Протипроменевий біологічний захист

Протипроменевий біологічний захист - це послаблення шкідливої дії на

організм іонізуючого випромінення в результаті впливу на нього перед опроміненням або під час опромінення яким-небудь чинником фізичної природи чи хімічної речовини.

Фізичні протипроменеві фактори.Ступінь прояву радіобіологічних ефектів значною мірою визначається такими факторами навколишнього середовища, як газовий склад атмосфери, температура, вологість, освітлення

та ін. Вони називаються фізичними, бо належать до явищ, які характеризують фізичний стан біосфери і які переважно вивчає фізика.

Газовий склад атмосфери. Радіаційне ураження організму дуже залежить від вмісту в атмосфері кисню, оскільки при зниженні його концентрації зменшується радіаційне ураження. Це явище дістало назву

«кисневого ефекту».

Максимум радіаційного ураження виявляється звичайно при об'ємній частці кисню в атмосфері 20-21%. При зменшенні концентрації кисню

(гіпоксії) ступінь протипроменевого захисту організму наростає і досягає

максимуму при повній відсутності кисню (аноксія).

Але в умовах із зниженим вмістом кисню в атмосфері, а тим більше з повною його відсутністю можуть існувати лише деякі види живих організмів і, як правило, нетривалий час. Рослини - дуже зручний об'єкт для

дослідження цих проблем. Навіть у вегетуючому стані вони можуть існувати в умовах глибокої багатогодинної гіпоксії. Не випадково відкриття кисневого ефекту було зроблено саме в дослідах з рослинами. Пізніше виявлені

закономірності були, підтверджені у дослідах з багатьма іншими

організмами, в тому числі із ссавцями. Кисневий ефект - універсальне явище в радіобіології, яке виявляється у дослідах з усіма біологічними об'єктами.

Кількісним вираженням зміни дії випромінення на живий організм під впливом кисню є величина, що називається коефіцієнтом кисневого підсилення (ККП). Це відношення ефективної дози при опроміненні організму в умовах гіпоксії до ефективної дози, що зумовлює такий самий радіобіологічний ефект при опроміненні в повітрі. Наприклад, якщо ЛД50 в першому випадку становить 7,5 Гр, а в другому - 3 Гр, то ККП =7,5 : 3=2,5.

Відкриття кисневого ефекту зумовило переворот в уявленнях про модифікацію променевого ураження, показало, що процесами розвитку радіаційних реакцій можна керувати і, головне, зменшувати ступінь прояву радіобіологічних ефектів. До речі, ступінь протипроменевого захисту, що досягається в умовах гіпоксії, поки що не вдається забезпечити при застосуванні жодного чинника фізичної чи хімічної природи.

Температура. Вплив температури на ступінь прояву радіаційного ураження - складний процес, в якому поєднуються і деякі прямі реакції впливу температури на розвиток радіаційних реакцій, і посередні, зумовлені дією температури на окремі фізіологічні процеси. Тобто, з одного боку, зміна температури може впливати на хід реакцій променевого ураження, а з іншого

- на інтенсивність обміну речовин, тим самим сприяючи зміні

радіочутливості організму. Так, охолодження насіння, спор та деяких інших об'єктів до температури сухого льоду (-78°С) або рідкого повітря чи азоту (близько -190°С) забезпечує істотний протипроменевий захист. Це пояснюється тим, що при глибокому охолодженні складаються несприятливі умови для поглинання енергії випромінення речовиною та її переносу.

При зниженні температури навколишнього середовища до 0-5°С

підвищується радіостійкість вегетуючих рослин, комах, мікроорганізмів, ссавців та деяких інших тварин, що впадають у зимову сплячку. Безперечно, це пов'язано з гальмуванням інтенсивності обміну речовин.

Вологість. Вода відіграє велику роль у променевому ураженні живих організмів. Саме з молекул води під дією іонізуючого випромінення

виникають високоактивні продукти - вільні радикали й пероксиди, які посилюють радіобіологічні ефекти. Але ж у клітинах більшості організмів

кількість води більш-менш стала і варіює у досить вузьких межах. Винятком є такі об'єкти, як насіння рослин, спори мікроорганізмів, в яких вміст води може змінюватись від кількох відсотків до більш як 90%,·тобто до необхідної для живої клітини кількості. Дані щодо впливу вологості на радіочутливість добуто саме в дослідах з цими об'єктами, переважно з насінням.

Вміст води в насінні за звичайних умов при повітряно-сухому

зберіганні становить, як правило, 8-15%. Збільшення вологості призводить до підвищення радіочутливості, і це цілком зрозуміло: з одного боку, збільшується кількість вільних радикалів, що утворюються при опроміненні, а з іншого - посилюються процеси обміну речовин (насіння починає проростати). Логічно, що·зниження вологості збільшує радіостійкість, тобто

виявляє радіопротекторну дію. Але парадоксально, що така залежність спостерігається лише до рівня вологості 4-5%. При подальшому його зниженні (до 2-3%) радіочутливість різко підвищується. Пояснення цього явища досить складне і пов'язане з особливостями радіохімічних реакцій, які в підручнику не розглядаються.

Питання про роль вологості в радіостійкості як рослин, так і тварин практично не вивчене. Але на основі найзагальніших залежностей можна

припустити, що деяке зневоднення тканин призводитиме до зниження інтенсивності обміну речовин і сприятиме збільшенню радіостійкості.

Освітленість і якість світла. Сонячне світло відіграє важливу роль у житті живих організмів, особливо рослин. Відомі тисячі видів тварин, у тому

числі і ссавців, що живуть без світла, але для рослин - це вкрай рідкісний виняток. Тому практично всі дані про залежність радіочутливості від

освітлення і якості світла (його складу) стосуються організмів, в яких відбувається фотосинтез, - рослин.

Під впливом сонячного світла змінюється інтенсивність фотосинтезу і відповідно нагромадження окремих речовин. Залежно від інтенсивності і спектрального складу світла можуть змінюватись деякі морфологічні реакції рослин, що позначається на стані їх утворювальних тканин - меристем. Не дивно, що світло істотно впливає на радіочутливість рослин. Але і тут не

вдається виявити яких-небудь загальних закономірностей. Як правило, рослини, вирощувані за оптимального режиму освітлення, мають найвищу

радіостійкість. Затінення їх на деякий час безпосередньо перед опроміненням і під час опромінення може ще підвищити її, тобто виявляє протипроменевий захист. Це можна пояснити зниженням інтенсивності фотосинтезу і взагалі обміну речовин.

Попереднє опромінення рослин ультрафіолетовими або інфрачервоними променями, що також входять до складу сонячного світла, у деяких ситуаціях теж може виявити радіозахисну дію, однак може і посилювати радіобіологічні ефекти.

Головне, що треба підкреслити, реакція живих організмів на дію

іонізуючого випромінення під впливом деяких фізичних факторів може змінюватись - послаблюватись або посилюватись. Особливого практичного значення ці факти не мають. Лише в деяких ситуаціях може виникнути потреба зменшити вміст кисню, знизити температуру або вологість в організмі. Про масове використання цих факторів не може бути й мови. Тому всі зусилля вчених-радіобіологів були спрямовані на винахід хімічних речовин, препаратів, фармакологічних засобів, за допомогою яких можна було б знизити ступінь радіаційного .ураження організму.

Хімічні протипроменеві, або радіозахисні, речовини.У 1949 р. практично водночас радіобіологи 3. Бак і А. Ерве із Бельгії і Г. Патт із США повідомили наукову громадськість світу про дві хімічні сполуки, введення яких лабораторним тваринам перед рентгенівським опроміненням підвищує їх виживання. Перші виявили, що таку дію має добре відома дуже сильна

отрута ціанід натрію, ін'єкція якого мишам у дозі, в кілька разів меншій за летальну, безпосередньо перед опроміненням знижувала ступінь радіаційного ураження в 1,5 рази. Г. Патт навів дані про широко відому біологам і медикам амінокислоту цистеїн, яка приблизно такою самою мірою, як і ціанід натрію, захищала тварин від опромінення. Так було відкрито перші радіозахисні речовини, що дістали назву радіопротекторів.

Радіопротектори - це хімічні речовини, введення яких в організм перед опроміненням або під час опромінення сприяє послабленню радіаційного

ураження.

Кількісною характеристикою дії радіопротекторів є величина, названа фактором зміни дози (ФЗД). Фактор зміни дози - це відношення ефективної

дози при опроміненні організму з радіопротектором до ефективної дози, що зумовлює такий самий радіобіологічний ефект у контролі, тобто без

радіопротектора.

Це визначення нагадує сформульоване вище визначення ККП. ККП - це окремий випадок ФЗД, коли в ролі радіопротектора виступає гіпоксія. Тому ФЗД оцінюють за допомогою тієї ж простої арифметичної дії, що й ККП.

Природно, що коли хімічна речовина захищає організм від іонізуючого випромінення, значення ФЗД повинно бути більшим за одиницю. Якщо воно менше за одиницю, це свідчить про посилення дії випромінення -

радіосенсибілізацію, а коли дорівнює одиниці, то речовина не діє ніяк – тобто є нейтральною.

Через 2 роки після відкриття перших радіопротекторів 3. Бак зі своїми співробітниками виявили, що одна з похідних сполук цистеїну - цистеамін набагато більше зменшує ступінь променевого ураження як при ін'єкціях, так і при годівлі тварин. При введенні мишам лише 150 мг/кг маси тіла

цистеаміну, що майже в 10 разів менше за дозу цистеїну, ФЗД досягає 2, Це означає, що при використанні цього препарату дозу опромінення потрібно збільшити удвічі, щоб мати такий самий радіобіологічний ефект, як без його використання. Тобто він підвищує радіостійкість організму у 2 рази (табл.26).

26. Ефективність радіопротекторів при гострому опроміненні савців

* - складний радіопротектор

Багатьма дослідженнями було доведено універсальність радіозахисних властивостей радіопротекторів, які вводили різними способами: ін'єкціями під шкіру, внутрішньовенно, внутрішньочеревно, орально, через середовище культивування або обприскуванням (у дослідах з рослинами і мікроорганізмами). Протипроменева дія виявлялася завжди.

Досі на протипроменеву дію випробувано десятки тисяч хімічних речовин. Сотні з них виявились досить ефективними радіопротекторами. Але

дія жодної з них не була ефективнішою за дію цистеаміну.

Класифікація радіопротекторів.Існує багато різних класифікацій радіопротекторів, серед яких виділяють десятки різних груп. У даній книзі наведено лише ті з них, що мають чіткі радіопротекторні властивості. До

радіопротектора звичайно ставлять три основні вимоги:

1) висока дозова ефективність;

2) нетоксичність - введення в організм не повинно супроводжуватись будь-якими негативними реакціями;

3) стабільність дії - зберігання протипроменевих властивостей протягом тривалого часу.

Виділяють такі основні класи радіопротекторних сполук (речовин):

Сульфгідрильні сполуки. До них належать цистеїн і цистеамін, а також багато інших сполук, у складі яких є сульфгідрильні (SH-) групи: глутатіон,

тіосечовина, аміноетилізотіуроній. З часу відкриття радіозахисних властивостей сульфгідрильних сполук і досі їх вважають найефективнішими

і найкраще вивченим класом радіопротекторів. Сульфгідрильні сполуки виявляють максимальний радіозахисний ефект відносно рослин і тварин - значення ФЗД при їх використанні найбільше.

Радіозахисні речовини звичайно вводять ін'єкціями під шкіру або

внутрішньочеревно, а також орально з їжею чи водою. Тому захисну дозу препаратів зазначають у міліграмах на 1 кг маси тіла.

В рослини радіопротектори частіше вводять через коріння, занурюючи рослини перед опроміненням на кілька годин у поживні речовини з радіопротектором. Концентрації розчину зазначають у молях на 1 л розчину.

Проте, виявляючи найвищу протипроменеву дію серед усіх класів радіопротекторів, сульфгідрильні сполуки мають досить високу токсичність.

Крім того, вони є сильними відновниками (з чим нерідко пов'язують їх радіозахисні властивості), тому швидко окислюються, втрачаючи свою радіозахисну дію. Тому максимальний ефект радіозахисту спостерігається через 5-15 хв. після введення сульфгідрильних сполук в організм тварин, а потім він різко знижується і через 40-60 хв. майже не фіксується.

Біогенні аміни. До них належать насамперед дві сполуки з високою

радіозахисною дією: триптамін - один з продуктів бактеріального розкладу амінокислоти триптофану й серотонін - похідне триптаміну, важливий продукт метаболізму тваринних організмів. Біогенні аміни виявляють досить високий протипроменевий ефект, хоч вони помітно поступаються перед цистеаміном. Але токсичність біогенних амінів набагато менша, а

стабільність вища. Менш виражені радіозахисні властивості в амінів мексаміну й гістаміну.

Відновники. Механізми ушкодження іонізуючим випроміненням значною мірою зумовлені розвитком у клітинах процесів окислення. Крім сульфгідрильних сполук, є багато хімічних речовин інших класів, що мають відновні властивості. Деякі·з них виявляють і радіозахисні властивості. Це такі відомі відновники, як гідросульфіт натрію, тіосульфат натрію,

метагідросульфіт натрію. Істотну протипроменеву дію мають такі сильні відновники, як аскорбінова кислота (вітамін С), ретинол (вітамін А), токоферол (вітамін Е).

Добре відомі відновні властивості спиртів. Деякі з них справді мають

протипроменеві властивості - метиловий, етиловий, пропиловий, бутиловий. Але щоб забезпечити радіозахист за допомогою етилового спирту, треба створити концентрацію його в організмі 3-5 мл абсолютного, тобто 100%, алкоголю на 1 кг маси тіла. Для людини це доза, лише у 2 рази менша за смертельну. При цьому можна досягти значення ФЗД лише 1,2.

Протипроменева ефективність більшості відновників середня або слабка. Майже всі відновники нестабільні, багато з них досить токсичні.

Солі металів. Метали відіграють велику роль у збереженні структури нуклеїнових кислот і білків, по-різному впливаючи на проникність клітинних

оболонок і мембран, активність ферментів, до складу яких вони входять. Є

чимало препаратів, створених на основі металів, які за всіма показниками можна віднести, до радіопротекторів. Так, серед радіопротекторів на основі кобальту відомі такі, як кобамід, кобадекс, кобамін, кобалін; нікелю - нікавіт, нікаміндон; міді - мідіанокс, мідікостерон. Відомі радіопротектори на основі заліза, цинку, марганцю, комплексів з двох або трьох металів.

ФЗД при використанні солей зазначених вище металів досягає в окремих випадках 1,5-1,7, тобто ці солі можна вважати ефективними радіопротекторами. Однак перелічені вище метали-радіопротектори належать до важких металів, серед яких цинк, мідь, кобальт є високотоксичними. І хоч як радіопротектори їх використовують у низьких

концентраціях, не можна не зважати на їх токсичність.

Відомо також, що солі і сполуки металів у водних розчинах довго зберігають свої хімічні властивості. Отже, радіопротектори на їх основі

мають порівняно високу стабільність.

Інгібітори метаболізму. До цієї дуже строкатої групи радіопротекторів належать багато речовин - інгібіторів метаболізму, які, пригнічуючи окремі процеси біосинтезу, розриваючи послідовний ланцюг складних перетворень одних продуктів на інші, зумовлюють стан організму, близький до шокового,

в якому він, аналогічно до стану анабіозу, набуває підвищеної радіостійкості. Такі властивості мають інгібітори синтезу нуклеїнових кислот - оксисечовина, 5-аміноурацил; інгібітори синтезу білків і ферментів -

гідроксиламін, хлорамфенікол; інгібітори дихання - азид натрію, амітал та ін.

Протипроменева ефективність більшості інгібіторів метаболізму вважається слабкою і середньою; всі вони токсичні для організму; стабільність їх середня або низька.

Природні метаболіти. Велика кількість радіопротекторів певною мірою токсична для всіх організмів. Це стосується не тільки відкритих першими ціанідів і сульфгідрильних сполук, інгібіторів метаболізму, солей металів, а й багатьох радіопротекторів інших класів, про які не згадувалось.

Багато які з них виявляють протипроменеву дію саме в токсичних концентраціях, з чим нерідко пов'язують їх радіозахисні властивості. Тому дедалі більше приваблює увагу радіобіологів можливість використання як радіопротекторів природних для організму речовин - його метаболітів, серед

них - насамперед нуклеїнових кислот, гормонів, білків і ферментів, вітамінів, вуглеводів, фізіологічно активних речовин.

Чітко виражені радіопротекторні властивості мають ДНК і РНК. У дослідах з тваринами, рослинами встановлено, що незалежно від походження ДНК та РНК і нуклеотиди, з яких вони складаються, мають радіозахисні, навіть лікувальні властивості, тобто можуть зменшувати наслідки променевого ураження і в післярадіаційний період. Пояснюється це тим, що протипроменева дія препаратів нуклеїнових кислот, як і білків, ферментів, амінокислот, ґрунтується на тому, що вони є готовими елементами у

пошкоджених ділянках молекул цих речовин. Тому ефективність їх виявляється при введенні не тільки до, а й після опромінення.

Надзвичайно великий інтерес до питань радіозахисту й лікування променевої хвороби у людини за допомогою гормонів, вітамінів, різних біологічно активних речовин. Протипроменеві властивості мають ретинол (вітамін А), аскорбінова кислота (вітамін С), токоферол (вітамін Е).

Радіопротекторним ефектом характеризуються й інші вітаміни - тіамін (вітамін В1), піридоксин (вітамін В6), ціанкобаламін (вітамін В12), рутин (вітамін Р), тілохінон (вітамін К) та різні їх сполуки.

При опроміненні рослин сильні радіозахисні властивості виявляють фітогормони: абсцизова кислота й особливо етилен. ФЗД останнього може

перевищувати навіть дію найефективніших радіопротекторів сульфгідрильної природи. Проте, фітогормони неефективні при опроміненні

тварин.

До гормонів тварин, що мають радіозахисну дію, належать згадані вище біогенні аміни та багато інших, у тому числі статеві гормони - андрогени й естрогени; гормони надниркових залоз - адреналін і норадреналін; гормон підшлункової залози - інсулін та гормон щитовидної залози - тироксин.

Високу радіозахисну дію має природний акумулятор і переносник хімічної енергії в живих клітинах аденозинтрифосфат (АТФ) і регулятор клітинного метаболізму циклічний аденозинмонофосфат (цАМФ), ФЗД яких

досягає 1,5-1,7.

Всі названі метаболіти нетоксичні і досить стабільні.

Поживні речовини. Забезпечення організму поживними речовинами, впливаючи на інтенсивність обміну речовин, синтез і нагромадження метаболітів, формує певний ендогенний (внутрішній) фон радіостійкості. Цей фон, що створюється тисячами різних органічних і неорганічних речовин та їх сполук, дуже утруднює пояснення причин зниження або збільшення радіочутливості організму при введенні окремих поживних речовин. Ці речовини впливають і на перебіг процесів відновлення після опромінення. Безліч фактів свідчать про те, що ефекти іонізуючої радіації значною мірою залежать від забезпеченості організму поживними речовинами як перед опроміненням, так і після нього.

Зокрема, встановлено, що при вирощуванні на високому агрофоні опромінені рослини виживають краще, ніж на низькому. Значно підвищує

радіостійкість рослин внесення при вирощуванні більшої кількості

фосфорних, калійних і магнієвих добрив порівняно з нормою. Протипроменева ефективність солей багатьох металів свідчить про те, що внесення у ґрунт мікродобрив також сприяє підвищенню радіостійкості рослин.

Оптимізація умов живлення, збільшення в раціоні вмісту калію, кальцію, магнію, вітамінів сприяють зниженню ступеня радіаційного ураження тварин.

Відомі й інші класи хімічних радіозахисних речовин:

амідофосфортіоати, ціаніди, нітрили, окислювачі, антимутагени, комплексні сполуки та ін.

Краще застосовувати радіопротектори в суміші, поєднуючи позитивні властивості представників різних їх класів: високу ефективність одних, наприклад сульфгідрильних сполук; низьку токсичність других, наприклад

природних метаболітів; стабільність третіх, наприклад солей металів. При таких комбінаціях вдається за рахунок зменшення концентрацій знизити негативні властивості окремих радіопротекторів і, крім того, збільшити дію протипроменевого захисту. За таким принципом виготовлено радіопротектор WR-2721 (табл. 26).

Проте описані ефекти радіопротекторів, значення їх ФЗД як для тварин, так і для рослин стосуються одноразового гострого опромінення іонізуючим

випроміненням γ-, β- і рентгенівського джерела. Тому, після аварії на Чорнобильській АЕС найважливішим завданням радіобіологів є пошук засобів протипроменевого захисту для умов хронічного опромінення, яке триває роками, десятиріччями, все життя - радіопротекторів так званої пролонгованої дії.

Радіопротектори пролонгованої дії. В умовах хронічного

опромінення захисну дію повинні мати тільки радіопротектори, які протягом тривалого часу зберігають свої властивості, тобто високостабільні. Якщо цієї властивості нема, то найефективніші при гострому опроміненні радіопротектори більшості класів, у тому числі й сульфгідрильні сполуки, при хронічному опроміненні не виявляють захисної дії.

Досить високу стабільність дії мають солі металів. Але вона вважається високою лише порівняно із згаданими нестійкими сполуками. Багато металів через деякий час можуть окислюватись, брати участь в обміні речовин і виводитись з організму. Тому періодично виникає потреба у введенні нових доз радіопротекторів, що може призвести до різних токсикозів.

Порівняно ефективними радіозахисними засобами пролонгованої дії вважаються радіопротектори з природних метаболітів і поживних речовин.

Застосування комплексних препаратів, виготовлених на основі гормонів, вітамінів та інших біологічно активних речовин, а також макро- і мікроелементів (кальцію, калію, заліза, цинку, кобальту, марганцю, молібдену, міді) сприяє стабілізації гормонального та імунного статусу

організму, підвищує його неспецифічну стійкість проти різних несприятливих чинників, у тому числі і дії іонізуючої радіації.