Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

 

Модификация радиочувствительности. Радиопротекторы, радиосенсибилизаторы. Кислородный эффект при облучении организмов.

Под модификацией радиочувствительности понимают усиление или ослабление чувствительности живого объекта к действию ионизирующей радиации. Вещества, которые усиливают или ослабляют радиобиологический эффект, называются радиомодификаторами. Химические соединения, которые ослабляют эффект воздействия ионизирующих излучений, являются радиопротекторами. Радиопротекторы повышают устойчивость живых организмов к действию радиации, говоря иначе, эти вещества усиливают радиорезистентность организмов.  Радиосенсибилизаторы, наоборот, повышают чувствительность живых систем к действию радиации, соответственно, снижают ее радиоустойчивость. Для оценки эффективности действия радиомодификатора используют показатель, который называется фактор изменения дозы (ФИД). Коэффициент ФИД – это отношение равноэффективных доз в опыте (с модификатором) и в контроле (без модификатора). Например, LD50 для контрольной группы мышей составила 8 Гр, в опытной группе (мышам до облучения был введено модифицирующее вещество) LD50 повысилась до 16 Гр. Коэффициент ФИД в этом случае составляет 2, т.е. вещество является радипротектором и повышает устойчивость животных. Если же в этом опыте после введения модификатора значение LD50 снизилась бы до 4 Гр, то коэффициент  ФИД составлял бы 0,5. В данном случае вещество является радиосенсибилизатором и снижает устойчивость животных к радиационному облучению. Как видно, у радипротекторов ФИД > 1, у радисенсибилизаторов ФИД < 1.

Таким образом, радиомодифицирующие агенты – это химические соединения умеьшающие или усиливающие биологический эффект ионизирующей радиации.

Радипротекторы. Химческая защита от лучевого поражения.

Впервые радиозащитные свойства хиимческих веществ были обнаружены в 1940 году американским радибиологом В. Дейлом. Он показал, что присутствие в растворе фермента тиомочевины, муравьиной кислоты, коллоидной серы, снижает степень радиолиза  облучаемых ферментов. В 1948 году в опытах с облучением бактериофагов было обнаружено протекторное действие цистеина, триптофана, глютатиона. В 1949 году защитный эффект цистеина был обнаружени и при облучении крыс. В это же время появились сообщения о радиозащитном эффекте цианистого натрия в опытах с мышами. После этих опытов во всем мире начались активные поиски соединений, обладающих радипротекторными свойствами. К настоящему времени, на проявление радиозащитного эффекта испытано  десятки тысяч различных веществ. Однако, не все химические соединения, повышающие радиоустойчивость организмов, могут быть использованы на практике в качестве радипропротекторов. “Истинные” радипротекторы, которые применяются для защиты человека, должны удовлетворять следующим условиям. Во-первых, эти протекторы должны обладать высокой эффективностью ( ФИД > 2). Во-вторых, при введении в организм, они не должны вызывать побочных эффектов. Лишь несколько десятков  веществ удовлетворяют этим требованиям. Большинство из известных радиопротекторов  относятся к двум классам химических соединений: индолилалкиламинам и меркаптоэтаноламинам.

Индолилалкиламины

 К этой группе относятся химические соединения,  содержщие в своем составе индольное кольцо, аминную и алкильную группы. Простейшее соединение этого типа – триптамин. Добавить

 

Триптамин не относится к радипротекторам, хотя и проявляет радиозащитный эффект. При введении триптамина  выживаемость летально облученных мышей повышается на 20-30 %. 

 Производное триптамина, 5-окситриптамин (серотонин) является эффективным радипротектором.  При ведении этого соединения животным до облучения, в дозе 10 – 60 мг на кг массы, LD50 увеличивается в 2-3 раза.

Другое производное триптамина, 5-метоокситриптамин,  также является эффективным радиопротектором и широко используется на практике. Тривиальное название этого препарата – мексамин. 

Защитный эффект мексамина показан на мышах, собаках, обезьянах. ФИД этого препарат больше 3, при введении его в расчете 10 – 60 мг на кг массы тела.

Меркаптоэтаноламины

  Наиболее простое соединение из класса серосодержащих аминов – меркаптоэтаноламин.

 

Внутриутробное введение этого соединения мышам в расчете 150 мг/кг за 5-10 минут до облучения позволяет предотвращать гибель летально облученных животных. ФИД этого препарата для различных животных колеблется от 2 до 3. На многочисленных экспериментах с различными животными показано, что большинство соединений, относящихся к меркаптоэтаноламинам, обладают, в той или иной степени, радиозащитным эффектом. Наиболее эффективны и используются для научных и практических целей следующие соединения: дисулфидмеркаптоэтаноламин (тривиальное название препарата - цистамин), аминоэтилазотиуроний (АЭТ), натривая соль аминоэтилфосфорной кислоты (цистафос), имдазолэтиламин (гистамин).

Нужно отметить, что защитный эффект протектора проявляется только в том случае, если протектор вводится в организм незадолго до облучения. Эффективность действия протектора снижается по мере увеличения интервала времени между введением препарата и облучением объекта. Наиболее эффективное  время составляет у разных животных 5-15 минут до облучения. Таким образом, молекулы протектора должны присутствовать в тканях животных во время облучения. В связи с этим, можно предположить, что механизмы действия протекторов в организме связаны с первичными реакциями лучевого поражения и что действие протекторов направлено на уменьшение продуктов радиолиза. Существует несколько гипотез, объясняющих механизмы проявления защитного эффекта протекторов в организме. Рассмотрим эти гипотезы.

Перехват и инактивация образующихся свободных радикалов. Эта гипотеза говорит о том, что  химические соединения введенные в ткани и клетки, снижают количество свободных радикалов, образующихся в облучаемой среде. Следовательно, они снижают косвенное действие ионизирующей радиации. В первую очередь, защитный эффект протекторов обусловлен инактивацией свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза воды. На первый взгляд, эта гипотеза кажется логичной и объясняющей защитный эффект  протекторов. Однако, существует ряд экспериментальных данных, противоречащих этой гипотезе.Вор-первых, в соответствии с этой гипотезой, различные соединения должны проявлять одинаковую эффективность при одинаковых концентрациях, по крайней мере, при равных молярных концентрациях. Однако известно, что эффективные дозы протекторов различаются в несколько раз и даже на несколько порядков. Например, серотонин и мексамин действуют эффективно при дозе 10 –60 мг на кг массы, а концентрация цистеина для достижения такого же эффекта, должна составлять не менее 1 г/кг массы. Во-вторых, даже незначительные изменения структуры защитного соединения, которое не влияет на его антиокислительные свойства, может привести к полной утрате его протекторных свойств in vivo. В третьих, хорошие перехватчики и инактиваторы свободных радикалов в химических растворах, не обязательно являются эффективными радипротекторами.  Так, например, триптофан, гистидин, тирозин являются очень хорошими перехватчиками свободных радикалов, однако в живых тканях их радиозащитный эффект равен нулю. Кроме того, внутриклеточные концентрации протекторов очень низки, а их способность реагировать со свободными радикалами не намного выше, чем некоторых внутриклеточных соединений. Все эти факты и соображения свидетельствуют о том, что в проявлении радиозащитного действия протекторов, перехват и инактивация свободных радикалов имеет место, но не может являться основной причиной проявления протекторного эффекта.

Повышение биологического фона радиорезистентности. В соответствии с этой гипотезой, введение в организм эффективных доз радипротекторов, приводит к изменению интенсивности биохимических процессов. В частности, предполагается, что эти соединения  стимулируют синтез различных соединений, которые повышают устойчивость клеток, тканей и, в конечном счете, целого организма. Показано, что введение протектора сопровождается повышением концентрации в крови сульфигидрильных соединений на 10-15 %. При этом повышается и содержание эндогенных аминов, обладающих защитным эффектом (серотонин, дофамин, гистамин). 

Биохимический шок. Эта гипотеза предполагает, что введение протекторов в организм приводит к разнообразным нарушениям в структуре и функционировании клеток. Показано, что инкубация клеток в растворах с протектором приводит к повышению проницаемости мембран, размыванию крист митохондрий, ингибированию некоторых биохимических реакций. Различные нарушения структуры и функций клеток и тканей называют общим термином «биохимический шок». Предполагают, что эти нарушения приводят к повышению радиорезистентности клеток и организма в целом. Как считают многие авторы, повышение радирезистентности – это частный случай неспецифической реакции клеток на действие любых повреждающих факторов. Радиопротекторы как бы имитируют действие ионизирующей радиации и индуцируют те защитные реакции, которые проявляются при облучении, например, процессы репарации макромолекул. Как известно, радиоустойчивость организмов повышается при фракционированном ( многократном и малыми дозами) облучении, при длительном облучении малыми дозами.  Повышение радиоустойчивости наблюдается и при предварительном облучении ультрафиолетовым излучением ( эффект фотозащиты). О важной роли репарационной системы клеток в реализации действия протекторов убедительно свидетельствуют эксперименты С.Е. Бреслера, Л.А. Носкина. Ими показано, что меркаптоэтаноламины эффективно защищают от действия излучения только те штаммы бактерий, у которых не повреждены системы репарации. У клеток-мутантов, у которых системы репарации ДНК ингибированы, радиопротекторы не работают.

Снижение концентрации кислорода. Показано, что радиопротекторные соединения вызывают в тканях снижение напряжения (концентрации) кислорода. Это свойство протекторов коррелирует с их сосудосуживающим эффектом у животных, что также связано со снижением концентрации кислорода в крови. Интересно отметить, что защитный эффект некоторых протекторов (серотонин, гистамин) снижается или даже отсутствует при действии их антиметаболитов и при повышении давления кислорода в тканях. Поэтому многие авторы связывают механизм действия радиопротекторов, в первую очередь индолилалкиламинов, со снижением кислородного эффекта.

Кислородный эффект. Радисенсибилизаторы.

 

Под кислородным эффектом в радиобиологии понимают явление усиления лучевого поражения при повышенной концентрации кислорода  по сравнению с облучением в анаэробных условиях. Кислородный эффект – универсальное явление, которое проявляется исключительно по всем показателям лучевого поражения на всех уровнях организации живых систем. Проявление кислородного эффекта обнаружено как в модельных системах с макромолекулами, так в экспериментах с клеточными культурами, изолированными тканями, организмами, популяциями. Впервые это явление было описано  К. Шварцем 1909 году. Однако, детальные исследования роли кислорода в проявлении радиобиологических эффектов начались с 50 гг. 20 века. А. Дауди и сотр. (1950) показали, что в условиях гипоксии имеет место увеличение выживаемости летально облученных рентгеновскими лучами крыс (табл.1). Как видно, снижение в воздухе концентрации кислорода до 5 % приводит к уменьшению количества погибших животных при облучении их высокими дозами рентгеновского излучения.

Таблица 1

Влияние гипоксии на выживаемость облученных крыс

Доза облучения, Гр

Количество выживших животных , %

Воздух (20 % О2)

Гипоксия (5 % О2)

6

63

100

8

0

100

10

0

91

12

0

81

14

0

29

Как видно, кислород является эффективным радиомодификатором, он обладает радиосенсибилизирующим эффектом. Количественным выражением повышения радиочувствительности в присутствии кислорода является коэффициент кислородного усиления (ККУ). Значение этого коэффициента показывает, во сколько раз происходит увеличение радиочувствительности (снижение радиоустойчивости) живых обьектов в кислородной среде по сравнению с облучением их бескислородных условиях. Например, при облучении в анаэробных условиях суспензии бактерий значение LD50 = 1000 Гр. При облучении этого вида бактерий в среде с содержанием кислорода LD50 для них составила всего 500 Гр. Коэффициент кисородного усиления в этом случае будет равен двум.

В 1953 году Г.Грей сделал вывод об универсальном проявлении кислородного эффекта и о зависимости радиочувствительности облучаемых объектов от концентрации кислорода в облучаемой среде. На рис.1 представлена кривая зависимости кислородного эффекта от концентрации кислорода. Как видно, при высокой концентрациях кислорода в облучаемой среде, значение ККУ = 3. Как известно, в атмосферном воздухе содержится около 20 % кислорода, что соответствует его парциальному давлению равному примерно 160 мм.рт.ст.

Рис.1. Зависимость радиочувствительности живых систем от содержания кислорода в среде облучения

Видно, что при таких значениях давления и концентрации кислорода ККУ имеет максимальное значение и, соответственно, живые организмы характеризуются наибольшей радиочувствительностью. Уменьшение значения ККУ от 3 до 2 происходит при снижении парциального давления кислорода от 50 до 5 мм.рт.ст. (7 – 0,5 % содержание кислорода в воздухе). При парциальном давлении кислорода ниже 5 мм.рт. ст. значение ККУ снижается от 2 до единицы в бескислородной среде.

Экспериментально показано, что участие кислорода в реализации в реализации возникающих потенциальных повреждений происходит  во время облучения. Так, введение кислорода в суспензию бактерий, культивируемых в условиях аноксии за 20 мс до облучения, усиливает их поражение. Добавление кислорода через 10 мс после облучения не изменяет поражающее действие ионизирующего излучения. Таким образом, сенсибилизирующее действие кислорода при облучении клеток проявляется только тогда, когда он присутствует в тканях в момент облучения.

В настоящее время нет четких представлений о механизме сенсибилизирующего действия кислорода при облучении. Наиболее общепринятой считается точка зрения о том, что молекулы кислорода, обладая электронноакцепторными свойствами, активно взаимодействуют  с образующимися свободными радикалами, в т. ч. и с радикалами биологических молекул.  Вследствие этого, происходит появление новых активных свободных радикалов и фиксация возникших в результате облучения потенциальных повреждений молекул. Фиксация повреждений заключается в стабилизации поврежденной структуры молекулы, что делает их недоступными  или труднодоступными для системы репарации. Время жизни таких кислородозависимых повреждений может быть длительным. Например, в макромолекулах такие повреждения сохраняются в течение нескольких часов. Представления о возникновении скрытых (потенциальных) повреждений в структурах живых систем при облучении сформировались в 60 –ых годах в результате исследований Т. Альпера, Л.Эйдуса, П. Александера. В соответствии с этими представлениями, при облучении молекул определенная часть  возникших повреждений в отсутствии кислорода не проявляются, т.е. не приводят к потере их активности.

Как известно, все процессы репарации молекул требуют затраты энергии, в первую очередь, энергии АТФ. Синтез большей части молекул АТФ  непосредственно зависит от присутствия свободного кислорода в клетках. Поэтому, присутствие кислорода в тканях после облучения способствует эффективности репарационных процессов. Показано, что эффективность восстановления потенциально летальных и сублетальных повреждений прямо пропорционально концентрации кислорода в клетках.

Таким образом, кислород при лучевом поражении живых систем играет двойственную роль. С одной стороны, он усиливает первичное поражение молекул, с другой - способствует пострадиационному восстановлению этих повреждений.

Радиосенсибилизаторы - соединения, снижающие радиоустойчивость живых организмов

Возможность повышения поражающего действия ионизирующих излучений привлекает внимание ученых и врачей-практиков. Поэтому велись и проводятся интенсивные поиски соединений,  усиливающих поражающее действие радиационного излучения. Такие соединения могут  принести большую пользу при лучевой терапии онкологических больных.

По своей химической природе сенсибилизаторы могут относиться к различным классам соединений. Так, радисенсибилизирующим эффектом обладают иодацетамид, йодуксусная кислота, хлормеркурийбензоат, кетоальдегиды, фторурацил, актиномицин Д. По механизму действия на живые системы их можно подразделить на 2 группы: а) усиливающие первичные радиационные повреждения макромолекул б) ингибирующие процессы пострадиационного восстановления.

По первому механизму действуют соединения с ярко выраженными окислительными свойствами, которые спосбны отбирать электроны у атомов и молекул и способствовать, таким образом, образованию ионов и свободных радикалов. К таким соединениям можно отнести искусственно синтезированные свободные радикалы, такие как тиацетомин –N- оксин, n-нитроацетофенон, нитраимдазолы, нитрофураны.

По второму механизму действуют различные аналоги азотистых оснований и антибиотики. В частности, аналоги азотиситых оснований, повышают количество поврежденых молекул ДНК при облучении за счет ингибирования процессов репарации макромолекул. Например, 5-фторурацил ингибирует активность тимидилат-синтазы, фермента, участвующего в синтезе тимина Антибиотик актиномицин Д связывается с гуаниновым нуклеотидом ДНК и ингибирует синтез и-РНК, и соответственно, белков-ферментов, участвующих в пострадиационной репарации, например, РНК-полимеразы. Таким образом, все ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и синтеза белка, являются эффективными радиосенсибилизаторами.

Радиомимметики – соединения имитирующие действие ионизирующих излучений.

В 40–ых годах 20 века было обнаружено, что отравляющий газ нервно-паралитического действия иприт вызывает реакции, сходные с реакциями возникающими в организме при облучении.  В частности, было показано, что иприт подавляет рост опухолевых клеток, вызывает хромосомные аберрации, задерживает деление клеток. В последующем такие же эффекты были обнаружены и при действии на живые системы структурных аналогов иприта. 

  CH2 - CH2Cl

 S иприт

 CH2 - CH2Cl

Предполагается, что радиомимметики,  как и ионизирующие лучи, повреждают макромолекулы и снижают эффективность работы  репарационных систем. Естественно, радиомимметики, полностью не могут воспроизводить эффекты, проявляющиеся на тканевом и организменном уровне при облучении. Это связано с тем, что химическое вещество не может проникать одновременно во все клетки, ткани и органы, как в случае ионизирующего излучения.

Радиомимметическая  способность обнаружена у различных соединений, содержащих следующие функциональные группировки: ипритную (SCH2 - CH2Cl ), эпоксидную ( -CH –CH- ), этиламинную (CH2 - CH2 ), перекисную (-CH –CH- ), гидроксиперекисную (-CH –CH- ).

добавить

Контрольные вопросы и задания.

1. Какие вещества являются радиомодификаторами?

Предложите схему эксперимента для определения модифицирующей активности химического соединения.

Какие химические соединения можно отнести к радипротекторам? Приведите примеры .

Объясните физиологические и биохимические механизмы повышения устойчивости живых организмов при действии радипротекторов.

Как Вы понимаете термин «кислородный эффект»? Что означает коэффициент кислородного усиления?

Проявится ли кислородный эффект у анаэробных бактерий при облучении их на воздухе? Ответ обоснуйте.

  Увеличится ли ( если увеличится - насколько) поражаемость клеток радиацией при повышении концентрации кислорода в воздухе:

а) на 5 % б) на 10 % в) на 20 %

LD50 для дрожевых клеток равняется 10 Зв. После обработки их актиномицином Д эта доза уменьшается до 5 Гр. К какому классу радиомодификаторов относится этот антибиотик.

 При облучении бактерий в анаэробных условиях в дозе 50 Гр погибло 50 % клеток. Какая доза радиации необходима для достижения такого же эффекта при облучении этих бактерий на воздухе, если ККУ = 3 ?

После введения мышам лекарственного препарата, ЛД50 для них увеличилась с 12 Гр до 15 Гр. Явлется ли этот препарат радиопротектором?

 Каккие способы Вы можете предложить для повышения эффективности лечения при радиотерапии злокачественных опухолей?

Введение этилового спирта в организм человека и млекопитающих повышает их устойчивость к облучению. Однако, это соединение не относится к радипротекторам. Почему?

Бригада ремонтников на атомной электростанции работала в течение 2 часов при экспозиционной  мощности дозы гамма-излучения Рэкс = 0,05 мГр/с. До облучения в организм рабочих  был введен радипротектор с ФИД = 3. Какую эквивалентную дозу облучения получил каждый работник, и каковы прогнозируемые последствия для его здоровья?

Человек облучался тотально g - лучами с Рэкс = 1 мГр/с в течение часа. Какой диагноз относительно здоровья этого человека? Какие способы лечения этого облученного Вы можете предложить?

 Как можно уменьшить вредное действие ионизирующего излучения на нормальные ткани при лечении опухолей?


На главную