РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 591-597
КОМБИНИРОВАННЫЕ ^^^^^^^^^^^^ ВОЗДЕЙСТВИЯ
УДК [577.2+576]:539.1.04
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛИ НЕОБРАТИМЫХ РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДРОЖЖЕВЫХ КЛЕТКАХ ПОСЛЕ ОДНОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ГИПЕРТЕРМИИ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2007 г. Л. Н. Комарова*
ГУ Медицинский радиологический научный центр РАМН, Обнинск
Описаны результаты экспериментальных исследований выживаемости диплоидных дрожжевых клеток после одновременного воздействия на них гипертермии и ионизирующего излучения (60Со). Показано, что способность клеток к восстановлению в непитательной среде снижалась с увеличением температуры, при которой происходило облучение за счет возрастания необратимого компонента, характеризующего относительную долю радиационных повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Для прогнозирования доли необратимых радиационных повреждений после комбинированных воздействий предложена математическая модель, учитывающая синерги-ческое взаимодействие используемых агентов. Продемонстрировано хорошее соответствие между экспериментальными результатами и предсказаниями модели. Обсуждается значимость полученных результатов для интерпретации механизмов синергического взаимодействия различных повреждающих факторов.
Ионизирующее излучение, гипертермия, комбинированное действие, синергизм, восстановление, повреждение, необратимый компонент, математическая модель, дрожжевые клетки.
Известно, что гипертермия может подавлять способность клеток восстанавливаться от сублетальных и потенциально летальных повреждений, индуцированных ионизирующим излучением в культивируемых клетках млекопитающих [1, 2]. На этом основании механизм синергического взаимодействия гипертермии и ионизирующего излучения традиционно при комбинированных воздействиях связывают с ингибированием пострадиационного восстановления, проявляющемся уменьшением как скорости, так и объема восстановления [3, 4]. Оба эти процесса могут реализоваться как за счет уменьшения константы восстановления, характеризующей надежность функционирования систем репарации, так и благодаря формированию в условиях комбинированных воздействий нерепарируемых повреждений. В частности, для диплоидных дрожжевых клеток было показано, что синергическое взаимодействие ионизирующего излучения с гипертермией обусловлено не подавлением самих процессов восстановления [5], как это традиционно предполагается [4], а связано с формированием большей доли повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Эти факты должны учитываться при интерпретации и математическом моделировании эффектов
* Адресат для корреспонденции: 249036 Обнинск, Калужская обл., ул. Королева, 4, МРНЦ РАМН; тел.: (48439) 7-47-43; факс: (495) 956-14-40; e-mail: lusy@obninsk.com.
синергизма. Ранее была предложена математическая модель синергического взаимодействия различных повреждающих факторов окружающей среды в формировании клеточных эффектов [6]. Модель основана на предположении, что механизм синергического влияния ионизирующего излучения и гипертермии на клетки обусловлен образованием дополнительных эффективных повреждений из некоторых субповреждений, вызываемых каждым агентом и не являющихся эффективными при их раздельном действии агентов. Модель описывает эффекты синергизма при различных соотношениях доз применяемых агентов, прогнозирует величину максимального синергизма и условие его достижения. Однако названная модель не учитывала новые данные, демонстрирующие, что радиационные повреждения, дополнительно образующиеся при комбинированных воздействиях, являются необратимыми, от которых клетки не способны восстанавливаться [3, 5]. В связи с важностью этого факта для понимания механизмов синергического взаимодействия повреждающих факторов на клетки в данной работе были поставлены следующие задачи: в экспериментах на диплоидных дрожжевых клетках определить зависимость величины необратимого компонента радиационного поражения от температуры, при которой происходило облучение дрожжевых клеток; адаптировать математическую модель си-
нергизма для цели прогнозирования размеров доли необратимых радиационных клеточных повреждений после комбинированных воздействий вышеназванных повреждающих факторов; сопоставить полученные экспериментальные результаты с предсказаниями математической модели.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
При исследовании эффектов одновременного действия ионизирующего излучения и гипертермии использовали диплоидные дрожжевые клетки Saccharomyces ellipsoideus (уШ) (штамм Мегри 139-В) в стационарной стадии роста, выращенные в течение 3-5 сут при 30°С на агаризованной полной питательной среде. Водную клеточную суспензию, содержащую 106 клеток/мл, облучали у-квантами 60Со (мощность дозы 10 Гр/мин) при различных температурах, колебания которых не превышали ±0.2°С. Поддержание температуры облучаемой суспензии осуществляли при помощи ультратермостата. Облучаемая суспензия не содержала клеточных конгломератов и состояла из одиночных клеток примерно одинакового размера с числом почкующихся клеток не выше 1-2%. Для реализации одновременного действия гипертермии и ионизирующего излучения в камеру для облучения помещали термостатированный бокс, внутри которого находились прогретые до исследуемой температуры пробирки со стерильной водой (4.9 мл), в которые непосредственно перед облучением помещали 0.1 мл суспензии. Спуск камеры в радиационное поле занимал около 2030 с, поэтому продолжительность гипертермического воздействия была на 40-60 с больше продолжительности действия ионизирующего излучения. Поскольку общее время облучения составляло в большинстве экспериментов от 10 до 180 мин, неопределенностью во времени начала одновременного терморадиационного воздействия пренебрегали. И лишь при высоких температурах, когда общее время облучения составляло менее 10 мин, вводили поправки на инактивацию клеток под действием одной гипертермии за время спуска и подъема камеры в положение для облучения и обратно. Клеточные суспензии в соответствующих разведениях высевали на питательную среду сразу после облучения и в различные сроки после выдерживания в режиме пострадиационного восстановления (в непитательной среде при 30°С) [7]. Каждый опыт повторяли 3-5 раз. Результаты измерений обрабатывали и оценивали с применением методов вариационной статистики.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕОБРАТИМОГО КОМПОНЕНТА
Ранее для количественного описания пострадиационного восстановления дрожжевых клеток было предложено уравнение [7, 8]:
"эф( t) = А [ К + (1- К) е-р' ]. (1)
Это уравнение показывает, что восстановление клеток от радиационных повреждений проявляется уменьшением эффективной дозы облучения Д,ф(0. Для каждого значения выживаемости после восстановления облученных клеток в течение времени t можно найти соответствующее значение эффективной дозы, т.е. дозы, в которой клетки должны быть облучены первоначально для обеспечения выживаемости 3^), достигаемой по прошествии времени восстановления t. В этом уравнении в - константа восстановления, характеризующая вероятность восстановления от радиационных повреждений в единицу времени, а К - необратимый компонент радиационного поражения, определяемый уравнением
Dэф (~) к = К(~) = эф-
"1
(2)
В этом выражении "эф(^) - эффективная доза, соответствующая плато на кривой восстановления, изображающей изменение выживаемости клеток от продолжительности их восстановления. Наличие плато отражает существование необратимого компонента радиационного поражения, т.е. доли таких радиационных повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Для дрожжевых клеток плато на кривой восстановления достигается через 2-3 сут выдерживания клеток в условиях, способствующих их восстановлению [7, 8]. Необратимый компонент радиационного поражения является величиной, обратной традиционно используемому в радиобиологии фактору изменения дозы. Удобство введения понятия необратимого компонента заключается в том, что его величина непосредственно указывает долю необратимых радиационных повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Для результатов, представленных на рис. 1, необратимый компонент может быть оценен отношением изоэффективных доз на кривой сразу после облучения и после полного восстановления, т.е.
К = £у£>2.
(3)
Пример нахождения этого параметра показан на рис. 1, а стрелками.
В математической модели синергизма [6] предполагается, что одно субповреждение от воздействия какого-либо фактора взаимодействует с одним субповреждением, вызываемым другим фактором, для образования одного дополнитель-
ного эффективного повреждения. В модели также предполагалось, что каждому эффективному (например, летальному) повреждению от первого фактора соответствует р1 субповреждений, индуцированных этим фактором. Аналогично вводится и второй параметр р2 - число субповреждений, индуцированных другим фактором. В данной работе под первым фактором подразумевается ионизирующее излучение, а под вторым - гипертермия. Тогда, число летальных повреждений, индуцированных ионизирующим излучением, составляет Ы1, а гипертермией - Ы2, а общее число субповреждений, образованных ионизирующим излучением, будет равно р1Ы1, а гипертермией -р2Ы2. Отсюда общее число летальных повреждений N при комбинированном действии этих двух факторов будет равно
N = N + N2 + min{piN1; P2N2}.
(4)
А коэффициент синергизма, показывающий отношение числа эффективных повреждений в случае комбинированных воздействий к числу повреждений, ожидаемых при аддитивном сложении повреждений, сформированных каждым агентом, может быть записан в виде уравнения:
к =
Ni + N2 + min {pi N1 ; p2N } Ni + N2 .
(5)
Это выражение количественно описывает величину синергического эффекта.
Если p1N1 < p2N2, т.е. клетки гибнут преимущественно от действия гипертермии, то min{p1N1;p2N2} = p1N1. Из уравнения (5) получаем
pi = ( ki-1 )11+NI.
(6)
Отсюда, зная коэффициент синергизма кь экспериментально полученный при условии р1Ы1 < р2Ы2, можно найти значение р1.
Аналогично, если клетки гибнут в основном от действия иониз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.