Geum.ru

Биологические и эпидемиологические эффекты облучения в малых дозах

Вид материалаДокументы

Содержание


7. Роль межклеточных взаимодействий
8. Роль защитных механизмов и природной селекции
9. Роль генетической чувствительности
Подобный материал:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   42

7. РОЛЬ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

В течение долгого времени было известно, что клетки в большинстве тканей способны обмениваться малыми молекулами через «промежуточные (или временные) контакты» (gap junctions). Этот процесс не только позволяет транспортироваться метаболитам типа предшественников нуклеиновых кислот, но может служить и для межклеточных связей (так называемых GJIC) [36]. Транспорт сигнальных молекул типа cAMP и Ca+ через промежуточные контакты — активно регулируемый процесс, но он, однако, может быть задействован и в канцерогенезе [37], применительно к индуцированным радиацией опухолям [38]. Трансфекция гена межклеточных контактов (gap junctions) дикого типа в трансформированные клетки уменьшает их туморогенный потенциал [39].

Процесс передачи информации через межклеточные контакты (GJIC) может вести к индукции рано проявляющегося радиационного ответа генов типа p53 или p21 в необлученных клетках-«свидетелях», смежных с подвергшимися воздействию -излучения клетками [40]. Межклеточные контакты важны для клеточного «обозрения», или «надзора» (surveillance), например, через влияние на регуляцию стрессорных генов в клетках-свидетелях [40], но они способны также причинять повреждение клеткам-свидетелям через распространение летальных сигналов (типа радикалов кислорода) непосредственно от одной клетки к другой. Однако межклеточные контакты сами по себе могут быть целью лучевого повреждения. Какой бы ни был путь через межклеточные контакты, он связан с процессом радиационного канцерогенеза. По своей природе — это процесс, который заставляет клеточную популяцию отвечать скорее как сообщество, чем как индивидуальные клетки по независимой, вероятностной закономерности. Подобный факт весьма важен для моделирования радиационного канцерогенеза после облучения в малых дозах и при малой мощности дозы.


8. РОЛЬ ЗАЩИТНЫХ МЕХАНИЗМОВ И ПРИРОДНОЙ СЕЛЕКЦИИ

Так как прогрессия злокачественного процесса, очевидно, включает накопление ряда строго определенных мутаций, мутагенное действие ионизирующей радиации играет роль в лучевом канцерогенезе. Любое увеличение частоты мутаций может рассматриваться с точки зрения пропорционального увеличения частоты рака. Пока что мы говорили, что увеличение в определенных мутациях, требуемых для канцерогенного процесса, вряд ли будет пропорционально частоте начальных комплексных ДР и, таким образом, низким дозам и низким мощностям дозы облучения.

Еще более убедительным аргументом против пропорциональности является то, что увеличение частоты мутаций может не быть предпосылкой к увеличению частоты рака или не может использоваться для предсказания его индукции, так как существует природная селекция, играющая наиболее важную роль в полном канцерогенном процессе. Недавно в [41] был обсужден этот пункт и сделано заключение, звучащее приблизительно так:

«Увеличенная частота мутаций может активировать опухолевый генезис, но отсюда не следует необходимость того, что опухолевый генезис произойдет. Селекция — наиважнейший элиминирующий механизм, контролирующий клеточный, соматический процесс, ведущий к раку. Такое представление о канцерогенезе может приводить к новому его пониманию».

Хотя механизмы, благодаря которым природная селекция участвует в канцерогенном процессе, и не ясны детально, некоторые факторы, способствующие им, изучались весьма интенсивно в течение последних нескольких лет:
  • Программированная клеточная гибель [апоптоз];
  • Клеточная дифференцировка;
  • Адаптивный ответ;
  • Иммунный надзор;
  • Межклеточные взаимодействия.

Все исследования проведены с высокими дозами и при этом мало известно относительно того, что происходит при низкоуровневых воздействиях. Основные механизмы для всех пяти упомянутых процессов модуляции, которые могут принимать участие в природной селекции малигнизированных клонов (насколько это может быть объяснено), несовместимы с единственным механизмом одиночного попадания — мишени и, таким образом, не совместимые с линейностью, распространяемой на очень низкие дозы и мощности доз.

Программированная гибель клетки (апоптоз), является мощным механизмом, который удаляет не только избыточные клетки в течение эмбриогенеза и тканевого гомеостаза [41], но также участвует и в устранение потенциально вредных, поврежденных клеток [42]. Хотя и не равноэффективно действующий во всех органах, апоптоз, вызванный повреждениями ДНК, является регулируемым процессом, в который включено множество различных стадий узнавания повреждений и последующего ответа путем клеточного самоубийства [43]. Радиация может действовать на этот процесс двумя способами: с помощью индукции некоторых типов повреждений, которые устраняются запрограммированной гибелью клетки (например, некоторых типов повреждений ДНК и мутаций), но радиация может также стимулировать и модулировать эффективность этого клирингового процесса. Некоторые гены, участвующие в апоптозе, также классифицируются как гены-супрессоры опухоли (например, Rbl, p53) или протоонкогены (типа Bcl-2, c-myc или с-Fos).

Основные регулирующие процессы происходят посттрансляционно. Имеются свидетельства, что радиация не только действует на экспрессию гена, но также участвует и в посттрасляционной модуляции свойств его продукта.

Полное устранение нормального клеточного контроля требует отмены более чем одной стадии в этом процессе, так как различные соответствующие пути кооперируются очень эффективно, что приводит к высокой избыточности. Более важным кажется то, что большинство молекулярных механизмов в течение апоптоза независимы от транскрипции генов и трансляции белков, а, скорее, связаны с белковыми взаимодействиями [44]. Оба факта указывают, что вряд ли для повреждения процесса апоптоза достаточно механизма одиночного попадания.

Показано, что радиация стимулирует дифференцировку в большом числе стволово-подобных клеток. Механизмы этого до конца не ясны, однако имеются свидетельства об участии межклеточных взаимодействий через межклеточные контакты или же через диффундирующие факторы, например цитокины. Стволовые клетки, которые были введены в дифференцировку, эффективно устраняются из пула потенциальных клеток-мишеней для канцерогенеза как клетки, которые подвергаются запрограммированной клеточной гибели. Имеется, однако, свидетельство того, что непрямые механизмы, но индуцируемые при более высоких дозах, способны приводить к подавлению дифференцировки. Существуют многие доказательства, что дифференцировка стволовых клеток является очень точно регулируемым биологическим процессом, для которого характерен гибкий ответ ко всем видам нарушений нормального устойчивого состояния тканевого гомеостаза.

Понятия о роли дифференцировки в канцерогенном процессе и ее модуляции потенциальными канцерогенными веществами типа радиации все еще очень спекулятивны, причем не имеется в достаточном количестве ни твердых данных относительно дозовой зависимости, ни надежных экспериментальных моделей. Но, поскольку механизм, по-видимому, в большой степень связан с межклеточными связями, а также с внутри- и межклеточной передачей сигналов, то никакой простой зависимости от дозы и, к тому же, никакой простой зависимости от времени, для этого механизма ожидать нельзя.

Адаптивные механизмы упоминались как играющие главную роль в защите против канцерогенного процесса. Однако экспериментальные модели рассматривают адаптивные процессы, которые очень отдалены от тех, что участвуют в инициации и прогрессии малигнизированного клона. Классический эксперимент показал, что облучение лимфоцитов человека in vitro в дозе около 10 сГр {9} стимулирует временную радиорезистентность, заканчивающуюся уменьшением частоты нестабильных аберраций хромосом после последующего облучения в большей дозе [45]. Этот процесс, видимо, тесно связан с наблюдаемой гиперчувствительностью к малым дозам, описанной для различных линий клеток in vitro. Некоторые дозы (порядка 10 cГр) стимулируют высокоточные репаративные механизмы, а более низкие — нет. Гиперчувствительность к низким дозам может быть расценена как защитный механизм, сходный с апоптозом [46].

Хотя имеется большое количество данных относительно адаптивных механизмов и гиперчувствительности к низким дозам, а также получены некоторые доказательства для основных молекулярных механизмов указанных феноменов, кажется преждевременным спекулировать относительно их роли в радиационном канцерогенезе после облучения в малых дозах или при малых мощностях доз.

Результаты исследований механизмов канцерогенеза вообще и, в частности, эффектов ионизирующей радиации, на различные процессы, которые потенциально участвуют в радиационном канцерогенезе, демонстрируют его огромную сложность.

Не может быть предложено никакой математической модели, которая принимала бы во внимание все эти взаимодействующие процессы — и это, возможно, даже хорошо, так как подобные модели были бы столь сложны и содержали бы столь много параметров, что они не могли бы обеспечить надежных и ясных ответов на поднимаемые нами вопросы26. Ввиду этой ситуации, любое утверждение о канцерогенном риске от пролонгированного облучения с очень низкой мощностью дозы отражает персональное суждение настолько же, насколько научное понимание.


9. РОЛЬ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Наиболее мощный научный инструмент для идентификации ассоциированных с канцерогенезом генов — генетический анализ семейств, члены которых проявляют повышенную восприимчивость к определенным типам раковых новообразований. Одним из примеров было открытие BRCA1-гена, мутации в котором являются причиной почти 100% риска рака груди у женщин-переносчиков [47]. Другой случай — мутантный APC-ген, связанный с увеличенной восприимчивостью к раку прямой кишки. Предрасполагающие наследуемые мутации, по оценкам, вносят не более чем 5%-й вклад во все раковые новообразования [10]. Имеется доказательство, что наследуемые мутации (типа точковой мутации в Rbl-гене-супрессоре опухоли или в гене «заплатки» — patched) также могут приводить к большей чувствительности в отношении радиационного канцерогенеза [48]. Число людей с серьезной формой унаследованной радиочувствительности, вероятно, невелико, так как нет сообщений о семейных кластерах опухолей или о пациентах с многократными опухолями в исследованных когортах27. Сходным образом, существуют веские причины предположить, что восприимчивость к радиационному канцерогенезу не может быть ответом типа «все или ничего», но должна, скорее, проявляться в виде непрерывно изменяющейся особенности из-за сегрегации многочисленных предрасполагающих генов [49].

В работе [50] была проанализирована указанная проблема с использованием методов популяционной генетики. Основываясь на заключении, что индивидуумы, генетически предрасположенные к раку, могут также быть более чувствительны к радиогенным раковым образованиям по сравнению с теми, которые не предрасположены генетически, была использована менделевская аутосомальная однолокусовая двухаллельная модель. Обнаружено, что «когда в популяции имеется гетерогенность по предрасположенности к раку и по относительной радиочувствительности, то результаты облучения заключаются в значительном увеличении частоты индуцированных раковых образований по сравнению с ситуацией, когда гетерогенность отсутствует. Это увеличение обнаруживается только тогда, когда пропорция раковых образований, связанных с генетическим предрасположением, достаточно велика, а степень предрасположенности (о которой мы не можем знать) — значительна. Однако даже когда эффект мал, большинство индуцированных радиацией раковых образований происходит у предрасположенных индивидуумов».

МКРЗ в [10] рассмотрела молекулярные и эпидемиологические свидетельство о предрасположенности к раку и о повышенной радиочувствительности у чувствительных подгрупп суммарной популяции. Наиболее ясное проявление повышенной канцерогенной радиочувствительности происходит в случае наследственных мутаций, связанных с унаследованным дефицитом в генах-супрессорах опухолей. Это положение поддержано наблюдениями вторичных раковых образований после радиотерапии пациентов с двусторонней ретинобластомой, nevoid basal cell carcinoma, синдромом Ли-Фраумени и нейрофиброматозом. Данные демонстрируют приблизительно 10-ти-кратное генетически обусловленное увеличение риска.

При использование моделей популяционной генетики было заключено, что облучение гетерогенной популяции приводит к более высоким рискам рака по сравнению с популяцией, не содержащей радиочувствительной субпопуляции. Однако на современном уровне сведений о частоте генных мутаций в суммарной популяции, касающихся предрасположения к раку, нельзя ожидать никаких существенных искажений в оценках риска для гетерогенной популяции, облученной в малых дозах. Не имеется никаких доказательств, что после облучения избыточный риск раковых образований был бы сконцентрирован в генетически предрасположенной субпопуляции, входящей в состав суммарной популяции, и что остальные, не входящие в эту субпопуляцию, будут относительно радиорезистентны.

Для индивидуумов, несущих мутации предрасположенности типа BRCA1, МКРЗ в [10] ввел модельный расчет связанного с радиацией повышения риска. Надо подчеркнуть, что увеличенная радиочувствительность связана с большим увеличением риска спонтанного рака. Основываясь на посылке, что для генетически предрасположенных женщин (несущих мутацию по гену BRCA1), риск фатального рака груди в течение жизни составляет приблизительно 40%, и что для этих женщин характерно десятикратное увеличение риска фатального радиогенного рака груди в течение жизни по сравнению с нормальными женщинами того же возраста, МКРЗ в [10] оценил, что после пролонгированного (протяженного) облучения в дозе 100 мЗв (принятой в качестве накопленной дозы при профессиональном облучении) гипотетический риск фатального рака груди у генетически предрасположенной женщины повысился бы с 40% до 40,4% в результате профессионального облучения28. МКРЗ заключил на этом основании, что генетическое тестирование на предрасположенность к раку, которое было предложено как средство улучшения радиационной защиты, не будет играть существенной роли при профессиональном воздействии радиации [10]29.

10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работники радиационной индустрии и население подвергаются воздействию ионизирующего излучения от очень разных источников. В настоящее время мы не можем исключить возможности того, что некоторые члены этих популяций заболеют лейкозами или раком в результате радиационных воздействий низкой интенсивности. Используются математические модели для оценки подобного риска, которые проводят экстраполяцию, исходя из весьма разных сценариев воздействия. При этом не принимается во внимание огромная сложность канцерогенного процесса, который исследуется относительно недавно. Зависимость «Доза — эффект», построенная с учетом ЛБК, может использоваться как простой и удобный метод вычисления чисел при планировании радиационной защиты, но она не должна ошибочно рассматриваться как строгое научное заключение, непосредственно полученное на основе существующего на настоящем этапе знания о процессах, связанных с радиационным канцерогенезом.


ЛИТЕРАТУРА

1. United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Sources and effects of ionizing radiation. New York: United Nations 1994

2. Ron E, Lubin JH, Shore RE et al.: Thyroid cancer after exposure to external radiation: a pooled analysis of seven studies. Radiat. Res. 141, 259-277 (1995)

3. Muirhead CR, Goodili AA, Haylock RGE et al.: Occupational radiation exposure and mortality. Second analysis of the National Registry for Radiation Workers. J. Radiat. Prot. 19, 3-26 (1999)

4. Doil R: The limits of epidemiology. J. Radiat. Prot. 19: 1-2 (1999)

5. Little MP, Muirhead CR: Curvature in the cancer mortality dose response in Japanese atomic bomb survivors: Absence of evidence of threshold. Int. J. Radiat. Biol. 74: 471-480 (1998)

6. Ivanow VK, Tsyb AF, Konogorow AP et al.. Case-control analysis of leukaemia among Chernobyl accident emergency workers residing in the Russian Federation, 1986-1993. J. Radiat. Prot. 17: 137-157(1997)

7. Boice JD: Leukaemia, Chernobyl and epidemiology. J. Radiat. Prot. 17: 129-133 (1997)

8. Parkin DM, Muir CS, Whelan, S.L et al. eds.: Cancer incidence in five continents. IARC Scientific publications # 1-20, Lyon, 1992

9. Doll R, Peto R; The Causes of Cancer. Oxford University Press (1981)

10. International Commission on Radiological Protection: Genetic susceptibility to cancer. ICRP publication 79 (1999)

11. Wilson JD: Thresholds for carcinogens: A review of the relevant science and its implication for regulatory policy. In: What Risk? Ed: R. Bate; Oxford: Heinemann Butterworth, 1997

12. Renan MJ: How many mutations are required for tumorigenesis? Implications from human cancer data. Molecular carcinogenesis 7, 139-146 (1993)

13. Potter JD: Colorectal cancer: molecules and populations. J. Natl. Cane. Inst. 91: 916-932 (1999)

14. Vogeistein B, Fearon ER, Hamilton SR et al. Genetic alterations during colorectal tumour development. N Engi J Med 319, 525-532 (1988)

15. Sherbet and Lakshmi; The genetics of cancer, 172-178, London: Academic Press 1997

16. Hahn WC, Counter CM, Lundberg et al. Creation of human tumour cells with defined genetic elements. Nature 400, 464-468, (1999)

17. Moolgavkar 5H, Luebeck EG: Multistage carcinogenesis; population based model for colon cancer. J. Natl. Canc. Inst. 84, 610-18 (1992)

18. Zhong Q, Chen CF, Li S et al. Association of BRCAl with the hRad50-hMrell-p95 complex and the DNA damage response. Science 285, 747-750, (1999)

19. Abbot DW, Freeman ML and Hoit JT. Double-strand break repair deficiency and radiation sensitivity in BRCA2 mutant cancer cells. Journal of the National Cancer Institute 90, 978-984 (1998)

20. Young BD: Molecular mechanisms of leukaemogenesis. In: Molecular mechanisms in radiation mutagenesis and carcinogenesis. Eds. KH Chadwick, R Cox, HP Leenhouts, J Thacker Report EUR 15294. European Communities, Brussels, p 253-262 (1994)

21. Jacob P, Goulko G, Heidenreich WF et al.: Thyroid cancer risk to children calculated, Nature 392, 31-32(1998)

22. Rabes HM, Klugbauer S: Molecular genetics of childhood papillary thyroid cancer after irradiation: High prevalence of RET rearrangement. Rec. Res. Cancer Res. 154, 249-265 (1998)

23. Smida J, Salassides K, Hieber L et al.: Distinct frequency of ret rearrangements in papillary thyroid carcinomas of children and adults from Belarus. Int. J. Cancer 80: 32-38 (1999)

24. Sidransky D: Is human patched the gatekeeper of common skin cancers? Nature Med 3, 1155-1159 (1996)

25. Goodhead DT: Initial events in the cellular effects of ionizing radiations: clustered damage in DNA. Int. J. Radiat. Biol. 65, 7-17 (1994)

26. Thompson LH: Evidence that mammalian cells possess homologous recombinational repair pathways, Mutation Research 363, 77-88 (1996)

27. Lobrich M, Rydberg B, Cooper PK: Repair of x-ray-induced DNA double-strand breaks in specific Not1 restriction fragments in human fibroblasts: Joining of correct and incorrect ends. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 12050-12054 (1995).

28. Rydberg B, Lobrich M and Cooper P.K.: DNA double-strand breaks induced by high-energy Neon and iron ions in human fibroblasts. Pulsed-field gel electrophoresis method. Radiation Research 139, 133-141 (1994)

29. Morgan WF, Day JP, Kaplan ML et al.: Genomic instability induced by ionizing radiation. Radiat Res. 146,247-258(1996)

30. Wright EG: Radiation-induced genomic instability in haemopoietic cells. Int. J. Radiat. Biol. 74, 681-688 (1998)

31. Marder BA, Morgan WF: Delayed chromosomal instability induced by DNA damage. Molec. Cell. Biol. 13, 6667-6677(1997)

32. Little JB: Induction of genetic instability by ionizing radiation. C.R. Acad. Sc. Sciences de la Vie 322: 127-134(1999)

33. Iwamoto KS, Fuji S, Kurata A et al.: p53 mutations in tumor and nontumor tissue of thorotrast recipients: a model for cellular selection during radiation carcinogenesis in the liver. Carcinogenesis 20, 1283-1291(1999)

34. Manta L, Gamely M, Prise KM et al.: Genomic instability in Chinese hamster cells after exposure to X-rays or alpha particles of different mean linear energy transfer. Radiat.Res 147, 22-28 (1997)

35. Clutton SM, Townsend KMS, Walker C et al.: Radiation-induced genomic instability and persisting oxidative stress in bone marrow cultures. Carcinogenesis 17, 1633-1639 (1996)

36. Fraser SE: Gap junctions and cell interaction during development. Trends in Neuroscience 8, 34 (1985)

37. Holder JW, Elmore E and Barrett JC: Gap Junction Function and Cancer. Cancer Research 53, 3475-3485 (1993)

38. Ehring GR, Antoniono RJ and Redpath JL: Gap junction expression following UVC-induced neoplastic transformation in human hybrid cell lines. Carcinogenesis 19, 2085-2093 (1998)

39. Mehta PP, Hotz-Wagenblatt A, Rose B et al., Incorporation of the gene for a cell-cell channel protein into transformed cells leads to normalization of growth. Journal of Membrane Biology 124, 207-225(1991)

40. Azzam EL, de Toledo SM, Gooding T et al.: Intercellular communication is involved in regulation in gene repression in human cells exposed to very low fluences of alpha particles. Radiation Research 150, 497-504(1998).

41. Tomlinson I, Bodmer W: Selection, the mutation rate and cancer: ensuring that the tall does not wag the dog. Nature Medicine 5: 11-12 (1999)

42. Wyllie AH: Apoptosis and carcinogenesis. Europ. J. Cell Biol. 73, 189-197 (1997)

43. Korsmeyer SJ: Regulators of cell death, Trends in Genetics, 11, 101-105 (1995)

44. Hunter T: Oncoprotein Networks, Cell 88, 333-346 (1997)

45. Wolff S, Afzal V, Wiencke JK et al.: Human lymphocytes exposed to low doses of ionizing radiation become refractory to high doses of radiation as well as to chemical mutagens that induce double strand breaks in DNA. Int. J. Radiat. Biol. 53: 3948 (1988)

46. Joiner MC, Lambin P, Marpies B: Adaptive response and induced resistance. C. R. Acad. Sci. Paris. Sciences de la Vie 322, 167-175 (1999)

47. Struewing JP, Hartge P, Wacholder S et al., The risk of cancer associated with specific mutations of BRCA1 and BRCA2 among Ashkenazi Jews. New Eng. J. Med. 336: 1401-1408 (1997)

48. Eng C, Li FP, Abramson DH, Ellsworth RM et al., Mortality from second tumors among long-term survivors of retinoblastoma. J. Natl. Cancer Inst. 85, 1121-1128 (1993)

49. Balmain A, Nagase H: Cancer resistance genes in mice: models for the study of tumours modifiers. Trends in Genetics 14, 139-144 (1998

50. Chakraborty R, Sandaranarayanan K: Cancer predisposition, radiosensitivity and the risk of radiation-induced cancers. II A Mendelian single-locus model of cancer predisposition and radiosensitivity for predicting cancer risks in populations. Radiat. Res. 143, 293-301 (1995)