Основные моменты, которые должны быть отражены в ответах студентов на эти вопросы и вопросы к экзамену, страница 7

«фактор изменения дозы» (ФИД), который рассчитывают какотношение равноэффективных доз облучения в присутствии и отсутствиирадиомодифицирующего агента. При этом независимо от направлениямодифицирующего воздействия (т.е. усиления или ослабления лучевогоэффекта) берется отношение большей дозы к меньшей. В случае кислородногоэффекта величину ФИД часто называют коэффициентом кислородногоусиления (ККУ) (Oxygen Enhancement Ratio – OER).На рис.

1 показаны кривые выживаемости культивируемых клеток,облученных γ-излучением на воздухе и в отсутствии кислорода (т.е. в условияханоксии, которую обычно создают помещая исследуемые объекты в атмосферуазота). Как видно, для снижения доли выживших клеток до 0,01 от исходнойпри облучении на воздухе потребовалась доза Х1, а при облучении в условияханоксии – доза Х2. Таким образом, ККУ равен Х2/Х1, т.е.

кислород повысилрадиочувствительность клеток в Х2/Х1 раз. Обычно ККУ в экспериментах наклетках не превышает значение 3. В радиобиологии подобныерадиомодифицирующие эффекты считаются очень сильными, т.е. кислородявляется весьма эффективным радиосенсибилизатором.28Часто также для определения ККУ в экспериментах на культивируемыхклетках используют соотношение доз D0 в условиях аноксии (или гипоксии) ив нормальных условиях:D в условиях аноксии (или гипоксии)ККУ= 0.D0 в нормальных условияхНаиболее четко кислородный эффект наблюдается при облученииредкоионизирующими излучениями (γ- и рентгеновским),характеризующимися низкой линейной потерей (передачей) энергии (ЛПЭ).

Сувеличением ЛПЭ кислородный эффект быстро уменьшается и полностьюотсутствует при действии α-излучения, обладающего высокой ЛПЭ. На рис. 2представлены различные варианты проявления кислородного эффекта взависимости от применяемого вида ионизирующего излучения –рентгеновского, нейтронного и α-излучения.

Как видно из рисунка, самоевысокое значение ККУ наблюдается при действии рентгеновского излучения.ККУ при облучении животных рассчитывают как отношение полулетальныхдоз (ЛД50) в условиях гипоксии и в нормальных условиях:ККУ =ЛД50 в условиях гипоксии.ЛД 50 в нормальных условияхКривая гибели животных после облучения в условиях гипоксии сдвигается вобласть более высоких доз как показано на рис. 3.

При облучении животныхзаметное снижение радиочувствительности, по сравнению с нормальныматмосферным воздухом, наблюдается примерно при 10%-ном содержаниикислорода и ниже. Для мышей минимальной концентрацией кислорода ввоздухе, ниже которой они гибнут, является 7%, а для крыс – 5%.Максимальный ККУ для животных не превышает 2. Длительностькислородного эффекта у животных невелика, т.е. защитное действие гипоксииснижается при длительном нахождении в гипоксических условиях.29Кислородный эффект обнаружен не только на клеточном и организменномуровне, но и в экспериментах с биологическими макромолекулами в простыхмодельных системах. Основные результаты получены, главным образом, сферментами и нуклеиновыми кислотами. Кислородный эффект почти всегданаблюдается при облучении сухих ферментов. Однако, при облучениимакромолекул в разбавленных водных растворах кислородный эффект можетбыть очень слабым или полностью отсутствовать.

Более того, возможен дажезащитный эффект кислорода (т.н. обратный кислородный эффект), что былопродемонстрировано, например, при облучении растворов трипсина: егорадиочувствительность в атмосфере азота была в 3 раза выше, чем вкислородной среде.На клеточном уровне зависимость кислородного эффекта от концентрациикислорода подробна была исследована в 50-е годы прошлого столетия Л.

Греемс сотрудниками (эксперименты проводились на дрожжах, бактериях и клеткахмлекопитающих в культуре). Графическое изображение этой зависимости (т.н.кривой Грея) представлено на рис. 4. Как видно из рисунка, в воздухе ККУравен примерно 3 (т.е. радиочувствительность уже максимальна) и невозрастает при повышении концентрации кислорода. При сниженииконцентрации кислорода со 159 мм рт. ст. (воздух) до 30 мм рт. ст.

ККУснижается очень незначительно. А вот в диапазоне от 20 мм рт. ст. до0 мм рт. ст. ККУ снижается очень резко. При парциальном давлении кислорода3 мм рт. ст. (что соответствует 0,4%-ному содержанию кислорода) ККУ равенпримерно 2.30В 1956 г. Т. Альпер и П. Говард-Фландерс высказали гипотезу о механизмекислородного эффекта, включающую несколько положений:а) в результате облучения мишени образуется ее активированное состояние;б) это активированное состояние мишени существует в течение оченькороткого времени (несколько миллисекунд, не более 20 мс), а затем мишеньвозвращается в стабильное состояние (т.е. восстанавливается);в) в активированном состоянии мишень является очень реакционноспособнойпо отношению к кислороду;г) если во время облучения в среде присутствует кислород, то мишень вактивированном состоянии взаимодействует с ним с образованием перекиси(гидроперекиси), т.е.

происходит пероксидация мишени.д) пероксидация мишени приводит к потере ее функциональных свойств(например, ферментативной активности и т.д.) и затрудняет ее репарацию(например, у молекулы ДНК) или вовсе делает ее невозможной. Повреждениестановится нерепарируемым. Иными словами, кислород закрепляет(«фиксирует») повреждение мишени, в связи с чем описанную гипотезу омеханизме кислородного эффекта часто называют «гипотезой кислороднойфиксации».На рис. 5 представлена схема механизма кислородного эффекта.

Как видно изрисунка, кислородный эффект отражает наличие конкуренции междупроцессами восстановления и необратимой пероксидаций первичныхповреждений мишени.31Следует отметить, что нерепарируемые повреждения мишени могут возникатьи без участия кислорода, т.е. при действии излучения на мишень возможнопоявление 2-х типов повреждений:а) повреждений I типа – потенциально летальных повреждений (скрытых),которые могут стать явными (летальными, нерепарируемыми) привзаимодействии с кислородом;б) повреждений II типа – летальных всегда, независимо от наличия кислорода.Ослабление кислородного эффекта при повышении ЛПЭ излученияпроисходит именно потому, что с увеличением ЛПЭ возрастает доля летальныхповреждений, появление которых не зависит от кислорода (т.е.

поврежденийII типа). При действии плотноионизирующего излучения (например, αизлучения) повреждения мишени (ДНК) настолько существенны, что не могутбыть репарированы и без их фиксации кислородом.Что касается упомянутого выше явления обратного кислородного эффекта вразбавленных водных растворах макромолекул, то имеются следующееобъяснение его механизма.

В разбавленных водных растворах преобладаетнепрямое действие радиации на растворенные макромолекулы, т.е.макромолекулы повреждаются, в основном, радикалами воды, образующимисяпри ее радиолизе. Кислород в разбавленных водных растворахвзаимодействует не с радикалами макромолекул, а главным образом, спродуктами радиолиза воды – радикалами водорода Н• и гидратированнымиэлектронами е–гидр. При этом, в зависимости от того, какие из продуктоврадиолиза воды оказывают повреждающее действие на растворенныемакромолекулы, возможен либо обратный, либо прямой кислородный эффект:а) если наибольший вклад в поражение данных макромолекул вносят радикалыводорода Н• и гидратированные электроны е–гидр, то их перехват кислородомснизит радиационный эффект, оказываемый ими на макромолекулы, т.е.

будетнаблюдаться защитный эффект кислорода (обратный кислородный эффект);б) если макромолекулы повреждаются, главным образом, гидроксильнымрадикалом ОН•, то кислород, перехватывая радикалы водорода Н•, уменьшитрекомбинациюН• + ОН• → Н2О,что приведет к увеличению концентрации ОН• и усилению радиационногоэффекта, т.е. будет наблюдаться прямой кислородный эффект.Существование кислородного эффекта имеет большое практическое значение.В частности это явление необходимо учитывать при радиотерапиизлокачественных новообразований.Понятно, что цель радиотерапии – убить опухолевые клетки и как можноменьше повредить нормальные ткани, окружающие опухоль.

Однако,применению облучения для удаления опухоли препятствует тот факт, чтоопухолевая ткань является более устойчивой, чем нормальная ткань. Этосвязано с тем, что в опухолях имеются гипоксические зоны, возникающие из-загораздо худшего снабжения опухоли кровью по сравнению с нормальнымитканями. Парциальное напряжение кислорода (рО2) в гипоксической зонеопухоли может составлять 1-5 мм рт. ст., тогда как в нормальных тканях – от20 до 100 мм рт. ст.В 50-е годы прошлого века Л. Грей для повышения содержания кислорода вгипоксических опухолевых клетках предложил применять гипербарическуюоксигенацию (вдыхание чистого кислорода под давлением 2-3 атм.) во времясеанса радиотерапии.

Основываясь на характере исследованной им32зависимости ККУ от парциального напряжения кислорода (см. рис. 4) онсделал вывод, что такое дополнительное повышенное оксигенированиепрактически не изменит радиочувствительность нормальных тканей, носущественно повысит радиочувствительность гипоксических опухолевыхклеток (даже если прирост содержания кислорода в гипоксических зонахопухоли будет небольшим).

Применение оксибарорадиотерапии,действительно, повысило эффективность лечения некоторых видов опухолей(особенно опухолей головы и шеи). Однако, оказалось, что гипербарическаяоксигенация приводит к увеличение содержания кислорода далеко не во всехопухолях.Другим подходом практического применения кислородного эффекта врадиотерапии опухолей является использование феномена реоксигенацииопухолевых клеток. Оказалось, что обычно гипоксическими являются 10-15%клеток опухоли. При действии облучения на такую популяцию гибнут,главным образом, аэрированные клетки, т.к.