Летальные реакции клеток
Еще в 1906 г. французские исследователи И. Бергонье и Трибондо отметили, что радиочувствительность ткани пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих её клеток.
Среди многих проявлений действия излучения на жизнедеятельность клетки подавление способности к делению является наиболее важным. В связи с этим под клеточной гибелью, или летальным эффектом облучения, в радиобиологии понимают утрату клеточной способности к пролиферарации.
Наоборот, выжившими клетками считают те, которые сохранили способность к неограниченному размножению, т.е. к клонообразованию. Причем, чаще гибель наступает не сразу, а постепенно, в процессе одного или нескольких делений. Такая гибель называется репродуктивной. Репродуктивная форма лучевой инактивации клеток наиболее распространена в природе.
Пример: при наблюдении за облученными клетками мышечных фибробластов было установлено, что их гибель происходит как в процессе 1-го пострадиационного деления, так и во 2-м, 3-м и 4-м митозах. После облучения в дозе 4 Гр более 80% клеток заканчивали 1-ое деление, но вероятность деления дочерних клеток (1-е поколение) и «внучек» (2-е поколение) составляла » 30%, остальные 70%, начав деление – погибали.
Другая разновидность репродуктивной гибели потомков облученных клеток – формирование так называемых гигантских клеток, возникающих в результате слияния двух соседних, чаще «сестринских» клеток. Такие клетки способны не более чем к 2-3 делениям, после чего они погибают. Гигантские клетки могут возникнуть без слияния при длительной задержке истинного деления облученных клеток или их потомков. Такие клетки нежизнеспсобны.
Многие экспериментальные исследования и клинические наблюдения позволили составить шкалу радиочувствительности клеток и тканей по убывающей степени. В основу построения шкалы положены радиационные эффекты морфологического.
Сравнительная радиочувствительность различных клеток здорового организма
| Вид клеток | О р г а н |
| В ы с о к а я (0,25-1 Гр) | |
| Лимфоциты | Лимфоузлы, селезенка, вилочковая железа, лимфоидные ткани |
| Кроветворные клетки | Костный мозг |
| Сперматогонии | Яички |
| Яйцевые клетки зрелых фолликулов, фолликулярный эпителий | Яичники |
| (1 – 2 Гр) | |
| Клетки крипт тонкого кишечника | Тонкий кишечник |
| Средняя (3-4 Гр) | |
| Клетки герментативного слоя Клетки сальных желез Клетки волосяных мешочков Клетки потовых желез | Кожа |
| Эпителий хрусталика | Глаз |
| (8 – 10 Гр) | |
| Эндотелиальные клетки | Кровеносные сосуды |
| Н и з к а я (свыше 10 Гр) | |
| Эпителий канальцев | Почки |
| Железистый эпителий | Железы внутренней и наружной секреции |
| Клетки печени | Печень |
| Нервные клетки | Центральная и периферическая нервная система |
| Клетки глии | Центральная нервная система |
| Альвеолярный эпителий | Легкие |
| Мышечные клетки | Мышцы |
| Ретикулярные клетки | Ретикулярная система |
| Клетки соединительной ткани | Всюду |
| Костные клетки | Кости |
В скобках указаны примерные уровни однократных доз рентгеновских лучей, вызывающих гибель отдельных клеток в органе.
ОСНОВНАЯ ПРИЧИНА КЛЕТОЧНОЙ ГИБЕЛИ: – структурное повреждение ДНК, возникающее под влиянием ИИ. Цитологическими методами обнаруживаются хромосомные перестройки, или а б е р р а ц и и.
Основные виды аберраций:
1) фрагментация хромосом;
2) формирование хромосомных мостиков;
3) формирование кольцевых хромосом;
4) мезихромосонные обмены и т.п.
Часть аббераций, как, например, образование хромосомных мостиков, механически препятствует делению клети. Кроме того, может происходить неравномерное разделение хромосом и утрата генетического материала, вызывающая гибель клетки из-за нехватки метаболитов, синтез которых кодировался ДНК утраченной части хромосомы.
Оценка поражения может производиться путем мета– или анафазного анализа.
При метафазном анализе изучают специально приготовленные препараты метафазных клеток, на которых хорошо различима структура отдельных хромосом. Этот метод позволяет выявляет все виды аберраций, но трудоемок.
При анафазном анализе – различимы только «летальные» для клетки аберрации – мосты, фрагменты, однако, этот метод более простой, а поэтому доступный для оценки клеточной чувствительности.
В конце 50-х гг 20 в. было установлено, что между числом выживающих после облучения клеток и числом клеток без хромосомных перестроек существует тесная корреляция.
Поэтому одним из методов оценки летального поражения пролиферирующих клеток служит подсчет числа клеток с аберрациями хромосом.
Повреждения в клеточных структурах под действием ИИ:
В клетке содержится несколько 10-ков молекул ДНК, имеющих очень большую длину (у млекопитающих на клетку приходится 3 ·109 ÷ 6 ·109 пар нуклеотидов; общая длина молекул ДНК при этом составляет от 1 до 2 м).
Облучение вызывает различные повреждения ДНК и её комплексов.
1.Различают одиночные разрывы молекул ДНК – нарушение связи между отдельными атомными группировками в 1-ой из нитей двунитчатой молекулы ДНК. Одиночные разрывы не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. разорванная нить плотно удерживается на месте водородными и гидрофобными связями, и структура довольно быстро восстанавливается благодаря мощной системе репарации. Поэтому одиночные разрывы не приводят к клеточной гибели.
2.При больших дозах увеличивается возможность возникновения двойных разрывов, т.е. одновременного повреждения обеих нитей ДНК. Это происходит в следствии того, что с увеличением дозы облучения, возрастает вероятность появления независимых разрывов в противоположных цепях.
При действии излучений с небольшой плотностью ионизации (гамма и рентгеновское излучение, быстрые электроны) 20-100 одиночных разрывов вызывают 1 двойной.
Плотноионизирующие излучения вызывают значительно большее число двойных разрывов. Такие виды лучевого поражения макромолекул удается регистрировать непосредственно после облучения в виде аберрации хромосом.
Расчеты показывают, что уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10÷100 двойных разрывов, каждый из которых может стать причиной возникновения аберраций.
4. Отмечается образование с ш и в о к между ДНК и белком нуклеопротеинового комплекса;
5. Нарушение ДНК – мембранного комплекса - сложного структурного образования в области соединения нитей ДНК с ядерной мембранной, в состав которого помимо ДНК входят белок и липиды.
5) Нарушение внутриклеточных мембран;
6) Снижение Е обмена в клетке в результате поражения митохондрий (в дозах » нескольких Гр);
7) Сдвиг ионного баланса, в результате нарушения целостности мембран (происходит дисбаланс в К-Na - насосе).
8) Изменение эпигемной (не связанной с ядерным материалом) наследственности клетки, носителем которой служат различные цитоплазматические органеллы. При этом снижается функциональная активность потомков облученных клеток, в чем может состоять одна из причин отдаленных последствий облучения.
Главная причинарепродуктивной гибели – повреждение генетического аппарата.
Другая форма радиационной инактивации – интерфазная гибель – наступает до вступления клетки в митоз. При очень больших дозах облучения это происходит непосредственно «под лучом» или вскоре после облучения. В диапазоне умеренных доз (до 10 Гр) гибель наступает в первые часы после облучения и может быть зарегистрирована в виде различных дегенеративных изменений клетки.
Молекулярный механизм интерфазной гибели точно не выяснен. Существуют данные о том, что чувствительность у таких клеток повышается вследствие накопления в цитоплазме гидролитических ферментов или их активации, приводящей к деградации ДНК.
Согласно гипотезе, развиваемой К.Хансонон, под влиянием ИИ и других повреждающих агентов (вызывающих аналогичный тип гибели лимфоцитов) реализуется заложенная в лимфоцитах генетическая программа интерфазной гибели – а п о п т о з.
Для размножающихся клеток в культуре ткани, а также для большинства клеток соматических тканей взрослых животных и человека интерфазная гибель регистрируется только после облучения при дозах в десятки и сотни грей. При меньших дозах наблюдается репродуктивная форма гибели, причиной которой, как уже упоминалось, в большинстве случаев являются структурные хромосомные повреждения.
Многочисленными экспериментами показано значительно большая радиочувствительность ядра по сравнению с цитоплазмой. Однако существует и достаточно много современных исследований, согласно которым проявления и размер ядерных нарушений зависят от степени облучения цитоплазмы, что является следствием сложных и пока еще мало изученных ядерно-плазматических отношений.
Какие же внутриядерные структуры ответственны за жизнедеятельность клетки ? В принципе не существует структур, не поражаемых при облучении, всё зависит от доз.