Комбинированное действие ионизирующего излучения и других факторов окружающей среды на живые организмы: новые закономерности и перспективы

Рис. 7 Влияние малых доз ионизирующего излучения на отмирание диплоидных (А) и гаплоидных (Б) дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae, выдерживаемых при 37°С в непитательной среде после выдерживания клеток при естественном (кривые 1) и 10-кратном (кривые 2) радиационном фоне

На рис. 7 приведены кривые отмирания диплоидных и гаплоидных дрожжевых клеток, выдерживаемых в непитательной среде при 37°С после хронического облучения (мощность дозы соответствует 10 естественным радиационным фонам). Из рис. 7А видно, что облученные диплоидные дрожжевые клетки отмирали медленнее контрольных, выдерживаемых в условиях естественного радиационного фона. Напротив, гаплоидные клетки отмирали значительно быстрее контрольных (рис. 7Б). Итоговые данные по изучению отмирания дрожжевых клеток различного генотипа суммированы в табл. 4.

Таблица 4

Зависимость коэффициента отмирания (k) дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae от генотипа (мощность дозы составляла 10 ЕРФ или 1,310^-6 Гр/ч)

Совокупность приведенных экспериментальных данных свидетельствуют в пользу точки зрения, что замедление отмирания облученных клеток могло быть связано со способностью клеток восстанавливаться от повреждений, индуцируемых ионизирующим излучением Повышенные дозы ионизирующего излучения (10 и 100 ЕРФ) могли запускать процессы репарации, которые, вероятно, принимают участие в восстановлении некоторых повреждений, ответственных за отмирание клеток.

Из приведенных в диссертации данных ясно, что эффект радиационного гормезиса, регистрируемый по критерию снижения скорости отмирания клеток в популяции, характерен не только для диких штаммов, для которых существуют механизмы пострадиационной репарации повреждений ДНК (Филиппович И.В., 1991; Боднарчук И.А., 2002, 2003; Boucher et al., 2004), но и для мутантного штамма, возможности восстановления которого после воздействия ионизирующего излучения ограничены.

Обсудим возможные механизмы радиационного гормезиса наблюдавшегося на дрожжевых клетках. Зависящие от времени изменения в живых системах могут быть определены как старение, которое сопровождается потерей или деструкцией клеток. В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих старение и отмирание в условиях голодания дрожжевых клеток различных штаммов, облученных ионизирующим излучением. Гибель (отмирание) клеток наблюдали в контрольной и предварительно облученной популяции клеток. Показано, что острое однократное облучение приводило к замедлению клеточного старения и отмирания клеток, выживших после облучения.

Этот положительный радиационный эффект, наблюдавшийся в выживших после облучения дрожжевых клетках может быть отнесен к гормезисному действию. В противоположность традиционной точке зрения, наши данные показывают, что радиационный гормезис может наблюдаться не только при малых дозах, снижающих выживаемость клеток до 70-90 %, но также и после облучения в высоких дозах, когда выживаемость клеток составляет 5-15%. Эти данные могут быть интерпретированы с позиций микродозиметрии, изучающей распределение поглощенной энергии на микрогеометрическом уровне (Booz, Feinendegen, 1988). В соответствии с микродозиметрией, существует довольно-таки широкое распределение клеток по поглощенной энергии в микрообъемах клетки даже при одинаковой дозе облучения. Поглощенная энергия в чувствительном объеме клеток, выживших после облучения, может быть меньше критической энергии, необходимой для индукции наблюдаемого эффекта (инактивация клеток), но достаточной для проявления положительного действия (радиационный гормезис).

Было показано, что эффект радиационного гормезиса наблюдался для диплоидных дрожжевых клеток как дикого типа (T1), так и радиочувствительного мутанта (штамм T4), дефектного по способности восстанавливаться от радиационных повреждений. Эти данные могут быть интерпретированы следующим образом. Вполне возможно, что облучение ионизирующим излучением индуцировало реактивацию клеток от повреждений, приводящих к клеточной деструкции и старению в условиях голодания при умеренно повышенных температурах, использованных в наших экспериментах. Такая гипотетическая реактивация могла отличаться от восстановления от радиационных повреждений и частично происходить для диплоидных мутантных клеток, неспособных к восстановлению от радиационных повреждений. Не исключено, что такая реактивация могла быть более эффективной для клеток, содержащих два набора хромосом. Тогда становится ясным, почему радиационный гормезис регистрировался и для диплоидных радиочувствительных клеток: диплоидные клетки, благодаря двойному набору хромосом, могли восстанавливаться от повреждений, ответственных за клеточное старение и отмирание клеток в голодной среде.

Продемонстрирована прямо противоположная реакция гаплоидных и диплоидных дрожжевых клеток, выдерживаемых в воде (37 єC) во время хронического (15-35 сут) облучения ионизирующим излучением при низких мощностях доз (10 и 100 естественных радиационных фонов). Было показано, что клеточная гибель значительно задерживалась для диплоидных дрожжевых клеток, облучавшихся при 10 и 100 значениях естественного радиационного фона по сравнению с гибелью клеток, облучавшихся только естественным фоном. Наоборот, клеточная гибель была существенно ускоренной для гаплоидных дрожжевых клеток, облучавшихся при 10-кратном естественном радиационном фоне. Это означает, что действие ионизирующего излучения при низкой мощности дозы было положительным для диплоидных дрожжевых клеток и отрицательным для гаплоидных.

Эти оригинальные данные также могут быть объяснены ключевой ролью восстановления в выживаемости дрожжевых клеток различной плоидности. Хорошо известно, что диплоидные клетки более устойчивы, чем гаплоидные, ко многим инактивирующим агентам (Корогодин В.И., 1966). Это связывают с диплоид-специфическим восстановлением (Saeki et al., 1980), проявление которого в диплоидных дрожжевых клетках объясняют наличием двойного набора хромосом, обеспечивающего реализацию рекомбинационного процесса, который может устранять многие повреждения ДНК. Однако если этот вид восстановления не проявляется, можно ожидать, что диплоидные клетки должны быть примерно одинаковы по чувствительности с гаплоидными клетками или даже быть более чувствительными из-за различия в объеме мишени (число хромосом, содержание ДНК и т.д.). Этот факт хорошо известен для радиочувствительных rad мутантов (Петин В.Г., 1987) и гаплоидных дрожжей (Korogodin et al., 1996), которые не способны к диплоид-специфическому восстановлению. Не исключено, что в наших экспериментах диплоид-специфическое восстановление не полностью активировалось естественным радиационным фоном. В этом случае диплоидные клетки могли быть более чувствительными, чем гаплоидные. Как раз такой случай мог реализовываться в экспериментах, представленных в данной работе.

В целом, результаты наших исследований, касающиеся радиационного гормезиса, подтверждают хорошо известную точку зрения, что механизм радиационного гормезиса может быть связан со способностью клеток восстанавливаться от повреждений, образованных различными вредными агентами, включая факторы, приводящие к старению и отмиранию клеток, выживших после облучения и выдерживаемых в непитательной среде при несколько повышенной температуре. Эти данные также указывают на общебиологическую значимость радиационного гормезиса, поддерживают идею (Kant, Chakarvarti, 2006; Cuttler, 2006) о необходимости пересмотра парадигмы о беспороговом вредном действии ионизирующего излучения и могут рассматриваться как дополнительное указание на формирование в процессе эволюции систем репарации, обеспечивающих более полное восстановление диплоидных клеток и, как результат этого, переход в процессе эволюции от гаплоидных клеток к диплоидным.

ВЫВОДЫ

Экспериментальный анализ динамики восстановления диплоидных дрожжевых клеток после комбинированного действия гипертермии с ионизирующим излучением или УФ светом (254 нм) показал, что скорость и объем восстановления клеток уменьшались с увеличением термической нагрузки. При этом показано, что вероятность восстановления от потенциально летальных повреждений в единицу времени (константа восстановления) остаётся постоянной, а величина необратимого компонента возрастает с увеличением температуры, при которой происходило облучение.

Повышение доли невосстанавливающихся дрожжевых клеток с увеличением температуры, при которой происходило облучение ионизирующим или ультрафиолетовым излучениями, сопровождалось увеличением доли клеток, погибающих без деления и не способных к восстановлению. Следовательно, ингибирование восстановления клеток после комбинированного действия гипертермии с ионизирующим излучением или УФ светом и синергическое взаимодействие этих агентов не связано с нарушением самого процесса восстановления, а объясняется формированием повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться.

Анализ большой совокупности экспериментальных данных, опубликованных другими авторами для выживаемости и восстановления культивируемых клеток млекопитающих после воздействия ионизирующего излучения в комбинации с гипертермией и различными химическими ингибиторами восстановления, показал, что радиосенсибилизирующее действие гипертермии и химических агентов происходит за счет возрастания доли клеток, не способных к восстановлению от потенциально летальных повреждений, в то время как константа восстановления остается постоянной и не зависит от условий комбинированных воздействий.

Впервые оценены параметры восстановления разрывов ДНК культивируемых клеток млекопитающих. Показано, что константа восстановления не зависит от условий терморадиационных воздействий, а уменьшение скорости и объема восстановления разрывов ДНК клеток млекопитающих является следствием образования необратимых повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Это означает, что механизм подавления восстановления разрывов ДНК связан с формированием повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться, а не с нарушением самого процесса восстановления.

Предложен новый механизм синергического взаимодействия ионизирующего излучения с гипертермией и химическими радиосенсибилизаторами, в соответствии с которым нарушение процессов восстановления от потенциально летальных повреждений не является причиной радиосенсибилизации или синергического взаимодействия, а лишь вполне ожидаемым и прогнозируемым следствием формирования при комбинированных воздействиях большей доли необратимых повреждений, от которых клетки неспособны восстанавливаться.

Показано, что основанная на этом механизме действия обобщенная математическая модель синергизма позволяет оптимизировать и прогнозировать летальные эффекты, индуцируемые после комбинированных воздействий различных агентов на клеточном уровне. Продемонстрировано, что модель позволяет количественно описывать синергическое взаимодействие при любых соотношениях воздействующих агентов, прогнозирует величину максимального синергизма, условие его достижения и зависимость эффективности синергического взаимодействия от интенсивности используемых физических факторов или концентрации химических агентов.

Предложена математическая модель для количественного прогнозирования доли невосстанавливающихся клеток после комбинированных воздействий различных агентов. Модель основана на предположении, что эффективные дополнительные повреждения, ответственные за синергизм, являются необратимыми и формируются в результате взаимодействия субповреждений, неэффективных при раздельном применении агентов. Показано, что предсказания модели соответствуют экспериментальным данным, полученным на диплоидных дрожжевых клетках, подвергавшихся воздействию гипертермии в комбинации с ионизирующим излучением или УФ светом.

Обнаружено, что как хроническое (10-100 естественных радиационных фонов), так и острое облучение диплоидных дрожжевых клеток замедляло отмирание в голодной среде клеток, выживших после облучения. Этот процесс регистрировался не только в области малых доз ионизирующего излучения, снижающих выживаемость клеток до 70-90 %, но и в области больших доз, когда доля выживших после облучения клеток составляла несколько процентов. Полученные результаты интерпретируются в рамках гипотезы о роли систем репарации, поддерживающих надежность клеточного генома, в проявлении радиационного гормезиса.

Продемонстрирована значительная задержка отмирания диплоидных дрожжевых клеток, выдерживаемых при 37єC в голодной среде в процессе хронического облучения при мощности дозы, соответствующей 10 естественным радиационным фонам. Наоборот, отмирание гаплоидных дрожжевых клеток в этих условиях значительно ускорялось по сравнению с контрольными клетками, выдерживаемых при естественном радиационном фоне. Это означает, что действие малых мощностей доз является положительным для диплоидных дрожжевых клеток и отрицательным для гаплоидных, что объясняется индукцией диплоид-специфичекского восстановления.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Petin V.G., Zhurakovskaya G.P., Komarova L.N. Synergistic interaction of ionizing radiation with other harmful agents and environmental health criteria // International Conference on Radiation and Health, Beer Sheva (Israel), 1996. P. 116.

2. Комарова Л.Н. Значимость синергического взаимодействия факторов окружающей среды в области малых доз // Третий съезд по радиационным исследованием». Пущино, 1997. Т.2. С. 228.

3. Petin V.G., Zhurakovskaya G.P., Komarova L.N. Fluence rate as a determinant of synergistic interaction of simultaneous action of UV-light and mild heat in Saccharomyces cerevisiae // Photochem. Photobiol. B: Biol., 1997. V. 38. P. 123-128.

4. Головач И.Н., Жураковская Г.П., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Прогнозирование и оптимизация синергизма при действии ультразвука и гипертермии // Акустический журнал, 1998. Т. 44. С. 354-357.

5. Петин В.Г., Жураковская Г.П., Комарова Л.Н., Рябова С.В. Зависимость синергизма факторов окружающей среды от их интенсивности // Экология, 1998. № 5. С. 383-389.

6. Petin V.G., Zhurakovskaya G.P., Komarova L.N. Mathematical description of combined action of ultrasound and hyperthermia on yeast cells // Ultrasonics, 1999. V. 37. Р. 79-83.

7. Жураковская Г.П., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Зависимость синергизма одновременного действия ультразвука и гипертермии от интенсивности ультразвука // Биофизика, 2000. Т. 45. С. 125-129.

8. Петин В.Г., Жураковская Г.П., Комарова Л.Н., Морозов И.И., Дергачева И.П., Рябова С.В. Разработка и апробация теоретической модели синергического взаимодействия вредных факторов окружающей среды, характерных для Калужской области // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, Калуга, 2000. Вып. 1. С. 266-279.

9. Петин В.Г., Комарова Л.Н., Рябова С.В. Оптимизация и прогнозирование на организменном уровне синергического взаимодействия факторов окружающей среды, характерных для Калужской области // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук, Калуга, 2001. Вып. 2. С. 383-399.

10. Комарова Л.Н., Тхабисимова М.Д. Восстановление дрожжевых клеток после синергического взаимодействия ионизирующего излучения и гипертермии //IV съезд по радиационным исследованиям - Москва, 2001. Т. II. С. 451.

11. Комарова Л.Н., Калугина А.В. Математическое описание влияния температуры окружающей среды на микроволновой нагрев кроликов // IV съезд по радиационным исследованиям - Москва, 2001. Т. III. С. 811.

12. Комарова Л.Н., Тхабисимова М.Д. Количественная оценка параметров восстановления дрожжевых клеток после комбинированного действия УФ-излучения и гипертермии // "Энергетика-3000". Сборник материалов. Обнинск, ИАТЭ. 2001. С. 160-166.

13. Комарова Л.Н., Тхабисимова М.Д., Петин В.Г. Восстановление дрожжевых клеток после воздействия ионизирующего излучения и гипертермии // Радиационная биология. Радиоэкология, 2002.Т. 42, № 1. С. 54-59.

14. Калугина А.В., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Математическое описание синергического взаимодействия температуры окружающей среды и микроволн при нагреве животных // Радиационная биология. Радиоэкология, 2002. Т. 42, № 2. С. 223-227.

15. Тхабисимова М.Д., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Темновое восстановление диплоидных дрожжевых клеток после одновременного воздействия ультрафиолетового излучения и гипертермии // Цитология, 2002. Т. 44, № 6. С. 555-560.

16. Тхабисимова М.Д., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Восстановление клеток китайского хомячка под влиянием комбинированного воздействия рентгеновского излучения и химических препаратов // Медицинская радиология и радиационная безопасность, 2002. Т. 47, № 4. С. 17-22.

17. Комарова Л.Н., Крицкий Р.О. Синергизм комбинированного действия ультрафиолетового излучения и ионизирующей радиации. // «Электромагнитные излучения в биологии». Труды Ш Международной конференции. Калуга, 2005. С. 158-163.

18. Комарова Л.Н., Горшкова Т.А. Влияние ионизирующей радиации на отмирание дрожжевых клеток разного генотипа // Материалы XL научных чтений памяти К.Э. Циолковского. Калуга: ИП Кошелев А.Б., 2005. С. 101-102.

19. Kim J.K., Komarova L.N., Tkhabisimova M.D., Petin V.G. Inhibition of recovery from potentially lethal damage by chemicals in Chinese hamster cells is realized through the production of irreversible damage // Korean Journal of Environmental Biology, 2005. V. 23, № 4. Р. 390-397.

20. Комарова Л.Н., Передельская Л.А. Проявление гормезиса у дрожжевых клеток // «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды», Международная конференция БИОРАД-2006, Сыктывкар, 2006. С. 115-116.

21. Комарова Л.Н., Крицкий Р.О., Петин В.Г. Количественные закономерности проявления эффектов синергизма при последовательном действии факторов радиационной и нерадиационной природы // «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды», Международная конференция БИОРАД-2006, Сыктывкар, 2006. С. 160-162.

22. Комарова Л.Н., Горшкова Т.А., Кабакова Н.М. Особенности проявления адаптивной реакции у дрожжевых клеток на действие ионизирующего излучения // «V съезд по радиационным исследованиям». Москва, 2006. Том 1. С. 144.

23. Комарова Л.Н. Гормезисная реакция дрожжевых клеток на ионизирующее излучение // «V съезд по радиационным исследованиям». Москва, 2006. Том 1. С. 153.

24. Petin V.G., Komarova L.N., Zhurakovskaya G.P. Synergistic interaction of detrimental factors can intensify the consequences of Chernobyl accident // International Conference “20 years after Chernobyl: strategy for recovery and sustainable development of the affected regions”. Gomel, 2006. P. 153-154.

25. Komarova L.N., Kritskiy R.O., Petin V.G. The significance of the synergistic interaction of ionizing radiation with various physical and chemical agents in cosmic research // “4th International Workshop on Space Radiation Research and 17^th Annual NASA Space Radiation Health Investigators Workshop”. Dubna, 2006. Р. 63-64.

26. Komarova L.N., Tkhabisimova M.D. Mechanism of synergistic interaction of ionizingadiation and other agents taking place in cosmic flights // “4th International Workshop on Space Radiation Research and 17^th Annual NASA Space Radiation Health Investigators Workshop”. Dubna, 2006. Р. 130-131.

27. Комарова Л.Н. Зависимость синергического взаимодействия гипертермии и ионизирующего излучения от интенсивности применяемых факторов // В кн. Физико-технические проблемы гарантии качества лучевой терапии. Обнинск, 2006. С. 77-78.

28. Комарова Л.Н. Проявление эффекта гормезиса у дрожжевых клеток, облученных ионизирующим излучением // Радиация и риск, 2006. Т. 15, № 1-2. С. 77-84.

29. Петин В.Г., Комарова Л.Н. Значимость синергического взаимодействия ионизирующего излучения и других вредных факторов для усиления последствий чернобыльской аварии // Радиация и риск, 2006. Т. 15, № 1-2. С. 85-113.

30. Petin V.G., Kim J.K., Komarova L.N. Synergistic interaction of different environmental factors and its biological significance // Autumn meeting of Korean society of environmental biology. Korea Ocean Research & Development Institute, South Sea Institute, 2006. P. 9-13.

31. Комарова Л.Н., Крицкий Р.О., Белкина С.В. Прогнозирование синергических эффектов ионизирующего излучения и других повреждающих факторов на клетки млекопитающих и растения // Радиация и риск, 2006. Т.15, № 3-4. С. 118-130.

32. Kim J.K., Lee Y.-J., Lee J.-W, Komarova L.N., Petin V.G. Exploitable mechanism, optimization and prediction of the biological responses to radiation combined with other agent // The Second Asian and Oceanic Congress for Radiation Protection (Abstracts) October 9-13 - 2006, Beijing, China. P. 308.

33. Kim J.K., Komarova L.N., Petin V.G. The order of synergistic interaction of ionizing radiation with other agents among the chaos of the effects observed // Ind. J. Radiat. Res., 2006. Vol. 3, No. 4. Р. 182.

34. Комарова Л.Н. Некоторые эффекты радиационного гормезиса у дрожжевых клеток // Девятая российская научная конференция «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». Обнинск, 2006. С. 436.

35. Комарова Л.Н., Тхабисимова М.Д., Петин В.Г. Прогнозирование восстановления дрожжевых клеток после одновременного действия УФ-излучения и гипертермии // Цитология, 2007. Т. 49, № 1. С. 83-88.

36. Жураковская Г.П., Дергачева И.П., Комарова Л.Н. Особенности одновременного комбинированного действия цитостатиков и гипертермии на клетки китайского хомячка // Медицинская радиология и радиационная безопасность, 2007. Т. 52, № 1. С. 5-9.

37. Тхабисимова М.Д., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Количественный анализ параметров, описывающих восстановление ДНК клеток млекопитающих, подвергшихся терморадиационному воздействию // Молекулярная медицина, 2007. №2. С. 29-32.

38. Комарова Л.Н., Тхабисимова М.Д., Петин В.Г. Влияние химических ингибиторов репарации ДНК на восстановление клеток млекопитающих от повреждений, индуцированных ионизирующим излучением // Радиационная биология. Радиоэкология, 2007. Т. 47, № 4. С. 408-413.

39. Комарова Л.Н. Прогнозирование доли необратимых радиационных повреждений после одновременного действия гипертермии и ионизирующего излучения на дрожжевые клетки // Радиационная биология. Радиоэкология, 2007. Т. 47, № 5. С. 591-597.

40. Комарова Л.Н., Петин В.Г., Саенко А.С. Параметры восстановления разрывов ДНК асцитных клеток Эрлиха после комбинированного воздействия ионизирующего излучения и гипертермии // Радиационная биология. Радиоэкология, 2007. Т. 47, № 5. С. 584-590.

41. Комарова Л.Н., Петин В.Г. Модификация радиочувствительности: новые горизонты и перспективы. Обнинск, ИАТЭ, 2007. 141 с.

42. Kim J.K., Komarova L.N., Kim S.H., Petin V.G. Inhibition of DNA repair from radiation damage by hyperthermia is mainly realized through the production of irreversible damage // Indian J. Rad. Res., 2007- 4 (3-4). Р. 188-195.

43. Kim J.K., Komarova L.N., Petin V.G. Mathematical prognosis of cell recovery after combined exposures of environmental agents // In: Spring Meeting of Korean Society of Environmental Biology. 8-9 June 2007. Korea Research Institute of Bioscience & Biotechnology. Daejeon, 2007. Р. 32.

44. Petin V.G., Kim J.K., Kritsky R.O., Komarova L.N. Mathematical description, optimization and prediction of synergistic interaction of fluoride and xylitol // Chemosphere. Environmental Toxicology and Risk Assessment, 2008. V.72. Р. 844-849.

45. Komarova L.N., Kim J.K., Petin V.G. Mathematical description and prognosis of cell recovery after thermoradiation action // Korean Journal of Environmental Biology, 2008. V. 26, № 1. Р. 1-7.

Размещено на Allbest.ru