Проблема «малых доз» ионизирующей радиации и идея «гормезиса» в радиационной биохимии

Изучение закономерностей биологических, биохимических эффектов малых доз ионизирующих излучений становится все более актуальным в связи с облучением больших популяций людей и биосферы в целом малыми дозами ионизирующего излучения.

При изучении действия ионизирующего излучения на организмы за «малые» дозы принимаются такие, которые не вызывают заметных нарушений жизнедеятельности; при которых через ядро клетки проходит одна ионизирующая частица. В зависимости от размеров ядра клетки это дозы порядка 10 мГр.

Общая доза внешнего и внутреннего облучения человека равна в среднем 1 мЗв/год. В отдельных регионах с повышенным содержанием радионуклидов в земной коре и на больших высотах доза превышает среднюю в 10 и более раз.

Для обозначения положительного действия малых доз ионизирующего излучения используется термин радиационный гормезис.

Гормезис — это неспецифический эффект воздействий на живые организмы в малых дозах (концентрациях), вызывающих изменения, диаметрально противоположные повреждающим эффектам при воздействии в больших дозах.

Под радиационным гормезисом принято понимать благоприятный эффект ионизирующего облучения при малых дозах, выражающийся в стимулирующем действии облучения на организм.

Эффект гормезиса обнаруживается на разных уровнях организации живых систем. Абсолютные величины диапазона малых доз для разных биологических объектов сильно отличаются. Облучение в малой дозе в определённом интервале доз способно вызывать состояние повышенной радиоустойчивости.

Результаты исследований, полученные в последние годы, весьма определенно свидетельствуют о том, что облучение в малых дозах вызывает многочисленные структурные перестройки в клеточных мембранах, сохраняющиеся длительное время после облучения и приводящие к изменению функциональной активности клеток. В структурно-метаболической теории А. М. Кузина (1986), а также в концепции «мембранного механизма биологического действия малых доз» JI. X. Эйдуса (2001) приводятся доказательства, что первичной мишенью действия радиации в малых дозах является не ДНК, а именно клеточные мембраны, и в этом состоит принципиальное отличие эффектов, вызываемых облучением в малых дозах по сравнению с большими. Ионизирующая радиация в летальных и сублетальных дозах вызывает увеличение в мембране окислительных процессов, в частности усиление процессов перекисного окисления липидов, в результате которого происходит окислительная деградация мембранных структур (Кудряшов, 2004).

Плодотворным оказалось направление исследований в изучении процессов перекисного окисления липидов биологических мембран, что позволило оценить вклад изменений окислительно-восстановительного гомеостаза и оксидативного стресса в развитие пусковых реакций эффектов, вызываемых облучением в малых дозах.

И.А. Бондарчук пришёл к выводу о том, что ключом в понимании радиоадаптивного ответа клетки на действие радиации в малых дозах является первичное усиление процессов перекисного окисления липидов в плазматической мембране с последующей активацией находящихся на биологической мембране рецепторов факторов роста клеток. В результате этого происходит запуск каскадов реакций эксцизионной репарации ДНК и апоптоза. Происходящая под влиянием адаптирующих доз радиации программированная выбраковка наиболее радиочувствительной клеточной субпопуляции способствует проявлению в оставшейся устойчивой части популяции клеток способности к адаптивному ответу.

Существование такого парадоксального явления как радиационный гормезис подтверждено в разных лабораториях и на различных объектах. Малые дозы активируют иммунную систему у разных видов животных и ключевые мембранносвязанные ферменты, в частности аденилатциклазу, активируют репарационные системы и повышают устойчивость клеток и организма к последующим более высоким дозам облучения. Важным проявлением радиационного гормезиса является феномен так называемого адаптивного ответа, заключающийся в повышении устойчивости различных биологических объектов к воздействию поражающих доз радиации в случае предварительного облучения в малой (порядка 1 сГр) дозе. Этот эффект проявляется при облучении клеток по выходу хромосомных аберраций, по выходу мутаций, при облучении животных по критериям, характеризующим поражение критических систем, по выживаемости животных и т. д.

При облучении клеток в диапазоне малых доз на молекулярном уровне показано образование гидроксилрадикала, который окисляет различные протеины с возникновением гидропероксидов белков и опосредует перекрестные сшивки ДНК с окисленными белками. Наблюдения показали, что этот процесс идет спонтанно и не прекращается внутриклеточными антиоксидантами, а образованные таким образом сшивки с ДНК являются, вероятно, ковалентными, то есть прочными.

Под влиянием биохимических сдвигов, обусловленных Под влиянием биохимических сдвигов, обусловленных оксидативным стрессом, происходит модификация структурно-функциональных свойств мембран, которая затрагивает их белковый и липидный компоненты. Радиоиндуцированные нарушения мембран обусловлены не только процессом неферментативного переокисления липидов, но и активацией фосфолипазы А2 с дальнейшим эндогенным гидролизом фосфолипидов и повышением пула свободных жирных кислот, которые из-за своей гидрофобности остаются после отщепления в липидном бислое, нарушая его упорядоченность.

В целом, характерным для действия малых доз облучения в биомембранах являются нарушения их проницаемости, активности мембраносвязанных ферментов, регуляции синтеза ДНК и условий образования ДНК-мембранного комплекса, регуляции мембранами связывающей способности рецептирующих структур с их сигнальными молекулами, учитывая то, что ионизирующие излучения повреждают систему цАМФ и фосфодиэстеразы.

Радиация (как и другие загрязнения окружающей среды) не только нарушает функционирование живых структур, но и активизирует имеющиеся в каждом организме защитные системы (цито-генетические, иммунологически и др.): повышается концентрация супер-оксиддисмутазы, уничтожающей возникшие при ионизации радикалы, включаются системы иммунного надзора, быстрее обновляются клеточные популяции и т. д.

К настоящему времени во всем мире проведено большое число лабораторных экспериментов. Во всех этих исследованиях регистрировался эффект радиационного гормезиса. Приведем результаты некоторых из них.

Так, облучение при дозе 15 мГр подавляло рост опухолей после введения раковых клеток мышам; облучение при той же дозе уменьшало число метастазов в легких мышей и крыс; облучение при дозе 1 мГр снижало частоту неопластической трансформации клеток; хроническое облучение мышей в течение 5 сут при ежедневной дозе 1 мГр подавляло возникновение у них лимфомы щитовидной железы.

У облученных при малых дозах ранними радиогенными биохимическими симптомами являются подъем уровня катаболитов липоперекисного каскада с одновременным и сопряженным истощением системы незаменимых антиоксидантов, объединенных в понятие «чернобыльский синдром». Как следствие радиогенного истощения антиоксидантов, индексы разветвления липоперекисного каскада и соматические индексы (гипермутагенез хромосом лимфоцитов и стигмирование новорожденных) растут по коррелирующим гиперболам. Число случаев увеличения щитовидной железы и расстройств зрения (в основном синдром сухих глаз) зависело от уровня радиоактивного загрязнения. У детей, проживающих в Чернобыльской зоне, наблюдался повышенный уровень продуктов перекисного окисления.

Таким образом, термин «малые дозы» — условное понятие. Величина малых доз различна для разных уровней организации живых систем, и определяется она характерными проявлениями биологических эффектов, вызываемых слабым однократным и (или) хроническим радиационным воздействием.