книги из ГПНТБ / Дертингер Г. Молекулярная радиобиология. Действие ионизирующих излучений на элементарные биологические объекты

была непродолжительна, так как вскоре обнаружилось, что по­ сле облучения кожа претерпевает весьма странные изменения. Такого рода случаи стимулировали интерес к изучению биоло­ гического действия ионизирующих излучений.

Для периода, наступившего после первых открытий (периода качественной радиобиологии), характерно усиление морфологи­ ческих исследований, особенно в последние годы. Понадобилось немного времени на то, чтобы понять, что кроветворные и репро­ дуктивные ткани особенно чувствительны к действию ионизи­ рующего излучения. Самое удивительное, однако, то, что рент­ геновское излучение для лечения рака кожи начали применять в 1899 г., а открытие способности этого излучения индуцировать рак кожи было впервые сделано лишь в 1902 г.

Успехи физики, химии и биологии привели ко второй фазе развития радиобиологии (особенно интенсивном в 20-е годы), сущность которой лучше всего выражается в названии количест­ венная радиобиология. Для этого периода характерно примене­ ние математических и статистических методов для интерпрета­ ции получаемых результатов [1]. Действие радиации изучается в зависимости от поглощенной энергии излучения, т. е. как функ­ ция дозы. На основании статистического анализа формы кривых доза — эффект (см. разд. 1.2) пытаются сделать вывод о при­ роде действующих механизмов. Этот подход позволил сформу­ лировать теорию попадания, которая постепенно, по мере того как становились понятнее физические процессы поглощения излучения, расширилась до того, что дала возможность постиг­ нуть всю сложность экспериментальных наблюдений, известных в настоящее время как теория мишени. Но даже и сейчас всю наиболее ценную информацию получают, анализируя кривые доза — эффект. Наибольший интерес к радиобиологии возник в 1946—1947 гг., когда вышли из печати книги Ли [6], Н. В. Тимо­ феева-Ресовского и Циммера [10] и радиобиология стала, нако­ нец, самостоятельной отраслью науки.

Обе эти книги явились результатом совместных дискуссий их авторов.

Несмотря на то, что количественная радиобиология значи-, тельно расширила наши знания об эффектах ионизирующего излучения (в связи с этим, например, нельзя не упомянуть о бле­ стящих успехах классической радиационной генетики), в конце концов стало очевидным, что с помощью радиобиологических методов невозможно объяснить все ступени реакции, происхо­ дящей между поглощением энергии излучения и биологически­ ми конечными эффектами. Тем не менее концепции количест­ венной радиобиологии продолжают широко использовать при определении влияния различных параметров на степень и вид радиационного повреждения. Эти исследования можно было бы назвать изучением модифицирующих факторов в радиобиоло­ гии. Данная область получила особенно интенсивное развитие

10

около 1945 г., хотя такого рода исследования в большом количе­ стве проводились и раньше. Цель этих опытов — с помощью изменения факторов внешней среды (например, температуры, влажности или добавления веществ, влияющих на радиочувст­ вительность), а также при действии различных излучений по­ лучить данные, позволяющие составить картину развития радиа­ ционных повреждений.

Все это показывает, насколько малообнадеживающая пер­ спектива таким способом раскрыть механизм действия всех этих факторов. Все усилия в этом направлении привели лишь к по­ явлению бесконечного множества гипотез, число которых (по' порядку величины) приближается к числу комбинаций исследо­ ванных параметров. Это положение дел позволило известному радиобиологу Александру Холлендеру сравнить радиобиологию с полем битвы, на котором были проиграны все сражения. Надо надеяться, что этот пессимизм был вызван не изучением проблем радиобиологии как таковых, а самим развитием ее. Вместо того чтобы исследовать отдельные ступени реакции, очень часто, анализируют конечный результат радиационного повреждения, например летальное действие излучения в зависимости от дозы. Любые попытки сделать вывод о природе событий, предшест­ вующих общему конечному эффекту, на основании такого рода опытов-—занятие весьма безнадежное, даже если для этого ис­ пользовать тончайшие формальные математические методы и счетные машины.

1.2. Кривые доза — эффект и специфика действия излучения

Кривая доза — эффект и по сей день остается одним						из важ­
нейших способов		графического изображения			в радиобиологии.
В зависимости от вида опыта			могут	быть использованы		в	каче­
стве	критерия действия излучения			различные	эффекты,		такие,
как	образование	свободных	радикалов, инактивация			молекул
фермента, потеря		активности	дезоксирибонуклеиновой			кислоты

(ДНК), индукция специфических мутаций или же летальные воздействия на клетку или организм. В большинстве случаев выживаемость, т. е., например, сохранившаяся относительная активность фермента и т. п., откладывается против дозы. И в дальнейшем под термином «кривая доза — эффект» подразуме­ вается кривая выживаемости. Другие виды графического изо­ бражения описываются по ходу изложения.

Вскоре стало очевидным, что кривые доза — эффект сильно отличаются от кривых, полученных при действии различных хи­ мических агентов, например ядов (рис. 1). Для действия ядов характерна пороговая доза, ниже которой эффектов не наблю­ дается. Если концентрация незначительно превышает пороговую, летальность быстро увеличивается. Радиационные кривые до­ за — эффект-, напротив, с увеличением дозы нарастают посте-

11

пенно и отражают ответную реакцию даже на небольшие дозы.

Форма	кривой	(см. рис.	1) в основном	зависит от различия в
устойчивости в		пределах	исследуемой	биологической системы,
т. е. от	распределения чувствительности по отношению к яду.

Чем меньше эти различия, тем круче должен быть наклон кри­

вой. Однако радиационная кривая доза — эффект не может

быть

интерпретирована с точки зрения

«биологической вариабельно­

сти». (Детальное описание кривых вы­

живаемости

дано

в

гл. 2 и 3.) И

хотя

из рис. 1 ясно

видно,

что

механизмы

радиационного

повреждения

и отрав­

ления сильно различаются между со­

бой, все же необходимо сделать ого­

ворку. Если

обозначить

на

графике

выживаемость

при

соответствующей

концентрации

в зависимости

от

дли­

тельности воздействия, то действие не­

которых

химических

агентов

на

ДНК,

а также

антибиотиков на

бактерии

выразится

кривыми

доза — эффект,

очень схожими с

радиационными.

Форма кривой

доза — эффект

(ре­

зультат

действия

излучения)

характе­

Рис. 1.

Кривые доза — эф­

ризуется

особыми

отличительными

фект при действии ядов и

признаками,

что легко

видеть из

про­

излучения [11]:

стого сравнения. Небольшое

количест­

/ — пороговая

д о з а : 2 — хими­

во энергии,

поглощаемой

с

чашкой

ческий

агент:

3 — излучение.

горячего

чая,

считается

допустимым и

даже полезным, но картина меняется, когда то же количество энергии поглощается в виде рентгеновского излучения. Несмот­ ря на то, что такого рода перенос энергии трудно вначале заме­ тить, через несколько часов или дней он вызывает серьезное заболевание или даже приводит к смерти. Это сравнение ка­ сается центральной проблемы радиобиологии — выявления меха­ низмов действия излучений. Правда, в' этом контексте выявле­ ние механизмов означает не что иное, как объяснение всего сложного комплекса радиационных повреждений в терминах известных физических и химических процессов.

1.3. Стадии действия излучений

При попытке проследить в деталях развитие радиационных повреждений было бы любопытно и поучительно разделить вею цепь событий, происходящих вслед за поглощением высокоэнер-

гетического излучения веществом, на	три характерные стадии
[7]. На первой, или физической, стадии	действия излучения энер­

гия передается веществу. Этот процесс ведет в основном к воз­ никновению возбуждений и ионизации молекул, неравномерно

12

распределенных в пространстве. Получаемые первичные про­ дукты, как правило, исключительно неустойчивы и быстро пре­ терпевают вторичные превращения, которые происходят либо

спонтанно, либо при столкновении с	ближайшим окружением
молекулы, приводя к образованию вторичных		продуктов	реак­
ции. Эта вторая, или физико-химическая,	стадия	может состоять
из единичной реакции или комплекса	последовательных		реак­

ций. Многие из таких взаимодействий не наблюдаются в других областях физики и химии, несмотря на то, что часть из. них из­ вестна из фотохимии. Третья, или химическая, стадия начи­ нается с момента, когда система, наконец, восстанавливает тем­ пературное равновесие. На этой стадии участвующие в реакции продукты (обычно свободные атомы или радикалы) продолжают взаимодействовать друг с другом и с окружающей средой.

Если цепь событий начинается с поглощения энергии излу­ чения в исследуемой системе, например в молекуле Д Н К или в специализированной биологической структуре, то это означает, что имеет место прямое действие излучения или прямой эффект (рис. 2). Однако первичные процессы поглощения энергии излу­ чения могут происходить в среде, окружающей поврежденную молекулу. Эта среда может включать, например, другие близле­

жащие биомолекулы. Поглощаемая ими энергия						передается
другим молекулам с помощью межмолекулярных						механизмов
переноса энергии или же при высвобождении					диффундирующих
радикалов, таких, как атомы водорода, которые затем							взаимо­
действуют		с неповрежденными		биологическими		молекулами.
Если	же	биологические	молекулы	находятся	в водной		среде,
они	могут подвергаться		действию	диффундирующих продуктов

реакции (таких, как радикалы водорода, атомы водорода или гидратирова-нные электроны), полученных в результате погло­ щения излучения водой. Термин «непрямое действие» относится к обоим механизмам (см. рис. 2).

Молекулярные изменения, наблюдающиеся в организме, не­ зависимо от механизма их возникновения могут повлечь за со­ бой такие нарушения в системе, которые, проходя биологическую стадию, в конечном счете ведут к развитию наблюдаемого био­ логического эффекта (амплификационная теория организмов [5]).

На этой стадии развития радиационного повреждения осо­ бую роль играет обмен веществ поврежденного организма (см. рис. 2). Первичные процессы поглощения излучения вызывают небольшие по объему, но глубокие нарушения во всем организ­ ме, однако вид и степень повреждения в большой мере опреде­ ляются тем, может ли оно быть ликвидировано или организм приспособится и будет действовать в нарушенных условиях, либо, напротив, будет стремиться углубить повреждение.

Несмотря на все эти ограничения, такая классификация все же является большим подспорьем при обсуждении последова­ тельности событий, происходящих вслед за поглощением энер-

гии ионизирующего излучения. Порядок величин для продол­ жительности отдельных стадий в водной системе был определен Платцманом [8]:

Физическая стадия	10~ 1 3 се/с
Физико-химическая стадия	10— 1 0 сек
Химическая стадия	10— "сек
Биологическая стадия	От 1 сек до многих
	лет

Для этих процессов характерно то, что каждая последующая стадия длиннее предыдущей. Однако реальная продолжитель­ ность каждой данной стадии в значительной степени зависит от облученной системы. Так, в сухих веществах изменения в обла­ сти первичного повреждения благодаря внутримолекулярному

	Прямое действие			Ие'ПряЫе действие •
тиншегнпа	Поглощение	энергии	6	Поглощение энергии			6
стадие	биомолекулах			„окружающей		среде
	I				I
	Возбужденные и			Возбужденные			и
	ионизированные	молекулы		^^ионизированные		молекулы
Фи3стадия''иеСК0Й	Перестройки		перенос	"энергии	Перестройки
	\	^			|
	Первичные повреждения с			^™^уиткидиттцндирующиерадикалы
	внутримолекулярный,			Реакции	с
	перенос		энергии	биомолекулони
Химическая			Виорадикалы
стадия

Вторичные реакции

I

Молекулярные изменения

Биологическая

стадия

Генетическиеизменения	измененияluiemoVMhlX стриктур
изменения	метаболизма
Пролиферативные	Дегенеративные	изменения
изменения клеток(опухоли)	клеток^гибель	клеток)
	^ ' ^	~"~
Отдаленные		Острая лучевая-
соматические эакректы		болезнь

Наследственные изменения		Гибель организма
(мутации)
Рис. 2. Стадии действия излучений		(реакции, связанные с процессами
метаболизма, показаны прерывистыми	линиями).

14

переносу энергии и реакции образующихся биологических ра­ дикалов могут сохраняться в течение нескольких минут или ча­ сов. Это время может также исчисляться днями или даже неде­ лями, если облученная система находится при температурах жидкого азота.

Идеальный радиобиологический анализ мог бы выявить все этапы реакции различных временных стадий, приведенных на рис. 2. Но вряд ли стоит говорить, что пока такого рода анализ нереален, хотя он и остается основной конечной целью радио­ биологических исследований.

Рис. 2 дает представление о методах, которые могут быть использованы для того, чтобы проследить за ходом процессов на отдельных стадиях. В отличие от физической стадии, где про­ цессы недоступны для экспериментального изучения и поэтому не могут быть исследованы посредством физических измерений на модельных системах, для физико-химической стадии разрабо­ таны методы, позволяющие получать как качественные, так и количественные данные. Среди этих методов особо следует от­

метить метод электронного	парамагнитного резонанса (ЭПР),
с помощью которого можно	обнаружить первичные радикалы.

В данном случае, однако, для того чтобы избежать обмена энер­ гий, опыты необходимо проводить при низких температурах. Этим способом можно также выявить наличие диффундирую­ щих радикалов, например таких, как радикалы атомов водоро­ да. В водной среде быстрые реакции между биологическими молекулами и высокореактивными радиолитическими продук­ тами лучше всего исследовать методом импульсного радиолиза [4]. Наконец, вторичные реакции биологических радикалов в водных системах можно изучать при помощи общепринятых ме­ тодов аналитической химии. Имеется множество аналитических

• способов изучения поврежденной молекулы, конечного продук­ та цепи событий. Эти методы основаны на различии физических и химических свойств поврежденной и неповрежденной моле­ кул, таких, как вязкость, скорость седиментации, оптическое поглощение, растворимость в кислотах и т. д. Некоторые из этих методов будут рассмотрены ниже.

1.4. Значение молекулярной радиобиологии

Как видно из рис. 2, все этапы реакций, более поздние, чем изменения молекул, испытывают воздействие обмена веществ облученного организма, в связи с чем все наблюдаемые радиа­ ционные эффекты оказываются зависимыми от множества слож­ ных биохимических реакций. Поэтому вполне понятно, что облу­ чение животного, например мыши, не может дать нам нагляд­ ную картину физических, химических и биологических процессов, которые в конечном счете приводят к фатальному исходу. Как объект исследования мышь сочетает в себе огромное множество

15

факторов, взаимодействующих непонятным для нас образом и поэтому недоступных для измерений. И, наоборот, можно было бы ожидать, что анализ реакций, происходящих на молекуляр­ ном уровне, приведет к открытию общих концепций. Эта точка зрения подтверждается данными современных биологических исследований, показавших, что различия между живыми орга­ низмами выражены на молекулярном уровне гораздо менее от­ четливо, чем на макроскопическом (т. е. клеточном или ткане­ вом) . Это, в свою очередь, доказывается сходством основных компонентов любого типа клетки. Поэтому только понимание характера молекулярных изменений может дать основу, кото­ рая облегчит дальнейшее изучение специфических реакций от­ дельных систем. При этом не исключено, что твердое знание основ сделает ненужными многие из экспериментов, так как в ряде случаев оно позволит предвидеть результат. Именно эта способность заранее предсказать результат — важный этап в развитии любой научной дисциплины.

Следовательно, молекулярную биологию можно считать ос­ новной областью исследования, тем самым как бы оправдываю­ щей свое существование. Следует добавить, что это исследова­ тельское направление ведет к открытиям, имеющим большое практическое значение. Для доказательства можно привести два примера. Стерилизация пищевых продуктов, а также ряда дру­ гих предметов с помощью излучений препятствует размноже­ нию нежелательных микроорганизмов. При этом намеренно инактивируется их репродуктивная способность. В основе этого способа лежит изучение радиочувствительности бактерий и их способности образовывать радиорезистентные мутанты. Второй пример взят из области радиотерапии. Большие успехи, особен­ но в последние годы, были достигнуты в изучении и производ­ стве сенсибилизирующих лекарственных веществ, с помощью которых удается сделать радиочувствительными опухоли в со­ стоянии аноксии. Это позволяет уменьшить дозу излучения, что, в свою очередь, снижает повреждение здоровых тканей непода­ леку от места локализации опухоли. Большая часть этих ве­ ществ, для изучения которых в настоящее время широко исполь­ зуют бактерии и бактериофаги, действует на молекулярном уровне.

Молекулярная радиобиология приводит к результатам, непо­ средственно используемым на практике, во всех тех случаях, когда излучение применяется с целью вызвать намеренные изме­ нения на молекулярном или генетическом уровнях (например, для получения особого рода мутантов у семян). Поскольку сложные биологические процессы интерпретируются на основа­ нии реакций биохимических систем, очевидно, можно утвер­ ждать, что молекулярная радиобиология в области всей радио­ биологии занимает то же положение, что и молекулярная био­ логия в общей биологии.

16

1.5. Введение в молекулярную радиобиологию

Из всего сказанного видно, что основная задача молекуляр­ ной радиобиологии состоит в исследовании физических и хими­ ческих процессов, вызывающих повреждения биомолекул, а так­ же в объяснении нарушений жизненно важных процессов в. терминах молекулярных изменений. В ходе систематического; разбора изучаемых проблем было бы чрезвычайно полезно по­ следовательно, ступень за ступенью, обсудить материал, схема­ тически представленный на рис. 2, экспериментально и теоре­ тически обосновать каждую ступень реакции. Но, как уже было сказано, развитие молекулярной биологии никогда не носило; систематического характера, вследствие чего эксперименты часто не имели четко обозначенной цели, хотя нельзя сказать, что они: не были результативными. Следовательно, необходимо найти компромиссное решение между основными методами исследо­ вания, определившимися в процессе развития радиобиологии, с одной стороны, и способом подхода (с учетом данных рис. 2) — с другой. Естественно, что для интерпретации кривых доза — эффект используется методика первого рода.

В ходе дальнейшей дискуссии необходимо проанализировать, процессы переноса и поглощения энергии, что одновременно по­ служит более детальному описанию физической стадии действия излучений. Вслед за этим мы обсудим современное состояниетеории мишени и в связи с этим непрямое действие излучения и влияние таких модифицирующих факторов, как концентрация кислорода и температура. До этого главным остается развитиематематических, физических и химических основ радиационных эффектов, включая процессы, происходящие до биологическойстадии. Затем будут рассмотрены радиационные эффекты, на­ блюдающиеся в нескольких важных и весьма любопытных экс­ периментальных системах. Вполне логично начать именно с мо­ лекулярных систем, ограничив обсуждение анализом толькодвух наиболее существенных видов молекул, играющих важнуюроль в поддержании обмена, а именно нуклеиновых кислот и- ферментов.

Делается попытка построить и проанализировать специфиче­ ские модели инактивации фермента. Однако в случае с нуклеи­ новыми кислотами возникает вопрос не только о природе их фи­ зико-химических изменений,- но также о связи последних с инактивацией различных функций нуклеиновых кислот. Вирусы,, занимающие промежуточное положение между биологическими молекулами и автономными одноклеточными организмами,— объект исключительно удобный с экспериментальной точки зре­ ния, так как их генетический материал состоит из одной макро­ молекулы, что позволяет выявить весьма тонкие изменения. Вслед за главой, посвященной вирусам, обсуждаются лучевыеэффекты у бактерий, представляющих собой nj30^e$iUBe-a-BTCF~ иомные организмы, которые удовлетворяют |сёмГжизненным

критериям, начиная от размножения и кончая дифференциро­ ванной способностью к синтезу. Переходя к более высоким фор­ мам жизненной организации, последний раздел книги мы посвя­ тили анализу взаимосвязи радиочувствительности и сложности организации биологических объектов. И хотя основная задача книги — анализ действия ионизирующих излучений, мы не раз там, где это потребуется для лучшего понимания радиационных эффектов, будем пользоваться примерами опытов с ультрафио­ летовым облучением. Однако нужно оговорить, что ультрафио­ летовое излучение относится к области фотобиологии [9].

Этот краткий обзор задач данной книги наглядно показы­ вает, что мы даже не пытались писать его как учебник по ра­ диобиологии. Цель эта явно недостижимая, учитывая уровень развития этой отрасли науки. Но, с другой стороны, в таком пособии нет необходимости, так как никому не придет в голову изучать радиобиологию как учебный курс. Вместо этого в книге излагаются основные проблемы молекулярной радиобиологии, а также наиболее важные экспериментальные и теоретические пути их разрешения. Мы придерживаемся мнения, что серьез­ ное и систематическое описание ограниченного числа наиболее характерных опытов послужит этой цели лучше, чем любой все­ объемлющий трактат.

Известно, что не требуется глубоких теоретических знаний, чтобы принять участие в общем споре, но невозможно обойтись без знания формальных математических, физических и химиче­ ских приемов при обсуждении специальных проблем данной науки. Поэтому эта книга прежде всего рассчитана на студен­ тов, решивших посвятить себя научным занятиям. Авторы пи­ тают надежду, что книга вызовет у некоторых из них интерес к радиобиологии или хотя бы облегчит знакомство с этой дис­ циплиной, а специалисту поможет расширить свой кругозор.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Blau М., Altenburger К. Z. Physik, 1922, 12, 315.

2.Gatsch A. Dekorporierung radioaktiver und stabiler Metallionen-Therapeuti- sche Grundlagen. Miinchen, Thiemig, 1968.

3.Dessauer F. Z. Physik, 1922, 12, 38.

4.	Ebert M . et al. Pulse radiolysis. New York—London, Academic Press, 1965.
5.	Jordan	P. Das	Bild	der modernen Physik. Hamburg,		Stromverlag, 1948.
6.	Ли Д.	E. Действие радиации на живые			клетки. М., Госатомиздат, 1963.
7.	Platzman R. L. In: Radiation biology and				medicine. Ed. W. D.. Claus. Rea­
	ding (Mass.) Addison-Wesley Press, 1958,-p. 15.
8.	Platzman R. L. Vortex, 1962, 23, 372.
9.	Smith	К. C, Hanavvalt P. C. Molecular			Photobiology.		New	York — Lon ­
	don, Academic Press, 1969.
10.	Timofeef-Ressovsky			N. W., Zimmer K. G. Biophysik		I .	Das	Trefferpnnzip
	in der	Biologie,	Leipzig, Hirzel Verlag, 1947.

11.Циммер К. Г. Проблемы количественной радиобиологии. М., Госатомиз­ дат, 1962.

12.Zimmer К. G. In: Forschungspolitik, Heft 4, Ed.: Bundesmimster fur wissenschaftliche Forschung. Miinchen, Gersbach und Sohn, 1968, p. 12.

д2 ТЕОРИЯ

ПОПАДАНИЯ

2.1. Основные положения

Теория попадания — самая старая и наиболее наглядная тео­

рия, с помощью		которой пытались объяснить характер			радиа-
ционных	кривых	доза — эффект. Сравнение		действия ядов и из­
лучения	показало, что		форма кривых доза	излучения — эффект*
не может, подобно кривым действия ядов, быть объяснена					одной
только биологической			вариабильностью объекта. Обсуждение

причин этого поначалу необъяснимого явления потребовало но­ вого подхода, который заключается в приложении концепций квантовой физики к биологическим проблемам. Этим была со­

здана база для интерпретации кривых	доза — эффект в терми­
нах теории попадания на основе двух	экспериментальных ре­
зультатов и одного постулата физики.

1.Ионизирующие излучения переносят энергию в дискрет­ ном виде.

2.Акты взаимодействия (попадания), не зависят друг от дру­ га и подчиняются пуассоновскому распределению.

3.Исследуемый эффект, который, согласно предыдущему из­ ложению, может быть разнообразным, наступает, если число попаданий в так называемую мишень равно по крайней мере п.

Под мишенью объемом v (измеряемым в см3) понимается чув­ ствительный структурный элемент облученного объекта. Однако более подробное суждение о его природе может быть сделано

лишь	после	анализа процессов переноса	энергии от	излучения
к веществу,		т. е. после более точного определения		попадания
(гл.	5). При	формальном математическом	рассмотрении v есть

не что иное,, как параметр радиочувствительности. В данном случае доза будет обозначена как попадание в 1 см3.

Теория попадания выполняет две задачи: дает математиче­ ское описание кривых доза—эффект и, наоборот, на основании анализа данной кривой помогает определить такие характер­ ные параметры, как число попаданий и количество мишеней.

2.2. Одно- и многоударные кривые

Для того чтобы получить кривые доза — эффект, на графике против дозы облучения наносят число объектов, сохраняющих после воздействия способность выполнять ту же функцию, что

19