ПРИНЦИПЫ ПОПАДАНИЯ И МИШЕНИ В РАДИОБИОЛОГИИ На развитие радиобиологии как научной дисциплины существенно влияло появление гипотез и представлений о природе радиобиологических эффектов ионизирующих излучений. Многие из них, не получив дальнейшего развития, имеют сегодня лишь историческое значение. Но некоторые, сформировавшись еще на заре количественной радиобиологии в 20-30 годах, оказались совершенными и плодотворными и сохранились до настоящего времени, претерпев некоторые доработки. Это было связано с бурным прогрессом ядерной физики, молекулярной биологии и генетики. В первую очередь к ним относятся представления о прямом и непрямом действии радиации и принципы попадания и мишени. Большой вклад в развитие этих принципов в радиобиологической науке внес известный русский ученый Н.В. Тимофеев- Ресовский. Под его руководством в 40-х годах на Южном Урале возникла школа радиационной генетики. Рассмотрим основные положения принципов попадания
и мишени, применяемые и сейчас в радиобиологии. В
основе изменений, вызываемых ионизирующими
излучениями в биологических системах, лежат два
основных механизма:
Первичный этап действия ионизирующих излучений на организм представляет собой цепь последовательных событий, происходящих в его клетках, среди которых можно выделить следующие стадии. На первой - физической стадии, длящейся 10-15-10-13 с, происходит поглощение энергии излучения и взаимодействие ее с веществом. На второй - физико- химической стадии, завершающейся в течение первых 10-13-10-10 с, возникают первичные свободные радикалы. На третьей - химической стадии, завершающейся в течение первых 10-6 -10-3 с после облучения, происходит взаимодействие ионов и радикалов, появляются вторичные свободные радикалы и перекиси, а также осуществляется взаимодействие всех этих продуктов с веществами и структурами клетки организма [2]. Ученые еще в 30-х годах столкнулись с таким парадоксом биологического действия ионизирующего излучения: несоответствие между ничтожным количеством поглощенной клеткой энергии излучения и вызываемым большим биологическим эффектом. При объяснении этого парадокса в количественной биологии были сформулированы принципы попадания и мишени. Одним из первых шагов в развитии этих принципов было сделано Ф. Дессауэром (1922). Он подошел к рассмотрению проблемы биологического действия ионизирующей радиации, исходяиз физической природы излучения. Выдвинутая им гипотеза "точечного тепла" предполагала, что большой биологический эффект при относительно небольшой общей энергии объясняется тем, что она концентрируется в малых объемах, приводя их к микролокальному разогреву. Так как распределение "точечного тепла" является случайным, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки - мишени. На основе проведенных количественных опытов, раскрывающих закономерности радиобиологических реакций, Ф. Дессауэр предположил, что они осуществляются в том случае, если в клетке произошло определенное число " попаданий" в мишень. Применение принципа попадания или гипотезы "точечного тепла" было доказано лишь в отношении первичных физических " пусковых" механизмов любых возникающих далее в облученном веществе цепей реакции. Однако эта гипотеза не учитывала те физико-химические реакции, происходящие в клетках в результате поглощения ничтожно малого количества энергии, в результате которых возникали глубокие биохимические процессы. В дальнейшем его ученики Блау и Альтенбургер (1922) путем математических расчетов вывели общую формулу, лежащую в основе расчета кривых " доза-эффект", в которую входило число попаданий в определенный "чувствительный объем", необходимое для одной единицы реакции, например, гибели одной клетки [1,4 ]. В последующих работах, выполненных Дж. Кроузером,
Д.Е. Ли, К.Г. Циммером, Н.В. Тимофеевым-Ресовским
и другими исследователями, были предложены и
успешно использованы для анализа радиобиологических
эффектов принципы попадания и мишени. В общем виде
количественный анализ, основанный на принципе
попадания, состоит в том, что полученные в
эксперименте кривые "доза-эффект" интерпретируют
на основании следующих физических принципов:
Оказалось, что при воздействии излучений на биологические объекты не всякая передача энергии ионизирующей частицей приводит к лучевому повреждению. Живая клетка и ее органеллы оказались гетерогенными в отношении чувствительности к облучению. Воздействие излучений на одни участки объема клетки приводит к повреждению, такое же воздействие на другие участки не сказывается на той функции, по которой судят о повреждении. Радиационный эффект в клетке возникает по принципу "все или ничего" в зависимости попадания или непопадания ионизирующих частиц в уникальную структуру. Это утверждение, основанное на экспериментальных фактах, получило название принципа мишени, согласно которому объем живых клеток гетерогенен по своей радиочувствительности: в нем имеются определенные участки (мишени), попадание в которые и только в них приводит к поражению [3, 6, 8]. Радиационный эффект обусловлен одним или несколькими попаданиями ионизирующих частиц в клетку. В зависимости от того, сколько случаев попадания в мишень необходимо для поражения (один, два и т.д.), различают объекты одно-, двухударные и т.д. Отсюда по теории Пуассона легко получить кривые зависимости эффекта принципа дозы. Экспоненциальные кривые указывают на то, что одного попадания в чувствительный объем клетки достаточно для проявления радиационного эффекта. В реальных условиях эксперимента такую зависимость наблюдали при облучении макромолекул, бактериальных спор, некоторых одноклеточных организмов. На основании принципов попадания и мишени можно анализировать кривые "доза-эффект", полученные в эксперименте. В зависимости от вида объекта и характера излучения получают различные дозные кривые - от простых экспоненциальных до сигмоидальных с различной величиной "плеча" . Наиболее строго принцип попаданий применим к анализу поражения одноударных объектов. В этом случае можно рассчитать размеры и число мишеней. Применение этих принципов позволило впервые определить размеры некоторых макромолекул, вирусов, бактерий, генов, получить сведения о строении и функциях этих объектов. Наиболее значительным результатом теории мишени было установление того факта, что инактивация многих ферментов и вирусов является одноударной реакцией, а размер чувствительного объема часто близок к объему всей молекулы. По мнению известного радиобиолога и генетика Н.В. Тимофеева-Ресовского, действительно, принцип попадания не является теорией; это общее установление дискретной природы физических взаимодействий излучений с облученным веществом. Таким же общим принципом является принцип мишеней; в радиобиологии он отображает общее положение о крайней разнородности (с физической, химической и биологической точек зрения) облучаемого живого вещества (организм, ткани, клетки). Иначе говоря, принципы попадания и мишеней характеризуют основу первичных физических процессов, ведущих к возникновению радиационно-химических и радиобиологических реакций в облученных клетках [6, 7]. Интерпретация конкретных многоударных кривых с позиций теории мишени затруднительна. Пределы применимости принципов попадания и мишени не очень широки. Применение принципов попадания и мишеней наиболее эффективно в тех случаях, когда строятся гипотезы и теории механизмов таких радиобиологических реакций, которые являются результатом изменений определенных, известных внутриклеточных структур (таких, например, как мутации, хромосомные аберрации, гены и т.п.), количественно учитываемых в виде дискретных единиц реакции. При этом аналитические возможности резко повышаются в тех случаях, когда в основе теоретических построений лежат сравниваемые среди опытов с применением различных типов излучения и разных режимов воздействия. В более сложных и комплексных конечных радиобиологических реакциях принципы попадания и мишеней могут и должны применяться лишь при количественной оценке первичных физических пусковых механизмов этих реакций в экспериментах с применением разных доз различных типов излучений и разных режимов облучения. Многие радиационные эффекты, обусловленные изменением химического состава клетки в результате радиолиза ее компонентов или метаболическими процессами взаимодействия различных клеточных органелл, не подлежат интерпретации на основании этих принципов [5]. ЛИТЕРАТУРА
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 4471 посещений с 31.01.2001 |