Ионизирующее излучение - одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм, на первый взгляд, совершенно неэквивалентны величине поглощаемой энергии. Действительно, летальная доза для млекопитающих составляет 10 Гр (1000 рад), поглощаемая же при этом тканями и органами животных энергия могла бы повысить их температуру всего на тысячные доли градуса. Ясно, что само по себе такое повышение температуры не могло бы вызвать столь выраженного эффекта поражения; в то же время непосредственные прямые нарушения в химических связях биомолекул в клетках и тканях, возникающие вслед за облучением, ничтожны. Вместе с тем известно, что ни один из субстратов клетки in vitro не является столь радиочувствительным, как вся клетка in vivo. В связи с указанными обстоятельствами в настоящее время выдвигается гипотеза о возможности существования цепных автокаталитических реакций, усиливающих первичное дей- ствие, или о наличии в клетках систем положительных обратных связей, которые после возникновения поддерживаются независимо от существования породившей их причины.

Процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом клетки, в результате чего образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, являются первым этапом развития лучевого поражения. Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы в течение 10^-6 с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, ион-радикалы и др.). В этот же период возможно образование разрывов связей в молекулах за счет как непосредственного взаимодействия с иони-

зирующим агентом, так и внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения.

В дальнейшем развиваются реакции химически активных веществ с различными биологическими структурами, при которых отмечаются как деструкция, так и образование новых, несвойственных облучаемому организму соединений.

Последующие этапы развития лучевого поражения проявляются в нарушении обмена веществ в биологических системах с изменением соответствующих функций. У высших организмов это протекает на фоне нейрогуморальной реакции на развитие нарушения.

Явления, происходящие на начальных, физико-химических этапах лучевого воздействия, принято называть первичными, или пусковыми, поскольку именно они определяют весь дальнейший ход развития лучевых поражений.

3.1. Первичные процессы при действии ионизирующих излучений

При облучении биологических объектов, содержащих воду, находящуюся частично в свободном состоянии, а частично входящую в состав органелл соответствующих биосистем, принято считать, что 50% поглощенной дозы в «средней» клетке приходится на воду, другие 50% - на ее органеллы и растворенные вещества. В соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) можно говорить о непрямом и прямом действии ионизирующего излучения.

При взаимодействии ионизирующего излучения с водой происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так называемых молекулярных ионов, несущих положительный и отрицательный заряды. Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Н₂О - Н₂О+ + е₁, Н₂О + е_-1 - Н₂О^- .

Возникающие ионы воды, в свою очередь, распадаются с образованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой:

Н₂О+ - Н+ + ОН,

Н₂О^- - Н + ОН^-,

Н + ОН - Н₂О,

ОН + ОН - Н₂О₂, Н₂О₂ + ОН - Н₂О + НО₂.

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н, ОН и особенно НО₂ (гидропероксид). Последний радикал, обладающий высокой окислительной способностью, образуется при облучении воды в присутствии кислорода: Н + О₂ = НО₂. Выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода. Этим объясняется кислородный эффект при облучении, проявляющийся в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия. Кислородный эффект отсутствует при облучении биообъектов излучением с высоким значением ЛПЭ (например, нейтронами). Это явление объясняется тем обстоятельством, что при взаимодействии частиц с веществом создается высокая удельная концентрация радикалов ОН, при которой протекают следующие реакции:

ОН + ОН - Н₂О₂, Н₂О₂ + ОН - Н₂О + НО₂, Н₂О₂ + О₂Н - Н₂О + ОН + О₂, Н + О₂ - НО₂, НО₂ + ОН - Н₂О + О₂.

Таким образом, в этом случае кислород, необходимый для возникновения радикала НО₂, продуцируется непосредственно в зоне поглощения энергии, поэтому количество возникающих в данном случае окислительных радикалов не зависит от степени насыщенности растворов кислородом.

Возникшие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений, давая начало вторично-радикальным продуктам. Время жизни этих продуктов значительно больше по сравнению со сроком жизни первичных радикалов, поэтому для них возможно проявление большей избирательности действия.

Пути размена энергии при действии ионизирующих излучений могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизированных и возбужденных молекул:

А - А+ + е_-1; А - А*.

Важнейшими процессами, ведущими к химическим преобразованиям (а следовательно, к поражению) биомолекул, являются диссоциации А* на соответствующие молекулярные продукты, взаимодействующие с сенсибилизатором (например, О₂).

Кроме указанных механизмов размена энергии, возможны процесс переноса энергии возбуждения путем реабсорбции (пере- поглощения активатором света люминесценции растворителя), образование комплексов молекул растворителя и активатора с передачей энергии внутри этого комплекса, передачей энергии при столкновении (диффузионный механизм) и др. Конкурировать с перечисленными процессами поражения могут эффекты восста- новления, к которым относятся люминесценция и преобразование энергии возбуждения в тепло.

Следует подчеркнуть, что в результате прямого и непрямого действия ионизирующих излучений на биосубстрат возникают идентичные вторичные радикалы, которые могут служить объяснением определенной специфичности радиационно-химических превращений.

Дальнейшие этапы развития радиационного поражения молекулярных структур и наиболее радиочувствительных надмолеку- лярных образований сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов. Так, например, облучение белковых растворов приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеводных связей. Все эти процессы наблюдаются при поглощении достаточно высоких доз - порядка сотен тысяч рад и более. При облучении целостного организма в первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот в тканях.

При общем облучении экспериментальных животных дозой 5 Гр понижается уровень метионина (важнейшего донора метальных групп) на 75%, триптофана на 26%, что оказывает большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому замедлению биосинтеза белков. Отмечаемое уменьшение содержания сульфгидрильных групп в тканях облученных животных относится к наиболее ранним радиационным изменениям. В дальнейшем оно прогрессирует и достигает более 50% исходного уровня на 5-е сутки при облучении дозой 6 Гр. Считается, что начальная инактивация сульфгидриль-

ных групп вызывается короткоживущими радикалами, а в дальнейшем она происходит за счет действия стойких перекисей.

Различные ферментные системы реагируют на облучение неодинаково. Активность одних ферментов после облучения возрастает, других понижается, третьих остается неизменной. Важно отметить, что при облучении организма происходят повреждение систем синтеза нуклеиновых кислот и стимуляция ферментных систем, деполяризующих эти макромолекулы.

К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование. Нарушение этого процесса отмечается уже через несколько десятков минут после облучения дозой 1 Гр. Оно проявляется в повреждении системы генерирования аденозинтрифосфата, без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.

Высокой чувствительностью обладают дезоксирибонуклеиновые комплексы (ДНК клеточного ядра в комплексе с щелочными белками, РНК и ферментами). Уже через несколько минут после облучения происходят высвобождение нуклеиновой кислоты из дезоксинуклеопротеида и одновременное накопление нуклеиновых кислот в цитоплазме облученных клеток. Предполагается, что в этом случае в первую очередь поражаются связи белок-белок и белок-ДНК.

Облучение простых сахаров значительными дозами приводит к их окислению и распаду, в результате чего образуются органические кислоты и формальдегид. Облучение растворов полисахаридов (на- пример, крахмала) сопровождается значительным понижением их вязкости, появлением простых сахаров (глюкозы, мальтозы) и др.

При дозах 5-10 Гр выявлены изменения в мукополисахаридах. Так, понижается вязкость гиалуроновой кислоты, теряется ее способность к соединению с белком. Облучение другого мукополисахарида - гепарина - приводит к его деполяризации, сопровождающейся потерей антикоагулянтных свойств. При облучении целостного организма содержание гликогена снижается в скелетных мышцах, печени и ряде других тканей, как предполагают, в результате нейрогуморальной реакции на облучение. Кроме того, нарушаются процессы распада глюкозы и в первую очередь анаэробного гликолиза. Отмечаются изменения и в обмене высокополимерных полисахаридов - гиалуроновой кислоты и гепарина.

При действии ионизирующих излучений на липиды образуются перекиси, которым придают особо важное значение в развитии лу-

чевого поражения. Схема реакций в этом случае может быть представлена так:

При облучении организма снижаются содержание липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови, что, по-видимому, связано с изменениями углеводного обмена. Наряду с некоторой стимуляцией синтеза липидов происходит также повышенная их окисляемость, в результате которой возникают перекиси. При этом образование перекисей обусловлено не столько прямым действием радиации, сколько результатом угнетения ряда антиоксидантов. Необходимо также отметить, что в результате действия радиации обнаруживаются изменения в липопротеинах во внутриклеточных структурах, в частности в митохондриях и микросомах.

Перечисленные выше некоторые поражения молекулярных структур, возникающие в результате облучения, далеко не исчер- пывают все сведения, которые накоплены к настоящему времени в этой области. Вместе с тем эта информация до настоящего времени пока еще носит описательный качественный характер.

3.2. Действие ионизирующих излучений на клетку

Повреждением биологически важных макромолекул далеко не полностью объясняется ионизирующее поражение клетки. Клетка - слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые скомпонованы в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции. Поэтому эффект действия источников ионизирующих излучений можно понять, лишь приняв во внимание изменения, происходящие как в самих клеточных органеллах, так и во взаимоотношениях между ними.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреж-

дения этих структур наступают при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатиче- ских клеток дозой 0,5 Гр и более процессы окислительного фосфорилирования угнетаются в ближайшие часы облучения. При этом обнаруживаются изменения физико-химических свойств нуклеопротеидных комплексов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения ДНК и разобщается процесс синтеза ДНК- РНК-белок. В ядрах радиочувствительных клеток почти тотчас же после облучения угнетаются энергетические процессы, ионы натрия и калия выбрасываются в цитоплазму, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, выявляемые в период клеточного деления, хромосомные аберрации и точковые мутации, в результате которых образуются белки, утратившие свою нормальную биологическую активность. Более выраженной радиочувствительностью, чем ядра, обладают митохондрии. Так, зна- чительные изменения в структуре митохондрий лимфатических клеток селезенки обнаруживаются уже через 1 ч после облучения дозой 1 Гр. Эти изменения проявляются набуханием митохондрий, деструкцией крист и просветлением матрикса. В ряде случаев отмечаются повреждения мембраны митохондрий, проявляющиеся прежде всего в резком угнетении процессов окислительного фосфорилирования. В чувствительных к излучению тканях это нарушение обнаруживается уже при дозах фотонного излучения 0,5-1 Гр.

Эффект воздействия ионизирующего излучения на клетку - результат комплексных взаимосвязанных и взаимообусловленных преобразований. По А.М. Кузину, радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа.

На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе фотонного излучения 10 Гр в клетке образуется до 3?10⁶ ионизированных и возбужденных молекул. При этом в ядре должно возникнуть около 9?10⁵ активных центров, в каждой митохондрии - 900 центров, в эндоплазматическом ретикулуме - 4,5?10⁵ и в каждой лизосоме - около 200 активных центров. На эти процессы прямого воздействия расходуется до 80% поглощенной энергии. Кроме того, от 25 до 50% образовавшихся в результате радиолиза воды радикалов реагируют с макромолекулами клетки.

Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах. В белках, вероятно, это SН-группы, в

ДНК - хромофорные группы тимина, в липидах - ненасыщенные связи. Указанный этап повреждения может быть назван физической стадией лучевого воздействия на клетку.

Второй этап - химические преобразования, соответствующие процессам взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, радикалами воды и биомолекулами, а также возникновению органических перекисей, вызывающих быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Радикалы, появляющиеся в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул, взаимодействуют с образованием сшивок, в результате чего нарушается структура биологических мембран. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов. Вследствие повреж- дения лизосомных мембран увеличивается активность ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов.

Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности, соответствуют третьему этапу лучевого поражения клетки - биохими- ческому.

Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы клетки и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков. Было бы неправильным особо выделять какое-то одно биохимическое нарушение, возникающее при этом, так как радиационный эффект отмечается в результате многих самых разнообразных повреждений тонко сбалансированного механизма биохимических реакций. Вместе с тем, рассматривая действие радиации на клетки, можно говорить о ведущих повреждениях, приводящих к нарушению той или иной функции. Так, нарушения процессов окислительного фосфорилирования связаны с повреждением структуры митохондрий. В то же время указанные нарушения могут возникать в результате повреждения лизосом и высвобождения из них гидролитических ферментов. Изменения в клеточном ядре способны приводить к синтезу ферментов с измененной или утраченной активностью и т.д. Действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным вследствие физического, химического и био-

химического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью.

В зависимости от количества этих структур в клетках в определенной степени изменяется и их радиочувствительность. Так, при удвоенном количестве ДНК в клетке при облучении повышается содержание части ДНК в неповрежденном виде. Поэтому диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные. Уменьшение числа митохондрий повышает степень поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает.

Радиочувствительность клеток в значительной мере зависит от скорости протекающих в них обменных процессов. Клетки, для которых характерны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, обладают более высокой радиочувствительностью, чем клетки, пребывающие в стационарной фазе.

Наконец, следует подчеркнуть, что конечный эффект облучения является результатом не только первичного повреждения клеток, но и последующих процессов восстановления. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализации потенциальных повреждений не произошло, клетка может в них восстановиться. Такое восстановление, как предполагается, связано с ферментативными реакциями и обусловлено энергетическим обменом. Считается, что в основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса.

Таковы современные взгляды на механизм развития поражения клетки, возникающего при действии ионизирующих излучений. Если принять в качестве критерия чувствительности к ионизирующему излучению морфологические изменения, то ткани клетки и органы человека по степени снижения чувствительности можно расположить в следующем порядке: гонады и красный костный мозг; толстая кишка, легкие и желудок; мочевой пузырь, молочная железа, печень, пищевод, щитовидная железа; кожа и клетки костных поверхностей; остальные органы и ткани.

Генетическое действие ионизирующих излучений

Мутагенное воздействие ионизирующей радиации впервые установили советские ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филатов в 1925 г. в опытах на дрожжах. В 1927 г. это открытие было подтверждено Г. Меллером на классическом генетическом объекте - дрозофиле.

Ионизирующие излучения способны вызывать все виды наследственных перемен или мутаций (мутация - это всякое изменение наследственных структур). К ним относятся геномные мутации (кратные изменения гаплоидного числа хромосом), хромосомные мутации или хромосомные аберрации (структурные и численные изменения хромосом) и точковые или генные мутации (изменения молекулярной структуры генов).

Спектр мутаций, индуцированных ионизирующими излучениями, не отличается от спектра спонтанных мутаций.

Генные мутации. На основании количественного учета генных мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с лабораторными животными позволили сделать вывод, что частота летальных мутаций в половых клетках возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения. Экстраполяция этих данных приводит к выводу о том, что любая сколь угодно малая доза ионизирующего излучения повышает частоту мутаций по сравнению с уровнем спонтанных мутаций.

На ранних этапах оценки эффектов облучения по частоте возникновения мутаций считалось, что фракционирование дозы дает такой же эффект, как и доза однократного облучения.

Исследования последних лет, проведенные с облученными мышами, радикально изменили эту точку зрения. Полученные резуль- таты позволили предположить, что между индукцией первичного повреждения и его конечной реализацией происходит репарация и что удлинение экспозиции или фракционирование дозы менее 8 мГр-мин^-1 (до 0,007 мГр-мин^-1) при воздействии на сперматогонии мышей вызывает 1/3 мутаций, образующихся при облучении с большей мощностью дозы. Сходным образом фракционирование дозы дает меньше мутаций, чем одномоментное облучение.

Хромосомные мутации. В результате действия ионизирующих излучений на хромосомы возникает большое количество хромосомных перестроек. Различные типы хромосомных перестроек по-

разному зависят от дозы облучения. Частота хромосомных перестроек, происходящих в результате одиночного разрыва (например, деления-нехватки), находится в линейной зависимости от дозы. Частота же хромосомных перестроек, возникших в результате двух независимых одновременных разрывов и соответственно основанных на них двуударных перестроек (например, транслокаций), возрастает пропорционально квадрату дозы вследствие того, что вероятность одновременного возникновения двух независимых событий равна произведению вероятностей.

Прямые цитологические исследования - подсчет клеток с нарушенными хромосомами - показали, что возникновение хромосомных аберраций зависит от плотности ионизации. Излучения с меньшей энергией и большей плотностью ионизации более эффективно способствуют хромосомной перестройке. Нейтроны, обладающие, например, энергией 7,5 МэВ, вызывают больше хромосомных перестроек, чем нейтроны с энергией 15 МэВ. В опытах с рентгеновским излучением показано, что его эффективность зависит от длины волны: более эффективно рентгеновское излучение с длиной волны 4,1 А, менее эффективно с длиной волны 0,15 А. Еще менее эффективно