Эффекты малых доз радиационных воздействий

Лекция № 7-8

Радиационно-индуцированная нестабильность генома

И

Эффекты малых доз радиационных воздействий

В последние полтора десятилетия сформировано и интенсивно изучается представление о радиационно-индуцированной нестабильности генома. Этот феномен заключается в возникновении de novo множественных генетических изменений (генных или хромосомных) неклонального характера примерно у 10-30% потомков облученных клеток, выживших после облучения. Нестабильность генома может проявляться на разных уровнях: генном, хромосомном и геномном. Доказано, что этот феномен наблюдается после облучения не только при высоких, но и так называемых малых дозах (200 мЗв и менее). Для этого показательным является определение частоты лимфоцитов, мутантных по локусу Т-клеточного рецептора (TCR), и нормохромных микроядерных эритроцитов периферической крови. Использование этих тестов позволило оценить и сравнить нестабильность генома соматических клеток на двух уровнях: генном (TCR-тест) и хромосомном (микроядерный тест).

В группе контроля была вычислена верхняя граница 95% интервала для частоты мутантных клеток. Эта величина была принята в качестве критерия верхней границы нормы. Повышенная частота TCR-мутантных клеток наблюдалась только у небольшой части облученных особей; у остальных признаки генетической нестабильности по этому показателю отсутствовали.

Говоря о радиации, необходимо учитывать факт, что в живых организмах происходят не только специфические биохимические и электрические процессы, но и атомарные процессы связанные с радиоактивностью.

Эти процессы весьма слабые. Они малоизучены. Мы постоянно 'естественно' аккумулируем в себе радиоактивность. Пока Я докладываю Вам эти строки в Вашем организме происходят сложные биологические процессы, связанные с действием радиоактивных изотопов, которые накопились в теле за вашу жизнь. Эти вещества никуда не исчезли, oни по прежнему излучают. Oрганизм также постоянно подвергается внешнему радиоактивному облучению, связанному с естественной природной радиоактивностью. Самое важное действие ионизирующего излучение – это повреждения ДНК.

Mутации происходят и при слабом природном уровне радиации. Организм здорового человека успешно справляется с подобными нагрузками, поскольку слабая природная радиоактивность это нормальное явление. Слабое фоновое излучение не опасно, все повреждения автоматически репарируются, а 'раненные' клетки самоуничтожаются. Однако повреждающие воздействия происходят безостановочно. Поэтому в организме постоянно происходит своеобразная стимуляция процессов самовосстановления. Некоторые клетки не полностью восстанавливаются после подобных повреждений, их ДНК становится чувствительной к действию активных продуктов собственного обмена веществ (метаболические оксирадикалы) и к действию внешних геннотоксических агентов. Данный феномен называется 'радиационно-индуцированная нестабильность генома'. Это действие накапливается. Иногда потомки этих клеток выживают, размножаются и приобретают склонность к опухолевому росту. Почему программа уничтожения опасных клеток может давать сбои, пока точно не известно. К счастью подавляющее большинство подобных клеток уничтожаются здоровым организмом. C возрастом увеличиваются " ошибки" в программах ДНК, отвечающих за самовосстановление организма. Клетки изменяются. Организм стареет. В этом процессе участвует и радиация. Как мы уже знаем, вызванное облучением уменьшение средней продолжительности жизни – это научно установленный факт. Поскольку ускоренное старение происходит постепенно, то это не привлекает внимание наблюдателей. Однако если сравнить внешний вид людей длительно проживающих в экологически чистых и загрязненных зонах, то можно заметить разницу. 'Здоровые' люди из экологически неблагополучных зон выглядят старше. Разумеется радиация, – это только одна составляющая процесса старения и конечно далеко не единственный источник мутаций. Однако pадиация источник длительных повреждающих воздействий на ДНК.
Особенность экологической ситуации сегодня, это глобальное изменение общего радиационного фона. Многолетние испытания атомных бомб в атмосфере в 20 веке и технологические аварии с выбросом радиоактивных изотопов привели к увеличению количествa изотопов, которые включились в состав нашего тела. Внутреннеe радиоактивное излучение современного человека выше, чем у наших предков. К этому добавляется интенсивное действие многих новых 'напрягающих' факторов окружающей среды: xимические канцерогены, разные формы электромагнитного излучения и пр. Все это приводит к тому, что программы самовосстановления должны работать более напряженно. Это повышает риск различных 'сбоев'. Через сколько лет после возникновения мутаций появляются отдаленные последствия? Для человека этот латентный период составляет от 10-20 лет и более. Интересно, что результаты радиационных повреждений ДНК могут проявляться не только у самого облученного, но и его детей. Поэтому мы еще долго будем сталкиваться с последствиями генетических повреждений вызванных Чернобылем. Рост раковых заболеваний будет продолжаться.

Природная радиоактивность выполняет важную биологическую функцию. Очевидно природное излучение необходимо для жизни. Однако только в оптимальных дозах и при оптимальных условиях. В недавних исследованиях, проведенных в Канаде было обнаружено, что полное устранение действия сверхслабой природной радиации вызывало замедление роста колоний живых клеток, а возобновление облучения стимулировало их рост. К сожалению то окружение, в котором мы живем сегодня – далеко от оптимума. Изучение действия сверхслабой природной радиации сегодня проводится во многих странах. В России этим занимается Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова и Научно-исследовательский Институт Ядерной Физики имени Д.В.Скобельцына.

Радиоактивность не действует изолированно. Очень опасно последовательное влияние нескольких различных мутагенов. Например, когда на " здоровую" клетку с небольшими генетическими изменениями начинают дополнительно действовать химические канцерогены, вирусы, паразиты, высокочастотное излучение, высокая температура и т.п. Анализ историй болезней онкологических пациентов показывает, что многие заболевшие в свое время жили в неблагоприятной экологической зоне, либо перенесли вирусные инфекции, либо длительно контактировали с другими канцерогенами (асбест, некоторые медикаменты, курение и т.п.). Любое из этих воздействий усугубляет повреждения генетических программ клетки.
Дозиметрические исследования 50 годов показали, что опухоли обладают способностью накапливать радиоактивные изотопы в ходе своего роста. Это важное свойство раковых клеток долго недооценивалось. Опухоль 'естественно' накапливает радиоактивность. В 1906 году был сформулирован фундаментальный закон радиобиологии. Он гласит: " Чем интенсивней делятся клетки и чем они менее дифференцированы, тем они более чувствительны к ионизирующему излучению". На этом построен принцип уничтожения раковых опухолей облучением в ходе радиотерапии. Однако при низких уровнях радиации этот закон действует по другому. Было обнаружено, что сверхслабые радиационные воздействия стимулируют рост клеток. Этот феномен получил название " радиационный гормезис". Открытие было сделано совсем недавно. Слабые радиационные воздействия – это сильный стимулятор роста.

Действие сверхслабой радиации на живые организмы долгое время недооценивалось. Слабая радиация оказывает сильное влияние на опухоль. Реакция раковых клеток на излучение зависит от его интенсивности. Долгое время считалось, что действие радиации имеет линейную зависимость: " Большие дозы радиации вызывают сильные повреждения клеток, а малые дозы – те же, но более слабые повреждения". Однако в 1972 году канадские ученые в ходе экспериментов со сверхслабым рентгеновским излучением получили неожиданные данные, которые не укладывались в привычные представления о биологическом действии ионизирующего излучения. Был зарегистрирован сильный радиобиологический эффект сверхмалых доз радиации при их длительном воздействии (" эффект Петко").

Оказалось, что длительное действие сверхслабой радиации вызывает такое же влияние на клетки, как интенсивное однократное облучение. Многие ученые полагали, что сверхслабая природная радиация практически не имеет никакого значения. Однако оказалось, что это не так. Действие слабого фонового излучения незаметно, но его нельзя недооценивать. Даже маленькие сенсоры, размером с обычную монету, которые используют физики, легко регистрируют на поверхности земли фоновое нейтронное излучение. Его интенсивность вполне достаточна, чтобы наш организм на это реагировал. Природное излучение (состоящее из различных типов ионизирующих воздействий) – своеобразный стимулятор. Однако слабому излучению подвергаются и раковые клетки, поскольку опухоль не изолирована. Раковые клетки весьма чувствительны к излучению. Слабое излучение стимулирует рост раковых клеток, а сильное их убивает. Таким образом можно воздействовать на радиационные процессы происходящие в опухоле. В 1948 году врач и биохимик А.Т. Качугин высказал смелое предположение о том, что с помощью специальных лекарств возможно повлиять на течение внутренних радиационных процессов происходящих в раковой опухоли. Можно использовать нейтронзахватные свойства некоторых элементов (например кадмия или гадолиния), которые при контакте с излучением будут нарушать развитие раковых клеток. Им были разработаны и использованы первые в мире лекарства, которые помимо фармакологического действия, активно реагировали на нейтронное излучение. Они были на основе солей кадмия и его изотопа 113 в сочетании с другими компонентами. В последующем методика была дополнена нейтронзахватным веществом гадолиний и его изотопами 155 и 157. Он назвал действие подобных медикаментов " нейтронзахватная терапия". Существуют особые вещества, которые активно поглощают нейтронное излучение и блокируют течение ядерных реакций. Этими свойствами обладают несколько природных элементов и их изотопов. К ним относится Кадмий, Бор и Гадолиний. Это самые сильные на нашей планете нейтронзахватные вещества. Их используют в атомных реакторах для торможения течения ядерных реакций. Например введение кадмия бора или гадолиния в зону, где происходит цепная ядерная реакция вызывает ее немедленную остановку.
Атомные реакции, развивающиеся в результате контакта нейтрона с атомами кадмия и гадолиния в живых организмах, идентичны процессу торможения цепной ядерной реакции в атомном реакторе. Столкновения нейтронов с атомами кадмия или гадолиния вызывают серьезные повреждения в раковых клетках накопивших эти вещества. Торможение полета нейтрона кадмием, гадолинием или бором приводит к коротким импульсам локального излучения. Энергия этого излучения слаба, но достаточна для того, что бы убить раковую клетку. В отличии от рентгенотерапии оно не повреждает здоровые ткани.