Введение - Радиационный апоптоз и некроз клеток облученного организма

Еще в начале века были описаны различные реакции клеток на облучение - от временной задержки роста и размножения до полной деградации и лизиса. Выражение эффекта зависела от дозы облучения и особенностей объекта. В 1906 г. Бергонье и Трибондо, обобщив накопленный к тому времени экспериментальный материал, сформулировали общее правило о том, что рентгеновские лучи тем сильнее воздействуют на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее дифференцированы. Это эмпирическое правило указывало, что ответная реакция клеток на лучевое воздействие зависит от физиологического состояния объекта и его генетической конституции.

С появлением методов культивирования клеток вне организма удалось детально описать характер гибели быстро делящихся малодифференцированных клеток и неделящихся или медленно делящихся высокодифференцированных клеток. Выявление принципиальных различий в реакции на облучение активно пролиферирующих и неделящихся клеточных популяций позволило раздельно исследовать механизмы их лучевого поражения, проявляющиеся феноменом гибели клеток. В зависимости от пролиферативного статуса клеток, а точнее от стадии клеточного цикла, в которой происходит реализация процесса клеточной гибели, различают соответственно репродуктивную и интерфазную гибель. Репродуктивная гибель состоит в нарушении способности делящихся клеток к неограниченному воспроизводству: после 1-2 делений дефектные потомки клеток отмирают. При интерфазной гибели вскоре после облучения гибнут сами облученные клетки. Для всех делящихся и большинства неделящихся клеток интерфазная гибель наступает лишь при дозах в сотни Грей. Исключение составляют лимфоциты и половые клетки на некоторых стадиях их развития; они гибнут интерфазно уже при дозах в несколько десятков Грей.

Причины и закономерности репродуктивной и интерфазной гибели различны. Наиболее изучена репродуктивная гибель. Она наступает в результате повреждения молекулы ДНК, завершающегося разрывом одной или обеих ее нитей, что препятствует дальнейшему воспроизводству нормальных клеток. Зависимость доли клеток, сохранивших репродуктивную способность после облучения в дозе D, имеет вид

Здесь N(0) и N(D) - число клеток до и после облучения; величина S = 1/D0 характеризует радиочувствительность клеток, D0 - доза, снижающая число выживших клеток в Е раз. Для большинства делящихся клеток D0 = (1,22,0) Гр. Часто экспоненциальному участку дозовой кривой предшествует участок кривой с меньшим наклоном (рис. 1).

зависимость репродуктивной гибели клеток от дозы d; по оси ординат - доля клеток, сохранивших репродуктивную способность; 1,2 - разные формы дозовых кривых

Рис. 1. Зависимость репродуктивной гибели клеток от дозы D; по оси ординат - доля клеток, сохранивших репродуктивную способность; 1,2 - разные формы дозовых кривых.

Радиочувствительность делящихся клеток зависит от многих факторов и может быть искусственно увеличена (сенсибилизация) или уменьшена (защита); соответственно D0 уменьшается или увеличивается. Наиболее эффективным естественным сенсибилизатором является кислород: в его отсутствие поражение различных биол. объектов (макромолекул, клеток, организмов в целом), как правило, ослабляется (кислородный эффект). При этом D0 для клеток увеличивается в 3 раза. С ростом линейной плотности ионизации радиочувствительность клеток и тканей возрастает.

Повреждение ДНК, обусловливающее репродуктивную гибель клетки, не является для нее фатальным благодаря существованию мощных систем восстановления (репарации). Часть возникающих в результате ионизации первичных повреждений репарируется химическими восстановителями, присутствующими в клетке. Основным восстановителем является аминокислота глутатион. Она конкурирует с внутриклеточным кислородом, фиксирующим первичные повреждения, и препятствует их восстановлению. Повреждения, сохраняющиеся после этого физико-химического этапа репарации, эффективно устраняются ферментными системами, специфически репарирующими различные виды генетических повреждений. Конечный поражающий эффект облучения обусловлен неотрепарированной частью первичных повреждений ДНК. Доля их в обычных условиях невелика (доли %), что и обусловливает относительную устойчивость живых клеток к действию ионизирующих излучений. С этим же связана возможность увеличить радиочувствительность, искусственно подавляя способность делящихся клеток к репарации, либо снизить их радиочувствительность, создавая условия для лучшей репарации потенциальных повреждении ДНК.

Механизм интерфазной гибели клеток изучен слабее, неясна и причина резкого отличия в радиочувствительности лимфоцитов от др. видов клеток. В отличие от репродуктивной гибели, изменения, ведущие к интерфазной гибели, наблюдаются во всех клетках и с дозой облучения меняется не доля погибших клеток, а среднее время гибели всей популяции (рис. 2). Причина различий, по-видимому, в том, что интерфазная гибель обусловлена повреждением не уникальной структуры клетки (ДНК), а мембран и др. множественных ее структур.

зависимость интерфазной гибели лимфоцитов от дозы; по оси ординат - время гибели половины облученных клеток ()

Рис. 2. Зависимость интерфазной гибели лимфоцитов от дозы; по оси ординат - время гибели половины облученных клеток ().

Репродуктивная гибель стволовых клеток, снижающая их численность ниже совместимого с жизнью критического уровня, приводит к гибели организма.

Как репродуктивная, так и интерфазная гибель клеток могут проявляться в двух формах - апоптоза или некроза.

Если вопрос о некротической гибели издавна связывался биологами с решением проблем неспецифической реакции клетки на различные воздействия, то исследование апоптоза непосредственно возникло в радиобиологических лабораториях. Исследование механизмов апоптоза начались с изучения радиобиологической проблемы радиационной гибели клеток млекопитающих. Большая часть работ начального периода изучения этой проблемы была выполнена в нашей стране, хотя первую статью на эту тему опубликовали в США.

В 1957 г. Л. Коулом и М. Эллис в радиочувствительной лимфоидной ткани животных было обнаружено значительное повышение после облучения содержания солерастворимой ДНК, оказавшейся на самом деле фрагментами хроматина, получившими название полидезоксинуклеотидов (ПДН). Эти данные вскоре подтвердила Т. Н. Рысина и Р. Е. Либинзон (1960). В дальнейшем было установлено, что ПНД - это продукты деградации хроматина погибающей части лимфоидной ткани - малых (неделящихся) лимфоцитов, представляющие собой нуклеосомы и их олигомеры с нормальным содержанием гистонов и интактной структурой ДНК-белкового комплекса. Они образуются не в результате образования разрывов ДНК, а под воздействием неких ферментов типа эндонуклеаз (но не ДНКазы II), активность которых может быть понижена введением ингибиторов белкового синтеза, что указывает на их индуцируемую природу.

Было установлено далее, что деградация генетического материала в клетках лимфоидной ткани начинается сразу после прекращения пострадиационной репарации ДНК (которая в этом случае, вероятно, остается незавершенной, неполной) и является необратимым этапом радиационной гибели клеток. Вне зависимости от дозы облучения этот процесс начинается после двух часового лаг-периода и достигает максимальных значений через 6-8 часов после облучения. Деградация хроматина происходит в жизнеспособных по многим показателям клетках, зависит от синтеза белка и функционирования биоэнергетических систем. Ингибиторы этих процессов задерживают деградацию ДНК и проявления гибели клеток.

Распад хроматина происходит по механизму энзиматической межнуклеосомной фрагментации. В гибнущих клетках деградации подвергается большая часть генетического материала, в то время как в клетках, еще не вступивших на путь гибели, она остается интактной. Образующиеся продукты, как уже отмечалось, представляют собой нуклеосомы и их олигомеры.

Деградация хроматина не определяется активацией протеолитических ферментов, ДНКазы I и ДНКазы II и не является, таким образом, следствием автолиза хроматина лизосомными гидролазами. Н. В. Ермолаевой и С. Р. Уманским была установлена природа эндонуклеазы - фермента, осуществляющего межнуклеосомную фрагментацию ДНК, изучены его свойства и причины активации в облученных клетках. Выявлена общность энзиматического механизма деградации хроматина при облучении и действии глюкокортикоидов, алкилирующих соединений и химических индукторов дифференцировки (Н. И. Сорокина, 1984). Совокупность полученных результатов впервые позволила К. П. Хансону рассматривать механизмы, приводящие клетки к гибели, как адаптивный ответ на внешние воздействия различной природы и еще в 1979 г. сфор-мулировать концепцию о существовании внутриклеточной генетической программы, включение которой приводит к деградации генома и гибели клеток. Назначение этой программы в здоровом организме заключается в реализации клеточной гибели в ходе морфо - и эмбриогенеза, в поддержании клеточного гомеостаза тканей и в осуществлении функций цитотоксических лимфоцитов (Т-киллеров). Описанные здесь результаты изысканий отечественных исследователей послужили стимулом и дали "научную канву" для развертывания аналогичных работ за рубежом.

Рис. 3

На рис. 3 представлена картина морфологических изменений клеток при некрозе и апоптозе (В. Д. Самуилов, 2001). Из приведенного рисунка видна отчетливая разница в изменениях ультраструктуры клетки при ее некрозе и апоптозе. Непрограммируемая, патологическая форма гибели клетки (некроз) характеризуется увеличением ее объема (набуханием), деградацией и разрывом клеточных мембран. Вследствие этого происходит разрушение органелл, высвобождение ферментов лизосом, выравнивание клеточных градиентов и выход внутриклеточного содержимого наружу, в межклеточные пространства. В организме некроз является результатом внешнего повреждения клетки, приводящего к остановке в ней метаболизма с полной утратой способности поддерживать ионный гомеостаз, и обычно, сопровождается воспалительной реакцией тканей. Изменение морфологической структуры клетки при апоптозе происходит в результате сморщивания цитоплазматической мембраны, конденсации ядра, фрагментации нитей ДНК и всего ядерного хроматина с последующим распадом клеточного ядра на части. Один из ранних морфологических признаков апоптоза - конденсация хроматина со смещением (маргинацией) к внутренней поверхности ядерной мембраны. Затем происходит фрагментация клетки на мембранные везикулы, включающие в себя фрагменты хроматина, образуются капоптозные тельца".

Клетка внешне "спокойно" (без электрического пробоя и воспаления тканей) распадается на части.

Конечным результатом распада ДНК в клетке при апоптозе является ее расчленение в составе хроматина на двунитевые фрагменты - полинуклеотиды - размером от 50 тысяч пар нуклеотидов до более коротких, олигонуклеотидов, содержащих фрагменты, кратные 180-200 парам нуклеотидов (нуклеосомам). При электрофорезе ДНК хроматина апоптотической клетки представляется в виде нуклеосомной лесенки". Малые, сформированные из мембран и ДНК пузырьки, называемые апоптотическими тельцами, быстро фагоцитируются макрофагами и близкорасположенными эпителиальными клетками без воспалительного (иммунного) ответа, в противоположность воспалительной реакции, наблюдаемой при выбросе внутриклеточного содержимого некротическими клетками. Еще одно различие апоптоза и некроза: первый затрагивает отдельные, расположенные диспергированно клетки, второй охватывает группы клеток, имеющих взаимные контакты.

При учете гибели клеток по пикнозу ядер появление нежизнеспособных клеток в тимусе крыс наблюдается уже через 2 часа после облучения с максимумом через 6 часов после него. При световой и электронной микроскопии цитофотометрические изменения и нарушения ультраструктуры ядер клеток селезенки крыс, облученных в дозе б Гр, обнаруживались в единичных клетках уже к 75 мин. после воздействия. Через 2 часа в ядрах большого числа лимфоцитов селезенки хроматин наблюдался смещенным к периферии, а через 4-6 часов после облучения выявлялся в цитоплазме и вскоре исчезал вообще.

Наконец, в отличие от некроза ("убийства ради убийства" любой клетки), апоптоз направлен на поддержание "общего благам ткани и организма - сохранения нормального клеточного гомеостаза за счет "самоубийства" клеток, ставших лишними или переставших выполнять свои функции.

Похожие статьи




Введение - Радиационный апоптоз и некроз клеток облученного организма

Предыдущая | Следующая