Биологическое действие ионизирующих излучений Текст научной статьи по специальности «Математика»

со

Пестовский Ю.С.

к.х.н., ведущий специалист ООО «Эколит», г. Москва

ш

о ш

Биологическое действие ионизирующих излучений

Пестовский Ю.С.

Ионизирующие излучения (ИИ) оказывают мощное воздействие на биосферу на протяжении всей естественной истории Земли. Они во многом определили зарождение и развитие живой материи. Однако осознано это было естествоиспытателями лишь на рубеже Х1Х и ХХ вв. благодаря блестящим успехам физики и химии. В этот период были описаны основные типы ИИ, изучен характер их взаимодействия с веществом. В распоряжении биологов оказались различные источники ИИ, позволяющие экспериментально исследовать действие радиации на живые организмы. Открытия, сделанные в первые же годы, оказались необыкновенно впечатляющими — ни один живой организм, ни одна биологическая функция не оказались индифферентными к радиационному воздействию. В результате облучения изменялись структура и функция макромолекул, угнеталось клеточное деление, рост и развитие организмов, гибли вирусы, клетки и многоклеточные организмы, возникали мутации... [1,2]

Это были только первые шаги на пути познания роли ИИ в биосфере. Сбывались пророческие слова В.И. Вернадского: «Из невидимых излучений нам известны пока немногие. Мы едва начинаем понимать их разнообразие, сознавать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем в нас в биосфере мире излучений, об их основном, с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания, значении в окружающих нас процессах...»

Современная биофизика относит к числу своих важнейших задач исследования, посвященные выяснению механизмов биологического действия различных видов излучений; ИИ составляют узкий участок электромагнитного спектра. Выяснением механизмов биологического действия ИИ занимается специальная область биофизики — радиационная биофизика. Изучение биологического действия ионизирующей радиации — комплексная проблема. Она требует объединенных усилий физиков, химиков, биофизиков, молекулярных биологов, представителей классических биологических направлений. Физические исследования позволили понять природу начальных пусковых процессов лучевого поражения, химические методы анализа раскрыли характер структурных повреждений молекул; биохимики, цитологи, физиологи выявили конечные этапы биологической реакции на облучение [3-5]. Нерешенной остается центральная проблема радиационной биологии — выяснение механизма, приводящего к реализации немногочисленных начальных повреждений структурных компонентов живых систем до видимых конечных эффектов облучения, таких как изменение метаболизма, возникновение стойких наследственных дефектов, гибели организма и многих других.

Решение этой задачи требует углубленного анализа процессов, происходящих в живой системе на каждом этапе «размена энергии» излучения, описания этих этапов в терминах молекулярных изменений и создания картины, охватывающей всю последовательность физико-химических процессов лучевого поражения [6,7].

Количественные гипотезы механизма биологического действия ионизирующих излучений

Классический формализм — теория мишени и принцип попадания.

Камень преткновения на пути разгадки основного радиобиологического парадокса состоит в необходимости правильного истолкования несоответствия между ничтожным количеством поглощенной энергии излучения и экстремальным биологическим эффектом. Радиобиологический эффект определяется не только и даже не столько общим количеством

поглощенной энергии излучения, сколько формой ее передачи — в виде узколокальных процессов размена в микрообъемах [8]. При объяснении радиобиологического парадокса были сформулированы два положения, лежащие в основе наиболее ранних (20-е гг. XX в.) фундаментальных теоретических представлений в радиобиологии:

• принцип попаданий, характеризует особенности действующего агента — дискретность поглощения энергии,

• принцип мишени, учитывает особенность облучаемого объекта — клетки — ее высокую гетерогенность в физическом и функциональном отношении (а, следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание). Принцип попаданий и основанная на нем теория мишени

получили свое развитие в трудах Д.А. Кроузера, Н.В. Тимофеева-Ресовского, К. Циммера, Д.Э. Ли и др. [9].

Однако использование основных положений этой теории ограничивается строго определенной областью — анализом самых первичных элементарных радиационных событий. Систему построения, развитую для количественной характеристики первичных механизмов радиобиологического эффекта, назвали теорией мишени, а прохождение ионизирующей частицы или фотона через данный объем — попаданием. В зависимости от числа попаданий, необходимых для поражения, различают одно-, двух- или многоударные объекты или реакции, причем учитываются попадания в одну мишень или в разные мишени, но функционально взаимосвязанные.

Критерием достоинства теоретических представлений о механизме биологического действия ИИ является достаточная полнота объяснения основных экспериментальных данных. В основе теории попаданий лежала гениальная догадка о том, что характерные зависимости доза-зффект могут быть отражением квантованного характера взаимодействия излучения с веществом. Случайность этих событий принималась во внимание, но ее роль все же недостаточно учитывалась. Таким образом, по форме кривых доза-эффект рассчитывались размеры и число мишеней, поражение которых вызывает регистрируемую реакцию. Конечное проявление конкретной лучевой реакции рассматривается здесь как следствие попадания (или попаданий) в одну (или несколько) определенную мишень.

Следует иметь в виду, что возможность строгого применения теории мишени уже в самом начале была ограничена ее основоположниками областью анализа одноударных эффектов. Интерпретация конкретных многоударных кривых с этих позиций затруднительна.

Позднее потребовалось расширить и само понятие попадания, т.к. стало очевидным, что первичные повреждения элементарных клеточных структур могут вызываться не только непосредственно ионизацией макромолекулы, но и возбуждением и, что самое главное, опосредованно, химически активными продуктами радиолиза окружающей среды [10]. Кроме того, вследствие обнаружения миграции энергии по макромолекуле, даже при непосредственных формах взаимодействия, реализация повреждения может происходить далеко от места первоначального «попадания» [11].

Это обусловило появление в конце 60-х гг. XX в. новой количественной гипотезы — стохастического действия излучений, призванной, согласно определению ее авторов О. Хуга и А.М. Келлерера, изложить теорию попаданий на основе стохастического принципа. Стохастическая гипотеза.

Эта гипотеза рассматривает любой биологический объект, в частности клетку, как лабильную динамическую систему, по-

стоянно находящуюся в состоянии 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. Совершенно естественно, что в процессе жизнедеятельности благодаря влиянию самых разнообразных, не подлежащих учету факторов и малейших неопределенностей исходного состояния, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого и (или) независимо от них — «крушения» всей системы. Поэтому любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной вероятностью. Зная это и стремясь достигнуть желательной степени точности, обычно оперируют средними значениями.

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

Особенностями стохастической гипотезы являются:

• эта гипотеза учитывает как физиологические, так и индуцированные излучением процессы;

• эта гипотеза стремится описать кинетику индуцированных

облучением изменений в динамическом аспекте.

Таким образом, в соответствии с основными исходными позициями стохастическая концепция предлагает простую, но более «биологическую»' интерпретацию кривых доза-эффект по сравнению с их объяснением с позиций теории попадания, хотя ее основная мысль, что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорбции энергии, остается незыблемой.

Вероятностная модель радиационного поражения клетки.

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. Капуль-цевич предложил модель радиационного поражения клетки, названную им вероятностной.

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 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. 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, явля-

ясь 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.

Процесс радиационного поражения клетки Ю.Г. Капуль-цевич предлагает формально разделить на три этапа:

• осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения;

• реализация потенциальных повреждений;

• различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждения.

Однако ни сама эта модель, ни производимый с ее помощью анализ реакций клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций. Кроме того, сделанные выводы справедливы для изученных эффектов только применительно к дрожжевым клеткам. Качественные гипотезы механизма биологического действия ионизирующих излучений

Характерная черта качественных гипотез состоит в том, что они придают определяющее значение в первичных процессах лучевого поражения различным высокореакционноспособ-ным продуктам, образующимся в биосубстрате вслед за поглощением энергии излучения, инициирующем множественные реакции повреждающего типа. Основной радиобиологический парадокс с позиций качественных гипотез объясняется наличием различных биофизических и биохимических механизмов усиления первичных элементарных процессов размена энергии излучения.

Гипотеза первичньа радиотоксинов и цепньа реакций

Еще в 50-х гг. XX в. А.С. Мочалиной, Ю.Б. Кудряшовым в лаборатории Б.Н. Тарусова и другими исследователями было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из печени облученных животных вызывают гемолиз. Было высказано предположение о том, что под влиянием облучения в печени образуется "гемолитический фактор". В результате его идентификации установили липидную природу образующегося цитотоксиче-ского агента, названного липидным радиотоксином (ЛРТ). Оказалось, что ЛРТ обнаруживается уже в первые часы после облучения не только в печени, но и в тонкой кишке, семенниках, почках, желудке, в крови и других органах животных, а также в растениях и микроорганизмах. ЛРТ представляет собой лабильный комплекс продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот: гидроперекисей, эпоксидов. альдегидов и кетонов. Было показано, что ЛРТ вызывает не только гемолиз, но и другие реакции, характерные для лучевого поражения: торможение клеточного деления, повреждение хромосомного аппарата некоторых объектов и др. В связи с этим ЛРТ был назван «естественным радиомиметиком», т. е., агентом, имитирующим биологическое действие ионизирующих излучений.

Гипотеза первичных радиотоксинов базируется на выдвинутой Б.Н. Тарусовым и Н.М. Эмануэлем концепции решающей роли в начальных процессах лучевого поражения цепных окислительных реакций свободно-радикального типа, наиболее подходящим субстратом для которых являются липиды.

Так как липиды являются структурными элементами клеточных мембран, то их поражение приводит к нарушению регуляции химизма живой клетки вплоть до уровня, приводящего к ее гибели. Возникновению цепных реакций согласно этой концепции способствует вызываемое облучением разрушение или ингибирование природных антиокислительных (антиок-сидантных) систем; в клетках необлученных организмов они предохраняют липиды от самопроизвольного окисления. В рамках этой концепции к ЛРТ следует отнести продукты окисления ненасыщенных высших жирных кислот, всегда присутствующие в тканях. Под влиянием облучения содержание таких кислот лишь увеличивается вследствие поражения анти-оксидантов, что способствует развитию самоускоряющихся окислительных реакций радикального типа. Кроме того, радикалам ЛРТ отводится роль своеобразного медиатора радиационного окисления других важных органических макромолекул клетки. Согласно точке зрения авторов данной гипотезы в этом и состоит участие ЛРТ в возникновении и развитии первичных механизмов лучевого поражения.

Анализ современных экспериментальных данных не дает оснований для признания концепции ЛРТ и цепных реакций в качестве универсальной теории биологического действия ионизирующих излучений. Согласно последним представлениям, ЛРТ отводится роль создания «эндогенного фона радиорезистентности», т. к. совершенно очевидно, что в первичных процессах утилизации энергии излучения в живой клетке кроме ЛРТ участвует множество других соединений и макромолекул.

Структурно-метаболическая гипотеза

В основе гипотезы, разрабатываемой А.М. Кузиным с сотр. с 1965 г., лежит идея о том, что под воздействием ИИ в клетке развиваются не только чисто радиационно-химические процессы, но благодаря наличию в организме биохимических механизмов усиления синтезируются и дополнительные высокореакционные продукты, приводящие к повреждению биологически важных макромолекул и к образованию низкомолекулярных токсических метаболитов [12,13].

В данной гипотезе решающее значение отводится не только радиационному поражению ядерных макромолекул, но и нарушениям цитоплазматических структур. Повреждение строго скоординированной системы в одном или нескольких звеньях, усугубляемое биохимическим механизмом усиления, приводит к нарушениям мембран и сопряжения важных метаболических процессов. В качестве токсических метаболитов особая роль, как и в гипотезе радиотоксинов и цепных реакций, придается первичным радиотоксинам (ПРТ). Полагают, что ПРТ — комплекс веществ, обладающих близкими свойствами, хотя и относящихся к различным классам химических соединений. Одни из них всегда имеются и в нормальной клетке, но в меньшем количестве. Содержание их значительно увеличивается в результате радиационно-биохи-мических процессов; другие образуются в клетке вследствие тех же процессов.

В основе этой гипотезы лежат следующие принципы, которые, по мнению автора, следует обязательно учитывать при построении любой общей теории действия ионизирующего излучения на клетку:

• Дискретный характер передачи энергии излучения веществу.

• Прямое и непрямое (дистанционное) действие радиации на молекулы и структуры клетки, ответственные за тот или иной радиационный эффект.

• Микрогетерогенная структура и метаболическая организация клетки, неоднозначность функций различных структур.

• Макромолекулярная матричная система хранения и передачи метаболической и генетической информации, лежащая в основе самоуправления жизнедеятельностью клетки.

• Единство клетки и взаимосвязь всех ее структур и обменных процессов как необходимые условия существования этой простейшей формы жизни.

• Развитие во времени любого радиационного эффекта. Структурно-метаболическая гипотеза также не может быть

признана универсальной теорией биологического действия излучения. Вместе с тем нельзя не отметить, что согласно отстаиваемым здесь принципам ведущая роль в первичных процессах лучевого поражения клетки принадлежит нарушению ее структурной организации и строгой упорядоченности в каждом ее звене.

Заключение

Все живое существует и развивается в мире излучений — от высокоэнергетических у-квантов до низкочастотных радиоволн. Для биосферы Земли излучения — это источник энергии, способ получения информации, мощный фактор изменчивости. Такие фундаментальные биологические процессы, как фотосинтез, фототаксис, фотопериодизм, зрение, радиационный мутагенез в своей физической основе представляют особые случаи взаимодействия излучений с биологическими структурами.

К изучению биологического действия ИИ приступили еще в первые десятилетия прошлого столетия, когда стали известны первые факты его вредного воздействия на организм человека. Интерес к этому изучению и необходимость в нем резко возросли в 40-х гг. XX в. после первых испытаний и применения ядерного оружия, и особенно в 50-х гг., когда ядерная энергия стала применяться в различных областях деятельности человека в мирных целях [14,15]. Начали интенсивно развиваться радиобиология, радиационная гигиена, радиационная экология и другие науки, ориентированные на всестороннее исследование биологических эффектов ионизирующего излучения и выработку средств и методов радиационной защиты [16-18]. К настоящему времени уже накоплен большой объем знаний о биологическом действии излучения. Достижения современной науки позволили создать прочный фундамент для системы законодательных мер по обеспечению радиационной безопасности человека [19-22].

Глубокие исследования посвящены однократному действию остропоражающих доз, приводящих к смерти или вызывающих лучевую болезнь. Также изучены закономерности хронического радиационного воздействия на человека при больших дозах облучения. Проявления хронического облучения многообразны — хроническая лучевая болезнь при общем облучении, поражения кожи, хрусталика, костного мозга, пневмосклероз и т.д. [23,24]. Одна из разновидностей лучевых поражений — эмбриотоксические эффекты (повреждение плода) могут возникать даже при сравнительно малых дозах облучения, однако до настоящего времени количественно они изучены слабо [25].

Подводя итог современному состоянию радиобиологический теории, следует признать, что к настоящему времени классические формальные представления принципа попаданий претерпели серьезную модификацию. Стало очевидным наряду с ролью повреждения и репарации ДНК признание

важности повреждений и в других звеньях многокомпонентной строго упорядоченной в структурном и функциональном отношении системы, каковой является живая клетка. Таким образом, создание единой теории радиобиологического эффекта — дело будущего, т.к. оно непосредственно связано с познанием молекулярных основ жизни.

Список использованных источников

1. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радиационная биофизика (Курс лекций по биологическому действию ионизирующих излучений). М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979. 242 с.

2. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Е.С. Основы радиационной биофизики. М: Изд-во Моск. ун-та, 1982. 304 с.

3. Ландау-Тылкина С.П. Радиация и жизнь. М.: Атомиздат, 1974. 168 с.

4. Ярмоненко С.П. Рожденная веком (Радиобиология - людям). М.: Знание, 1978. 112 с.

5. Несмеянов Ан. П. Прошлое и настоящее радиохимии. Л.: Химия, 1985. 163 с.

6. Пшежецкий С.Я. Излучения и химия. М.: Энергоатомиздат, 1983. 88 с.

7. Маргулис У.Я. Атомная энергия и радиационная безопасность. М.: Энергоатомиздат, 1983. 160 с.

8. Ярмоненко С.Я. Радиобиология человека и животных. М.: Высш. шк., 1984. 375 с.

9. Тимофеев-Ресовский И.Б. и др. Применение принципа попадания в радиобиологии. М: Атомиздат, 1968. 228 с.

10. Пикаев А.К., Кабакчи С.А. Реакционная способность первичных продуктов радиолиза воды. М.: Энергоиздат, 1982, 201 с.

11. Красавин Е.А. Проблема ОБЭ и репарация ДНК. М.: Энергоатомиздат, 1989. 192 с.

12. Кузин А.М. Молекулярные механизмы биологического действия радиации высоких энергий. М.: Наука. 1968. 31 с.

13. Кузин А.М. Вечерние раздумья. М.: Советская Россия. 1985. 144 с.

14. Алексахин Р.М. Ядерная энергия и биосфера. М.: Энергоиздат, 1982. 215 с.

15. Бабаев Е.С., Демин Б.Ф., Ильин Я.А. и др. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда. /Под ред. акад. А. П. Александрова. / М.: Энергоатомиздат, 1984. 312 с.

16. Моссе И.Б. Радиация и наследственность: Генетические аспекты противорадиационной зашиты. Мн.: Университетское, 1990. 208 с.

17. Москалев Ю.И. Отдаленные последствия ионизирующих излучений. М.: Медицина. 1991. 464 с.

18. Чухин С.Г. Социально-экономические критерии приемлемости радиационного риска новых радиационных технологий. М.: Энергоатомиздат, 1991. 64 с.

19. Радиационная безопасность. Величины, единицы, методы и приборы. М.: Атомиздат. 1974. 140 с.

20. Радиационная защита. Публикация МКРЗ N26. М.: Атомиздат, 1978. 88 с.

21. Радиационная защита населения. Рекомендации МКРЗ. Публикации NN40, 43. М.: Энергоатомиздат, 1987. 80 с.

22. Количественное обоснование единого индекса вреда: Публикация N45 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1989. 88 с.

23. Филюшкин И.В., Петоян И.М. Теория канцерогенного риска воздействия ионизирующего излучения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.

24. Гозенбук Б.Л., Кеирим-Маркус И.Б. Дозиметрические критерии тяжести острого облучения человека. М.: Энергоатомиздат. 1988. 184 с.

25. Влияние ионизирующего излучения на развитие мозга эмбриона и плода. Публикация N49 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1992. 64 с.