Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Кислородный эффект
и противолучевая защита
Как известно, кислородный эффект — это усиление лучевого поражения в присутствии кислорода по сравнению с поражением при облучении в условиях гипоксии или аноксии. Кислородный эффект был описан еще на заре радиобиологических исследований (Шварц, 1909), однако одним из первых, кто обнаружил значительный эффект защиты в условиях гипоксии на животных, был
А. Дауди и его сотрудники (1950). Используя предельно переносимое снижение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе (для мышей — 7%, для крыс — 5%), авторы отметили высокий процент защиты животных, облученных в абсолютно смертельной дозе рентгеновских лучей (табл. VII—3).
В 1953 г. Л. Грэй и др. сделали вывод об универсальном проявлении кислородного эффекта и о типичной зависимости радио-чувствительности объектов и систем от концентрации кислорода. Графически эта зависимость имеет вид гиперболы с резким начальным подъемом и продолжительным плато кривой (рис. VII—2).
Величина ФУД для многих биологических объектов достигает 2—2,5, а для некоторые объектов или систем может быть значительно выше. Зависимость радиочувствительности от содержания кислорода в среде для различных биологических объектов выражается в виде уравнения, описанного Т. Альпер и П. Говард-Флан-дрес (1956):
[OJ
S0 SN
JN
= (m— 1)
[021 + К ’
где So и Sn — радиочувствительность соответственно при данной концентрации кислорода [02] и аноксии; т — максимальная величина радиочувствительности клеток при избытке кислорода; К —¦ концентрация кислорода, при которой радиочувствительность составляет величину, среднюю между радиочувствительностью максимально оксигенированных клеток и клеток, находящихся в условиях аноксии (рис. VII—2).
Таблица VII-3
Влияние гипоксии на выживаемость облученных крыс
(Дауди и др., 1950)
S/Sn
Доза облу Выживаемость, %
ноздух 5% кислорода
е 63 100
8 0 100
10 0 91
12 0 81
14 0 29
о =
о 10 20 30 40 50
Копцептрапия кислорода, %
Рис. VII—2. Зависимость
радиочувствительности биологических объектов от содержания кислорода в окружающей атмосфере (по Ррею, 1953).
По данным Л. Грэя (1959), кривые зависимости радиочувствительности от концентрации кислорода практически хорошо совпадают для разных объектов; сходны при этом соответственно и величины констант.
Существование универсального кислородного эффекта на ор-ганизменном, клеточном и молекулярном уровнях привело многих авторов к представлению о вмешательстве кислорода в первичные физико-химические процессы лучевого поражения (Грэй, 1958, 1959; Альпер, 1958; Бак, Александер, 1963 и др.). Первоначально предполагали, что кислород способен усиливать непрямое действие ионизирующей радиации, реагируя с восстанавливающими радикалами Н‘—продуктами радиолиза воды с образованием активных окислительных радикалов (Александер и др., 1955). Однако уже к концу 50-х гг. возникли серьезные сомнения по поводу особого значения окислительных радикалов воды в развитии первичных механизмов лучевого поражения (Вейс, 1958 и др.).
Представление о взаимодействии кислорода с продуктами радиолиза воды было подвергнуто критике иа основании опытов с обезвоженными ферментами и биологическими объектами. Так, кислородный эффект был обнаружен на «сухих» ферментах: трипсине, лизоциме, рибонуклеазе, дезоксирибонуклеазе, на бактериальных спорах и некоторых других объектах в высушенном состоянии.
В 1957 г. П. Говард-Фландрес и Т. Альпер предположили наличие конкурирующих процессов — окислительных и восстановительных — под влиянием облучения микроорганизмов. Они считали, что действие кислорода на водные радикалы может происходить в основном в очень разведенных водных растворах или суспензиях, а в клетках под действием ионизирующей радиации органические молекулы приходят в активированное состояние («метионическое состояние»), длящееся 2—100 мкс и завершающееся какой-нибудь химической реакцией. По мнению авторов, исходы метионических реакций могут быть различными: одни ведут к восстановлению нормального состояния молекул, например путем захвата электрона на место вырванного при ионизации (или путем восстановления разорванной связи, или каким-либо' другим образом); другие реакции — окислительного типа — ведут к образованию продуктов окисления органических молекул типа перекисей, являющихся инициаторами радиационного поражения клетки. Таким образом, для усиливающего радиацию действия: кислорода можно записать следующую реакцию:
М aN'-v Мметиои + 02 ->М02 -*• поражающий эффект.
По мнению В. П. Парибока, при снижении содержания кислорода в биологическом объекте эффект противолучевой защиты определяется не просто тем, что кислорода не хватает для первичных реакций со всеми возникающими при облучении радикалами, а скоростью взаимодействия кислорода с биомакромолекулой, находящейся короткое время (миллисекунды) после поглощения энергии ионизирующей радиации в активном свободнорадикальном состоянии. Автор предположил, что вероятность взаимодействия молекулы кислорода с короткоживущим радикалом определяется двумя величинами: временем жизни радикала и «временем ожидания» (т. е. «временем между двумя последовательными столкновениями кислорода с одной и той же точкой биомолекулы»). Увеличение концентрации кислорода приводит к снижению «временц ожидания». В том случае, когда это время снизится до величины времени жизни свободного радикала, дальнейшее увеличение концентрации кислорода не повлияет иа результат реакции, уже достигшей максимума.
