Биологические и эпидемиологические эффекты облучения в малых дозах
| Вид материала | Документы |
Содержание2. Результаты и обсуждение Средняя мощность дозы Клетки с аберрациями (%) Средняя мощность дозы Малая мощность дозы |
- Эффекты облучения в твердых телах, 247.82kb.
- Алкоголь… Практически все мы употребляем алкоголь, кто-то очень редко, исключительно, 78.97kb.
- Статья Общие положения > Настоящие Требования к выдаче Свидетельства о допуске к работам, 138.38kb.
- Трии, служит тезис о принципиальной допустимости, приемлемости, а порой даже благотворности,, 411.15kb.
- Курсовая работа тема: «Алкалоиды и история их открытия», 101.03kb.
- Некоторые нерешенные вопросы в исследовании сенсорной системы у человека и ее обусловленности, 144.69kb.
- Тверской Государственный Университет Химико-Биолого-Географический факультет Кафедра, 103.37kb.
- Травы Гекаты в роли целителей, 2705.54kb.
- Дозы излучения и единицы измерения, 180.6kb.
- Болезнь, характеризующаяся непреодолимым влечением к наркотикам (напр., морфину), вызывающим, 19.62kb.
ЛИТЕРАТУРА
1. Lubin, J.H.,Boice, J.D. Jr., Edling, C., Homung, R.W., Howe, G., Kunz, E., Kusiak, R.A., Morrison, H.I., Radford, E.P., Samet, J.M., Tirmarche, M., Woodward, A., Xiang, Y.S. and Pierce D.A. Radon and Lung Cancer Risk: a Joint Analysis of 11 Underground Miners Studies. U.S. Department of Health and Human Services. Public Health Service. National Institutes of Health. NIH Publication No. 94-3644. Bethesda, MD, 1994.
2. J.H. Lubin, J.H., Boice, J.D. Jr., Edling, C., Homung, R.W., Howe, G., Kunz, E.,. Kusiak, R.A, Morrison, H.I., Radford, E.P., Samet, J.M., Tirmarche, M., Woodward, A., Xiang, Y.S. and Pierce, D.A. Lung cancer in radon-exposed miners and estimation of risk from indoor radon exposure. J. Natl. Cancer Inst. 87, 817-827(1995).
3. National Research Council: Comparative Dosimetry of Radon in Mines and Homes. National Academy Press, Washington, DC, 1991.
4. National Radiation Protection Board. The Householders' Guide to Radon (2nd ed.). Department of the Environment. National Radiation Protection Board, Chilton, Didcot, UK, 1990.
5. Schoenberg, J.B., Klotz, J.B., Wilcox, G.P., Gil-del-Real, M.T., Stemhagen, A. and Mason, T.J. Case-control study of residential radon and lung cancer among New-Jersey women. Cancer Res. 50, 6520-6524 (1990).
6. Pershagen, G., Liang, Z.H., Hrubec, Z., Svensson, J.C. and Boice, J.D. Jr. Residential radon exposure and lung cancer in Swedish women. Health Phys. 63, 179-186 (1992).
7. Darby, S., Whitley, E., Silcocks, P., Thakrar, B., Green, M., Lomas, P., Miles, J. Reeves, G., Fearn, T. and Doll, R. Risk of lung cancer associated with residential radon exposure in South-west England: a case-control study. Br. J. Cancer 78, 394-408 (1998).
8. Lubin, J.H., Boice, J.D. Jr., Edling, C., Hornung, R.W., Howe, G., Kunz, E., Kusiak, R.A., Morrison, H.I., Radford, E.P., Samet, J.M., Tirmarche, M., Woodward, A. and S.X. Yao. Radon-exposed underground miners and inverse dose-rate (protraction enhancement) effects. Health Phys. 69, 494-500, 1995.
9. Cross, F.T. and Monchaux, G. Risk Assessment of Radon Health Effects from Experimental Animal Studies. A joint review of PNL (USA) and CEA-COGEMA (France) data. In : "Indoor Radon Exposure and its Health Consequences - Quest for the True story of Environmental Radon and Lung Cancer", Masahiro Dot and Jiro Inaba editors, pp. 85-105, Kodansha Scientific, Co. Ltd., Publisher, Tokyo, Japan, (1999).
10. Gilbert, E.S., Cross, F.T. and Dagle, G.E. Analysis of lung tumor risks in rats exposed to radon. Radiat. Res. 145, 350-360 (1996).
11. Monchaux, G., Morlier, J.P., Morin, M., Chameaud, J., Lafuma, J. and Masse, R. Carcinogenic and cocarcinogenic effects of radon and radon daughters in rats. Environ. Health Perspect., 102, 64-73 (1994).
12. Morlier, J.P., Morin, M., Monchaux, G., Pineau, J.F., Chameaud, J., Lafuma, J. and Masse, R. Lung cancer incidence after exposure of rats to low doses of radon: influence of dose rate. Radiat. Protect. Dosim. 56,93-97 (1994).
13. Hahn, F.F., and Boorman, G.A. Neoplasia and Preneoplasia of the Lung. In : Pathology of Neoplasia and Preneoplasia in Rodents. EULEP Color Atlas, Volume 2., (P. Bannasch and W. Gossner, Eds), pp. 29-42, Schattauer, Stuttgart, New-York, (1997).
14. Brenner, D.J. The significance of dose rate in assessing the hazards of domestic radon exposure. Health Phys. 67, 76-79 (1994).
15. Miller, R.C., Randers-Pehrson, G., Geard, C.R., Hall, E.J. and Brenner, D.J. The oncogenic transforming potential of the passage of single alpha particles through mammalian cell nuclei. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 96, 19-22 (1999).
16. Mitchell, R.E., Jackson, J.S. and Heinmiller, B. Inhaled uranium ore dust and lung cancer risk in rats. Health Phys. 76: 145-155 (1999).
17. Sanders, C.L., Lauhala, K.E. and McDonald, K.E. Lifespan studies in rats exposed to 239PuO2. III. Survival and lung tumors. Int. J. Radial. Biol. 64: 417-430 (1993).
18. Raabe, O.G., Book, S.A., Parks, N.J., Chrisp, C.E. and Goldman, M. Lifetime studies of 226Ra and 90Sr in beagles - A status report. Radiat. Res. 86, 515-528 (1989).
19. Rowland, R.E. Radium in Humans. A review of U.S. Studies. Argonne National Laboratory, 9700 South Cass Avenue, Argonne, Illinois 60439, September 1994, pp. 106-112 (1994).
20. Andersson, M. and Storm, H.H. Cancer incidence among Danish Thorotrast-exposed patients. J. Natl. Cancer Inst. 84: 1318-1325 (1992).
21. Ootsuyama, A. and Tanooka, H. Threshold-like dose of local beta irradiation repeated throughout the lifespan of mice for induction of skin and bone tumors. Radiat. Res. 125: 98-101 (1991).
22. Tanooka, H., Ootsuyama, A. and Sasaki, A. Homologous recombination between p53 and its pseudogene in a radiation-induced mouse tumor. Cancer Res. 58: 5649-5651 (1998).
23. Yamamoto, 0., Seyama, T., Itoh, H. and Fujimoto, N. Oral administration of tritiated water (HTO) in mouse. III: Low dose-rate irradiation and threshold dose-rate for radiation risk. Int. J. Radiat. Biol. 73: 535-541 (1998).
24. White, R.G., Raabe, O.G., Culbertson, M.R., Parks, N.J. Samuels, S.J. and Rosenblatt, L.S. Bone sarcoma characteristics and distribution in beagle dogs fed strontium-90. Radiat. Res. 136: 178-189, 1993.
25. Maisin, J.R., Wambersie, A., Gerber, G.B., Mattelin, G., Lambiet-Collier, M. and Gueulette, J. The effect of fractionnated gamma irradiation on life shortening and disease incidence in BALB/c mice. Radiat. Res. 94: 359-373(1983).
Эффект нейтронов в МАЛОЙ дозе при очень низкой мощности дозы на клетки меланомы человека {80}
C. Dionet1 and2, A. Tchirkov3, J.-P. Alard4 et al.
1. Отдел (unite) радиобиологии, отделение радиотерапии, Цент Жана Перри и INSERM, Клермон-Ферран
2. Республиканский центр, Клермон-Ферран
3. Лаборатория цитогенетики медицинского факультета, Клермон-Ферран
4. Лаборатория физики корпускулярных частиц, Обьер137.
Dionet C., Tchirkov A., Alard J.-P. et al. Effects of low dose neutrons applied at a very low dose rate on human melanoma cells. In: “The Effects of Low and Very Low Doses of Ionizing Radiation on Human Health”, ed. by WONUC. 2000. Elsevier Science B.V. P. 255–259.
C. Dionet1 and2, A. Tchirkov3, J.-P. Alard4 J. Arnold4, J. Dhermain5, M. Rapp, V. Bodez4, J.-C. Tamain4,1. Monbel4, P. Malet3, F. Kwiatowski6, D. Donnarieix1, A. Veyre1, P. Verrelle1.
(1) Unite de Radiobiologie, Departement de Radiotherapie, Centre Jean Perrin and INSERM U 484, Clermont-Ferrand
(2) Centre Republique, Clermont-Ferrand
(3) Laboratoire de Cytogenetique, Faculte de Medecine, Clermont-Ferrand
(4) Laboratoire de Physique Corpusculaire, IN2P3/CNRS, Aubiere
(5) Etablissement Technique Central de I 'Armement, Arcueil
(6) Unite de Biostatistiques, Centre Jean Perrin, Clermont-Ferrand, France.
РЕЗЮМЕ
Целью работы являлось изучение воздействия нейтронов в малых дозах и при очень низком уровне (мощности) дозы на клетки рака человека. Клетки меланомы, устойчивые к Х-излучению, облучались нейтронами (14 МэВ) в малых дозах (от 5 до 112 сГр) при очень низком (0,8 мГр в мин) и умеренном (40 мГр в мин) уровне дозы. Биологические эффекты нейтронов исследованы с помощью двух различных методов: путем определения жизнеспособности клеток после инкубации в течение 14-ти-дней, а также по тесту аберраций хромосом в метафазе через 20 ч после облучения. Необычными особенностями кривой выживаемости при очень низком уровне дозы было увеличение клеточной гибели при дозе 5 сГр138, за которой следовало плато при дозах от 10 до 32,5 сГр. Показатель количества индуцированных аберраций хромосом продемонстрировал подобное же увеличение для обеих мощностей воздействия при дозе 7,5 сГр и плато при низком уровне дозы от 15 до 30 сГр.
Результаты показывают, что механизмы репарации при очень низком уровне (мощности) дозы нейтронов не активируются ниже пороговых величин. Обнаружение постоянных количеств индуцированных аберраций и клеточной инактивации в, по существу, идентичных дозовых диапазонах указывает, что процессы повреждения могут полностью компенсироваться процессами репарации в этом интервале доз при очень низком уровне дозы.
Результаты способствуют развитию новых понятий о биологических эффектах нейтронов в малых дозах, что должно привести к повторному рассмотрению принципов нейтронной терапии и открыть новые подходы, использующие облучение нейтронами при очень низких уровнях доз резистентных к Х-излучению раковых образований. Эти данные подчеркивают также важность осторожного анализа эффектов малой дозы и низких уровней доз нейтронов для точной оценки рисков образования рака и неблагоприятных эффектов для здоровья.
1. ВВЕДЕНИЕ
Облучение нормальных и опухолевых клеток нейтронами индуцирует летальные повреждения, приводящие к типичной кривой выживаемости, которая является почти прямой линией при низких дозах [1], или же имеет очень малое плечо [5]. Линейная зависимость от дозы характерна также для индуцированных нейтронами аберраций хромосом, тесно связанных с клеточной гибелью [12]. Тем не менее, имеется мало данных относительно действия нейтронов в малых дозах и при низких уровнях доз. Поэтому необходимы исследования формы кривой выживаемости в самом ее начале; показатели могут быть связаны с индукцией аберраций хромосом.
В качестве экспериментальной модели мы использовали клетки меланомы человека, резистентные к Х-излучению, применяемому при стандартной терапии рака при мощности дозы 3 Гр в мин. Использовано два источника нейтронов (14,1 МэВ). Один испускал 3 108 нейтронов в секунду, имея очень низкую мощность в 0,8 мГр в мин. Другой — 5 1011 нейтронов в секунду (мощность 40 мГр в мин).
Исследована способность к формированию колоний облученными клетками, которая определялась по выживаемости после 14-ти дней инкубации. Кроме того, определяли уровень аберраций хромосом в метафазных клетках, собранных через 20 ч после облучения.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Клеточная культура и условия облучения
[Линия клеток меланомы человека [8]. Время удвоения — 24 ч. Воздействие Х-излучения — 3 Гр в мин. Все радиационные воздействия — при 37°C.]
<...>
Анализ клеточной выживаемости
Кривая выживаемости после воздействия Х-излучения описывалась линейно-квадратичной функцией (D +D2), где = 0,152 и = 0,068. Отношение / было, таким образом, невелико (2,23), что указывает на радиорезистентность клеток меланомы.
Выживаемость после облучения нейтронами при двух уровнях доз (табл. 1) значительно различалась (многовариантный анализ — MANOVA; F= 55,37; df= 1 and 87; p < 0,001).
Таблица 1. Выживаемость клеток меланомы как функция от дозы нейтронов при средней и малой мощности дозы
| Доза, сГр | Выжившая фракция, % (M SEM) | |
| Средняя мощность дозы | Малая мощность дозы | |
| 5 | Не исследовано | 63,23,74 |
| 7,5 | 83,38,27 | Не исследовано |
| 10 | Не исследовано | 68,255,92 |
| 15 | 81,353,95 | 73,333,95 |
| 20 | Не исследовано | 73,04,37 |
| 22,5 | 74,58,71 | Не исследовано |
| 25 | Не исследовано | 64,02,05 |
| 30 | 63,898,98 | Не исследовано |
| 32,5 | Не исследовано | 67,253,38 |
| 50 | 48,358,05 | 57,53,18 |
Выживаемость после воздействия при большем уровне дозы монотонно снижалась с полученной дозой. В противовес этому, соответствующий показатель при низкой мощности демонстрирует плато с 5 до 32,5 сГр, соответствующее 65% выживаемости. Статистические исследования плато показали, что внутри этого диапазона нет значимых отличий. Вдобавок, важное увеличение клеточной гибели обнаружено при низкой мощности после облучения в дозе 5 сГр {81}.
Цитогенетические исследования
Цитогенетические данные получены для клеток, достигших митоза первого клеточного цикла после облучения, при инкубации с колцемидом для предотвращения второго деления. Время экспозиции с колцемидом — 20 ч, затем следовал сбор клеток, находившихся на различных стадиях цикла во время облучения и, поэтому, характеризовавшихся различными типами аберраций. Дицентрики, центрические кольца, интерстициальные делеции /ацентрические кольца и терминальные делеции индуцировались в клетках перед синтезом ДНК (Go G1, и ранняя S-фаза).
Для фракции клеток, которые облучались в поздней S или G2-фазе, продемонстрирован хроматидный тип аберраций (хроматидные разрывы (break) и обмены). Прокрашивание метафаз осуществляли по Гимза; подсчитывали от 80 до 104 клеток для большей мощности дозы, и 291–311 клеток — для меньшей. Общее число хромосом в клетках меланомы составило от 72 до 83 хромосом на метафазу.
Спонтанное количество аберраций определяли анализом 172 необлученных клеток. Детектировались только хроматидные разрывы с частотой 2,9 на 100 клеток.
Результаты цитогенетического анализа представлены в табл. 2.
Таблица 2. Индукция аберраций хромосом в клетках меланомы нейтронами при облучении в условиях средней и малой мощности (MSEM)
| Доза, сГр | Число клеток в анализе | Клетки с аберрациями (%) | Аберрации хромосомного типа (на 100 клеток) | Аберрации хроматидного типа (на 100 клеток) |
| Средняя мощность дозы | ||||
| 7,5 | 80 | 19,64,41 | 11,83,43 | 7,82,79 |
| 15 | 104 | 23,14,79 | 18,34,27 | 12,53,53 |
| 22,5 | 100 | 34,05,81 | 25,04,99 | 15,03,87 |
| 30 | 90 | 36,76,06 | 33,35,75 | 25,65,05 |
| 37,5 | 84 | 45,26,67 | 35,85,96 | 28,65,33 |
| Малая мощность дозы | ||||
| 7,5 | 301 | 13,53,67 | 8,82,97 | 6,52,55 |
| 15 | 309 | 18,24,27 | 11,93,45 | 10,23,19 |
| 22,5 | 306 | 17,94,24 | 13,13,62 | 8,622,92 |
| 30 | 295 | 20,24,49 | 15,13,89 | 9,93,14 |
| 37,5 | 311 | 24,94,99 | 19,34,39 | 13,23,63 |
| | | t = 4,65, df=4 p < 0,01 | t = 4,24, df=4 p < 0,02 | t = 2,95, df=4 p < 0,05 |
С применением парного t-теста Сьюдента было показано, что уровень аберрантных клеток, а также хромосомных и хроматидных аберраций, индуцированных при низкой мощности дозы, значимо ниже, чем при высокой. Частота аберраций и аберрантных клеток повышалась в зависимости от дозы, но средняя величина (в %% на 1 сГр) в дозовом диапазоне от 7,5 до 37,5 сГр была выше для большей мощности, чем для меньшей: 3,4% против 1,9% для аберрантных клеток, 4,9% против 2,6% для хромосомных аберраций и 8,4% против 2,0% для хроматидных разрывов и обменов. Более того, выход аберраций и аберрантных клеток, вероятно, характеризуется наличием плато в дозовом интервале от 15 до 30 сГр для низкой мощности дозы.
Были сопоставлены данные по выживаемости и по цитогенетическому анализу для двух мощностей дозы нейтронного облучения. Необычная картина получена для выживаемости при дозе 5 сГр и низкой мощности дозы {82}. Затем выявляется плато от 10 до 32,5 сГр {83}. Однако по показателю количества аберраций этот начальный эффект не обнаружен: отмечено сходное увеличение числа аберраций при обеих мощностях доз начиная с 7,5 сГр; имелось плато для малого уровня воздействия(15–30 сГр) — табл. 2 {84}.
Таким образом, мы изучили два клеточных эффекта, прямо связанные с индуцированными повреждениями ДНК, в частности, с ДР. Но, в то время как ДР — основные повреждения, обусловливающие формирование аберраций хромосом, и некоторые другие механизмы и/или их мультистадийный комплекс способны приводить к клеточной гибели (повреждения мембран, индукция генов, апоптоз). Кроме того, наблюдаемая частота аберраций может зависеть от стадии клеточного цикла (G1, S или G2), на которой находится контроль (checkpoint control). Это может объяснять тот факт, что цитогенетические исследования не выявили различий между начальными эффектами139 облучения при двух мощностях воздействия. Наоборот, идентифицированы отчетливые различия в клеточной гибели при сравнении двух мощностей. Для аберраций же хромосом кривые «Доза — эффект» расходятся для двух мощностей дозы начиная с 15 сГр.
Именно от 15 сГр обнаружено хорошее соответствие между цитогенетическими данными и результатами по выживаемости, что показывает существование постоянного уровня аберраций и клеточной инактивации при малой мощности дозы вплоть до 30–32,5 сГр соответственно. Это указывает, что в данной области процессы повреждения скомпенсированы процессами репарации ДНК при низкой мощности дозы.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Чтобы понять значение полученных результатов, мы должны рассмотреть несколько важных пунктов. Начиная с публикации [7] возникало много споров относительно биологических эффектов низких доз нейтронов [13] и роли в этих эффектах мощности дозы [4]. Joiner et al. [9] сообщили, что эффективность нейтронного облучения обусловлена, в основном, первым коэффициентом (major component), и что этот коэффициент имеет место (см. квадратичное уравнение выше), указывая на возможность процессов репарации140. Miller et al. [11] описали небольшое повышение индуцированной нейтронами неопластической трансформации, когда облучение продлевалось с нескольких минут до нескольких часов, однако для показателя трансформаций имелось плато в диапазоне 10–30 сГр, сопоставимое с плато, выявленным нами.
В своем исследовании мы показали также, что дозы, столь низкие, как 5 сГр нейтронов, способны очень эффективно убивать раковые клетки, которые являются устойчивыми к Х-излучению. При увеличении дозы появляется плато для клеточной выживаемости, также как и для уровня цитогенетических аберраций. Этот феномен отмечен при очень низкой мощности дозы (0,8 мГр/мин) и не наблюдался при 40 мГр/мин.
Поскольку сообщалось, что ОБЭ нейтронов выше для клеток опухолей, чем для нормальных клеток, в особенности если клетки устойчивы к Х-излучению [3], то значительное увеличение клеточной гибели при по очень низкой мощности дозы целесообразно было бы исследовать на радиорезистентных раках. Указанные результаты могут, в связи с этим, дать новое понимание о биологических эффектах нейтронов в низких дозах, что должно привести к повторному рассмотрению принципов нейтронной терапии. До сих пор нейтроны применялись в качестве воздействий на опухоли в намного более высоких дозах и при бóльших мощностях доз, что создавало множество побочных эффектов, которые объясняют незаинтересованность этим типом лучевой терапии. Наши результаты могут открыть [новую] область исследования в терапии опухолей, основанную на воздействии нейтронов при очень низких уровнях доз на резистентные к Х-излучению клетки рака. Эти результаты подчеркивают важность осторожного анализа малой дозы и малой мощности дозы нейтронов для более точной оценки их влияния на здоровье [6] и при рисках канцерогенеза [2].
ЛИТЕРАТУРА
1. Barendsen GW. Mechanisms of cell reproductive death and shapes of radiation dose-survival curves of mammalian cells. Int J. Radial Biol. 1990; 57: 885-896.
2. Cardis E, Gilbert ES, Carpentier L, et al. Effects of low doses and low dose rates of external ionizing radiation: cancer mortality among nuclear industry workers in three countries. Radiat Res 1995; 142: 117-132.
3. Courdi AA, Brassart N, Herault J, et al. The RBE of fast neutrons for in vitro inactivation of human tumor cells determined by the ratio of mean inactivation doses. Acta Oncologica 1996; 35: 237-242.
4. Elkind MM. Physical, biophysical and cell-biological factors that can contribute to enhanced neoplastic transformation by fission-spectrum neutrons. Radiat Res 1991; 128: 47-52.
5. Fox JC. Evidence to support the existence of efficient DNA Double-srand break rejoining in a radiosensitive mutant of V79-4 following irradiation with 250 kVp X-rays or neutrons. Mutat Res 1990; 235:41-47.
6. Hall EJ, Martin SG, Amols H., Hei TK. Photoneutrons from medical linear accelerators - Radiobiological measurements and risk estimates. Int J Radiation Oncology Biol Phys 1995; 33: 225-230.
7. Hill CK, Buonaguro FM, Myers CP, et al. Fission-spectrum neutrons at reduced dose rates enhance neoplastic transformation. Nature 1982; 298: 67-69.
8. Jacubovich R, Cabrillat H, Gerlier D., et al. Tumourigenic phenotypes of human melanoma cell lines in nude mice determined by active antitumour mechanism. Br. J. Cancer 1985; 51: 335-345.
9. Joiner MC, Maughan RL, Fowler JF, Denekamp J. The RBE for mouse skin irradiated with 3-MeV neutrons: single and fractionated doses. Radiat Res 1983; 95: 130-141.
10. Menzel HG, Wambersie A., Pihet P. The clinical RBE and microdosimetric characterization of radiation quality in fast neutron therapy. Acta oncologica 1994; 33: 251-259.
11. Miller RC, Hall EJ, Oncogenic transformation of C3H 10T1/2 cells by acute and protracted exposures to mono-energetic neutrons. Radiat Res 1991; 128: 60-64.
12. Revel SH. Relationship between chromosome damage and cell death. In: Ishihara T, Sasaki MS, editors. Radiation-Induced Chromosome Damage in Man. New York: Alan R. Liss; 1983. p. 215-233.
13. Worgul BV, Medvedovsky C, Huang Y, et al. Quantitative assessment of the cataractogenic potential of very low doses of neutrons. Radiat Res 1996; 145: 343-349.