Механизмы. Повреждения в необлученных клетках могут быть объяснены возможностью взаимодействия клеток и передачей информации от одной клетки к другой

Повреждения в необлученных клетках могут быть объяснены возможностью взаимодействия клеток и передачей информации от одной клетки к другой. Механизмы, используемые клетками для обмена информацией о радиоактивном поражении, до сих пор не ясны.

Есть свидетельства существования как минимум двух независимых путей передачи повреждения от облученной клетки необлученным: через межклеточные взаимодействия и через клеточные факторы, секретируемые в культуральную среду.

В системах, где есть прямой контакт клеток, по-видимому, важную роль играют межклеточные коммуникации и сигнал передается через щелевидные соединения (узкие каналы, имеющие приблизительно 2 нм в диаметре, которые связывают цитоплазмы двух смежных клеток и способствует диффузии мелких молекул). (рис 3).

В системах, где нет прямого контакта, взаимодействие происходит косвенным путем, межклеточная передача информации может осуществляться (по крайней мере, в некоторых случаях) химически активными радикалами кислорода (ROS), вызванными действием ионизирующего излучения, или с помощью биологических Рисунок.3. Схема контактного механизма байстэндер эффекта

 

веществ. Было показано, что культуральная среда от α-облученных клеток способна индуцировать сестринские хроматидные обмены, увеличение генетических повреждений и снижение выживаемости клеток при её переносе необлученным клеткам.. Была выдвинута гипотеза, что облученные клетки выделяют цитотоксические факторы в культуральную среду, что способствует передаче сигнала необлученным клеткам.

Несмотря на то, что к настоящем моменту специфический фактор (сигнал) не был идентифицирован, возможный механизм может включать Ил-8, принимающий участие в α-индуцированном байстэндер эффекте.

Другим возможным медиатором байстэндер эффекта является апоптоз индуцирующий фактор (AIF), секретируемый митохондриями в ответ на окислительный стресс. Хотя AIF действует внутриклеточно, он может блокировать выделение экстраклеточных цитотоксических факторов в культуральную среду.

Имеются данные, что в процесс вовлекаются цитокины, которые выделяются клетками и играют специфическую роль в межклеточном взаимодействии.

Предполагается также, что повреждающий фактор обладает белковой природой, так как он термолабилен, не теряет эффекта при замораживании, а при воздействии ингибиторами белков не формируется.

Показано также, что происходит подавление таких генов как p53 и p21, вовлеченных в процессы контроля клеточного цикла и индукции апоптоза,

Неизвестно, формируется ли в результате воздействия различных типов ионизирующей радиации один и тот же фактор, или сигналы различаются по своей природе и эффекту.

Большинство информации было получено при исследованиях in vitro, однако имеются данные о существовании байстэндер эффекта in vivo.

1.6. Биологическая роль байстэндер эффекта

В настоящее время дискутируется вопрос о биологической роли байстэндер эффекта. Если данный эффект является повреждающим, увеличивающим число клеток, поврежденных одиночным радиационным треком, тогда не понятно, почему такой феномен сохранился в ходе эволюции? Зачем он нужен?

Предполагается, что главной функцией этого эффекта является уменьшение риска трансформации клеток в многоклеточном организме, подвергшемся облучению. Можно предположить, что защитные системы организма не всегда могут отреагировать на повреждения одиночных клеток внутри ткани, поэтому увеличение числа дефектных клеток необходимо для индукции и стимуляции систем, ответственных за уменьшение риска трансформации клеток в многоклеточном организме. При этом происходит репарация повреждений или апоптоз - удаление клеток, которые могли бы быть трансформированы, например, в раковые клетки.

Можно предположить также, что усиление повреждения («байстэндер эффект») при воздействии малых доз необходимо для индукции адаптивного ответа.

Если «байстэндер эффект» осуществляет в организме защитные функции, становится понятным, зачем эволюция его сохранила.

С другой стороны нельзя исключить и того, что «bystander effect» может усиливать эффект облучения, искажая зависимость «доза – эффект».

При расчете радиационных рисков используются модели, основанные на прямом действии облучения на ядерную ДНК. Однако, если «bystander effect» усиливает реакцию организма на воздействие ионизирующей радиации, то необходим перерасчет радиационных рисков, и в том числе риск канцерогенеза. При этом возможны различные формы нелинейности в зависимости «доза – эффект» в районе малых доз.

Знание этих закономерностей особенно важно для радиационной терапии рака, поскольку результат зависит от того, приводит ли «bystander effect» к увеличению числа трансформированных клеток или, наоборот, уменьшает их количество вследствие усиления летального эффекта.

Интерпретация байстэндер эффект может быть различной с точки зрения ожидаемого конечного результата. Если за параметр берется индукция трансформаций и/или мутаций, это может служить доказательством того, что опасность низких доз облучения выше, чем риск, вытекающий из зависимости «доза-эффект».

Как следствие, с одной стороны, большое внимание должно уделяться оптимизации процесса воздействия радиоактивного излучения в порядке предупреждения неоправданного облучения, которое может быть вреднее, чем предполагалось прежде.

С другой стороны, напротив, возрастающее количество апоптозов предполагает возможный защитный эффект, принимая во внимание, что потенциально пораженные клетки элиминируются из выжившей популяции

 

1.4. Модификация байстэндер эффекта

.

Модификация байстэндер эффекта (БЭ) химическими или физическими факторами (подавление или усиление эффекта) ещё больше усложняет зависимость биологических последствий облучения от поглощенной дозы.

В частности изучались эффекты некоторых радиопротекторных веществ, обладающих высокой антирадикальной активностью (меланина, мелатонина и альфа-токоферола) на степень проявления «байстэндер» эффекта в клетках-реципиентах.

Выбор протекторов был обусловлен следующими данными. Так, меланин способен перехватывать и превращать в тепло все виды физической энергии – магнитную, электрическую, радиационную, звуковую, тепловую и т.д.. Кроме того, меланин также является антиоксидантом, нейтрализует потенциально опасные свободные радикалы

Существуют доказательства радиопротекторного действия меланина. Этот пигмент повсеместно распространен в живом мире. Он проявляет свое радиопротекторное действие на начальных стадиях облучения, предотвращая повреждение ДНК и не влияя на репарационную систему.

Меланин очень эффективен при защите наследственных структур от мутагенного действия малых доз радиации, при этом чем ниже доза радиационного воздействия, тем выше протекторное действие меланина. Так, меланин способен полностью предотвращать эффекты малых доз радиации порядка 0,2 Гр. Всё это позволило предположить, что меланин может оказать воздействие на передачу сигналов от облучённых клеток к необлучённым.

Мелатонин – это нейрогормон шишковидной железы. Мелатонин секретируется в основном ночью, свет подавляет его секрецию. В организме мелатонин участвует в регуляции суточных и циркадных ритмов, регуляции температуры, снижает эффект "реактивной" болезни и обладает противоопухолевой активностью. Кроме того, мелатонин обладает антиоксидантными свойствами и способен нейтрализовывать многие из известных радикалов, а также усиливать секрецию некоторых противооксидантных ферментов.

Во многих исследованиях также было показано, что мелатонин обладает радиопротекторными свойствами.

Альфа-токоферол – витамин Е, известный своими радиозащитными свойствами и антирадикальной активностью.

В качестве тест-системы использовалась культура клеток кератиноцитов человека, иммортализованных вирусом папилломы человека. Клетки-доноры БЭ облучали в малых дозах ионизирующей γ-радиации. После выделения «байстэндер» фактора в культуральную среду, её фильтровали через 0,22 мкм фильтр и переносили необлученным клеткам-реципиентам, которые затем помещали в термостат и далее культивировали и обрабатывали в зависимости от используемого метода анализа (микроядерный или колониеобразующий тест).

Для того, чтобы вводимые в питательную следу протекторы не могли воздействовать непосредственно на сами донорские клетки при облучении, защищая их, что могло бы способствовать уменьшению образования повреждающих факторов, радиопротекторы вводили через 1 час после облучения, когда повреждающий фактор уже был сформирован, перед фильтрацией и переносом среды необлученным клеткам-реципиентам.

Кроме того, необходимо было убедиться, что протекторы не проходят через фильтр и не попадают к клеткам – реципиентам, осуществляя обычный радиозащитный эффект. Для этого с помощью спектрофотометра сравнили оптическую плотность культуральной среды, среды с добавлением протекторов и среды, отфильтрованной от облучённых клеток и протекторов. Интактная среда была идентична профильтрованной, что подтверждало отсутствие протекторов в переносимой клеткам – реципиентам среде.

Полученные данные показали, что перенос среды от облученных клеток необлученным способствует статистически значимому увеличению числа микроядер и снижению выживаемости клеток-реципиентов по сравнению с контролем, т.е. был выявлен БЭ. При введении радиопротекторов данный повреждающий эффект был достоверно ниже(рис.5,6).

 

 

Рис. 5. Влияние меланина на частоту клеток с микроядрами, индуцированными прямым облучением и переносом среды от облученных клеток

 

Что здесь – частота микроядер (см. по вертикали) или число клеток с микроядрами(заголовок?)

По результатам исследования, наибольшим защитным эффектом обладал мелатонин, наименьшим – альфа-токоферол. Таким образом, было показано, что радиопротекторы способны уменьшать повреждающий эффект «байстэндер» факторов.

 

 

 

Рис..6. Влияние мелатонина на частота клеток с микроядрами, индуцированными прямым облучением и переносом среды от облученных клеток

 

Что здесь – частота микроядер (см. по вертикали) или число клеток с микроядрами(заголовок?)

 

 

Таким образомпоказана возможность уменьшения байстэндер эффекта с помощью радиопротекторов меланина, способного абсорбировать все виды физической энергии и обладающего высокой антирадикальной активностью, и мелатонина, также обладающего высокой антирадикальной активностью. Учитывая, что все использованные защитные вещества обладают выраженными антирадикальными свойствами, можно предположить, что в механизме БЭ существенную роль играют факторы радикальной природы.

Поскольку предполагается, что главной функцией “bystander” эффекта является уменьшение риска канцерогенной трансформации клеток в организме, подвергшемся облучению, полученные данные по уменьшению байстэндер эффекта с помощью меланина и мелатонина имеют большое практическое значение для радиационной терапии рака.

При расчете радиационных рисков используются модели, основанные на прямом действии облучения на ядерную ДНК. Однако, если «bystander effect» усиливает реакцию организма на воздействие ионизирующей радиации, то необходим перерасчет радиационных рисков, и в том числе риск канцерогенеза. Использование радиопротекторов, способных подавлять межклеточную передачу радиационных сигналов, позволит управлять этим явлением как в целях радиационной терапии рака, так и для оценки радиационных рисков