Ионизирующее излучение способно повреждать практически все внутриклеточные структуры, клетки и ткани организма, любой живой объект подвержен губительному воздействию этого фактора вплоть до гибели. Однако для достижения равнозначного поражающего эффекта различные биологические объекты (как особи различных видов, так и ткани и составляющие их клетки) необходимо подвергнуть облучению в различных, отличающихся в очень широких пределах, дозах. Иначе говоря, каждому биологическому виду, виду клеток и тканей свойственна своя мера чувствительности или устойчивости к действию ионизирующих излучений — своя радиочувствительность или радиорезистентность. Основным критерием радиочувствительности в радиобиологии и радиационной медицине принято считать зависимость гибели объекта или клеток биосубстрата от поглощенной дозы ионизирующего излучения: чем ниже поглощенная доза, вызывающая летальный эффект, тем выше радиочувствительность объекта.
В 1906 г. французские исследователи И. Бергонье и Л. Трибондо обнаружили, что радиочувствительность тканей прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированное™ составляющих ее клеток (правило Бергонье- Трибондо). В соответствии с этим правилом, по степени радиочувствительности ткани организма млекопитающих располагаются следующим образом (от наиболее радиочувствительной до наиболее радиорезистентной): лимфоидная, миелоидная; герминативный, кишечный и покровный эпителий; мышечная, нервная, хрящевая и костная ткани.
В начале XX века была установлена определяющая роль облучения ядра в радиационном поражении клетки, иначе говоря, установлен факт более высокой радиочувствительности клеточного ядра в сравнении с цитоплазмой. Однако лишь спустя полвека было показано, что этот феномен обусловлен чрезвычайно высокой радиочувствительностью генетического аппарата клетки и, прежде всего, его основы — ДНК, в молекулах которой сосредоточена практически вся генетическая информация клетки.
Облучение вызывает различные радиационно-химические повреждения молекулы ДНК (разрыв двойных связей в пуриновом кольце азотистых оснований, разрыв связей «углевод — основание», «углевод — фосфат» и др.), что, в свою очередь, сопровождается образованием одно- и двунитевых разрывов ДНК, внутри- и межмолекулярных сшивок ДНК — ДНК и ДНК — белок, распадом четвертичной структуры ДНК и ДНК-мембранного комплекса. При одиночных разрывах (составляющих до 90% пострадиационных повреждений ДНК) связь между отдельными нуклеотидами нарушается в одной из нитей двунитчатой молекулы ДНК, при двойных (10%) — разрыв происходит сразу в близрасположенных участках двух нитей, что приводит к распаду молекулы полинуклеотида. Любой разрыв сопровождается нарушением считывания информации с молекулы ДНК и пространственной структуры хроматина.
Одиночные разрывы не приводят к поломкам молекулы ДНК, так как разорванная нить прочно удерживается на месте водородными, гидрофобными и другими видами связей с противоположной нитью ДНК, кроме того, эти разрывы хорошо репарируются.
Двойные разрывы являются следствием либо одновременного повреждения обеих нитей ДНК, либо (при облучении в высоких дозах) — перехода одиночных разрывов в двойные в связи с повышением вероятности появления близко расположенных разрывов в двух цепях ДНК. При действии на клетку ионизирующих излучений с небольшой плотностью ионизации (гамма- и рентгеновское излучения, быстрые электроны) 20—100 одиночных разрывов вызывают один двойной. Плотноионизирующие излучения (нейтроны, протоны, альфа-частицы) вызывают зна
чительно большее количество двойных разрывов ДНК. Существует линейная зависимость между их числом и дозой облучения. Уже после облучения в дозе 1 Гр в каждой клетке человека может повреждаться около 5000 оснований молекул ДНК, возникает порядка 1000 одиночных и 10-100 двойных разрывов. Около 10% из них не подвергаются репарации и вызывают структурные нарушения в хромосомном аппарате клетки — так называемые хромосомные аберрации.
Кроме образования разрывов, в облученной ДНК нарушается структура оснований, прежде всего тимина, образуются сшивки между ДНК и белком нуклеопротеидного комплекса, повреждается структура ДНК-мембранного комплекса. Определенное значение в механизмах пост- лучевой гибели клеток придается также структурным нарушениям биомембран (ядерной, митохондриальной и др.). В частности, нарушение структур мембран митохондрий сопровождается снижением энергетического обмена, что, в свою очередь, негативно отражается на интенсивности репаративных процессов, для осуществления которых необходимы макроэргические фосфаты.
Происходящие под влиянием облучения структурные изменения элементов клетки (прежде всего, повреждение ее генетического аппарата) тесно взаимосвязаны с нарушениями ее нормальной жизнедеятельности. Наиболее ранними из таких функциональных нарушений является нарушение биосинтеза ДНК, особенно в радиочувствительных тканях (лимфоидные образования, костный мозг, энтероциты) и задержка (угнетение) клеточного деления — так называемый «радиационный блок митозов».
Временная задержка первого пострадиационного деления наблюдается лишь после облучения в определенном, хотя и достаточно широком диапазоне доз (для большинства клеток млекопитающих — в пределах 10 Гр). Другая форма задержки деления клеток — полное подавление деления, наблюдается после воздействия высоких доз радиации и в итоге приводит к гибели клетки. Однако основной формой постлучевой клеточной гибели, характерной для всех быстропро- лиферирующих тканей, является репродуктивная гибель клеток, т. е. гибель, наступающая не сразу после облучения, а в ходе нескольких циклов деления. Основной причиной репродуктивной гибели являются структурные повреждения ДНК, приводящие к хромосомным аберрациям..
Другая форма пострадиационной гибели клеток — интерфазная гибель — наступает до вступления клетки в митоз. Для большинства клеток соматических тканей животных и человека интерфазная гибель регистрируется при облучении в очень высоких дозах, проявляется в виде различных дегенеративных изменений ядра и цитоплазмы и происходит или непосредственно «под лучом», или в первые часы после облучения. Исключение составляют лимфоциты, для которых интерфазный тип постлучевой гибели является основным и регистрируется уже после облучения в дозах 1—2 Гр.
В основе молекулярных механизмов интерфазной гибели клеток лежат повреждения цитоплазматических (ядерных и митохондриальных) мембран, приводящие к нарушению водноэлектролитного баланса, высвобождению гидролитических ферментов из лизосом, деструктивным изменениям ядра и т. д. Предполагается, что под влиянием облучения в лимфоцитах реализуется генетически детерминированная программа интерфазной гибели по типу апоптоза, инициируемая нарушением структуры ДНК.