Тестові завдання для самоконтролю знань:

1. Хто із вчених розвивав теорію мішені: а) Гродзинський; б) Бекерель; в) Тимофєєв-Ресовський; г) Рентген; д) Ціммер.

2. Який із принципів стверджує, що інактивація клітини відбувається лише за умови влучання в певні її ультраструктури: а) влучання; б) мішені; в) посилювача.

3. Який із принципів стверджує, що фізичною основою променевого враження клітини є випадковий акт влучання фотона або зарядженої частинки в певну її ділянку: а) влучання; б) мішені; в) посилювача.

4. Багаторазово продубльовані структури, які можуть відтворюватися в клітинних процесах це: а) унікальні структури; б) масові структури.

5. Структура, ушкодження якої спричинює інактивацію клітини: а) епісоми; б) мішень; в) унікальна структура; г) масова структура.

6. Першопричиною загибелі клітини є …– (продовжити думку).

7. При яких дозах відбувається масова загибель клітин: а) малих; б) середніх; в) високих; г) дуже високих.

8. Ділянка мішені, в якій відбуваються зміни, зумовлені поглинанням енергії: а) місце дії; б) ефективний об’єм; в) подія влучання; г) мішень, що реагує.

9. Поглинання дискретної кількості енергії, яка реалізується в процесі іонізації або збудження молекули: а) місце дії; б) ефективний об’єм; в) подія влучання; г) мішень, що реагує.

10. Назвіть структури клітини, які можуть бути мішенню: …(продовжити думку).

Тема: Радіаційно-хімічні й радіаційно-біологічні процеси в опроміненій клітині.

Мета: Ознайомитися з радіаційно-хімічними та радіаційно-біологічними процесами, які відбуваються в опроміненій клітині.

Основні поняття та терміни: хромосомні та хроматидні аберації, делеції, дуплікації, інверсія, парацентрична та перицентрична інверсія, транслокації, реципрокні транслокації, транспозиція, робертсонові структури, дицентричні хромосоми, фрагментація, пульверизація.

Перелік питань для самоконтролю знань:

1. Охарактеризувати біохімічну індикацію дії радіації (до метаболічних наслідків аварії на Чорнобильській АЕС).

2. Які радіаційно-хімічні ушкодження характерні для молекули ДНК?

3. Формування та механізми дії хромосомних аберацій.

Довідковий матеріал

Біохімічна індикація дії радіації. Біохімічні методи активно впроваджують в радіаційну медицину, радіобіологію і радіаційну гігієну. Для них характерні широкий набір чутливих тестів, швидка реакція у відповідь на дію іонізуючих випромінювань у широкому діапазоні доз і відносно тривала «пам’ять» на променеве враження. Використовування біохімічних показників засновано на обліку та аналізі метаболічних змін, що спостерігаються в організмі під час дії іонізуючого випромінювання. У літературі трапляються різні групи тестів, запропоновані для біохімічної індикації.

Великі можливості для дослідників під час вибору показників біохімічних індикаторів променевого враження запропонували Гербер і Декок. Автори внесли у список 30 показників, які визначали в сечі. Це різні класи біологічних сполук (амінокислоти, поліаміни, ферменти, метаболіти нуклеїнових кислот, іони), які, на думку авторів, можуть дати комплексну дозову оцінку дії іонізуючого випромінювання. Приклади деяких методів біохімічної індикації наведено в роботі Альтмана. Автор запропонував такі показники: у крові – амілаза і лізиламінопептидаза; у сечі – креатин, таурин, індоксилсульфат, 5-оксиіндол-3-оцтова кислота, псевдоурідин, α-аміноізомасляна кислота, ДНКаза II. Вказані показники розділені, з урахуванням патогенетичних закономірностей їх підвищеного вмісту в крові і сечі, на чотири групи:

1 – які характеризують особливості метаболізму специфічних сполук (зокрема, псевдоурідин, що відображає розпад РНК);

2 – що свідчать про загальну реакцію організму на променеву дію (більшість показників);

3 – що відображають специфічну реакцію одного або декількох органів (наприклад, підвищення рівня α-амілази в крові);

4 – які застосовують як індикатори, так і для прогнозу радіаційних уражень.

Виконавши велику кількість досліджень з вивчення впливу опромінювання на обмін білків і нуклеїнових кислот, учені дійшли до висновку про необхідність класифікації біохімічних показників променевого ураження за такими видами порушень метаболізму, з якими вони найтісніше пов’язані. Було запропоноване принципово нове розділення біохімічних індикаторів на дві групи, що беруть до уваги зміни технічно-лабораторних можливостей і рівень (молекулярний, клітинний) змін, що діагностуються:

Група 1: дезоксинуклеозиди – загальні; тимідин та продукт його розпаду; дезоксиурідин; амінокислоти та продукти їхньої деградації: таурин, цистеїнові кислоти, продукти деградації триптофану; креатин/креатинін; ферменти сироватки крові: амілаза, лужна фосфатаза та її ізоферменти.

Група 2: структурні індикатори: одноланцюгові розриви ДНК; репаративний синтез ДНК; порушення структури мембран еритроцитів.

Суттєвим пріоритетом володіють продукти розпаду ДНК (тимідин, дезоксицитидин, дезоксиуридин і β-аміноізомасляна кислота). Важливе значення має кількісне визначення не окремих метаболітів ДНК, а їхня сума. Багато уваги приділено вивченню патогенезу дезоксинуклеозидимії і дезоксинуклеозидурії. Показаний чіткий кореляційний взаємозв’язок інтенсивності приросту продуктів розпаду ДНК в крові і сечі, рівня клітинного збіднення лімфоїдної тканини. Такий висновок випливає з дослідів на тваринах різного віку, що мають неоднаковий ступінь розвитку лімфоїдної тканини під час комбінації радіаційної дії з окремими чинниками, що володіють лімфотропним упливом (введення ад’юванта Фройнда, антилімфоцитарної сироватки, глюкокортикоїдних гормонів). З інших біохімічних показників першої групи перспективні з прикладного погляду ферменти крові, беручи до уваги специфічність їхніх змін під час радіаційних дій і відносну простоту визначення. Кажучи про ферменти як індикатори опромінювання, треба виділити амілазу і лужну фосфатазу.

Зміни активності ферменту амілази в умовах дії іонізуючого випромінювання вивчені в осіб з гострою променевою хворобою, під час радіотерапії злоякісних новоутворень і в експерименті на щурах. Знайдена певна дозова залежність як у 1-й добі (в межах доз 200–300 рад, 500 рад і вище), так і під час динамічного спостереження протягом триваліших термінів після променевого впливу. Амілаземія характерна при опромінюванні голови і слинних залоз (мінімальною дозою, що викликає збільшення рівня ферменту в крові, приймають дозу 150 рад).

Лужна фосфатаза визнана багатьма дослідниками як перспективний біохімічний тест радіаційних уражень. Уже в перших дослідженнях було показано зниження активності ферменту у тварин при рентгенівському опроміненні. В подальших роботах оцінювали вплив опромінення не тільки на загальну активність лужної фосфатази, але і на її ізоферменти. Відомо, що лужна фосфатаза знаходиться в організмі в декількох ізоформах: кісткової, печінкової, кишкової і ниркової. J. Stepan і співавтори визначали активність перших трьох ізоферментів у сироватці крові щурів, які піддавалися тотальному γ-опроміненню (джерело Со) в одноразових дозах 100, 300, 500 і 800 Р. Вимірювання показників проводилося на 1, 2, 3, 4, 5, 7, 9, 11 і 14-у добу після опромінення. Автори виявили зміни загальної фосфатазної активності залежно від дози, а також активності печінкового і кишкового ізоферментів. Меншою чутливістю до дії радіації володіла фракція кісткового ізофермента (зміни його активності виявлялися лише у разі дози 800 Р). Ретельне математичне опрацювання одержаних даних дало змогу авторам говорити про можливість використання цього ферментативного показника для ранньої діагностики і прогнозування радіаційного враження кишківника і кісткової тканини. Підкреслено також ще один важливий аспект застосування цього біохімічного індикатора – для оцінки радіозахисного впливу фармакологічних засобів і деяких інших терапевтичних заходів. Придатність лужної фосфатази під час відбирання радіопротекторів продемонстрована в подальших працях Крізала, Стокласова, Ледніна.

Б.П. Суринов виконав низку клініко-експериментальних досліджень з вивчення множинних форм ферментів під час дії опромінення. Були визначені ізоферменти естераз ефірів карбонових кислот, лактат-дегидрогенази, кислої і лужної фосфатаз в крові і деяких тканинах.

Із показників другої групи відносно простими і доступними для виконання є лише ті методи, що засновані на вивченні порушень в структурі мембран, що є однією з основних вимог, які ставляться до методів біохімічної індикації. Як приклад цієї групи показників можна привести метод виявлення радіаційного враження мембран еритроцитів, заснований на вимірюванні їхньої кількості при седиментації у градієнті урографіна після додаткової обробки поверхнево-активними сполуками (тритони, твіни) або етиловим спиртом, кислотна чи лужна їхня резистентність. Вказані методи дають змогу оцінити величину дози в межах від 100 до 500 Р.

Вимірювання лужної фосфатази проведене у разі контролю за людьми, що піддаються професійному опроміненню, в діапазоні дозових навантажень від 0 до 5 бер. При цьому показано, що у межах доз 0,01–3,3 бер існує експоненціальна залежність між активністю ферменту і величиною поглинутої дози. Т. Кубасова і співавтори запропонували використовувати для біоіндикації у межах малих доз поверхневі зміни клітин крові ссавців, що виявляються методами зв’язування лектинів – рослинних білків, здатних специфічно взаємодіяти з вуглеводними компонентами рецепторів мембран. Вони провели експерименти на мишах і на зразках крові людини, підданих рентгенівському опроміненню в межах доз 0,25–5,0 Гр.

Діапазон малих доз опромінювання став предметом експериментальних робіт, проведених на мишах в умовах гострого γ-опромінення (джерело ¹³⁷Сs). Фейнендеген та співавтори провели низку досліджень, в яких на першому етапі було показано, що включення в ДНК мишей введеного внутрішньовенно дезоксиурідину, міченого за ¹²⁵І, зменшується під упливом опромінення всього тіла. Ефект досягав свого максимуму до 4 год після опромінення і виявлявся навіть при такій малій дозі, як 0,05 Гр. На другому етапі був розроблений відносно простий чутливий метод, що дає змогу оцінювати виявлений феномен. Метод полягає в наступному: живі триденні культури фібробластів пересівали на поживне середовище, що містить сироватку крові опромінених в різних дозах мишей і дезоксиурідин з радіоактивною міткою за ¹²⁵І. Після цього визначали ступінь включення позначеної сполуки у фібробласти. Оптимальні результати, які мають найбільшу кореляцію з поглинутою дозою, виявлялися в пробах з сироваткою крові мишей після чотиригодинного опромінювання.

В.К. Мазурик і співавтори встановили залежність доза–ефект під час дослідження виділень метаболітів, похідних ДНК (дезоксиурідин, тімідіин, ß-аміноізомасляна кислота), щурами під час опромінення їх у межах доз 50–200 Р у різних ліній тварин з використанням різних видів опромінення і різних потужностей доз. Вони також отримали важливі дані про характер екскреції продуктів метаболізму ДНК у тривалих дослідах. Результати свідчать про наявність декількох максимумів підвищеного виділення вказаних сполук (перший – на 1-й добі – для всіх отриманих метаболітів, другий – з 15-ї доби для дезоксиурідину, з 20-ї – для тимідину). Для ß-аміноізомасляної кислоти виявлені, крім першого, ще два максимуми (другий – на четверту добу і третій – на 15–30-у добу). Ці результати можуть бути використані під час аналізу патогенезу віддалених наслідків радіації і виявленні ролі порушень метаболізму у вказаних патологічних процесах.

Хромосомні аберації. Зміни структури хромосомного апарату називають хромосомними абераціями (перебудовами або мутаціями). Вони можуть виражатися у зміні числа генів у хромосомах унаслідок або випадіння з хромосоми її частини – делеції, або подвоєння ділянок хромосом – дуплікації. Якщо ж в одній із ділянок хромосоми гени розташовані у зворотному порядку порівняно з нормою, то це явище називають інверсією. В структурі ділянки хромосоми, що зазнала інверсії, може бути центром ера, й тоді йдеться про парацентричну інверсію. Коли інвертована ділянка не має центромери, інверсію називають перицентричною.

До хромосомних аберацій також належить зміна положення ділянки хромосоми в хромосомному наборі. Аберації цього класу називають транслокаціями. Найпоширенішими є реципрокні транслокації, за яких відбувається обмін ділянками між не гомологічними хромосомами. Якщо ділянка хромосоми змінює своє положення без реципрокного обміну й залишається в тій самій хромосомі або ж потрапляє в іншу, то йдеться про транспозицію.

Транслокація може бути збалансованою, коли до розривів хромосоми приєднуються однакові фрагменти іншої хромосоми. При цьому виникають так звані робертсонові структури, серед яких трапляються й дицентричні хромосоми. Утворення хромосомних аберацій цього типу активізується під впливом опромінення. Поява робертсонових структур не спричиняє захворювання. Натомість, у разі незбалансованої транслокації спостерігається фізична або ментальна недостатність.

Основою появи хромосомних аберацій є фрагментація або обміни фрагментами між різними хромосомами чи в межах однієї хромосоми. Фрагментація хромосоми пов’язана з розривами молекули ДНК.

У разі опромінення клітини в пресинтетичній фазі фрагментації й обміни фрагментами як процеси, пов’язані з розривами ДНК, стосуються всієї хромосоми – носія однієї молекули ДНК. Аберації, які виникають при цьому називають хромосомними. Якщо ж фрагментації й обміни індукуються в реплікативній або в постреплікативній фазі, то внаслідок індивідуальності молекули ДНК у хроматидах аберації хромосом спричиняються розривами молекули ДНК у хроматидах. Такі аберації називаються хроматидними.

Розрізняють такі хроматидні аберації:

• хроматидна кінцева делеція – відщеплення кінцевого фрагмента;

• хроматидна інтерстиціальна делеція – вставка – відщеплення кінцевого фрагмента з однієї хроматини й ділянки з другої хроматини з наступним обміном цими фрагментами;

• ізолокусні розриви – розриви в обох хроматидах у тотожних місцях;

• хроматидні транслокації – обміни фрагментами хроматид між різними хромосомами й у межах однієї хромосоми;

• хроматидні кільця.

Виділяють такі хромосомні аберації:

• хромосомна кінцева делеція – відщеплення кінцевого фрагмента;

• асиметрична хромосомна транслокація – злиття центричних фрагментів і окремо – ацентричних (повна транслокація) або об’єднання між собою лише центричних (неповна транслокація);

• хромосомні ацентричні кільця – відщеплення внутрішнього фрагмента, який утворює кільце;

• хромосомні центричні кільця.

З поодинокими хромосомними розривами пов’язані шизофренія, затримка розумового розвитку, деякі типи раку. В разі опромінення жінки в перші шість тижнів вагітності навіть у дозі 0,1 Гр генетичні ушкодження можуть виявитися настільки значними, що це загрожуватиме здоров’ю майбутньої дитини.

За дуже сильних ушкоджень хромосом проявляється їх масова фрагментація – пульверизація.