а) Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты как мишень для ионизирующего излучения. Молекула ДНК является мишенью для биологического воздействия радиации на клетки млекопитающих. Повреждения ДНК связаны с ее нитями, основаниями и перекрестными связями, но характерным повреждением является разрыв одноцепочечной и, что самое важное, двухцепочечной ДНК.
Двухцепочечные разрывы приводят к фрагментации ДНК, когда образуются два или более разрыва, и клетки пытаются восстановить эти разрывы. Фрагменты ДНК могут соединяться неправильно, что приводит к транслокации генов, мутации или амплификации и в итоге к гибели клеток.
б) Прямое и косвенное воздействие ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение может прямо или косвенно взаимодействовать с атомами молекулы ДНК. Прямое воздействие создает ионы, которые затем инициируют процесс биологического повреждения.
Этот прямой эффект преобладает в случае частиц с высокой линейной передачей энергии, таких как протоны, быстрые нейтроны и тяжелые ионы (рис. 1). Однако большинство повреждений ДНК вызывается опосредованно, что является преобладающим эффектом для частиц с низким уровнем линейной передачи энергии, таких как фотоны.
Рисунок 1. Прямое и косвенное воздействие излучения: А — быстрые электроны могут непосредственно повреждать дезоксирибонуклеиновую кислоту; В — в качестве альтернативы быстрый электрон может взаимодействовать с водой, создавая гидроксильный радикал, который впоследствии взаимодействует с дезоксирибонуклеиновой кислотой, вызывая ее повреждение
Непрямое повреждение ДНК происходит через важный хим. промежуточный продукт — гидроксильный радикал (-OH), который обладает высокой реакционной способностью из-за своего неспаренного электрона.
в) Гибель клеток. Два основных пути гибели клеток после облучения — это апоптоз и митотическая катастрофа. Митотическая катастрофа считается наиболее распространенным механизмом гибели клеток после облучения. При этом клетки с поврежденной ДНК вступают в митоз преждевременно, прежде чем ДНК м.б. восстановлена, и погибают, пытаясь завершить следующие 2-3 митотических цикла.
Апоптоз, или запрограммированная гибель клеток, происходит после в/клеточного стресса, такого как радиационно-индуцированные непоправимые двухцепочечные разрывы. За несколько часов быстро развивается ряд событий, приводящих к инактивации клеточных мембран, образованию апоптотических тел в цитоплазме, конденсации хроматина, фрагментации ядер и разрушению ДНК (Okada, 2004).
г) Четыре «Р» радиационной биологии: репарация, реассортация, репопуляция, реоксигенация. В классической радиационной биологии клетки реагируют на излучение четырьмя механизмами. Клеточную репарацию можно описать репарацией сублетальных повреждений и потенциально летальных повреждений. Репарация сублетальных повреждений возникает, когда доза облучения разделяется на две или более фракции с разницей в несколько часов. Клетки успевают восстановить свои повреждения, и их выживаемость увеличивается.
Последний процесс, наблюдаемый в репарации сублетальных повреждений — это репопуляция, которая является реакцией ткани по восполнению клеточной популяции (Trott, 1999).
После первоначального восстановления сублетального поражения начинается реассортация. Внутри опухоли пролиферирующие клетки находятся в разл. фазах клеточного цикла (см. рис. ниже). Клетки митоза (М) и G2 наиболее чувствительны к радиации. И наоборот, клетки в фазах G1 и S (синтез ДНК) менее чувствительны (Pawlik, 2004). При облучении те клетки, которые находятся в фазе G2/M, погибают. Во время реассортации выжившие популяции клеток возобновляют свое продвижение по митотическому циклу.
Схема клеточного цикла. Лекарственные препараты сгруппированы в соответствии со стадией клеточного цикла, на которой они наиболее эффективны
Четвертое «Р» теории радиационной биологии — это реоксигенация. Популяция опухолевых клеток состоит из оксигенированных и гипоксических компонентов. Клетки, расположенные в пределах 100 мкм кровеносных капилляров, насыщаются кислородом, а за пределами 100 мкм клетки гипоксичны. После облучения гидроксильный радикал, описанный ранее, приводит к гибели насыщенных кислородом клеток.
После гибели части клеток опухоль уменьшается, что позволяет ранее гипоксическим клеткам оказаться в пределах зоны диффузии кислорода в кровеносных капиллярах. Т.о., ранее гипоксичные клетки оксигенируются и становятся восприимчивыми к радиации.
д) Линейно-квадратичная модель и соотношение α/ β. Для низкоинтенсивного излучения была принята линейно-квадратичная кривая, объясняющая зависимость между долей клеток, выживших при данной дозе облучения (рис. 2). Начальная линейная (α) часть кривой показывает, что вероятность гибели клеток пропорциональна дозе облучения. В области более высоких доз криволинейная квадратичная ( β) часть указывает, что вероятность гибели клеток пропорциональна квадрату дозы.
Рисунок 2. Линейная квадратичная кривая выживаемости клеток млекопитающих. Выживаемость клеток строится в логарифмической шкале. Доза (в Гр) находится в линейной шкале. Показаны типичные кривые выживаемости клеток с низким линейным переносом энергии (синяя кривая) и с высоким линейным переносом энергии излучением (красная линия). При низких линейных переносах энергии рентгеновского излучения α-(линейная) часть кривой плоская, выживаемость клеток опухоли пропорциональна дозе облучения. Однако по мере увеличения дозы β-(квадратичная) часть кривой изгибается, выживаемость клеток в этой зоне пропорциональна квадрату дозы. При излучении с высоким линейным переносом энергии, таком как нейтроны, кривая выживания прямая
Соотношение α/β отражает реакцию нормальных тканей на излучение. Быстро реагирующие ткани имеют высокое соотношение α/β и проявляют реакции на облучение в течение нескольких дней или недель после лечения. Примерами могут служить ткани с высокой скоростью пролиферации, такие как костный мозг, репродуктивные органы и слизистая оболочка ЖКТ. При подведении дозы за множество мелких фракций преобладает сублетальное восстановление повреждений, и интенсивность ранних острых реакций на облучение м.б. снижена.
В отличие от этого, поздно реагирующие ткани проявляют клинические реакции только через несколько недель или месяцев после завершения курса лучевой терапии. Примерами могут служить легкие, почки, спинной мозг и ГМ. Эти ткани имеют низкое соотношение а/β и медленно реагируют. Для восстановления сублетального повреждения требуется больше времени, и поэтому подведение высокой дозы за фракцию может легко привести к тяжелым поздним осложнениям.
