научная статья по теме ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО СИНЕРГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО СИНЕРГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 589-596

МОДИФИКАЦИЯ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

УДК [57+61]::539.1.04:575.21:575.222:58.02

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО СИНЕРГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ © 2014 г. В. Г. Петин*, Г. П. Жураковская

Медицинский радиологический научный центр Министерства здравоохранения Российской Федерации, Обнинск

Изучены синергические закономерности взаимодействия различных физических и химических факторов окружающей среды на клетках различного происхождения. Обсуждаются некоторые общие закономерности проявления синергизма. Показано, что синергические взаимодействия регистрируются лишь в пределах определенного диапазона изменения значений воздействующих факторов, причем внутри этого диапазона имеется оптимальное значение, при котором наблюдается максимальный эффект. Обсуждаются возможные механизмы описанных эффектов и пути их практического использования.

Синергизм, комбинированное воздействие, ионизирующее излучение, УФ-свет, ультразвук, гипертермия, химические соединения.

БО1: 10.7868/80869803114060101

При антагонистических и синергических взаимодействиях физических и химических факторов окружающей среды может возникать качественно новый результат — ослабление или усиление биологического эффекта по сравнению с ожидаемым суммарным эффектом при независимом действии каждого агента. Хорошо известно синерги-ческое взаимодействие вредных факторов окружающей среды, когда наблюдаемый суммарный эффект превышает суммарное действие каждого индивидуального агента [1]. Для оценки степени такого взаимодействия используют коэффициент синергического усиления, показывающий, во сколько раз увеличился биологический эффект при комбинированном действии по сравнению с тем, который ожидался при независимом (аддитивном) сложении эффектов от каждого агента, используемого в комбинации [2—4]. Известно множество примеров синергического взаимодействия ионизирующего излучения с физическими и химическими агентами повреждающего характера на разных уровнях биологической организации. Постоянно возрастает риск различных заболеваний, в том числе и онкологических, обусловленный синергиче-ским взаимодействием повреждающих агентов. Например, Книжников В.А. и Шевц Й. [5] сообщают о синергическом эффекте при развитии рака легкого у курящих шахтеров, подвергавшихся во время работы действию радона и его дочерних продук-

* Адресат для корреспонденции: 249036 Обнинск, Калужская обл., ул. Королева, 4, ФГБУ МРНЦ Минздрава России; тел.: (48439) 7-47-43; факс: (495) 956-14-40; e-mail: vgpetin@yahoo.com.

тов распада. Частота рака у шахтеров-курильщиков была в 2—3 раза выше, чем у некурящих. Эти результаты согласуются с данными работы Archer [6] о влиянии курения на смертность от рака дыхательных путей у рабочих урановых рудников в США и указывают на значительное синергиче-ское взаимодействие продуктов курения и а-из-лучения от продуктов распада радия.

Наиболее подробно изучены закономерности синергического взаимодействия различных инактивирующих агентов с гипертермией [7—11]. Ознакомление с этими работами показывает существование очевидного противоречия в наблюдаемых результатах: некоторые авторы отмечают увеличение эффекта с ростом температуры, другие, наоборот, отмечают его снижение. Существуют противоречия среди данных разных авторов, исследующих тот же самый эффект и воздействующие факторы. Например, отмечено отсутствие синергизма при одновременном действии ионизирующего излучения и гипертермии на диплоидные дрожжевые клетки [12], но значительный синергизм был отмечен в других работах [13, 14]. Эти результаты указывают на необходимость детального изучения закономерностей синергического взаимодействия различных факторов окружающей среды. Этой проблеме и посвящена данная работа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Собственные экспериментальные исследования были проведены на про- и эукариотах. Пред-

ставителем прокариот были бактериальные клетки E. coli штамм B/r. В качестве модельной системы эукариотических клеток были использованы диплоидные дрожжевые клетки нескольких штаммов дикого типа в стационарной стадии роста: Saccharomyces cerevisiae XS800, Saccharomyces ellipsoideus Мегри 139-В и Endomyces magnusii К17.

Ионизирующее излучение. Облучение у-кванта-ми 60Со проводилось на установке "Исследователь", мощность дозы 10 Гр/мин.

Ультрафиолетовое излучение. Обработку суспензии клеток УФ-светом осуществляли с помощью излучателя, собранного на базе ртутной лампы ПРК-4. Линия 254 нм выделялась газожидкостным светофильтром. Интенсивность УФ-излучения определяли болометром "БН-10" с точностью измерения 10%. Максимальная интенсивность, обеспечиваемая излучателем, составляла 1.5 Вт/м2.

Ультразвуковое излучение. Источником ультразвука был прибор "Fisher sonic dismembrator Model 300", частота ультразвука составляла 20 кГц. Интенсивность ультразвука задавали с помощью переключателя мощности на приборе и измеряли калориметрическим методом.

Химические факторы. В комбинации с гипертермией применяли противоопухолевый препарат цисплатин, концентрация 0.25 мг/мл, и сульфат цинка (ZnSO4) — поллютант, относящийся к классу тяжелых металлов, концентрация 0.01 моль/л.

Гипертермия. Необходимую температуру, колебания которой не превышали ±0.2°С, поддерживали ультратермостатом УТ-15У4.2 (Россия).

После одновременного применения двух агентов суспензии клеток разводили до необходимой концентрации и высевали в чашки Петри на поверхность стандартной питательной среды для определения выживаемости клеток. Выживаемость характеризовали отношением числа образованных видимых глазом колоний в опыте и контроле.

Для оценки синергического эффекта использовали коэффициент синергического усиления, определяемый отношением изоэффективных доз на теоретической кривой выживаемости, ожидаемой при независимом сложении эффектов от обоих агентов, и на экспериментальной кривой выживаемости, полученной после одновременного комбинированного воздействия изучаемых агентов [4].

Наряду с собственными экспериментальными данными в работе использовали результаты исследований некоторых авторов, опубликованные в литературе [15—22]. Сами авторы этих работ ко-

личественной оценки синергического взаимодействия расчетов не проводили. Некоторые фрагменты представленных в данной работе результатов были опубликованы нами ранее [4, 13, 14, 23—26], но в обобщенном виде они приводятся впервые.

РЕЗУЛЬТАТЫ

При независимом взаимодействии эффекты, индуцированные разными агентами, суммируются независимо друг от друга. Но не просто складываются арифметически — в случае независимого взаимодействия вероятность конечного регистрируемого эффекта определяется произведением вероятностей формирования биологического эффекта при раздельном применении каждого агента. Простой пример. Допустим, выживаемость клеток за счет раздельного облучения клеток от источника редкоионизирующего излучения составляет 30%, а после применения гипертермии в течение того же времени, как и облучение, выживаемость равна 2%. Пусть оба агента применяются одновременно. Тогда при независимом суммировании эффектов следует ожидать, что выживаемость клеток составит 0.3 х 0.02 = 0.006, т.е. 0.6%. Если выживаемость будет выше, то такое взаимодействие называется синергическим, а если меньше — то антагонистическим.

Коэффициент синергического усиления показывает, во сколько раз увеличился биологический эффект при комбинированном действии по сравнению с тем, который ожидался при независимом сложении эффектов от каждого агента, используемого в комбинации. Понятия аддитивного и независимого взаимодействия идентичны для экспоненциальных кривых доза—эффект, но несколько отличаются друг от друга для сигмоидных кривых доза—эффект [14].

На рис. 1, А приведены рассчитанные таким образом зависимости коэффициента синергического усиления от температуры, при которой происходило облучение бактериофага Т4. Экспериментальные данные по инактивации бактериофага ионизирующим излучением (60Со), повышенной температурой (55, 60, 64 и 66°С) и их одновременным действием были опубликованы в работе [15]. В экспериментах водную суспензию вирусов (5 х 106 фагов/мл) подвергали воздействию ионизирующего излучения (5.1 Гр/мин) при различных повышенных температурах, которые поддерживали в процессе облучения. Используя эти данные, мы рассчитали коэффициент синергического усиления для различных условий облучения (рис. 1, А). Сами авторы работы [15] таких расчетов не проводи-

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ

591

Концентрация фторида, ммоль/л Температура, °C

Рис. 1. Проявление синергического взаимодействия при одновременном действии различных агентов на простейшие биологические объекты:

А — бактериофаг Т4, у-кванты 60Co (5.1 Гр/мин) + гипертермия;

Б — бактериальные споры Bacillus subtilis, у-кванты 60Co (1.35 Гр/мин) + гипертермия; В — бактерии Streptococcus mutans, фторид + ксилитол (60 ммоль/л); Г — бактерии Escherichia coli, штамм B/r, сульфат цинка (0.01 моль/л) + гипертермия.

ли. Видно, что синергическое взаимодействие регистрируется лишь в определенном температурном диапазоне, внутри которого максимальный коэффициент синергического усиления (к = 1.75) регистрировался при температуре 60°С. Видно также, что любое отклонение действующей температуры от оптимальной приводит к снижению эффективности синергического взаимодействия.

Рассмотрим, сохраняются ли выявленные закономерности для других простейших объектов. Инактивацию спор бактерий часто используют в качестве критерия надежности стерилизации. Радиационная стерилизация основана на бактерицидном действии ионизирующего излучения. Недостатком стерилизации с помощью ионизирующего излучения является тот факт, что при больших дозах ионизирующего излучения, требуемых для стерилизации, происходят физико-химические изменения, которые могут приводить к

утрате полезных свойств облучаемого объекта [27]. С подобными проблемами встретились при проведении космических исследований, когда были сформулированы жесткие требования к стерилизации космических аппаратов, направляемых в далекий космос. Было показано, что д

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.

Показать целиком