній γ-фон		1,510ּ -4			3,1
Всього		4,88			100

Важливим досягненням в проблемі малих доз є встановлення синусоїдальної залежності ефектів від доз опромінення. Проста, лінійна екстраполяція від великих доз до малих (рис.3.15, пунктирна лінія) свідчить про відмінності від теоретичної залежності „доза - ефект” в області малих доз. Тобто, за цих умов існують інші радіобіологічні прояви, які не властиві променевим пошкодженням, що виникають внаслідок опромінення у великих дозах: гормезис, адаптивна відповідь, обернений ефект потужності доз тощо.

Для пояснення механізмів прояву ефектів опромінення в малих дозах все більшого розвитку набуває концепція Л.Х.Ейдуса стосовно мембранного механізма біологічної дії малих доз. Тобто, первинною мішенью дії радіації в малих дозах виступає не ДНК, а клітинні мембрани. Біологічним мембранам притаманні важливі структурнофункціональні властивості: підтримання окисновідновного гомеостаза; рецепторно-сигнальна, транспортна, біоенергетична функції, регуляція метаболізму, міжклітинні взаємодії (див. розділ. 3.4.). Зміни будь якого із цих властивостей біологічних мембран може мати принципове значення за малих доз опромінення. Утворення оксирадикалів, активація процесів пероксидного окислення та проникності клітинних мембран розгладаються у якості пускових механізмів прояву цитогенетичних змін при опроміненні в малих дозах.

За дії малих доз іонізуючої радіації виникають стохастичні та детерміністичні ефекти, які проявляються і за дії високих доз, але є певні особливості. Стохастичні ефекти, які не мають дозового порогу, проявляються у виході злоякісних пухлин та генетичних ушкоджень, які передаються нащадкам.

Частота прояву стохастичних ефектів за дії малих доз значно нижча, ніж за дії великих доз. Разом з тим, вихід генетичних

52

ефектів на одиницю дози опромінення за дії малих доз більший у порівнянні з великими.

Основні детерміністичні ефекти дії малих доз іонізуючої радіації: адаптивна відповідь, яка має неспецифічний характер і зумовлює зростання стійкості організмів до несприятливих чинників різної природи, в тому числі до дії підвищених доз іонізуючої радіації; стимуляція проліферативної активності; інтенсифікація фізіологічних і біохімічних процесів, яка може супроводжуватися активацією процесів життєдіяльності організмів.

Радіаційний гормезис. Стимуляція життєвоважливих процесів, яка спостерігається при дії малих доз опромінення, за певних умов, на біологічні об’єкти, на відміну від пригнічуючого впливу високих доз – це радіостимуляція або радіаційний гормезис. З урахуванням відмінностей видової радіочутливості абсолютні значення малих доз відрізняються для різних біологічних об’єктів.

Радіаційний гормезис спостерігається у культурі клітин, одноклітинних організмах, тварин і рослин. Так, показано позитивний вплив попереднього опромінення на схожість насіння, ріст та розвиток поростків рослин, приріст маси птиці, риб, комах тощо. Найповніше це явище досліджено в рослин.

Незважаючи на значний експериментальний матеріал стосовно існування явища гормезиса, механізм його ініціації остаточно не з’ясовано. Одним із дискусійним залишається питання про те, чи являється позитивна дія малих доз прямим ефектом, тобто може покращити показники життєдіяльності в інтактних клітинах та організмах, або вона тільки зменшує пошкодження, що здійснюється зовнішнім чинником. В останньому випадку розглядається два механізма: індукція додаткових реперативних систем чи перекомпенсація існуючих внутрішніх клітинних резервів при відновленні пошкоджень.

Виявлена спільність властивостей хімічного та радіаційного гормезиса: аналогічна форма залежності доза-ефект та характеристичні параметри, що описують ці залежності; прояв ефекту пов’язаний із впливом на клітинні мембрани. Це підтверджує прояв неспецифічної захисної реакції організмів та клітин на променевий вплив.

Прояв гормезису не свідчить про безпечність малих доз. Як вже відмічалося, за дії малих доз можуть виникати генетичні порушення та трансформація клітин.

Адаптивна відповідь. Радіаційно-індукована адаптивна відповідь (АВ) – це зростання радіостійкості біологічних об’єктів до опромінення

53

у великій пошкоджуючій дозі (Д2) після попереднього впливу іонізуючої радіації в малій (адаптуючій) дозі (Д1).

Адаптивна відповідь спостерігається при опроміненні бактерій, дріжджів, клітин різних рослин та тварин чи безпосередньо багатоклітинних організмів. Прояв АВ реєструють за використання різноманітних тестів: визначення розривів ДНК, хромосомних аберацій, генних мутацій, вихід мікроядер, виживаність клітин тощо.

Найбільш стійка АВ різних біологічних об’єктів спостерігається за гострого впливу рідкоіонізуючого опромінення, а використання хронічного опромінення, як адаптуючого агента, не дає такого ефекта. За попередньої дії щільноіонізуючого випромінення АВ, як правило, не спостерігається. Радіоадаптивна відповідь спостерігається за дії на клітини рентгенівського та γ-опромінення, β-частинок від інкорпорованих ізотопів 3Н, 14С та 32Р.

Особливістю АВ є значні відмінності у величинах пошкоджуючої та адаптуючої доз, а також фіксовані інтервали часу між цими експозиціями. Найменше значення адаптуючої дози, яке отримано на клітинах тварин за опромінення рентгенівськими променями, складає декілька мГр; найбільше значення для рентгенівських

променів складає декілька десятих долей	Гр. Для рослин ця величина
– одиниці Гр. Як правило, інтервал	періоду	прояву АВ для

опромінених тварин складає від декількох тижнів до місяців ( для щурів та мишей складає два тижні), а для культури клітин – 4–6 годин.

Здатність іонізуючих випромінювань до формування АВ залежить не тільки від величини дози опромінення, але і від потужності. За малої величини адаптуючої дози (Д1= 10-2 Гр) спостерігається „обернений ефект потужності”: зростання потужності дози до 0,2 Гр/хв призводить до зниження пошкоджуючої дії повторної (Д2) дози (на прикладі клітин китайського хом’яка). Цей феномен отримав назву „ефект Петко”. За умов більш високої дози (Д1= 0,5 Гр) ефект пошкоджень зростає зі зростанням потужності дози опромінення (спостерігається пряма залежність відповіді від потужності дози).

Адаптивна відповідь спостерігається не в усіх видів організмів чи клітин. Вона не виявлена в популяціях, які знаходяться в умовах з підвищеним рівнем радіації, а також у випадку патологій.

Вважається, що адаптуючий вплив ініціює в клітині процеси, що активує геном та викликає утворення нових генних продуктів, які відповідають за зростаючу резистентність до наступного опромінення. Крім того, за умов попереднього опромінення підвищується не тільки радіорезистентність клітин, але і стійкість

54

організму, зокрема до інфекційних хвороб, дії різних отрут та інших чинників. Це вказує на існування неспецифічної реакції організма.

Ефект „свідка”. Ураження клітин, які знаходяться поза зоною дії радіації, однак контактують (різним чином) із неопроміненими має назву ефект „свідка”. Опосередкований пошкоджуючий вплив на клітини реалізується шляхом міжклітинних контактів та секреції у міжклітинний простір біологічно-активних речовин.

Ефект „свідка” проявляється за умов впливу як щільнотак і рідко іонізуючої радіації у великих, низьких чи малих дозах. Однак, найбільш проявляється при дії опромінення в малих дозах. При цьому, інтенсивність ефекта не суттєво залежить від величини дози опромінення. У неопромінених клітинах виникають такі ж генетичні порушення, як і в опромінених у великих дозах: хромосомні та хроматидні аберації, генні мутації і навіть загибель клітин.

Результати дослідження механізмів пошкоджуючого впливу опромінених клітин на неопромінені клітини дозволили виділити наступне:

1.Утворення та секреція опроміненою клітиною активних форм оксигену чи токсичних ліпідних оксипродуктів (введення клітинам антиоксидантів перед опроміненням – зменшує кількість пошкоджень

унеопромінених клітинах); секрецією інших біологічно активних речовин (цитокінів), білка р53 тощо.

2.Екзорадіотоксини чи біологічно активні речовини (здатні ініціювати ендотоксині речовини після проникнення до іншої клітини) накопичуються в неопроміненій клітині та викликають відповідну реакцію – цитогенетичні та морфологічні зміни.

3.Клітинні медіатори, які виділяються опроміненими клітинами, змінюють хімічне мікрооточення клітин. Так, наприклад, перенесення неопромінених клітин із нормального поживного середовища в середовище, де знаходились опромінені клітини, приводило до загибелі частини клітин.

4.Вважається, що сигнал на пошкодження може передаватись через клітинні контакти за умов взаємодії опромінених та неопромінених клітин; молекулярні механізми цього явища не з’ясовані.

Ефект „свідка” може проявлятися на багатоклітинних організмах і на популяційному рівні у тварин, хоча механізми цього явища остаточно не з'ясовані.

3.9.Генетичні наслідки дії іонізуючих випромінювань

55

Генетичні наслідки дії іонізуючих випромінювань вперше було досліджено в середині 20-х років минулого сторіччя. В подальшому, у зв’язку з розвитком атомної енергетики та використання іонізуючих випромінювань у промисловості, питання щодо дії іонізуючих випромінювань на спадковість набуло найважливішого значення. На сьогодні, його дослідженням займається радіаційна генетика.

Характеристика радіаційно-індукованих мутацій. Іонізуюча радіація у клітинах еукаріот індукує різноманітні спадкові зміни в ядерній та цитоплазматичній (мітохондріальній, пластидній) ДНК. Мутацією називають зміни в гені чи хромосомі. Перед наступним поділом клітини змінена хромосома копіює собі подібну. Таким чином, зміни, які в ній відбулись передаються хромосомам клітин у наступних поколіннях. Організм, в якому проявляються ознаки гена, який піддався мутації називають мутантом. Якщо мутація відбулась у статевій клітині, то організм може мати нові спадкові ознаки. Існують різні класифікації радіаційно-індукованих мутацій:

1)в залежності від типа клітин – соматичні, якщо відбулись у соматичних клітинах; генеративні, якщо відбулись у статевих клітинах;

2)по характеру змін спадкового матеріалу – геномні, хромосомні та генні.

Геномні мутації – зміна кількості хромосом у клітині. Зростання числа геномів називають поліплоїдією. Зміна кількості окремих хромосом називається анеуплодією.

Хромосомні мутації (хромосомні аберації) – це зміна будови окремих хромосом. Морфологічно ці зміни поділяються на розриви – порушення неперервності хромосоми та обміни – зміни порядка розміщення генетичного матеріала у хромосомі. Крім того, вони поділяються на аберації хромосомного та хроматидного типів у

залежності від того стосуються вони змін хромосом чи тільки хроматид. І, нарешті, аберації можуть бути внутрішньохромосомними (коли пошкоджується лише одна хромосома) чи міжхромосомними

(табл. 3.11).

Генні мутації – це зміни ДНК в межах окремих генів, що обумовлено заміною пар основ (заміна однієї пуринової чи піримідинової основи на іншу, або заміна пуринової основи піримідиновою та навпаки), зміщенням рамки зчитування (випадання чи вставка пар нуклеотидів) чи/ або незначними делеціями. Зміни, які займають одну пару основ, називають точкові мутації.

Таблиця 3. 11. Основні типи аберацій хромосом

			56
Внутрішньохромосомні		Міжхромосомні аберації
	аберації
	І. Хромосомного типу
1.	Парні фрагменти	1.	Симетричний обмін
2.	Ацентричні кільця	2.	Асиметричний обмін
3.	Центричні кільця	(формування дицентриків)
4.	Інверсії
	ІІ. Хроматидного типу
1.	Делеції	1.	Симетричний обмін
2.	Ізоделеції	2.	Асиметричний обмін

Спектр радіаційно-індукованих мутацій залежить від типа первинного пошкодження ДНК та здатності репараційних систем клітини виправити ці пошкодження. Репарація ДНК, ліквідуючи пошкодження, може бути неповною, з випадковими помилками чи бути помилковою. Вважається, що пошкодження основ здатні призводити до заміни їх пари, а розриви ДНК (особливо двониткові) – до делецій та перебудов. Іонізуюча радіація, у найближчі терміни після опромінення, особливо ефективно індукує значні за розміром мутації (делеції та перебудови), однак їх частка відрізняється для різних ділянок генома. Якщо мутації пов’язані з генами, які важливі для життєздатності клітини, то це призводить до її загибелі. Порушення генетичного апарата, наприклад, втрата цілих хромосом, також призводить до загибелі клітини. Водночас, незначні мутації в ділянках, що суттєво не зачіпають життєздатність клітин, можуть бути виявлені за зміною фенотипа.

Частота мутацій за дії іонізуючих випромінювань залежить від видової та індивідуальної чутливості організма, а з іншого боку – від вида, потужності та дози іонізуючих випромінювань. Щільноіонізуючі випромінювання, як правило, індукують більше мутацій на одиницю дози, ніж рідкоіонізуюче. Існуючі форми залежності кількості мутацій від дози, в області високих та малих доз відрізняються.

Радіаційно-індукована нестабільність генома. Дія радіації на генетичний апарат клітини охоплює порушення, які виявляються безпосередньо після опромінення, а також у віддалені терміни після опромінення. У останньому випадку спостерігається радіаційноіндукована нестабільність генома, яка проявляється в тому, що частина клітин, які вижили після опромінення може давати функціонально змінені нащадки, в якому з високою частотою (приблизно у 10–30% нащадків) виникають de novo хромосомні аберації та генні мутації, що у ряді випадків приводять до смерті

57

клітин. Стан нестабільності генома зберігається протягом багатьох поколінь, у ряді випадків до 100, а можливо і більше. При цьому зростає чутливість таких клітин до дії генотоксичних факторів фізичної та хімічної природи, а також може виникати чутливість навіть до тих хімічних агентів, які для неопромінених клітин не являються мутагенними.

Нестабільності генома індукують як щільно-, так і рідкоіонізуючі випромінювання в широкому діапазоні доз, які залежить від типу клітин. В дослідах in vitro спостерігається зростання нестабільності генома зі зростанням дози в діапазоні від 1 до 3 Гр та вихід на „плато” в області більш високих доз. В дослідах in vivo показана індукція геномної нестабільності як у соматичних, так і статевих клітинах щурів та мишей.

Дослідження цього феномена у людини ускладнюється, оскільки існують додадкові генотоксичні ефекти, обумовлені виробничою діяльністю людини, які не завжди контролюються. Частина мутацій, які появляються у найближчий час після дії іонізуючої радіації, зберігається в самих опромінених клітинах, передається їх нащадкам та, в результаті цього, можуть співіснувати одночасно із мутаціями, які виникли de novo внаслідок нестабільності генома.

Механізми формування радіаційно–індукованої нестабільності генома всебічно досліджуєються. Один з механізмів виникнення нестабільності генома можливо пов’язаний з „ефектом свідка”, який полягає у виникненні збільшеної кількості генних та структурни мутацій в неопромінених клітинах, які знаходяться в контакті з опроміненими клітинами чи продуктами їх життєдіяльності. Можливо, також, що опромінення викликає довготривале порушення окиснювально-відновного гомеостаза клітини, яке проявляється у посиленні продукції активних форм оксигену та призводить до оксидативного пошкодження ДНК і, в подальшому, збільшенню мутацій.

Радіаційно–індукована нестабільність генома – це особливий стан певної частини нащадків опромінених клітин, при якому вони відрізняються від нормальних клітин. Цей стан характеризується наступними проявами:

1) На цитогенетичному рівні – це передача частині нащадків здатності до спонтанного утворення de novo хромосомних аберацій та точкових мутацій, особливо зачіпаючи регуляторні гени, що робить неефективним їх функціонування. В значній мірі це стосується контролю за підтриманням темпу клітинного оновлення та елімінації чужорідних клітин, що полегшує пухлинну трансформацію.

58

2)На молекулярно-біологічному рівні – це передача частині нащадків опромінених клітин конформаційних змін в структурі хроматину, стану його активності, яка властива материнській клітині. Він підтримує змінений біохімічний фенотип клітини, сприяє мутагенезу.

3)На клітинному рівні – це зниження життєздатності в звичайних для нормальних клітин умовах.

Спадкові ефекти опромінення. Виникнення внаслідок

опромінення мутацій та хромосомних аберацій у статевих клітинах, може проявитись у формі спадкових пошкоджень. Наслідок цього, для індивіда може варіювати від незначних до суттєвих дефектів розвитку та важких хвороб, що можуть призводити до передчасної смерті.

Генні мутації виявляються на рівні генотипа та фенотипа, які можуть проявлятись по домінантному чи рецесивному типах наслідування. Рецесивні мутації викликають несуттєві ефекти у перших поколіннях, але додають змін у загальний пул спадкових хвороб наступних поколінь. До таких хвороб відносять, наприклад, фенілкетонурію, подагру, а також різноманітні вади розвитку, на які впливає комбінація багатьох генів. Домінантні захворювання можуть бути тяжкими, які проявляються у першому та другому поколіннях.

В експериментах на тваринах (мишах), у ряді випадків отримано докази розвитку аномалій у нащадків після опромінення сперматогоній та зрілих ооцитів. Однак не отримано достовірних прямів доказів прояву генетичних ефектів опромінення на протязі життя у нащадків людей, які перенесли вплив радіації, у тому числі від атомних бомбардувань.

Міжнародна комісія по радіаційному захисту (МКРЗ) рекомендувала оцінювати ймовірність прояву важких проявів порушень, що наслідуються у всіх поколіннях величиною 1•10-2 на дозу опромінення батьків 1 Зв; ймовірність прояву ефекта у дитини в першому поколінні у декілька разів менше.

РАДІАЦІЙНО-ІНДУКОВАНИЙ КАНЦЕРОГЕНЕЗ. Поява мутацій в соматичних клітинах веде до виникнення соматичних ефектів радіації. Одним із проявом соматичних мутацій являється злоякісний ріст клітин. Іонізуюча радіація виступає універсальним неспецифічним канцерогеном. Чисельні дослідження свідчать, що іонізуюча радіація всіх типів за зовнішнього та внутрішнього впливу, короткочасному чи довготривалому, загальному чи місцевому може викликати розвиток різного виду неопластичних хвороб практично у всіх тканинах.

59

Радіаційний канцерогенез розглядається як довготривалий багатостадійний процес, що складається зі стадіїй ініціації, промоції та прогресії (рис. 3.19). Канцерогенез обумовлений порушенням генетичного механізма клітинного диференціювання та ділення. Більшість злоякісних пухлин виникає з однієї (ініціальної) клітини, яка трансформується. Під час ініціації порушуються певні елементи геному клітини мішені, які потім передаються дочірнім клітинам. Не встановлено, скільки саме генетичних порушень необхідно для розвитку злоякісного новоутворення. Вважається, що необхідно від 3 до 7 мутацій у відповідних генах однієї клітини. Якщо одночасно діють й інші шкідливі фактори, що мають канцерогенні властивості, то розвиток пухлин більш ймовірний. З іншого боку, радіаційний онтогенез залежить від модифікаючої дії багатьох факторів, наприклад, травма шкіри може провокувати онтогенез в опроміненому організмі; тютюновий дим підсилює канцерогенез легень за дії 222Rn. І навпаки, інгібітори вільних радикалів, антиоксиданти, вітаміни можуть, у ряді випадків, зменшувати канцерогенез. Схильність до канцерогенної дії іонізуючої радіації залежить від генетичної конституції, статі, віку на момент опромінення, фізичного стану, наявності шкідливих звичок.

Структурні зміни генетичного матеріалу під час ініціації пухлинного процесу, в першу чергу зачіпають протоонкогени і генисупресори пухлинного росту, які передіснують у нормальному клітинному геномі. Вони приймають участь у всіх важливих функціях клітини. Протоонкогени (коли вони активуються в онкогени, внаслідок мутації одного із алелей гена) і гени-супресори (коли вони інактивуються) викликають специфічні зміни в характері проліферації, диференціації та апоптозу ініційованих клітин. Відомо про існування більше 100 онкогенів і близько 30 генів-супресорів пухлинного росту. Більшість протоонкогенів кодує структуру цитокінів, їх рецепторів, внутрішньоклітинних білків, які беруть участь у передачі регуляторних сигналів, а також факторів транскрипції. Гени-супресори пухлин кодують білки, які працюють як негативні регулятори клітинних процесів, наприклад, транскрипцію, апоптоз, репарацію ДНК та інші процеси. Для злоякісної трансформації необхідна втрата функцій цього продукта, чи зникнення його з клітини, що відбувається внаслідок мутацій обох алелій гена. Основним механізмом, за допомогою якого радіаційне пошкодження призводить до розвитку злоякісних пухлин – це втрата критичних генів-супресорів. Активація протоонкогенів відіграє менш