Материал: Кислородный эффект в радиобиологии

Зависимость ККУ от содержания кислорода при облучении клеток

На клеточном уровне зависимость кислородного эффекта от содержания кислорода подробна была исследована в 50-е годы прошлого столетия Л. Греем с сотрудниками (эксперименты проводились на дрожжах, бактериях и клетках млекопитающих в культуре).

Графическое изображение этой зависимости (т.н. кривой Грея) представлено на рисунке. На воздухе ККУ равен примерно 3 (т.е.

радиочувствительность уже максимальна) и не возрастает при повышении концентрации кислорода.

При снижении концентрации кислорода со 159 мм рт. ст. (воздух) до 30 мм рт. ст. ККУ снижается очень незначительно. А вот в диапазоне от 20 мм рт. ст. до 0мм рт. ст. ККУ снижается очень резко. При парциальном давлении кислорода 3 мм рт. ст. (что соответствует 0,4%-ному содержанию кислорода) ККУ равен примерно 2.

Первоначальные представления о физикохимическом механизме кислородного эффекта

Первоначально высказывались предположения, что кислородный эффект на физико-химическом уровне обусловлен появлением более активных продуктов радиолиза воды в присутствии кислорода, а именно супероксиданионрадикала O2–• и перекисного радикала HO2•.

Однако, позже было показано, что реакционная способность этих радикалов не превышает реакционной способности других основных продуктов радиолиза воды, возникающих в отсутствии кислорода.

Гипотеза кислородной фиксации

В 1956 г. Т.Альпер и П. Говард-Фландерс высказали гипотезу о механизме кислородного эффекта, основанную на следующих положениях:

а) в результате облучения мишени образуется ее активированное состояние;

б) это активированное состояние мишени существует в течение очень короткого времени (несколько миллисекунд, не более 20 мс), а затем мишень возвращается в стабильное состояние (т.е. восстанавливается);

в) в активированном состоянии мишень является очень реакционноспособной по отношению к кислороду;

г) если во время облучения в среде присутствует кислород, то мишень в активированном состоянии взаимодействует с ним с образованием перекиси (гидроперекиси), т.е. происходит пероксидация мишени;

д) пероксидация мишени приводит к потере ее функциональных свойств (например, ферментативной активности и т.д.) и затрудняет ее репарацию (например, у молекулы ДНК) или вовсе делает ее невозможной. Повреждение становится нерепарируемым. Иными словами, кислород закрепляет («фиксирует») повреждение мишени.

Описанную гипотезу о механизме кислородного эффекта часто называют «гипотезой кислородной фиксации» или «гипотезой пероксидации мишени».

Летальные и потенциально летальные повреждения мишени

Как видно из рисунка на предыдущем слайде, кислородный эффект отражает конкуренцию между процессами 1)простого восстановления (реституции) и 2)необратимой фиксации первичных повреждений мишени путем их пероксидации.

Невосстанавливаемые (т.е. нерепарируемые) повреждения мишени могут возникать и без участия кислорода.

Таким образом, при действии излучения на мишень могут возникать повреждения 2-х типов:

а) повреждения I типа — потенциально летальные повреждения (скрытые), могут стать явными (летальными) при определенных условиях (в частности, при взаимодействии с кислородом);

б) повреждения II типа — летальные всегда, их образование не зависит от каких-либо других факторов среды (в частности от наличия кислорода).

При повышении ЛПЭ излучения кислородный эффект снижается именно потому, что повышается доля повреждений II типа – летальных всегда, независимо от каких-либо других условий, в частности наличия кислорода.

Предполагаемый механизм обратного кислородного эффекта

Почему в разбавленных водных растворах макромолекул наблюдается обратный кислородный эффект?

В разбавленных водных растворах преобладает непрямое действие радиации на растворенные макромолекулы, т.е. макромолекулы повреждаются, в основном, продуктами радиолиза воды.

Кислород в водных растворах взаимодействует, главным образом, не с радикалами макромолекул, а с радикалами водорода Н• и гидратированными электронами е–гидр.

При этом возможны следующие варианты:

а) если наибольший вклад в поражение макромолекулы вносят радикалы водорода Н• и гидратированные электроны е–гидр, то их перехват кислородом снизит радиационный эффект, оказанный ими на макромолекулы — т.е. будет наблюдаться защитный эффект кислорода, т.н. обратный кислородный эффект;

б) если макромолекулы повреждаются, в основном, гидроксильным радикалом ОН•, то кислород, перехватывая радикалы Н•, уменьшает рекомбинацию

Н• + ОН• → Н2О

и, таким образом, увеличивает концентрацию ОН• и усиливает радиационный эффект.