Кудряшов Ю.Б., Кудряшова Н.Ю. Радиация и клетка

Интерес к биологическому действию ионизирующих излучений привлекает специалистов разных областей науки уже более столетия и не ослабевает вплоть до настоящего времени. Этот интерес связан не только с применением ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, военной и мирной промышленности, но и с возможностью использования их в качестве инструмента исследований для выяснения структур и функций клетки. С помощью ионизирующих лучей было сделано много открытий в биологии клетки, однако сейчас мы стоим перед необходимостью решения новых задач в изучении механизмов системного ответа живых структур на действие больших и малых доз излучений, а также химической защиты от облучения.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Радиобиология — наука XX в. Время её рождения определяется открытием Х-лучей, радиоактивности и первыми упоминаниями их действия наживой организм. В декабре 1895 г. в Германии профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген передал физико-медицинскому обществу первый рентгеновский снимок кисти своей руки и рукопись с изложением открытия катодных проникающих Х-лучей, которые вскоре стали называться его именем.

Спустя несколько месяцев после этого открытия петербургский физиолог Иван Романович Тарханов (Тарханишвили) провел первые исследования на лягушках и насекомых, облучённых лучами Рентгена. Учёный пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

С начала XIX в. рентгеновские лучи начинают широко применяться в медицине в качестве диагностического метода. К сожалению, отсутствие в то время дозиметров и невозможность количественно оценивать дозы облучения, а также незнание (или часто пренебрежение опасностью) становятся причиной гибели первых рентгенологов от болезни, вызванной интенсивными облучениями.

Сведения о высокой биологической эффективности нового вида излучений стимулировали мощный взрыв радиобиологических работ.

Благодаря работам А.Бекклера было показано, что к проникающим излучениям можно отнести не только лучи Рентгена, но и а, В и у-излучения (так называемую радиоактивность), испускаемые радием и другими изотопами.

Первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу появилась в 1901 г. в работе П. Кюри и А.Беккереля. Авторы сообщили, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи.

Постепенно стало выясняться, что радиация не только невидима и неощутима, не только воздействует на кожу, но способна в течение долей секунды ионизировать любые атомы и молекулы. Эти излучения стали называть ионизирующими.

Многочисленные исследования свидетельствовали, что ионизирующие излучения вызывают поражение тканей и органов, а также гибель животных и человека от лучевой болезни. Степень проявления болезни зависит от многих факторов: величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия, а также состояния самого организма (его радиочувствительности)

МОЛЕКУЛЫ-МИШЕНИ

Попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, не увенчались успехом. Исследования показали, что в облучённом организме накапливаются в избытке продукты нормально протекающих процессов, усиленных действием облучения.

К числу важных черт биологического действия ионизирующих излучений относят так называемый радиобиологический парадокс: энергия ионизирующих излучений оказывается несопоставимо малой при сравнении с тем же биологическим эффектом, вызываемым тепловой энергией.

Попытки объяснить этот парадокс привели к созданию принципа попаданий и теории мишени: дискретное сосредоточение энергии излучения в квантах и частицах создаёт определенную вероятность локального попадания и воздействия огромной концентрации энергии на уникальные биологические структуры («мишени»). Вскоре стало понятным, что одна из таких мишеней в клетке — уникальная макромолекула ДНК, несущая генетическую информацию.

В 1925—1927 гг. советские учёные Г.А.Надсон и Г.С.Филиппов в экспериментах на дрожжевых клетках, а позднее Г. Мел л ер (США) на дрозофилах продемонстрировали эффект лучевого мутагенеза, проявляющегося не только в повреждении генома, но и в образовании стойких необратимых изменений, передающихся по наследству. В этих и других последующих многочисленных работах приведены факты высокой радиочувствительности делящихся клеток, клеточного ядра, молекулы ДНК.

Лучевое повреждение ДНК не всегда является для этой макромолекулы и клетки фатальным, поскольку в клетке имеются системы защиты. Одна из них — разнообразные ферменты репарации ДНК, «ремонтирующие» её при лучевых повреждениях, специфически устраняющие различные повреждения и восстанавливающие структуру и функции ДНК. В зависимости от величины дозы облучения восстановление ДНК может быть полным или частичным, и от этого зависит выживаемость поражённой клетки.

Как показали исследования, кроме ДНК в клетке имеются и другие (не репродуктивные) «критические структуры», например биологические мембраны — БМ.
Основанием для такого заключения послужили данные об определяющей роли клеточных мембран в энергетике, их барьерной функции, участии в осуществлении многих биохимических процессов в клетке.

Известно также, что БМ участвуют в организации и функционировании генетического аппарата как клеток бактерий, так и высших организмов. Поэтому реальные события, происходящие в клетке облучённого организма, значительно сложнее, чем повреждение и репарация ДНК вне её комплексных структур. Было показано, что ионизирующая радиация разрушает саму связь ДНК с мембранами (ДНК-мембранный комплекс) и что эта связь необходима для репарации молекулы ДНК. Сам ДНК-мембранный комплекс тоже способен восстанавливаться во времени после облучения.
Итак, восстановление ДНК, мембран и ДНК-мембранного комплекса представляет собой сложную, взаимосвязанную взаимозависимую единую систему ответа клетки на действие ионизирующих излучений.

ЧТО ТАКОЕ «ЭНДОГЕННЫЙ ФОН»?

Ферменты репарации включаются в работу тогда, когда поломки уже произошли. Однако в клетке есть и другие системы защиты, призванные не допустить повреждений.
Как уже сообщалось, основное отличие ионизирующих излучений от других поражающих факторов — их быстрая проникающая активность и способность ионизировать атомы и молекулы. При этом происходит образование ионов и свободных радикалов, обладающих в клетке высокой реакционной способностью.

Особенно уязвимыми при облучении оказываются БМ, в которых под действием облучения накапливаются продукты перекисного окисления липидов — веществ, обладающих сильным цитотоксическим действием, так называемых эндогенных радиотоксинов — ЭнРТ. Радиотоксины взаимодействуют с другими молекулами в клетке: ДНК, белками, ферментами и инактивируют их.

На появление ЭнРТ клетка реагирует образованием и увеличением активности антиокислителей (АО), инактивирующих вредные продукты. К числу таких АО относят каталазы, пероксидазы, гемоксигеназы, а также аминотиолы (цистеин, восстановленный глютатион), биогенные амины (серо-тонин, дофамин, гистамин, катехоламин), пептиды (ансерин, карнозин), стероиды, микоэлементы, таурин, фенолы и другие соединения.

Соотношение суммарного эндогенного защитного уровня ?АО и суммарного уровня эндогенных липидных токсических веществ — ?ЭнРТ в живых клетках и структурах может свидетельствовать о степени устойчивости (резистентности) биологических объектов и систем к действию ионизирующих излучений. Оно получило общее название эндогенный фон радиорезистентности — ЭФРР. Коэффициент его равен
КЭФРР = ?АО/ ?ЭН РТ.

Понятно, что увеличение КЭФРр за счет возрастания в организме содержания эндогенных АО, а также подавления уровня ЭнРТ повышает устойчивость организма к облучению (радиорезистентности) и защите от лучевой болезни.

КАК ЗАЩИТИТЬСЯ от РАДИАЦИИ?

Проблема химической защиты от лучевого поражения, знаменующая начало последующего периода в истории радиобиологии, была продиктована социальными задачами, связанными с появившейся на нашей планете угрозой разрушительной ядерной войны. Широкую известность лучевая болезнь получила после трагических событий в Хиросиме и Нагасаки в августе 1945 г.

Среди жителей, уцелевших после атомной бомбардировки, наблюдалось тяжелое заболевание, сопровождавшееся изменением картины крови, лихорадочным состоянием, выпадением волос, поражением эпителия кишечного тракта. Потребовалось несколько лет, чтобы доказать связь этого заболевания с поражающим действием ионизирующих излучений.

Сейчас известно, что облучение приводит к снижению общей устойчивости организма, ослаблению иммунитета, повышению вероятности сердечно-сосудистых, респираторных, желудочно-кишечных заболеваний, психоневротических состояний, злокачественных новообразований, снижению средней продолжительность жизни.

Уже спустя несколько лет после бомбардировок в Хиросиме и Нагасаки в середине XX в. учёные открыли первые химические соединения, снижающие поражающее действие ионизирующей радиации на организмы лабораторных животных. Защитные препараты были эффективными только при введении до облучения, поэтому противолучевая защита получила название радио-профилактической, а сами препараты — радиопротекторов.

Среди первых радиопротекторов были, в основном, вещества, содержащие в своей молекуле аминную (-NH2) и тиольную (-SH) группы. В дальнейшем в экспериментах на лабораторных животных и клетках были изучены защитные свойства десятков тысяч препаратов различной химической природы. Выявлено, что наиболее эффективными остаются упомянутые амино- и тиольные радиопротекторы.

Существующие радиопротекторы всё еще далеки от совершенства. Главное препятствие для их широкого использования в клинике — высокое побочное токсическое действие препаратов. Поэтому в медицинской практике используются только немногие из противолучевых химических соединений, однако и они оказываются неэффективными при высоких смертельных дозах облучения организма. Радиопротекторы как средства индивидуальной химической профилактики нашли применение в чрезвычайных ситуациях на предприятиях атомной промышленности, при выполнении срочных работ в условиях повышенной радиации и при полётах в космосе.

Уже в середине XX столетия стало известно, что с помощью различных профилактических (вводимых непосредственно до облучения) препаратов можно не только защитить организм, но и усилить действие на него ионизирующей радиации (радиосенсибилизаторы, которые стали применяться в клинике, например при лучевой терапии рака).

В 1953 г. англичанин Д. Грей с сотрудниками открыли, что молекулярный кислород обладает радиосенсибилизирующим действием на любые живые организмы (так называемый кислородный эффект); с другой стороны, снижение в процессе облучения содержания кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к противолучевой защите.

Накопленный большой фактический материал позволил биологам и медикам оценить картину развития острых патологических процессор зависящих от величины дозы облучения и времени, прошедшего после воздействия, а также дал им ключ к направленному поиску средств коррекции лучевого поражения.

ЭТИ ВЕЗДЕСУЩИЕ ЛУЧИ

Казалось, фундаментальные исследования завершились, остались лишь «отделочные», «косметические» работы. Однако, как это бывало и ранее, социальные проблемы резко осветили в радиобиологии принципиально новые задачи.
Человечество стало сознавать, что ядерные взрывы не единственная опасность для его выживания. Еще более коварная и постоянная угроза — всё возрастающее техногенное загрязнение среды радионуклидами вследствие необдуманного применения атомной энергии в медицине, промышленности, сельском хозяйстве. Угроза здоровью и жизни может быть вызвана не только острым (кратковременным и в больших дозах) облучением, но и хроническим (длительным, маломощным) воздействием радионуклидов, попавших внутрь организма.

Внутреннее облучение может быть гораздо опаснее внешнего из-за непосредственного контакта радионуклида с молекулами-мишенями. Увеличивается время облучения, которое определяется теперь временем пребывания радиоактивного вещества в организме. Кроме того, радионуклиды способны накапливаться в отдельных «критических» органах, усиливая радиационный эффект.

Но и без техногенных катастроф человек ежедневно подвергается воздействию ионизирующей радиации. Существует природный радиологический фон, безопасный для организма человека. Однако с развитием научно-технического прогресса появляются аппараты, создающие повышенный (так называемый техногенный) фон радиации, начиная с экранов мониторов и заканчивая рентгенологической аппаратурой на таможне и в медицине.

Наступивший на планете радиоэкологический кризис поставил перед радиобиологами новую задачу — исследование биологического действия ионизирующих излучений в малых дозах и с малой мощностью, соответственно условиям реально загрязненной среды.

(Современный период диктует новые подходы в разработке методов химической защиты от ионизирующей радиации, поскольку радиопротекторы с их кратковременным защитным и побочным токсическим действием оказались непригодными для защиты от хронического облучения. К поискам «классических» радиопротекторов добавилось и вышло на передний план изучение природных пищевых продуктов и препаратов, способных, не оказывая вредного побочного действия на организм, снижать или предотвращать эффекты хронического облучения низкой интенсивности в сочетании с другими экстремальными природными и техногенными факторами экологического загрязнения. Вместе с защитой от последствий облучения большое внимание уделяется исследованию средств, способствующих выведению радионуклидов из организма) Не менее актуальны задачи проведения программ медицинской реабилитации облучённого населения.

Накопив данные по изучению лучевой патологии, учёные обратились к идеям древней народной медицины: помочь организму мобилизовать образование собственных защитных ресурсов, способствующих повышению общей устойчивости к ионизирующей радиации и вредным факторам среды. Благодаря этому уже сейчас используется значительное количество препаратов, пищевых добавок и веществ, многие из которых хорошо известны в народной медицине, но впервые применены в целях защиты организма от вредных последствий хронического облучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день достигнуты впечатляющие успехи в изучении механизмов действия ионизирующих излучений на клетку, однако ещё многие вопросы остаются нерешенными.
Мы всё ещё недостаточно полноценно помогаем организму и клеткам в их напряженной борьбе с облучением, ещё малоэффективны препараты-радиопротекторы в клинике, ещё мало разработок противолучевых схем применения пищевых добавок при хроническом облучении людей, проживающих на загрязнённых радионуклидами территориях.

Для эффективного решения этих проблем необходимы дальнейшие исследования молекулярных механизмов действия излучений на клетки и химической защиты от лучевого поражения. Нет сомнений в том, что это одна из самых увлекательных областей исследований в радиобиологии и современной биологии в целом.

Литература

Бак 3. // Химическая защита от ионизирующей радиации. — М.: Атомиздат. ИЛ, 1962.
Гончаренко Е.Н., Кудряшов Ю.Б.// Гипотеза эндогенного фона радиорезистентности. — М.: Изд. МГУ, 1980.
Кудряшов Ю.Б. // Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.
Кудряшова Н . Ю.//Повреждения и процессы восстановления ДНК-мембранного комплекса в облучённой клетке / Ю.Б.Кудряшов. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.

Н. Ю. Кудряшова, кандидат биологических наук
Ю. Б. Кудряшов, доктор биологических наук, профессор
МГУ им. М.В. Ломоносова