• Постоянство числа, индивидуальность и сложность строения, авторепродукция и непрерывность в последовательных генерациях клеток размножающихся тканей говорят о большой биологической роли нуклеиновых кислот.
• В состав нуклеиновых кислот входят углерод, кислород, азот и фосфор. Известны две группы кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Они отличаются химическим строением и свойствами. Согласно последним данным, ДНК находится не только в ядре, но входит также в состав органоидов цитоплазмы, например митохондрий.
• Основные хранители РНК, ядрышки, находящиеся в ядре, и рибосомы, в которых происходит синтез белков. Кроме того, РНК находится в цитоплазматическом матриксе - цитоплазме.

    Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды. В каждый нуклеотид входит молекула рибозы в РНК или дезоксирибозы в ДНК, связанные с молекулой фосфорной кислоты, и одно из 4-х азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) (или урацил в составе РНК). Простейшие нуклеиновые кислоты – мононуклеотиды, т.е. отдельные нуклеотиды. Отдельные нуклеотиды при полимеризации, будучи соединенными между собой остатками фосфорной кислоты, образуют полинуклеотиды, молекулы которых могут быть образованы десятками, сотнями и тысячами нуклеотидов. Нуклеотиды могут располагаться в различной последовательности, что обеспечивает большое разнообразие соединений этого класса. (Рис. 1).
    Основная биологическая функция ДНК заключается в хранении, постоянном самовозобновлении, самовоспроизведении (репликации) и передаче генетической (наследственной) информации в клетке. Биологическая роль РНК связана преимущественно с синтезом белка, т.е. с реализацией наследственной информации. Именно РНК является посредником между ДНК и строящимися в рибосомах белковыми молекулами.

Рис. 1 Строение одной из двух нитей ДНК: 1- сахарофосфатный скелет; 2- дезоксирибоза; 3- азотистые  основания аденин, гуанин, тимин; 4 - нуклеотид.

• Молодые клетки, образовавшиеся после деления, не могут сразу немедленно приступить к новому клеточному делению. В них прежде должны произойти важные процессы:увеличение объема, восстановление структурных компонентов ядра и цитоплазмы, связанных с синтезом нуклеиновых кислот и белка.
• Совокупность процессов, происходящих в клетке от одного деления до следующего и заканчивающихся образованием двух клеток новой генерации, называется митотическим циклом. Общая длительность клеточного цикла для кроветворных клеток костного мозга в норме составляет около 12-24 часов, у крипт кишечного эпителия от 10 до 20 часов. У ряда клеток других тканей он может составлять несколько суток или даже недель. Различают 4 периода этого цикла: пресинтетический – G1, синтетический – S, постсинтетический – G2 и митоз (М).
• В нормальных условиях при отсутствии воздействия ионизирующих излучений (ИИ) под действием высокореактивных химических радикалов, а также физических агентов незначительной интенсивности могут иметь место нарушения структуры ДНК. Эти нарушения обычно быстро восстанавливаются в клетке под действием ферментов репарации.
• В клеточном цикле имеется несколько так называемых сверочных точек, «чекпойнтов» (в конце стадии G1 и в начале G2), при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активируют репарационные процессы и происходит небольшая задержка продвижения клетки по циклу с целью восстановления структуры ДНК и нормального завершения процесса репликации и удвоения ДНК до вступления клетки в митоз.
• При воздействии ИИ имеют место уже значительные повреждения и та же система приводит к задержке начала синтеза ДНК, увеличению по длительности S периода и удлинению периода подготовки клетки к делению G2. Блок в прохождении клеток по циклу нагляднее всего проявляется в виде зависимой от дозы задержки наступления первого постлучевого митоза.
• При увеличении дозы системы репарации не могут обеспечить необходимый уровень восстановления клетки. Образуются хромосомные и хроматидные нарушения структуры (хромосомные аберрации), образуются дицентрики, ацентрические фрагменты хромосом, мосты, межхромосомные обмены и др., и не происходит нормального равного распределения хромосом между дочерними клетками.
• Аберрации, сопровождающиеся образованием ацентрических фрагментов, мостов и дицентриков, получили название нестабильных, так как приводят к гибели либо самой клетки, либо ее ближайших потомков.
• Перестройки, сопровождающиеся только перемещением участков поврежденных хромосом, когда весь генетический материал остается связанным с центромерой и может равномерно распределяться между дочерними клетками, относят к стабильным, так как они могут передавать генетический материал из поколение в поколение, сохраняясь в организме в течение многих лет. Примером могут служить транслокации, когда участок генома перемещается в новое для него место в молекуле ДНК, но продолжает функционировать. Это может приводить к воспроизводству измененных белков, появлению различных заболеваний, в том числе к увеличению вероятности развития опухолей.

Рис.2. Строение участка молекулы ДНК и ее пространственная упаковка в процессе последовательной спирализации после завершения синтеза ДНК и подготовки клетки к делению. Последний фрагмент рисунка - хромосома на стадии метафазы в митозе до разделения.

    При облучении в клетке повреждаются многие ее структуры. Из-за большого размера и особо важной роли молекул ДНК в передаче наследственной информации в качестве основной мишени наиболее часто рассматривается характер возникающих нарушений ДНК и возможность их репарации (восстановления). В клетке различные участки ДНК одной и той же молекулы находятся очень близко друг к другу из-за многократного сворачивания нитей ДНК в структуры все большего диаметра при подготовки клетки к делению (Рис.2).

ДНК, РНК − Возможности их репарации

• Постоянство числа, индивидуальность и сложность строения, авторепродукция и непрерывность в последовательных генерациях клеток размножающихся тканей говорят о большой биологической роли нуклеиновых кислот.
• В состав нуклеиновых кислот входят углерод, кислород, азот и фосфор. Известны две группы кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Они отличаются химическим строением и свойствами. Согласно последним данным ДНК находится не только в ядре, но входит также в состав органоидов цитоплазмы, например, митохондрий.
• Основные хранители РНК, ядрышки, находящиеся в ядре, и рибосомы, в которых происходит синтез белков. Кроме того, РНК находится в цитоплазматическом матриксе - цитоплазме.
• В отличии от редкоионизирующих излучений при облучении в той же дозе от источников радиации с высокими линейными потерями энергии (ЛПЭ), с высокой плотностью ионизации и выделении в рассматриваемом объеме клетки локально большого количества энергии (галактические космические лучи, ускоренные в эксперименте многозарядные ионы (УМИ), быстрые нейтроны) вероятность множественных двойных разрывов резко увеличивается и снижается возможность их репарации.
• Это приводит к появлению множественных видов хромосомных аберраций при митозе и значительному увеличению вероятности гибели клеток. Все это обусловливает существенно большую относительную биологическую эффективность (ОБЭ) излучений с высокими значениями ЛПЭ в отношении поражения клеток различных тканей.

Радиационные повреждения молекулы ДНК

    На схеме отчетливо видно более глубокое радиационное повреждение молекулы ДНК при действии ускоренных тяжелых ионов с высокими линейными передачами энергии (ЛПЭ) по сравнению с воздействием рентгеновского излучения.
    Ионизирующие излучения, действуя на водную среду, в которой находятся клетки, образуют целый ряд высокоактивных химических радикалов, в свою очередь, способных вызывать серьезные структурные повреждения ДНК и других клеточных органелл, нарушая их нормальную функцию (так называемое косвенное действие ионизирующих излучений). Ниже представлена схема образования высокореактивных радикалов, продуктов радиолиза воды и последующих радикалов, связанных с взаимодействием с растворенными в воде органическими соединениями.

    Следует отметить, что если прямое повреждающее действие осуществляется, можно считать, практически мгновенно, то опосредованное действие носит существенно более длительный характер с образованием порой токсичных белковых продуктов. При этом прямое непосредственное действие ответственно лишь за 10-20 % лучевого поражения.
    На схеме наряду с прямыми повреждениями молекулы ДНК за счет ионизации показано непрямое (косвенное) поражение структуры ДНК за счет образования под действием радиации высокореактивных свободных радикалов.

Кривые выживаемости клеток почки человека при действии излучений с различными ЛПЭ

Рис.3. Кривые выживаемости клеток почки человека при действии излучений с различными ЛПЭ а) рентгеновское излучение 250 кВ, ЛПЭ =1,3 кэВ/мкм; б) нейтроны с энергией 15 МэВ, ЛПЭ = 80 кэВ/мкм; в) α частицы 210Ро, ЛПЭ =166 кэВ/мкм. Светлые значки – облучение в присутствии кислорода, темные – облучение в условиях аноксии.

   Особенно сильным модификатором, усиливающим повреждающее действие ИИ, является кислород. Радиобиологические исследования по облучению клеток различных тканей в условиях присутствия в них кислорода и при аноксии (отсутствии кислорода) показали, что равноэффективные дозы в первом случае оказываются приблизительно в 3 раза меньшими (так называемый коэффициент кислородного усиления (ККУ) радиационного поражения).
    Большее повреждающее действие ИИ в присутствии кислорода в клетках связано, с одной стороны, с тем, что усиливается концентрация высокореактивных радикалов и особенно перекисных соединений, что усиливает структурные повреждения ДНК и других структур клетки, а с другой - при ионизации атомов на одном из участков макромолекулы образуется неспаренный электрон, который захватывается кислородом на свою орбиту, и кислород присоединяется к молекуле ДНК в месте разрыва одной из химических связей. Такая модификация снижает эффективность ее репарации.
    На Рис.3 представлены кривые выживаемости клеток некоторых тканей, находящихся в кислородной среде и в условиях аноксии, в зависимости от поглощенной дозы при воздействии редкоионизирующих и плотноионизирующих излучений. Можно отметить больший повреждающий эффект и более выраженное снижение доли выживших клеток при облучении в присутствии кислорода, что особенно выражено при воздействии редкоионизирующих излучений (ККУ равен от 2,5 до 3).
При воздействии плотноионизирующих излучений на клетки тканей, находящихся в кислородной среде, имеет место незначительное увеличение радиационного поражения клеток и даже отмечается отсутствие кислородного эффекта.

Выживаемость клеток радиочувствительных тканей организма при действии излучений с различными ЛПЭ в зависимости от поглощенной дозы

    Выживаемость клеток различных тканей в зависимости от дозы облучения широко начала изучаться с 1956 г. после разработанного метода культивирования клеток вне организма (in vitro) в термостате в чашках с питательной средой. Долю выживших клеток после облучения в различных дозах определяли на основе отношения числа нормальных полноценных колоний клеток, выросших в облученных и контрольных чашках в результате многократного их деления.
    Эта идея позднее была применена к тканям in vivo (в живом организме). Канадские ученые Дж. Тилл и Е. Мак-Кулох в 1961 г. предложили метод определения радиочувствительности стволовых клеток гемопоэтической ткани. Они ввели клетки костного мозга в хвостовую вену летально облученным мышам-реципиентам, у которых через 7-9 дней на селезенке появились видимые невооруженным глазом колонии, состоящие из потомков введенных клеток.
    Путем сравнения числа колоний, образующихся при введении клеток костного мозга от облученных в разных дозах и необлученных мышей, были получены типичные кривые выживаемости стволовых кроветворных клеток. Этот метод, получивший название экзоколониального теста, широко используется и в настоящее время для оценки радиочувствительности стволовых кроветворных клеток донора.
    Известно, что процесс ионизации структур клетки носит стохастический характер. Для инактивации клетки при действии плотноионизирующих излучений, как правило, бывает достаточно реализации одного события попадания частицы в ядро клетки и повреждения структуры ДНК. Кривые выживаемости клеток различных тканей в этом случае описываются экспоненциальной зависимостью от дозы:
N = N₀exp(−D/D₀), где D₀ − параметр, характеризующий радиочувствительность ткани, - дозу, при которой доля выживших клеток, избежавших взаимодействия, будет снижена в е раз.
    При действии редкоионизирующих излучений, учитывая активную и достаточно оперативную работу репарационных ферментативных систем в клетках, для реального закрепления радиационного поражения в клетке, чтобы она потеряла свой пролиферативный потенциал (способность осуществления большого числа делений и образованию полноценных колоний) необходимо несколько взаимодействий − теория многих ударов (n ударов). Близкая к ней по форме теория многих мишеней рассматривает необходимость одномоментным поражением нескольких мишеней в чувствительном объеме клетки (n мишеней) для ее инактивации. В этом случае кривые выживаемости не будут иметь строго экспоненциальный характер, а образуют плечо.

    Наиболее радиочувствительными среди всех видов клеток организма являются лимфоциты, для которых величина параметра D₀ составляет 0,5 Гр. Это характерно также для опухолевых клеток лимфоидного происхождения.

Диапазон в области малых доз до 1 Гр

    Диапазон в области малых доз до 1 Гр наиболее интересен с позиции обеспечения радиационной безопасности, так как при профессиональном облучении на Земле, при ликвидации радиационных аварий наибольшее число лиц подвергается воздействию именно в этих дозах.
    Обнаружено, в частности, что кривая доза-эффект для ряда даже радиоустойчивых линий клеток на начальном участке с ростом дозы снижается относительно быстро, а затем следует плато, после чего она принимает обычный вид. Повышенная радиочувствительность клеток в диапазоне 0,1-0,5 Гр выявлена у 38 из 50 клеточных линий, полученных из опухолей различных локализаций, нормальных фибробластов и эпителиальных клеток человека. Такой же характер инактивации мы наблюдали для стволовых кроветворных клеток при экзоклонировании в селезенке.
    Рассматриваемый диапазон доз характерен и для радиационного воздействия космических излучений на космонавтов при осуществлении длительных орбитальных полетов. При межпланетных полетах, учитывая стохастический характер солнечных протонных событий, возможны более высокие уровни воздействия радиации на космонавтов.

Рис.5. Выживаемость стволовых кроветворных клеток КОЕ (а) и сперматогоний (б) у мышей: 1 – клонирование в селезенке; 2 – клонирование в костном мозге бедренной кости; 3 – расчетная кривая для радиочувствительной фракции КОЕ; 4 – клонирование в селезенке при дополнительном введении Т-лимфоцитов

    Поскольку ведущее значение в сохранении работоспособности и жизнеспособности человека в ближайшем периоде в процессе хронических и после кратковременных острых облучений принадлежит кроветворной ткани, мы представим ниже основные зависимости от дозы и мощности дозы сохраненной доли стволовых кроветворных клеток, функциональных клеток в костном мозге и в периферической крови.
    На Рис. 5-а представлен характер относительного изменения числа жизнеспособных стволовых кроветворных клеток (колоние-образующих единиц (КОЕ)) у мышей от дозы острого гамма-облучения. Сходный характер изменения числа жизнеспособных клеток имел место и при облучении сперматогониев (Рис.5-б). Из данных рисунка видно, что при малых значениях доз наблюдается резкое снижение числа стволовых кроветворных клеток за счет радиочувствительной фракции (параметр D₀ оказывается равным 0,1 Гр). Затем форма кривой становится обычной, и последующее снижение численности радиоустойчивой фракции клеток происходит по многоударной модели с параметрами D_oи D_q, равными 1,0 Гр и 1,5 Гр, соответственно.

Снижение эффективности радиационного воздействия при фракционированном облучении

Рис.6. Кривые выживаемости клеток карциномы Эрлиха линии ELD, растущих в культуре при фракционировании дозы радиационного воздействия. Кривые 1 и 2 основаны на экспериментальных данных однократного облучения и разделенного на две фракции; 3 и 4 – расчетные кривые для разделения дозы 18 Гр на 4 и 8 равных фракций на основе параметров кривой выживаемости для однократного облучения.

    Большим числом радиобиологических исследований показано, что после воздействия гамма или рентгеновского излучений и создании на несколько часов условий для возможности восстановления поврежденной структуры ДНК отмечается значительное увеличение доли выживших клеток. Это явление, обусловленное созданием условий для активизации ферментативных систем репарации и увеличением времени восстановления структур ДНК до начала синтеза и вступления клеток в митоз, было названо восстановлением потенциально летальных повреждений. В зависимости от условий скорость восстановления определяется характеристическими временами от 1 до 10 часов.
    На Рис.6 показано снижение эффективности радиационного воздействия при фракционированном облучении. Увеличение доли выживших клеток оказывается тем большим, чем больше число фракций и интервалы между ними.
    Аналогичные процессы, связанные с быстрым восстановлением повреждений в клетках и приводящие к резкому увеличению доли выживших клеток, имеют место при разделении суммарной дозы на отдельные фракции с интервалами от нескольких часов до нескольких суток. Этот тип восстановления был назван восстановлением сублетальных повреждений, поскольку ослаблялись в этом случае процессы закрепления поражения наиболее важных структур клеток, уменьшался выход двойных разрывов ДНК и облегчались условия для восстановления нормальных структур клеток до вступления части клеток в наиболее радиочувствительные стадии.
    Наиболее значимо увеличивается доля жизнеспособных клеток при фракционировании радиационного воздействия для тканей с большими возможностями восстановления сублетальных повреждений, кривая выживаемости от дозы для которых характеризуется большими значениями плеча (параметра D_q).

Учет фактора восстановления радиационного поражения при облучении с малыми значениями мощности дозы

Рис.7. Выживаемость клеток китайского хомячка в зависимости от дозы при снижении мощности дозы облучения с 1,07 Гр/мин до 0,36 сГр/мин.

    Учет фактора восстановления радиационного поражения на клеточном, тканевом и организменном уровнях важен не только при фракционированном воздействии ионизирующих излучений, но и при облучении с малыми значениями мощности дозы.
    На Рис. 7 в качестве примера показано значительное снижение поражения клеток китайского хомячка линии CHL –F при снижении мощности дозы гамма-излучения от 1,07 до 0,16 Гр/мин и последующем снижении до 0,36 сГр/мин. Здесь облучению подверглись клетки, уже образовавшие микроколонии со средним числом клеток на колонию 3,5. По оси ординат отложена доля микроколоний, дорастающая до макроколоний. При совсем малых значениях мощности дозы снижение эффективности облучения связано не только с восстановлением сублетальных повреждений, но и с существенно большим временем облучения. В этом случае воздействие осуществляется на все более поздние поколения клеток.

Рис.8. Относительное изменение числа стволовых кроветворных клеток КОЕ во времени при протяженном гамма-облучении мышей с различной мощностью дозы Гр/сут.

    Такой же характер снижения эффективности радиационного воздействия при уменьшении мощности дозы имеет место и для других быстрообновляющихся тканей, в том числе и для кроветворной ткани. Исследования выживаемости стволовых кроветворных клеток, образующих колонии в селезенке КОЕ у мышей, показали, что при мощности дозы 50 сГр/час (около 1 сГр/мин) погибает в 3 раза меньше клеток, чем при обычных мощностях острого облучения 50-100 сГр/мин.

    Из данных Рис. 8 видно значительное снижение эффективности радиационного воздействия и увеличение доли выживших стволовых кроветворных клеток при снижении мощности дозы радиационного воздействия.
Эффекты фракционирования дозы и мощности дозы необходимо учитывать при оценке опасности для космонавтов в длительных полетах повторных радиационных воздействий в результате реализации солнечных протонных событий (СПС).