Кислородный эффект в радиобиологии

Кислородный эффект в радиобиологии – это явление усиления поражающего действия ионизирующего излучения в присутствии кислорода во время облучения. Иными словами, кислородным эффектом называют радиосенсибилизирующее действие кислорода. На практике кислородным эффектом часто называют также радиозащитное действие гипоксии.

Кислородный эффект является универсальным явлением и наблюдается при облучении различных объектов – целых организмов, клеток и простых модельных систем.

Для количественной оценки любого радиомодифицирующего эффекта используют т.н. «фактор изменения дозы» (ФИД), который рассчитывают как отношение равноэффективных доз облучения в присутствии и отсутствии радиомодифицирующего агента. При этом независимо от направления модифицирующего воздействия (т.е. усиления или ослабления лучевого эффекта) берется отношение большей дозы к меньшей. В случае кислородного эффекта величину ФИД часто называют коэффициентом кислородного усиления (ККУ) (Oxygen Enhancement Ratio – OER).

На рис. 1 показаны кривые выживаемости культивируемых клеток, облученных γ-излучением на воздухе и в отсутствии кислорода (т.е. в условиях аноксии, которую обычно создают помещая исследуемые объекты в атмосферу азота). Как видно, для снижения доли выживших клеток до 0,01 от исходной при облучении на воздухе потребовалась доза Х₁, а при облучении в условиях аноксии – доза Х₂. Таким образом, ККУ равен Х₂/Х₁, т.е. кислород повысил радиочувствительность клеток в Х₂/Х₁ раз. Обычно ККУ в экспериментах на клетках не превышает значение 3. В радиобиологии подобные радиомодифицирующие эффекты считаются очень сильными, т.е. кислород является весьма эффективным радиосенсибилизатором.

Часто также для определения ККУ в экспериментах на культивируемых клетках используют соотношение доз D₀ в условиях аноксии (или гипоксии) и в нормальных условиях:

Наиболее четко кислородный эффект наблюдается при облучении редкоионизирующими излучениями (γ- и рентгеновским), характеризующимися низкой линейной потерей (передачей) энергии (ЛПЭ). С увеличением ЛПЭ кислородный эффект быстро уменьшается и полностью отсутствует при действии α‑излучения, обладающего высокой ЛПЭ. На рис. 2 представлены различные варианты проявления кислородного эффекта в зависимости от применяемого вида ионизирующего излучения – рентгеновского, нейтронного (15 МэВ) и α-излучения (2,5 МэВ). Как видно из рисунка, самое высокое значение ККУ наблюдается при действии рентгеновского излучения.

ККУ при облучении животных рассчитывают как отношение полулетальных доз (ЛД₅₀) в условиях гипоксии и в нормальных условиях:

Кривая гибели животных после облучения в условиях гипоксии сдвигается в область более высоких доз как показано на рис. 1. При облучении животных заметное снижение радиочувствительности, по сравнению с нормальным атмосферным воздухом, наблюдается примерно при 10%-ном содержании кислорода и ниже. Для мышей минимальной концентрацией кислорода в воздухе, ниже которой они гибнут, является 7%, а для крыс – 5%. Максимальный ККУ для животных не превышает 2. Длительность кислородного эффекта у животных невелика, т.е. защитное действие гипоксии снижается при длительном нахождении в гипоксических условиях.

Кислородный эффект обнаружен не только на клеточном и организменном уровне, но и в экспериментах с биологическими макромолекулами в простых модельных системах. Основные результаты получены, главным образом, с ферментами и нуклеиновыми кислотами. Кислородный эффект почти всегда наблюдается при облучении сухих ферментов. Однако, при облучении макромолекул в разбавленных водных растворах кислородный эффект может быть очень слабым или полностью отсутствовать. Более того, возможен даже защитный эффект кислорода (т.н. обратный кислородный эффект), что было продемонстрировано, например, при облучении растворов трипсина: его радиочувствительность в атмосфере азота была в 3 раза выше, чем в кислородной среде.

На клеточном уровне зависимость кислородного эффекта от концентрации 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 рис. 4. Как видно из рисунка, в 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 0 мм 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.

В 1956 г. Т. Альпер и П. Говард-Фландерс высказали гипотезу о механизме кислородного эффекта, включающую несколько положений:

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, в связи с чем описанную гипотезу о механизме кислородного эффекта часто называют «гипотезой кислородной фиксации».

На рис. 5 представлена схема механизма кислородного эффекта. Как видно из рисунка, кислородный эффект отражает наличие конкуренции между процессами восстановления и необратимой пероксидаций первичных повреждений мишени.

Основываясь на предложенной гипотезе кислородного эффекта, Т. Альпер и П. Говард-Фландерс предложили уравнение, описывающее кривую зависимости ККУ от концентрации кислорода:

,

где 1/D_{0 в присутствии кислорода} и 1/D_{0 в аноксии} – величины, характеризующие радиочувствительность при изучаемой концентрации кислорода [O₂] и в аноксии, соответственно; m – максимальное значение ККУ, наблюдаемое при облучении клеток в условиях полной оксигенации; k – константа, зависящая от типа клеток.

Следует отметить, что нерепарируемые повреждения мишени могут возникать и без участия кислорода, т.е. при действии излучения на мишень возможно появление 2‑х типов повреждений:

а) повреждений I типа – потенциально летальных повреждений (скрытых), которые могут стать явными (летальными, нерепарируемыми) при взаимодействии с кислородом;

б) повреждений II типа – летальных всегда, независимо от наличия кислорода.

Ослабление кислородного эффекта при повышении ЛПЭ излучения происходит именно потому, что с увеличением ЛПЭ возрастает доля летальных повреждений, появление которых не зависит от кислорода (т.е. повреждений II типа). При действии плотноионизирующего излучения (например, α-излучения) повреждения мишени (ДНК) настолько существенны, что не могут быть репарированы и без их фиксации кислородом.

Что касается упомянутого выше явления обратного кислородного эффекта в разбавленных водных растворах макромолекул, то имеются следующее объяснение его механизма. В разбавленных водных растворах преобладает непрямое действие радиации на растворенные макромолекулы, т.е. макромолекулы повреждаются, в основном, радикалами воды, образующимися при ее радиолизе. Кислород в разбавленных водных растворах взаимодействует не с радикалами макромолекул, а главным образом, с продуктами радиолиза воды – радикалами водорода Н^• и гидратированными электронами е^–_гидр.. При этом, в зависимости от того, какие из продуктов радиолиза воды оказывают повреждающее действие на растворенные макромолекулы, возможен либо обратный, либо прямой кислородный эффект:

а) если наибольший вклад в поражение данных макромолекул вносят радикалы водорода Н^• и гидратированные электроны е^–_гидр., то их перехват кислородом снизит радиационный эффект, оказываемый ими на макромолекулы, т.е. будет наблюдаться защитный эффект кислорода (обратный кислородный эффект);

б)если макромолекулы повреждаются, главным образом, гидроксильным радикалом ОН^•, то кислород, перехватывая радикалы водорода Н^•, уменьшит рекомбинацию

Н^• + ОН^• → Н₂О,

что приведет к увеличению концентрации ОН^• и усилению радиационного эффекта, т.е. будет наблюдаться прямой кислородный эффект.

Заключая рассмотрение кислородного эффекта надо отметить, что его исследование имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение. В частности это явление необходимо учитывать при радиотерапии злокачественных новообразований.

Понятно, что цель радиотерапии – убить опухолевые клетки и как можно меньше повредить нормальные ткани, окружающие опухоль. Однако, применению облучения для удаления опухоли препятствует тот факт, что опухолевая ткань является более устойчивой, чем нормальная ткань. Это связано с тем, что в опухолях имеются гипоксические зоны, возникающие из-за гораздо худшего снабжения опухоли кровью по сравнению с нормальными тканями. Парциальное напряжение кислорода (рО₂) в гипоксической зоне опухоли может составлять 1‑5 мм рт. ст., тогда как в нормальных тканях – от 20 до 100 мм рт. ст.

В 50‑е годы прошлого века Л. Грей для повышения содержания кислорода в гипоксических опухолевых клетках предложил применять гипербарическую оксигенацию (вдыхание чистого кислорода под давлением 2‑3 атм.) во время сеанса радиотерапии. Основываясь на характере исследованной им зависимости ККУ от парциального напряжения кислорода (см. рис. 4) он сделал вывод, что такое дополнительное повышенное оксигенирование практически не изменит радиочувствительность нормальных тканей, но существенно повысит радиочувствительность гипоксических опухолевых клеток (даже если прирост содержания кислорода в гипоксических зонах опухоли будет небольшим). Применение оксибарорадиотерапии, действительно, повысило эффективность лечения некоторых видов опухолей (особенно опухолей головы и шеи). Однако, оказалось, что гипербарическая оксигенация приводит к увеличение содержания кислорода далеко не во всех опухолях.

Другим подходом практического применения кислородного эффекта в радиотерапии опухолей является использование феномена реоксигенации опухолевых клеток. Оказалось, что обычно гипоксическими являются 10‑15% клеток опухоли. При действии облучения на такую популяцию гибнут, главным образом, аэрированные клетки, т.к. они более радиочувствительны. Однако, через некоторый интервал времени популяция опухолевых клеток, состоящая сразу после облучения практически только из гипоксических клеток, восстанавливает соотношение гипоксических и аэрированных клеток на первоначальном уровне. Это происходит в результате реоксигенации большей части выживших гипоксических клеток. Таким образом, в опухоли вновь появляется фракция радиочувствительных аэрированных клеток, что позволяет опять применить облучение для их эффективного уничтожения. И так несколько раз до полного уничтожения опухоли. На рис. 6 представлена схема проведения фракционированного облучения опухоли с учетом процесса реоксигенации.

Определяющим фактором для успешного применения ионизирующего излучения против опухолевых клеток является выявление того временного интервала, который необходим для их реоксигенации, т.е. выбор оптимального промежутка времени между фракциями облучения. Оказалось, что время полной реоксигенации для различных видов опухолевых клеток может существенно различаться: для одних клеток оно может быть около 6 часов и даже менее, а для других – 1‑3 суток и более. Клиническими исследованиями показано, что у большинства опухолей процесс реоксигенации длится 1‑2 суток, что и определяет график проведения фракционированного облучения. Установлено также, что радиотерапия неэффективна в отношении тех опухолей, в которых процесс реоксигенации не наблюдается.

Таким образом, знание кислородного эффекта и феномена реоксигенации опухолевых клеток дает возможность более эффективно применять ионизирующее излучение при радиотерапии злокачественных новообразований и минимизировать индуцированные радиацией побочные эффекты.

Рекомендуемая литература

Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. Радиобиология человека и животных. Учеб. пособие / Под ред. С.П. Ярмоненко. – М.: Высшая школа, 2004. – 550 с.

Hall E.J., Giaccia A.J. Radiobiology for the Radiologist. 6th edition. – Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2006. – 546 p.

Эйдус Л.Х. Физико-химические основы радиобиологических процессов и защиты от излучений. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Атомиздат, 1979. – 216 с.

Эйдус Л.Х., Корыстов Ю.Н. Кислород в радиобиологии.– М.: Энергоатомиздат, 1984. – 177 с.