Радиационные поражения клеток

 

В практике дозиметрии радиоактивных  излучений применяются два типа приборов: дозиметры для измерения  дозы или мощности дозы, работающие на принципе определения суммарного эффекта ионизации в данном объеме, и счетчики радиоактивных излучений, позволяющие регистрировать действие отдельных частиц, или квантов.

 

4. Сцинтилляционные (люминисцентные) методы дозиметрии.

 

Сцинтилляционные или  люминисцентные методы дозиметрии ионизирующих излучений основаны на измерении  интенсивности эффекта люминистенции, возникающей при облучении некоторых флуоресцирующих веществ. Общеизвестным приемом использования этого эффекта для обнаружения излучения является рентгеноскопия, которая также основана на принципе свечения экрана под действием рентгеновых лучей. В первые годы использования радиоактивности применяли прибор - спинтарископ, с помощью которого производили визуальный подсчет световых вспышек (сцинтилляций), возникающих при бомбардировке альфа-частицами флуоресцирующих веществ. Сцинтилляционные методы оказались особенно эффективными в медицинских исследованиях, в которых требуется высокая точность определения дозы гамма-излучения.альфа- и бета- излучСтраница 3

 

 

 

Изучение биологического действия ионизирующего излучения  сыграло важную роль в развитии представлений  о структурной и функциональной организации клетки и, в частности, ее генетического аппарата.

 

Эти исследования внесли значительный вклад в разработку ряда теоретических вопросов - о механизмах формирования изменения хромосом, о роли этих изменений в жизнедеятельности клетки и в эволюции организма, о структурной организации хромосом, а также нашли широкое применение в селекции растений, при создании продуктивных штаммов микроорганизмов, вырабатывающих антибиотики, в повышении эффективности использования тутового шелкопряда и т.д.

 

При воздействии радиации на клетку генетические эффекты могут  проявляться на разных уровнях организации  наследственного аппарата клетки : генном, хромосомном, геномном. Мы будем рассматривать основные закономерности действия радиации на хромосомы.

 

4. Перестройки  хромосом.

 

Перестройками, или аберрациями, хромосом называют видимые в световом микроскопе изменения нормальной для  данного кариотипа структуры хромосом. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, и один из принципов классификации перестроек связан с тем, какая единица структуры хромосомы в ней участвует.

 

Соответственно различают:

 

1. перестройки хромосомного  типа, которые затрачивают обе хроматиды в идентичных локусах. Поскольку термин "хромосомные перестройки" часто относят к любым повреждениям хромосом, иногда предлагают называть именно этот тип нарушений хромосомными перестройками, в отличие от более широкого термина - перестройки хромосом, который можно распространить на все повреждения;

 2. перестройки хроматидного типа, которые затрагивают только одну хроматиду в хромосоме. При повреждении радиацией одновременно обеих хроматид возникают перестройки, называемые изохроматидными, которые аналогичны хромосомным.

 Характерным отличием  этого типа перестроек от хромосомных  является то, что в ряде случаев  наблюдается соединение дистальных  или проксимальных концов хроматид;

 

3. субхроматидные или  полухроматидные перестройки, затрагивающие часть сечения роматиды. Следует, однако, указать, что в отношении этого типа структурных перестроек неоднократно высказывалось мнение, что они не являются самостоятельным классом, а представляют один из видов хроматидных повреждений.

 

Другой принцип классификации  связан с характером повреждения - нарушением прерывности (разрыв) хромосомы или  хроматиды, либо перераспределением материала  в пределах одной (интраобмены) или  нескольких (интеробмены) хромосом.

 

При перераспределении  хромосомного материала могут возникать симметричные или асимметричные обмены (транслокации). При симметричном интеробмене происходит соединение центрического фрагмента одной хромосомы с ацентрическим фрагментом другой. В случае асимметричного обмена соединяются центрические, либо ацентрические фрагменты (неполные обмены, либо одновременно и те и другие (полные обмены).

 

Возможно образование  обменных перестроек в пределах трех и более хромосом, но подобные нарушения  наблюдаются довольно редко и  лишь при больших дозах лучевого воздействия.

 

Существует также особый вид повреждения, который может  затрагивать одну или обе хроматиды  и, в отличие от разрывов, не нарушает целостности хроматид. Этот тип повреждения  носит название пробела, ахроматической области или в русской транскрипции английского термина - гена. В отличие от разрывов, пробелы не приводят к образованию ацентрических фрагментов в анафазах, что четко выявляется при сопоставлении результатов подсчета хроматидных перестроек в метафазах и анафазах.

 

5. Зависимость выхода перестроек от стадии клеточного цикла.

 

Выход перестроек при  облучении в разные периоды клеточного цикла неодинаков как качественно, так и количественно. Интерфазу  подразделяют на три стадии: предсинтетическую (G1), стадию синтеза ДНК (S) и постсинтетическую (G2). В пределах интерфазы клетка может находиться в так называемых состояниях покоя (G0), переход к которым возможен и из стадии G1, и из стадии G2 в состояния R1 и R2 .

 

Облучения в стадиях G1 и R1 приводит преимущественно к образованию хромосомных перестроек, в S и G2 - хроматидных. Смена хромосомных перестроек на хроматидные происходит при облучении в конце стадии G1. При облучении в митозе наблюдают полухроматидные перестройки.

 

Однако тип перестроек не абсолютно приурочен к определенным стадиям клеточного цикла, поскольку в ряде случаев хроматидные перестройки были обнаружены при облучении в стадиях G1 и R1. Полухроматидные перестройки наблюдали в стадии G2.

 

В результате исследования зависимости количественного выхода повреждений от стадии клеточного цикла сформировалось представление, что радиочувствительность, по крайней мере растительных объектов, возрастает от предсинтетической к постсинтетической стадии, и наиболее радиочувствительной стадией клеточного цикла является процесс митоза, что выявляется при анализе перестроек во втором после облучения митозе.

 

G2 - стадия наиболее  радиочувствительна как для растительных, так и для клеток млекопитающих.  Наиболее радиоустойчивой для  растительных клеток является  стадия G1, тогда как для клеток млекопитающих в некоторых случаях - стадия S. Следует отметить, что и в пределах одной стадии клеточного цикла наблюдаются колебания радиочувствительности, которые могут искажать характер зависимости радиочувствительности по циклу.

 

Количественное соотношение радиочувствительности разных стадий клеточного цикла зависит от дозы лучевого воздействия. Например, при облучении клеток корневой меристемы проростков Vicia faba было показано, что при малых дозах (50, 100 р) радиочувствительность отдельных стадий практически не различается. С ростом дозы выход перестроек возрастает от G1 к G2, но при дальнейшем ее увеличении различия в радиочувствительности между стадиями G2 и S снова сглаживаются. Радиоустойчивость, определяемая по отдельным типам повреждений, может варьировать по клеточному циклу. Например, при переходе от G2 к S существенно не меняется при облучении выход изохроматидных разрывов и наиболее выражено уменьшение выхода обменов.

 

6. Зависимость  выхода перестроек от дозы  облучения. 

 

Зависимость выхода перестроек от дозы лучевого воздействия исследовалась на широком круге объектов. Дозовые кривые для хроматидных повреждений (при облучении на стадиях G2 и S) у ряда объектов как растительных, так и животных имеют параболический характер (повреждения хромосом в клетках китайского хомячка).

 На клетках Vicia faba и Crepis capillaris было показано, что с увеличением дозы параболический участок кривой может переходить в линейный.

 

Зависимость выхода хромосомных  повреждений от дозы описывается  в ряде случаев параболическими кривыми, однако наблюдаются случаи и линейной зависимости.

 

В отношении спектра  перестроек данные довольно разнородны, причем относительный вклад разных типов перестроек зависит от объекта  исследования. Например, делеции составляют наиболее существенную долю в общем спектре хроматидных перестроек у млекопитающих.

 

Определенное различие наблюдается и в отношении  способности к соединению изохроматидных делеций, полнота обменов очень  высока у растительных клеток и значительно  слабее выражена у клеток млекопитающих.

Отмеченные различия между клетками млекопитающих и  растений не выявляются при рассмотрении формы дозовых зависимостей для  разных типов перестроек.

 

Дозовые зависимости  для хромосомных и хроматидных  обменов как у растительных клеток, так и у животных клеток наиболее удовлетворительно описываются параболическими кривыми, хотя в некоторых случаях наблюдали линейные зависимости.

 

В отношении хромосомных  и хроматидных делеций данные более противоречивы. В ряде случаев  как на растительных объектах, так и у животных наблюдали и линейные, и нелинейные зависимости выхода перестроек от дозы. Все эти данные четко демонстрируют, что аппроксимировать определенной кривой - только линейной и только параболической - дозовые зависимости не представляется возможным, что имеет принципиальное значение при обсуждении механизмов образования перестроек хромосом.

 

7. Зависимость  выхода перестроек от временных  параметров облучения. 

 

Выход радиационных повреждений  хромосом существенно зависит от характера распределения дозы облучения по времени.

 

При одномоментном облучении  при разных мощностях дозы эффективность  повреждения может меняться. Было показано уменьшение выхода повреждения  хромосом с уменьшением мощности дозы. Однако наблюдали также и уменьшение повреждений хромосом с увеличением мощности дозы, подобный эффект был описан при облучении сухих семян гороха и лимфоцитов человека.

 

При распределении дозы облучения во времени экспериментальные  данные также неоднозначны.

 

Фракционированное облучение исследовано довольно широко, причем наиболее детально при его воздействии в предсинтетической стадии клеточного цикла. Было обнаружено, что при небольших интервалов времени между облучениями происходит уменьшение как обменных аберраций, так и общего числа перестроек.

 

Результаты, полученные при дальнейшем увеличении интервала  времени между облучениями, довольно разноречивы : в одних случаях  обнаружили монотонное уменьшение повреждения  до определенного уровня, а в других - после уменьшения, вновь увеличение. Практически все приведенные в литературе экспериментальные результаты можно описать либо кривой типа 1 ( параболическая зависимость между выходом перестроек и интервалом между фракциями, на некотором этапе переходящая в линейную), наблюдавшейся, в частности, на традескации и Crepis capillaris, либо кривой типа 2 (параболическая зависимость), получившей название кривой Лейна, по имени автора, впервые обнаружившего подобную зависимость. Такого типа кривые наблюдали при облучении бобов, ячменя, гороха.

 

При изучении действия фракционного облучения в стадии синтеза ДНК  на клетках млекопитающих вообще не наблюдали эффекта фракционирования, в то же время в опытах на клетках Crepis capillaris была описана линейная зависимость  между выходом перестроек и интервалами между фракциями.

 

Данные о характере  проявления характера фракционирования при облучении в постсинтетической  стадии клеточного цикла также не однозначны.

 

На культуре клеток фибробластов человека и на зародышевой ткани Lilium kamtschaicum получены кривые типа 2, а на Crepis capillaris - типа 1. На клетках Vicia faba вообще не наблюдали различия в повреждениях при однократном и фракционированном облучении как в отношении общего выхода хроматидных перестроек, так и в отношении двуударных перестроек.

 

Таким образом, эффективность  радиационного повреждения хромосом как при фракционировании дозы, так  и при различных по мощности дозы режимах облучения существенно  зависит от объекта исследования и стадии клеточного цикла. Это обуславливает  неоднозначность данных по зависимости выхода повреждений хромосом от времени облучения.

 

 

 

 

8.. Классическая модель процесса образования аберраций хромосом.

 

Существует довольно много различных  гипотез, объясняющих механизм процесса образования аберраций хромосом. Основные из них: классическая, обменная, матричная и репарационная. В рамках курсовой работы рассматривается классическая гипотеза.

 

Основные положения этой гипотезы были сформулированы Стадлером, Саксом, Навашиным и подробно рассмотрены  в монографии Ли. Согласно этой гипотезе, при действии радиации на хромосому возникают разрывы, судьбу которых определяют все наблюдаемые в эксперименте перестройки. Одни разрывы сохраняются вплоть до митоза и фиксируются в виде делеций, другие образуют обменные перестройки, третьи, воссоединяясь в исходной последовательности, составляют репарируемую компоненту повреждения.

 

Это предопределяет разный характер дозовых зависимостей для разных типов повреждений - линейный для  делеций и близкий к квадратичному  для обменных перестроек.

 

Как отмечалось при описании дозовых  зависимостей, экспериментальные материалы  обычно не обнаруживают подобного четкого  разделения. Следует подчеркнуть, что  при интерпретации дозовой зависимости  необходимо учитывать многие факторы, влияющие на ее характер, поскольку выход любого типа повреждений хромосом является конечным результатом интерференции - нескольких процессов и лишь косвенно отражает характер возникновения первичных повреждений.

 

При анализе зависимости выхода повреждений от дозы лучевого воздействия в асинхронной популяции очень сложной является трактовка результатов при одинаковом сроке фиксации. Разная задержка деления при разных дозах облучения неминуемо приводит к смещению стадий клеточного цикла, на которых происходит облучение. При неодинаковой радиочувствительности в пределах этих периодов характер дозовых зависимостей может быть самым различным, что повлияет на зависимость выхода первичных повреждений от дозы.