Глава 2. Биологическое действие излучений

Так, например, нарушения структуры нуклеотидов и их последовательностей в ДНК и РНК могут привести к дефициту необходимых для нормальной жизнедеятельности продуктов матричного синтеза, а также к наработке несвойственных клетке чужих и вредных для нее продуктов. Нарушение структуры белков-ферментов приводит к замедлению или извращению ферментативных реакций, накоплению аномальных метаболитов, которые могут оказаться токсичными для клетки. Повреждения липидов внутриклеточных мембран инициируют нарушения проницаемости этих мембран и приводят к снижению внутриклеточных градиентов концентраций различных метаболитов, подавлению функций связанных с мембранами ферментов. В результате всей совокупности этих процессов могут возникнуть серьезные нарушения жизнедеятельности и даже гибель клетки. Такой ход событий получил наименование биологического усиления первичного радиационного повреждения.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК, активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК. Увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, вследствие чего повышается доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки. Следующий за этим распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотидов и продуктов их разрушения – азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют активации процессов протеолиза. Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса. В крови, тканях, моче повышается активность протеолитических ферментов, нарушается активность ингибиторов протеаз.

Продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК-гистон облегчает доступ мутагенов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

В высокорадиочувствительных клетках и тканях уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования. Нарушение синтеза макроэргов в дальнейшем может сказаться на развитии восстановительных процессов, в частности, на работе системы ферментов репарации ДНК. Все эти процессы и приводят к биологическому усилению первичного радиационного поражения.

С другой стороны – может произойти восстановление от возникших дефектов путем удаления из клетки поврежденных структур или их репарации, что обеспечит нормализацию состояния клетки. Естественно, чем выше доза облучения, чем больше возникло повреждений, тем меньше вероятность восстановления от этих повреждений.

Уже в ранние сроки после облучения в ответ на возникшие первичные повреждения в облученной клетке активируются репарационные системы, деятельность которых направлена на устранение возникших повреждений. Наиболее важной из них является система ферментативной репарации повреждений ДНК. Повреждения биомолекул других типов чаще всего не являются фатальными для клетки: продукты их распада могут быть удалены из клетки, а функцию инактивированных соединений могут взять на себя сохранившиеся молекулы того же строения. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии – синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено. В клетке существуют системы нескольких типов, способные репарировать большинство нарушений структуры ДНК, связанных с повреждением одной из комплементарных цепей и даже значительной части повреждений, захватывающих обе нити. Однако избыточная активность ферментов, обеспечивающих такую репарацию, может иногда привести к утяжелению повреждения генома клетки. Так, репарация повреждений ДНК представляет собой весьма энергоемкий процесс, в ходе которого расходуется значительное количество АТФ. Кроме того, в процессе репарации интенсивно потребляется АДФ, что снижает продукцию АТФ клетками. Возникающий в результате дефицит макроэргов может отрицательно сказаться на функциях особенно чувствительных к нему нервных клеток.

Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих репарацию большинства начальных повреждений ДНК, эволюционно обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома в условиях постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия естественного радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток нарушений и сбоев. Если бы не было таких механизмов, жизнь была бы невозможна.

2.3. Клеточные основы радиационных эффектов

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей и т.п. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Принципиально реакции клеток на облучение можно разделить на два типа: летальные, при которых клетка погибает (репродуктивная и интерфазная клеточная гибель), и нелетальные, при которых клетки сохраняют свою жизнеспособность (радиационный блок митозов, формирование нелетальных мутаций, развитие функциональных и метаболических нарушений в клетках). Схематично эти виды реакций представлены на рис. 10.

Рис. 10. Основные виды реакций клеток на радиационное воздействие.

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность: развивается так называемый «радиационный блок митозов». Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза, однако обычно радиационный блок митозов продолжается не дольше суток. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление, в частности, нарушением образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является одной из существенных причин опустошения этих тканей. В то же время, торможение процесса деления объективно может благоприятно сказаться на судьбе облученной клетки, поскольку в результате увеличивается время для репарации лучевого повреждения до вступления клетки в митоз.

По выходе из блока митозов часть клеток, в которых не произошла репарация постлучевых повреждений, подвергаются гибели, причем с повышением дозы число погибающих клеток увеличивается. Различают две основные формы гибели клеток: репродуктивную (митотическую, постмитотическую), связанную с процессом клеточного деления, и интерфазную – не зависящую от фаз клеточного цикла и наблюдаемую как в делящихся, так и в неделящихся клетках.

Нерепарированные повреждения ядерной ДНК и неправильно воссоединенные разрывы цепей этого биополимера при формировании хромосом в процессе клеточного деления могут проявиться в качестве хромосомных аберраций. Наибольшее значение для возникновения аберраций придают двойным разрывам ДНК, повреждениям ДНК-мембранного комплекса, а также сшивкам между противоположными цепочками. При некоторых аберрациях пролиферирующая клетка длительно существовать не может, так как в митозе не происходит равномерного распределения генетического материала между дочерними клетками (летальные аберрации). Если клетка имеет нерепарированные летальные повреждения ДНК, она может пройти через предшествующие митозу фазы клеточного цикла, завершить подготовку к делению, но в процессе самого митоза погибает. Чаще гибель клетки происходит при первом после облучении делении, реже – в одном из последующих. Такая форма гибели получила наименование репродуктивной, и она, естественно, характерна лишь для делящихся клеток.

Наступление гибели по репродуктивному типу во времени связано с прохождением клетки через фазу митоза. При этой форме гибели именно во время самого митоза наличие хромосомных аберраций не дает возможности осуществить равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками, в результате чего клетки погибают. Погибающие клетки в облученной популяции появляются вслед за возобновлением митотической активности. Если наступление этой фазы отодвинуть (даже таким повреждающим клетки фактором, как дополнительное облучение), отодвигается и время появления погибающих клеток.

Проявлением повреждения генетических структур клетки является также образование гигантских клеток, содержащих полиплоидные ядра. Их появление может быть связано с многократным прохождением клеткой S-фазы цикла без митоза или явиться результатом слияния дочерних клеток. Гигантские клетки в большинстве случаев погибают при последующих делениях.

При цитологическом исследовании репродуктивно погибающие клетки выявляются путем обнаружения в них хромосомных аберраций.

Вторым типом гибели клеток при облучении является интерфазная форма. Различают три варианта интерфазной формы лучевой гибели клеток:

1. интерфазная гибель неделящихся клеток или клеток с ограниченной способностью к делению после облучения малыми дозами, порядка десятых долей – единиц грей. Так погибают малые лимфоциты, тимоциты, ооциты;
2. интерфазная гибель после облучения в дозах порядка десятков и сотен грей неделящихся (нейроны, миоциты) или редкоделящихся (гепатоциты) клеток;
3. интерфазная гибель делящихся клеток после облучения высокими дозами до вступления в митоз.

Интерфазная гибель клеток после облучения может развиваться по двум основным типам: некроза и апоптоза.

Некрозу предшествуют ряд изменений в клетках: нарушение синтеза АТФ и ядерного фосфорилирования, повышение проницаемости плазматической и внутриклеточных мембран, нарушение ионных градиентов в клетке, угнетение дыхания, активация протеолитических ферментов, нарушения ядерных структур, проявляющиеся вторичной деградацией дезоксирибонуклеопротеидного комплекса, лизисом или (реже) пикнозом ядра, выбросом содержимого клеток во внеклеточную среду, т.е. это как бы пассивная гибель клетки, когда в результате возникшего повреждения подавляются метаболические процессы, утрачивается способность сохранять ионный гомеостаз.