Радиобиологических эффектов. График дозовой зависимости (график «доза – эффект») и его основные параметры
Количественные характеристики и мера
Современная радиобиология изучает количественную зависимость проявления радиобиологического эффекта от величины дозы. Количественной характеристикой радиационно-химических процессов являетсявеличина выхода продукта реакции, или радиационно-химический выход (G).Он показывает количество образовавшихся молекул или атомов на 100 эВ поглощенной энергии излучения. При символе G указывают продукты реакции. Например, выход свободных радикалов при радиолизе молекулы воды – GHo = 0,4 атома; GOHo = 2,6 атома. Для оценки количественной зависимости радиобиологического эффекта от дозы выделяют количественные характеристики отдельных признаков, показателей и реакции растений на облучение, по изменению которых судят о величине поражающего эффекта, степень проявления которого может оцениваться в процентах, в количественном выражении и в других единицах меры. Количественные характеристики называют мерой радиобиологических эффектов. Некоторые меры радиобиологических эффектов растений от субклеточного до организменного уровня приведены в табл. 1.
Реакция растений, по которой судят о дозовой зависимости эффекта, называется тест-реакцией, или тест-эффектом. При этом используют растения, отдельные органы растений, ткани, клетки, культуры клеток и культуры тканей. Необходимым условием является зависимость радиобиологической реакции только от облучение и отсутствия влияния на эту реакцию других факторов. В качестве объектов в растительном мире используют пыльниковые нити традесканции, первый настоящий лист злаковых растений, апикальную меристему зародышевого корешка проростков.
Зависимость радиобиологического эффекта от дозы характеризуется графиком кривой дозовой зависимости, или графиком «доза – эффект».На графике на оси абсцисс откладывают величину дозы, а на оси ординат – меру радиобиологического эффекта: выживаемость клеток, выход хромосомных аберраций, интенсивность дыхания и т. п. Если кривая графика «доза – эффект» описана каким-либо аналитическим выражением, его используют в качестве эмпирической модели радиобиологического эффекта. Кривые дозовых зависимостей радиобиологических эффектов у растений могут быть разнообразной формы. Например, выход генных мутаций чаще всего характеризует прямо пропорциональная зависимость от дозы. Выход хромосомных аберраций иногда описывается квадратичной кривой, но может интерполироваться и линейной зависимостью.
Зависимость выживаемости клеток от дозы при облучении малыми дозами носит линейный характер. В большинстве случаев выживаемость клеток соответствует экспоненциальной или сигмоидальной зависимости. При экспоненциальной зависимости пользуются полулогорифмическим масштабом, когда на оси ординат откладывают значения логарифма выживаемости.
Т а б л и ц а 1. Мера радиобиологических эффектов растений
| Реакция растений на облучение | Наименование меры эффекта | Единица меры |
| Субклеточный уровень | ||
| Радиационно-химическая | Выход реакции | Число превращенных молекул на единицу дозы |
| Повреждение ДНК | То же | Число повреждений на геном, мкг ДНК на 1 Гр |
| Модификация оснований | То же | То же |
| Образование однонитиевых разрывов | То же | То же |
| Образование двунитиевых разрывов | То же | То же |
| Повреждение белковых молекул | Нарушение ферментативной активности. Выход продуктов распада или модификации | Уменьшение ферментативной активности, %. Число поврежденных молекул на 1 мкг белка на 1 Гр |
| Нарушение структуры мембран | Проницаемость плазматической мембраны | Выход катионов калия из клеток, % к норме |
| Нарушение клеточного метаболизма | Изменение интенсивности дыхания и т. п. | % к норме |
| Клеточный уровень | ||
| Задержка деления клеток | Увеличение продолжительности клеточного цикла | % к норме |
| Репродуктивная и интерфазная гибель клеток | Степень выживаемость или гибель клеток | % выживших (или погибших) клеток |
| Образование хромосомных аберраций | Выход клеток с хромосомными нарушениями на определенный момент времени после облучения | % клеток с хромосомными нарушениями |
| Организменный уровень | ||
| Гибель многоклеточного организма | Число погибших особей на определенную дату после облучения | % к общему числу особей в эксперименте |
| О к о н ч а н и е т а б л. 1 | ||
| Нарушение формообразования | Число листьев, побегов и других органов на растениях спустя определенное время после облучения. Число образовавшихся соцветий, цветков, плодов. Дата наступления определенной фазы развития. | % к норме % к контролю Соотношение продолжительности фаз в норме и при облучении |
| Стерильность растений (цветков) | Число стерильных растений или цветков на растении | % |
| Морфозы | Число растений с морфологическими аномалиями. Число уродливых листьев по ярусам. Число уродливых репродуктивных органов | % Соотношение числа уродливых и нормальных органов. То же |
| Активация или ингибирование регенерационной способности | Интенсивность регенерации | % к контролю |
| Генетический эффект | Выход мутаций в М1, М2 и т. д. | % |
При строгой экспоненциальной зависимости график имеет вид прямой линии. При сигмоидальной зависимости, при облучении большими дозами, радиобиологический эффект линейно зависит от дозы и на графике выделяется прямая, характеризующая прямолинейную зависимость. При облучении малыми дозами на графике выделяется более пологий участок кривой, который называется плечом графика. На рис. 1 изображена кривая выживаемости проростков растений на стадии четырех листьев при облучении гамма-излучением и нейтронами.
Этот тип зависимости радиобиологического эффекта от дозы встречается наиболее часто, поэтому выделим его основные параметры, или характеристики. Так как кривая имеет экспоненциальную прямую линию, тогда будет иметь место следующая экспоненциальная функция:
N/No = l-kD ,
где N– число выживших клеток;
No–число облученных клеток;
l – основание натурального логарифма, равное 2,706;
k – коэффициент качества гамма-излучения, равный 1;
D–доза облучения, равная 1 Гр.
Рис. 1. Кривые выживаемости растений на стадии четырех листьев при облучении гамма-излучением (а) и нейтронами (б): 1 – бобы; 2 – горох; 3 – подсолнечник; 4 – редис; 5 – арабидопсис.
Подставив значения kиD, равные 1, в формулу, получим, что выживаемость клеток, т. е. N/No, равна l-1. Преобразовав данное выражение, получаем, что N/No= 1/l = 1/2,706 = 0,376. С учетом того что выживаемость клеток измеряется в процентах, этот показатель умножается на 100 % и получаем 37,6 %. Доза, при которой выживаемость уменьшается в один раз, т. е. в 2,706 раза, обозначается как Do. Величина Do служит мерой радиочувствительности клеток и определяется по кривой графика, как доза, при которой выживает 37 % клеток от исходного количества облученных клеток. Если дозовая кривая не имеет плеча, тогда Do численно равна дозе, при которой выживает 36,7 или 37 % клеток. Эта доза обозначается как D37. Если дозовая кривая с плечом, тогда Do = D37 только в интервале доз, при которых дозовая зависимость прямолинейна.
Величину D37 можно определить на графике (рис. 2), опустив перпендикуляр из значения 37 % выживаемости на кривую графика. Перпендикуляр, опущенный из этой точки пересечения на ось абсцисс, укажет дозу, при которой выживаемость клеток составит 37 %. Согласно графику, доза, при которой погибает 37 % клеток, составляет 5 Гр.
Кривые, имеющие плечо, кроме Dо, характеризуются еще экстраполяционным числом (n), которое определяется в точке пересечения оси ординат при экстраполяции прямолинейного участка кривой выживаемости. Значение n зависит от ширины плеча и наклона прямолинейного участка дозовой кривой. Мерой способности клеток к репарации является величина плеча, которая оценивается квазипороговой дозой Dq.Эта доза соответствует дозе, при которой выживает 100 % клеток.
 |
Рис. 2. Кривая зависимости графика «доза – эффект».
Для определения величины квазипороговой дозы нужно опустить перпендикуляр из оси абсцисс на экстраполяционную прямую.Перпендикуляр, опущенный из точки пересечения экстраполяционной прямой, покажет, при какой дозе выживаемость составит 100 %. Согласно рис. 2 эта доза составляет 1,8 Гр. Наличие плеча на графике кривой указывает на способность клеток к репарации. Чем шире плечо, тем интенсивнее репарационные процессы в клетках.