Радиочувствительность и ее модификация

Радиочувствительность является кардинальным понятием всегда, когда мы анализируем последствия действия ионизирующих излучений на биои экосистемы. Разные клетки, ткани, органы или организмы характеризуются своей восприимчивостью к воздействию или, как часто говорят, своей видовой радиочувствительностью. В пределах одного вида радиочувствительность разных популяций может сильно различаться. Что касается, например, человека, то индивидуальная радиочувствительность зависит от возраста и пола, от физического состояния человека.

Даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности. Наряду с радиочувствительными (кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются радиоустойчивые ткани (мышечная, нервная, костная), которые принято называть радиорезистентными. В то же время деление тканей на радиочувствительные и радиорезистентные условно, так как зависит от избранного критерия. Например, ткани, относящиеся к радиорезистентным по непосредственным лучевым реакциям, могут оказаться весьма радиочувствительными по отдаленным последствиям.

Проблема радиочувствительности занимает центральное место в радиобиологии и радиоэкологии. Особенно это проявляется тогда, когда к рассмотрению какого-то события или явления привлечено большое внимание общественности или этим занимаются общественные организации. Интерпретация термина «радиочувствительность» должна быть достаточно четкой. Нужно понимать, например, что иногда используемый термин «радиопоражаемость» — не более чем синоним термина «радиочувствительность».

Радиочувствительность является примером многочисленных реакций биосистемы на воздействие излучения. Можно взять вполне определенную реакцию и характеризовать радиочувствительность по проявлению этой реакции вне зависимости от ее значения для жизнеспособности объекта. Однако многие лучевые реакции строго специфичны для определенных объектов (в частности, для определенных тканей и систем) и отсутствуют у других. Итак, при сравнении радиочувствительности необходимо использовать адекватные методы и критерии, несоблюдение этого условия ведет, в лучшем случае, к терминологической путанице.

Обратимся к наиболее простым биологическим объектам — клеткам. Здесь подсчет хромосомных аберраций или микроядер позволяет довольно точно оценить радиочувствительность клеток, однако оба метода трудоемки. Большинство данных о радиочувствительности клеток получены путем изучения выживаемости клеток с помощью оценки их клоногенной способности, под которой понимается способность клетки образовывать видимую невооруженным глазом колонию.

Даже здесь при сравнении радиочувствительности двух различных клеточных популяций нужно использовать адекватные критерии оценки, так как различия в чувствительности, например отдельных стадий клеточного цикла, по разным показателям могут не только не совпадать по величине, но и характеризоваться обратными отношениями.

В наиболее общем случае в качестве меры радиочувствительности удобно использовать величину, обратную отношению доз ионизирующего излучения, вызывающих количественно равные специфические эффекты (одного типа) в сравниваемых системах. Пусть N — число выживших клеток из общего их начального количества — N₀. Снижение выживаемости с возрастанием дозы описывается выражением вида.

где D₃₇—доза, при которой доля живых клеток уменьшается по сравнению с исходной в е раз^[1]. Значения ?>₃₇ применяют в радиобиологии для определения радиочувствительности (S) биосистем: S = 1 /D₃₇, т. е. под радиочувствительностью биообъектов понимают меру чувствительности их к действию ионизирующего излучения.

Для большинства радиоэкологических задач в качестве интегрального критерия радиочувствительности обычно используют либо непосредственно изменение выживаемости изучаемых объектов в результате облучения в определенных дозах, либо такие количественные показатели поражения, которые в данном диапазоне доз однозначно связаны определенным соотношением с выживаемостью. В экологии наиболее часто с этой целью используют величину ЛД_50/30 — так называемую летальную дозу, вызывающую гибель 50% животных за 30 дней. Выбор 30 дней для наблюдения за состоянием животных основывается на том обстоятельстве, что острый период заболевания у млекопитающих обычно заканчивается к концу первого месяца после облучения. Для краткости в дальнейшем мы будем обозначать эту дозу как ЛД₅₀.

Дозы излучения, приводящие разные биообъекты к гибели, различаются в очень широких пределах. Так, для клеток лимфоидного происхождения достаточно ~1 Гр, а для некоторых одноклеточных необходимы тысячи Гр. В табл. 4.1 приведены величины летальных доз для разных биологических видов.

Таблица 4.1

Значения ЛД₅₀ для разных биологических видов.

Наиболее низкой радиочувствительностью (или иначе — высокой радиорезистентностью) обладают бактерии Micrococcus radiodurens (микрококк радиорезистентный), обнаруженные в канале ядерного реактора, где поглощенная доза за сутки составляла ~10^б Гр. В этих условиях бактерии не только не погибали, но и продолжали размножаться.

Подводя итоги, мы можем сказать, что мерой количественной оценки радиочувствительности является доза облучения, при которой возникает регистрируемый эффект. При сравнении радиочувствительности различных биологических систем (например, клеток, тканей или животных) должны использоваться адекватные критерии — в одинаковой мере легко регистрируемые в сравниваемых системах.

Коль скоро радиочувствительность является чрезвычайно важным свойством биосистем, не удивительно, что к проблеме изменения ее в нужном для человека направлении было всегда приковано внимание ученых. Наиболее активно проблема модификации радиочувствительности начала развиваться после 1945 г. в связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия, когда возникла реальная угроза возникновения массовых лучевых поражений человека. Внимание ученых в тот период было привлечено к поиску средств противолучевой защиты. Затем общим направлением исследований стало ослабление или усиление радиочувствительности в зависимости от поставленной задачи. Были развиты такие методы, как изменение выхода первичных радиационно-химических реакций, дезактивация свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза, активация или ингибирование репарационных процессов.

Модификацию радиобиологическх эффектов стали осуществлять на разных уровнях организации клетки, вторгаясь в разные этапы формирования лучевого поражения.

Еще в 1909 г. Г. Шварц обнаружил явление усиления лучевого поражения организмов в присутствии кислорода (при повышении его концентрации) по сравнению с поражением при облучении в условиях гипоксии или аноксии. Кислородным эффектом принято называть явление зависимости тяжести лучевого поражения от содержания кислорода в окружающей клетки среде — усиление при повышении концентрации и уменьшение при ее снижении.

Кислород влияет на радиочувствительность вследствие его высокого сродства к электрону. Он легко присоединяется к макромолекулам ДНК в местах разрывов межатомных связей, вызванных ионизацией. Присоединение кислорода снижает эффективность работы систем репарации ДНК. Радиорезистентность клеток быстро увеличивается при снижении парциального давления кислорода ниже 20 мм рт. ст. Максимум резистентности достигается в аноксических условиях. Наоборот, увеличение парциального давления кислорода свыше 20 мм рт. ст. на радиочувствительности клеток практически не сказывается.

Кислород является наиболее значимым модификатором радиочувствительности, но не единственным. В арсенале ученых имеются различные модификаторы лучевого поражения (радиомодификаторы), различающиеся по своей физической и химической природе.

Для оценки радиомодифицирующего эффекта используют разные критерии. Наиболее употребительным является фактор изменения дозы (ФИД) — отношение равноэффективных доз в опыте и контроле; при этом как при усилении, так и при ослаблении лучевого эффекта берется отношение большей дозы к меньшей. Если радиомодифицирующий эффект обусловлен кислородом, то говорят о коэффициенте кислородного усиления (ККУ). Значение ФИД (ККУ) может достигать нескольких единиц. Например, в опытах по изучению выживаемости клеток китайского хомячка кислород сенсибилизировал клетки, что дало ФИД = 2,8. Считается, что при действии редкоионизирующих излучений ФИД аноксии достигает 3 в области больших доз и составляет 2,0—2,5 при облучении клеток в дозах до 2 Гр. Радиомодифицирующий эффект кислорода зависит от ЛПЭ излучений. Эффект максимален при действии редкоионизирующих излучений (ЛПЭ в диапазоне 1—2 кэВ/мкм) и исчезает при ЛПЭ —150 кэВ/мкм.

• [1] При этой дозе радиации 37% от исходного количества биообъектов оказываютсянепораженными (сохранившими свои исходные свойства), а 63% клеток погибает.