Теории косвенного и прямого действия

В настоящее время в радиобиологии существуют две концепции действия радиации на живые организмы. Чаще они называются теориями косвенного и прямого действия.

Согласно первой из них, ионизация, вызванная излучением, происходит в особых молекулах, входящих в состав чувствительных областей клеток. Их всех первичных процессов, происходящих в них под действием радиации, играют ионизация и связанные с ней химические изменения. Под действием ионизирующих излучений в воде образуются катионы и анионы:

Н₂О ® Н₂О⁺ + е^-

Н₂О + е^-® Н₂О^-

Эти ионы отличаются от ионов воды, образующихся в естественных условиях в процессе электролитической диссоциации. Они характеризуются неустойчивой электронной структурой, так как имеют нечетное число электронов на внешней орбите и свободную валентность. По этим причинам эти ионы не могут долго существовать и быстро диссоциируют с образованием свободных радикалов.

Положительный ион (катион) воды диссоциирует на протон и свободный радикал гидроксила: Н₂О⁺ ® Н⁺ + ОН ^•

А отрицательный ион (анион) воды образует при диссоциации свободный радикал водорода (атомарный водород) и анион гидроксильной группы:

Н₂О ^- ® Н ^• + ОН^-

Свободные радикалы водорода и гидроксила обладают очень высокой химической активностью и не могут существовать длительное время. Поэтому они начинают взаимодействовать как между собой, так и с другими биологически важными молекулами:

1). Н ^• + ОН ^• ® Н₂О 2). Н ^• + Н ^• ® Н₂ ↑

3). ОН ^• + ОН ^• ® Н₂О₂ 4). ОН ^• + ОН ^• ® Н₂О + О↑

Свободные радикалы, перекись водорода и атомарный кислород обусловливают химические изменения в различных частях клеток, которые приводят к развитию радиобиологических эффектов.

До открытия свободных радикалов воды радиобиология объясняла действие радиации на живые клетки прямым эффектом.

В конце 20-х - начале 30-х г.г. прошлого столетия Дж. Кроутер (Кроузер), а также Ф. Хольвек и А. Лакассань, анализируя кривые зависимости эффекта (гибель клеток) от дозы облучения, для объяснения его вероятностного характера вводят представление о наличии в клетке особого чувствительного объёма - «мишени». Попадание ионизирующей частицы в «мишень» и вызывает наблюдаемый эффект.

При изучении действия радиации на простейших и биологически активные молекулы Кроутер установил, что зависимость их инактивации от величины дозы облучения носит экспоненциальный характер. То есть, эффективность облучения резко падала, когда погибало около 90% объектов, а для оставшихся 10 % необходимо было увеличить дозу в 2 раза.

Это объяснялось тем, что вероятность попадания ионизирующих частиц или квантов в неповрежденные объекты уменьшается, так как в среде их содержание уменьшается в 10 раз от начального количества. На основе этой зависимости Кроутер пришел к выводу, что инактивация клеток или молекул происходит в результате одного попадания (одноударный механизм).

Теория «мишени» как формальное обобщение мно-

гих наблюдаемых явлений была окончательно сфор-

мулирована английским учёным Д. Ли (1946), немец-

ким учёным К. Циммером и нашим выдающимся соотечественником биологом-эволюционистом, гене-

тиком, одним из основателей радиобиологии Н.В.Тимофеевым-Ресовским (1947).

Н.В.Тимофеев-Ресовский

(1900-1981)

По образному выражению Николая Владимировича и в настоящее время не решен радиобиологический парадокс: «крайнее несоответствие между ничтожной величиной поглощенной энергии ионизирующего излучения и крайней степенью выраженности реакции организма, вплоть до летального исхода».

Дуглас Ли в своих исследованиях развил гипотезу Кроутера и сформулировал понятие «мишени». Он предположил, что в клетках имеются особо чувствительные места, т.е. мишени, при попадании в которые частиц или квантов происходит инактивация ферментов или гибель клеток. Ли также сформулировал новое положение о многоударном механизме поражения.

Было установлено, что оно вызвано не только попаданием самой частицы в клеточные структуры, но также и действием других факторов: температуры, содержанием воды и кислорода, рН среды и наличием защитных веществ-радиопротекторов.

Среди первых радиопротекторов были, в основном, вещества, содержащие в своей молекуле аминную (- NH₂) и тиольную (- SH) группы. В дальнейшем, в экспериментах на лабораторных животных и клетках, были изучены защитные свойства десятков тысяч препаратов различной химической природы и было выявлено, что наиболее эффективными остаются упомянутые аминные и тиольные радиопротекторы.

Существующие радиопротекторы были и остаются все еще далекими от

совершенства - главным препятствием для их использования в клинике является подчас высокое побочное токсическое действие препаратов. Поэтому в медицинской практике используются только немногие из противолучевых химических соединений, однако и они оказываются неэффективными при очень высоких (летальных) дозах облучения организма. Радиопротекторы, как средства индивидуальной химической профилактики, нашли применение в чрезвычайных ситуациях на предприятиях атомной промышленности при выполнении срочных работ в условиях повышенной радиации и при полетах в космосе.

Уже в середине XX столетия стало известно, что с помощью различных

препаратов (вводимых непосредственно до облучения) можно не только защитить организм, но и усиливать действие на него ионизирующей радиации (так называемые радиосенсибилизаторы, которые стали применяться в клинике, например, при лучевой терапии рака).

Появление радиопромодификаторов поставило новую важную задачу: оценить механизм их действия, механизм коррекции радиационного процесса, а для этого - исследовать первичный, ведущий биофизический механизм лучевого поражения [76].

Для примера поподробнее разберем значение концентрации кислорода в развитии пострадиационных эффектов в тканях. Из многообразных проявлений радиомодифицирующих свойств кислорода первым было обнаружено ослабление поражения биообъекта при снижении концентрации кислорода в окружающей среде во время облучения. В 1909 г. рентгенотерапевт Г. Шварц наблюдал отсутствие лучевого поражения в ишемизированных (из-за давления тубуса рентгеновского аппарата) участках кожи пациентов, подвергавшихся короткофокусной рентгенотерапии.

В строго контролируемых условиях радиозащитное действие гипоксии было впервые показано Д. Дауди в 1950 г. Он использовал предельно переносимое снижение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе (для мышей – до 7%, а для крыс – до 5%) и получил 100%-ную выживаемость животных при абсолютно смертельных дозах облучения.

В 1953 г. английский ученый Луи Гарольд Грей опубликовал результаты изучения зависимости радиочувствительности различных биообъектов от парциального давления или концентрации кислорода в среде. Оказалось, что эта зависимость не только по знаку, но и по величине близка у всех изученных организмов. Если их радиочувствительность в усло-

виях экстремальной гипоксии принять за 1, то в тех

Л. Грей (1905-1965) же условных единицах радиочувствительность организмов при нормоксии и гипероксии составит уже 3.

Из этого следует, что при малых значениях напряжения кислорода (как, например, в тканях млекопитающих) даже незначительные изменения оксигенации сопряжены со значительными сдвигами радиочувствительности биообъектов.

Напротив, при напряжении кислорода в среде, близком к его парциальному давлению в атмосферном воздухе при нормальных условиях, радиочувствительность максимальна и уже не может быть увеличена дальнейшим повышением содержания кислорода во внешней среде.

В 1956 г. Т. Альпер и П. Говард-Фландерс предложили формулу, описывающую зависимость радиочувствительности биообъекта от концентрации кислорода во внешней среде: ( S_o - S_n): S_n = (m - 1)•[O₂]:[O₂]+К,

где So - радиочувствительность биообъекта при данной концентрации кислорода;

Sn - радиочувствительность биообъекта в условиях аноксии;

m – максимальная радиочувствительность биообъекта;

[O₂] - данная концентрация кислорода;

K - концентрация кислорода, соответствующая промежуточной (средней) радиочувствительности биообъекта.

Левая часть данного уравнения выражает изменение радиочувствительности биообъекта при переходе его от аноксии в нормоксическое состояние. Она максимальна для электромагнитных излучений с низкой удельной ионизацией, меньше - для нейтронов и близка к нулю - для тяжелых заряженных альфа-частиц.

Это объясняется чрезвычайно высокой концентрацией свободных радикалов кислорода в треках ускоренных заряженных частиц. Величины m и К – это константы для каждого данного биообъекта. Причем, по данным Л. Грея (1959), значения константы К совпадают для различных организмов и находятся в интервале 4-6 мкМ (микромолей)/л, что соответствует напряжению кислорода 2-3 мм рт.ст.

Уравнение Т. Альпер и П. Говард-Фландерс имеет смысл только для волновых ионизирующих излучений, тогда как для корпускулярных излучений обе части уравнения стремятся к нулю (цит. по: Бутомо Н.В. и др., 2001).

В итоге следует признать справедливость основных положений обеих теорий, так как радиобиологическое поражение живой структуры представляет собой комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, протекающих на молекулярном, генетическом и физиологическом уровнях живой клетки и целостного организма.

Поэтому причинами тех или иных изменений в биосубстратах могут быть как прямое действие радиации на различные биокомпоненты, так и косвенное воздействие за счет реакций с продуктами радиолиза воды.