ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ

На основе представления о прямом действии ионизирующих из​лучений возникла теория мишени и попаданий, выдвинутая Дессауэром, а в последующем развитая Кроутером, Тимофеевым-Ресовс​ким, Циммером, Ли и другими исследователями.

Теория мишени и попаданий.Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — ми​шени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнерге​тических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки.

Попадание в мишень — вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее (доза-эффект); чем меньше, тем оно менее веро​ятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно.

В опытах на микробных клетках была показана количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом: с увеличени​ем дозы излучений в геометрической прогрессии увеличивается ко​личество поврежденных единиц в объеме облучения. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно опи​сать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попа​дания (это для микробных клеток, бактерий, вирусов).

В определенном диапазоне малых доз число пораженных мишеней при одноударном поражении строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества, в связи, с чем зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. 1а). С повышением дозы излучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличи​вается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональ​ным дозе, их эффективность (на единицу дозы) уменьшается_;и ко​личество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптоти​чески приближаясь к 100% (см. рис. 1б). Иначе говоря, количе​ство жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы.

Рис. 1.Зависимость изменения эффекта от дозы излучения: а и б — со​ответственно при малых и больших дозах (по Д. Ли, 1963)

Для инакти​вации и разрушения клеток животных и растительных тканей тре​буется более одного попадания в мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена. Поэтому данный процесс называется многоударным, и гибель клеток описывается S-образно кривой, вычерченной в нормальных координатах.

Рис. 2.Дозовые кривые выживания для объектов с различной ударностью мишени: а — в обычном масштабе (S-образные, или сигмоидные, кривые; число ударов обозна​чено на кривых); б—в полулогарифмическом масштабе

При изображении таких кривых в полулогарифмическом мас​штабе (см. рис. 11.2, б) они (см. гл. 7) приобретают плечо, перехо​дящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадает с наклоном соответствующей одноударной кривой. При экстраполи​ровании прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мише​ней»(или их числу). Изображение многоударных кривых в полуло​гарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число,характеризующее число ми​шеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клетки.

Таким образом, в основе теории мишени лежат два положения. Первое из них — принцип попадания – характеризует особенность действующего агента (излучения). Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т. е. поглощения пор​ций энергии при случайном попадании в мишень. Второе положе​ние — принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и то же попада​ние.

Однако эта теория многое не объясняет, в частности зависимос​ти радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облу​чаемой среде кислорода. Было замечено, что понижение температу​ры и снижение концентрации кислорода в среде снижают радиаци​онный эффект, т. е. гибель клеток уменьшается.

По мнению Д. Е. Ли, одного из авторов теории мишени, эта тео​рия может быть справедливой только в отдельных случаях – при инактивации или убивании бактерий, вирусов и одноклеточных организмов и при мутации. Эта особенность лежит в основе приме​нения ионизирующих излучений в радиационной генетике и селекции микроорганизмов, грибов и растений, а также в радиационно-биологической технологии (РБТ) как способ холодной стерилиза​ции биологических препаратов (вакцин, сывороток, гормонов, ви​таминов), медицинских инструментов и перевязочного материала, не выдерживающих термической или химической обработки или теряющих при этом свои функциональные свойства, консервации пищевых продуктов.

Стохастическая (вероятностная) теория.Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений явилась стохастическая теория, предложенная в конце 60-х годов О. Хугом и А. Келлером. Эта тео​рия, так же как и теория мишени, учитывает вероятностный харак​тер попадания излучения в чувствительный объем клетки, но в от​личие от нее она еще учитывает и состояние клетки как биологичес​кого объекта, лабильной динамической системы.

Клетка как лабильная динамическая система постоянно находит​ся в стадии перехода из одного состояния в другое путем клеточного деления – митоза. На каждой стадии деления существует вероят​ность повреждения ее вследствие различных факторов, в том числе и радиационного. В процессе деления клетки выделяют две фазы: интерфазу и собственно митоз.

Интерфаза — самая длительная по времени и составляет проме​жуток между двумя делениями (от 10 до 48 ч). В интерфазе отчетли​во выделяются три стадии. Первая стадия – предсинтетическая (G,), начинается сразу после окончания деления клетки. За ней следует вторая – стадия синтеза (S); в это время синтезируются ДНК и хро​мосомные белки. Третья стадия – постсинтетическая (G₂); она пе​реходит в профазу (начало деления клетки).

Митоз имеет четыре стадии: профазу (начало деления), метафазу (разделение хромосом), анафазу (расхождение хромосом к полюсам клетки) и телофазу (формирование дочерних клеток). Митоз длится 30...60 мин.

Излучение влияет на все фазы и стадии клеточного цикла, одна​ко радиочувствительность клетки в различные стадии митоза нео​динаковая. Наибольшую чувствительность к ионизирующему излу​чению имеет клетка в стадии профазы, т. е. в начале деления. Облу​чение в период интерфазы приводит к потери способности присту​пать к новому делению. В клетках, уже начавшихся делиться (про​фаза), облучение тормозит его завершение. В этих случаях легко на​рушается структура хроматинового вещества, в результате чего клетка может погибнуть.

Необходимо отметить, что на принципах радиопоражаемости быстро растущих клеток базируется практическое применение иони​зирующей радиации в онкологии для подавления злокачественного роста опухолевых клеток. Лучевая терапия до настоящего времени является пока единственным лечебным фактором в борьбе со злока​чественными новообразованиями, не считая химиотерапии.

Если рассматривать радиочувствительность различных компонентов клетки, то наибольшая поражаемость принадлежит ядру. В экспериментах на амебах было показано, что пересадка ядра из об​лученной клетки (доза 1,5 кГр) в необлученную вызывает гибель последней, а при пересадке ядра из необлученной клетки в облучен​ную этого не наблюдают. Эти и другие данные экспериментальных работ свидетельствуют о том, что главную ответственность за гибель клетки при облучении несет ядро.

Стохастическая теория учитывает не только все многообразие повреждений, вызываемых ионизирующим излучением, но и роль репарационных процессов. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности клетки экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных реакций, а сигмоидная соответствует системам, обладающим такими репаративными меха​низмами.

Таким образом, стохастическая теория как бы более биологична по сравнению с теорией мишени, но и она не смогла объяснить не​которые эффекты, и в частности эффект разведения.

Исследования, проведенные Г. Фрикке на разбавленных водных растворах, показали, что с увеличением концентрации вещества ко​личество инактивированных под действием облучения молекул не возрастает согласно принципу мишени. Эффект разведения свиде​тельствует о наличии косвенного (непрямого) действия радиации.