Радиомодифицирующие свойства тяжелой воды при острой и отдаленной лучевой патологии животных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.01, кандидат биологических наук Екимова, Людмила Петровна

• Екимова, Людмила Петровна
• кандидат биологических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Екимова, Людмила Петровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Биомодифицирующие свойства Б20:.

1.1.1. Радиосенсибилизирующие эффекты И20.

1.1.2. Радиозащитные эффекты 020.

1.2. Ингибирующее действие Б20 при опухолевом 11 росте.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Животные.

2.2. Изотопное замещение воды в организме.

2.3. Источники, условия облучения и общая схема исследования.

2.4. Функциональные и морфологические методы исследования.

2.4.1. Контроль общего состояния. подопытных животных.

2.4.2. Радиоизотопный анализ состояния обменных процессов в организме.

2.4.3. Исследование параметров развития экспериментальной перевиваемой опухоли.

2.5. Статистическая обработка результатов.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Основные изменения метаболического статуса организма при употреблении тяжелой воды.

3.2. Протективные свойства тяжелой воды при острой лучевой болезни.

3.2.1. Кишечная форма гибели.

3.2.2. Костномозговая форма гибели взрослых животных

3.2.3. Особенности защитного действия дейтерия при облучении неполовозрелых животных.

3.3. Протективное свойство дейтерия при лейкозогенном действии радиации.

3.3.1. Молодые животные.

3.3.2. Взрослые животные.

3.4. Противоопухолевое действие дейтерия.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Радиомодифицирующие свойства тяжелой воды при острой и отдаленной лучевой патологии животных»

Актуальность исследования. Среди средств модификации острой лучевой болезни (ОЛБ) наиболее чистыми с точки зрения экологии организма являются методы физической модификации, так как они не сопряжены с введением в организм каких-либо дополнительных факторов биологического происхождения (костный мозг здорового донора, различные биости мулятбры) или химических веществ (аминотиолы, индолилалкиламины, инертные газы, с целью создания гипоксии в тканях и т.д.). Однако модификация ОЛБ такими известными "физическими" факторами как холод или иммобилизация сопряжена с утратой физической и социальной активности защищаемого объекта. В конечном итоге, подобные варианты физической модификации во многом неопределенны по механизму биологической реализации, так же как и действие многих химических модификаторов (Вартанян Л.П.,1998). Наиболее интересным подходом в области физической модификации радиочувствительности представляется изотопное замещение части легкой воды организма на тяжелую, поскольку механизм физического действия дейтерия (D) на молекулярном уровне предельно прост: водородная связь в макромолекулах с дейтерием прочнее, и в силу этого вторичная структура всех макромолекул (нуклеиновых кислот, белков, особенно ферментов) в "дейтерированном" организме более устойчива. Обмен D —> Н происходит быстро и равномерно во всем организме по легкообмениваемым связям групп -SH, -ОН, -NH2, обратное замещение происходит также полно, быстро и без последствий (Шутко А.Н., 1967; Шутко А.Н., Шатинина H.H., 1972). Принципиально важным является то обстоятельство, что при изотопном замещении химический состав различных субстанций и сред организма не изменяется. Вместе с тем производимые дейтерием на молекулярном уровне изменения равносильны замедлению "биологических часов", и, следовательно, могут обеспечивать феномены протекции. Побочные негативные следствия такого замещения на клеточных моделях проявляются в виде радиосенсибилизации с фактором изменения дозы(ФИД~4,5) но только при практически полном замещении протия на дейтерий в среде (Ben-Hur Е., Riklis Е., 1980; Ben-Hur Е. et al.,1980).

Исходя из изложенного, целью работы явилось изучение возможностей физической радиопротекции путем частичного изменения изотопного состава водорода в организме с использованием тяжелой воды Б20.

Задачи исследования.

1. Разработать методику применения Б20 в качестве физического протектора.

2. Оценить протективные свойства 020 при острой лучевой болезни с учетом наиболее распространенных ее синдромов и возраста животных.

3. Оценить протективные свойства Б20 по критерию радиогенной лейкемизаций у мышей, перенесших ОЛБ.

4. Выявить основные механизмы развития феноменов протекции, их возрастные особенности.

Научная новизна.

-Впервые представлены доказательства того, что в период изотопного замещения протия на дейтерий в организме сокращается объем общего синтеза нуклеиновых кислот и замедляется их катаболизм преимущественно в тканях с быстрым темпом клеточного обновления;

-впервые продемонстрирована избирательность протективного действия изотопного замещения только при костномозговой форме острой лучевой болезни, вызванной облучением в летальных дозах (ЛД > 50/30);

-впервые обоснована возможность эффективной защиты дейтерием от рентгеновского излучения не только в режиме однократного, но и фракционированного воздействия;

-впервые обнаружено, что при защите дейтерием у переживших ОЛБ животных, лейкозогенное действие радиации в отдаленном периоде проявляется в меньшей степени;

-впервые показана зависимость проявления лейкозогенного действия радиации от состояния пролиферативной активности органов лимфопоэза в момент облучения.

Научно-практическая значимость. Результаты исследования пополняют существующий узкий список протекторов, действующих на физической основе, качественно новой их разновидностью -изотопным протектором. Установленные количественные параметры концентрации дейтерия, дозовые пределы радиации, ограничивающие его защитный эффект, возрастная специфика действия Б20 необходимы для дальнейшего совершенствования методов изотопной защиты человека. Разработана и апробирована концентрационно-временная схема введения дейтерия в организм для эффективной защиты его от повторных облучений.

Положения, выносимые на защиту.

1. Радиомодификация возможна без изменения химического состава организма, его температуры и ограничения двигательной активности, а только за счет изменения энергии водородных связей после замены протия на дейтерий в легкообменивающих водород молекулярных структурах.

2. С учетом полной и быстрой обратимости изотопного обмена Н - Б в биологических структурах, ослабление лейкозогенеза в отдаленном периоде у переживших в результате защиты острую лучевую болезнь животных определяется только увеличением радиорезистентности лимфоидной ткани - мишени лейкозогенного действия радиации в момент облучения.

Разработанные в исследовании методы использованы при выполнении клинической тематики (№ госрег.78017480).

Апробация работы. Результаты доложены на конференциях: "Восстановительные и компенсаторные процессы при лучевых поражениях" (С-Петербург, 1992) , "Современные достижения медицинской радиологии" (С-Петербург, 1993), "Актуальные вопросы медицинской радиологии" (С-Петербург, 1998).

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 53 страницах машинописи и состоит из введения, обзора литературы, собственных исследований с их обсуждением, завершается работа заключением и выводами. Библиографический указатель включает 15 отечественных и 16 зарубежных источников. Работа иллюстрирована 9 таблицами и 11 рисунками.

Заключение диссертации по теме «Радиобиология», Екимова, Людмила Петровна

ВЫВОДЫ

1. Увеличение содержания дейтерия в водной фазе организма взрослых и неполовозрелых мышей до 20 - 50 атомарных % на время однократного облучения тела снижает смертность только от острой лучевой болезни III степени.

2. Удлинение времени нахождения тяжелой воды в организме с целью защиты от фракционированного облучения приводит к появлению токсического действия изотопа.

3. Увеличение содержания дейтерия в организме животных только на время действия радиации при фракционированном облучении ослабляет проявления пострадиационного лейкозогенеза.

4. Противолейкозное действие дейтерия реализуется неизбирательно, путем торможения физиологической пролиферативной активности вилочковой железы или метаболически активных зон селезенки в момент облучения.

5. Основу радиопротективного действия дейтерия на биохимическом уровне составляет его способность ингибировать метаболизм и катаболизм нуклеиновых кислот в группе быстрообновляющихся тканей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как показало наше исследование, вероятной биохимической предпосылкой для проявления радиопротективных свойств дейтерия на клеточном уровне служит замедление метаболизма нуклеиновых кислот. Важно отметить, что в силу молекулярно-физической природы эффекта он принципиально отличается от известных радиозащитных феноменов иммобилизации, охлаждения или наркоза (Ке1гег Н.1.,1976 ) тем, что в отличие от последних возникающая при действии дейтерия ингибиция митозов не сопровождается утратой активного поведения. Сохранение всех функций организма при защите дейтерием, полная обратимость состояния дейтерирования т.е. отсутствие вредных последствий после выведения изотопа из организма (Лобышев В.И.,1978) выводят дейтерий на первое место среди известных физических протекторов.

Поскольку в условиях наших экспериментов удалось констатировать достоверное защитное влияние Б20 в диапазоне концентрации 25-10% для животных, облученных однократно в дозах > ЛД50, но только в пределах костномозговой формы гибели, можно полагать, что ингибиция митотической активности не является абсолютным условием для развития эффекта защиты, а лишь предпосылкой для его реализации при наличии благоприятных цитокинетических условий в той или иной пролиферирующей системе. В данном случае такой системой является кроветворение.

Об этом свидетельствует и другой обнаруженный нами факт -получение радиозащитного эффекта при фракционированном облучении юных животных в дозах костномозгового диапазона. У неполовозрелых животных чувствительность к токсическому действию дейтерия оказалась значительно выше, чем у взрослых. Поэтому радиопротективный эффект изотопа удается продемонстрировать у них только при таких режимах поступления дейтерия в организм, которые обеспечивают наивысшую защитную концентрацию лишь на очень короткий период действия радиационного фактора. В промежутках между облучениями для получения феномена защиты было необходимо резко снижать концентрацию дейтерия с такой максимальной интенсивностью, которую позволяли темпы естественного обновления воды в организме. Необходимо отметить, что разработанная для юного возраста схема дейтерирования в условиях повторных облучений вполне применима и для защиты взрослых так как для этого какие либо препятствия теоретического плана отсутствуют.

Таким образом тяжелая вода, будучи цйтостатическим, а следовательно и патологическим агентом в общефизиологическом смысле, в то же время способна обеспечивать протективный эффект в конкретной патогенетической ситуации а именно при формировании последствий радиационного воздействия проявляя и реализуя патологические свойства цитостатика.

Важным результатом работы является выяснение того, что противолейкозное действие дейтерия в варианте радиогенного патогенеза в юном возрасте основано на свойстве изотопа ингибировать пролиферацию, обеспечивающую физиологическое развитие высокочувствительной клеточной мишени действия радиации (Романцев Е.Ф.,1972) - вилочковой железы. Последняя, как известно, обеспечивает ростовые функций детского организма (Кемилева З.Д984).

Вполне закономерным следствием известной утраты роли тимуса с возрастом выглядит обнаруженный факт изменения "мишени" радиационной лейкемизации с тимуса на селезенку у мышей зрелого возраста по сравнению с неполовозрелыми. Вполне вероятно, что дейтерий проявляет антилейкозогенные свойства на уровне селезёнки в связи с увеличением физиологической роли тимус-зависимых зон данного органа в период возрастной инволюции самой вилочковой железы.

Наряду с основным выводом о снижении лейкозогенного действия радиации в результате снижения радиочувствительности нормальных тканей после дейтерирования интактных животных можно утверждать, что тяжелая вода также замедляет по крайней мере начальные этапы развития опухолевой ткани. Тем не менее, для того, чтобы демонстрировать феномен прямого действия изотопа на опухоль, потребовалось поддержание его концентрации в организме в течение времени, во много раз превышающего время пребывания дейтерия в экспериментах по защите. Таким образом, не отвергая теоретической возможности прямого ингибирования опухолевого роста, в нашем случае следует все таки прежде всего ✓ ориентироваться на сдерживание радиационного лейкогенеза в

49 основном за счет снижения радиочувствительности биологического объекта в момент облучения. Такая же точка зрения была уже сформулирована С.Н. Александровым (1981) задолго до обнаружения защитных свойств изотопного замещения водорода в организме, однако используя этот новый - изотопный - вариант защитного действия мы смогли еще раз подтвердить ее.

50

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Екимова, Людмила Петровна, 1999 год

1. Александров С.Н. Проффнлактика радиогенного сокращения продолжительности жизни // Мед. радиология,- 1981.- Т. 26,- № 3,- С. 71-79.

2. Аронов С. Изотопные методы в биохимии// М.- Из-во Ин.Литер,- 1959.- 154 с.

3. Бесядовский P.A., Иванов К.В., Козюра А.К. Справочное руководство для радиобиологов // М- Атомиздат,- 1978,- 92 с.

4. Вартанян Л.П.,Пустовалов Ю.И,Горнаева Г.Ф. К вопросу о механизме действия химических радиопротекторов// Тезисы научной конференции "Актуальные вопросы медицинской радиологии", Санкт-Петербург, июнь 1998.-С. 361.

5. Кемилева 3. Вилочковая железа // пер. с болг. А.Н.Иванова,-М,- Медицина,- 1984,- 220 с.

6. Климович В.Б. О применении реакции отека стопы в фундаментальных и прикладных иммунологических исследованиях // Сб. трудов Всес. конф. "Теоретическая иммунология практическому здравоохранению", Таллинн, 1978,-С. 127-128.

7. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D20 в биологических системах // М,- Наука,- 1978,- 13 с.

8. Матылевич Н.П., Король Б.А., Нелипович П.А., Афанасьев В.Н., Уманский С.П. Ингибирование Д20 интерфазной гибели тимоцитов // Радиобиология,-1991,- Т.-31- № 1,- С. 27-32.

9. Романцев Е.Ф., Блохин В.Д., Жуланова З.И., Кащеенко Н.Р., Филиппович И.В. Радиационная биохимия тимуса под ред. Е.Ф. Романцева У/ М.- Атомиздат,- 1972,- 176 с.

10. Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков // М,- АН СССР,- 1963,- 324 с.

11. Шатенштейн А.И., Яковлева Е.А., Звягинцева E.H., Варшавский Я.М., Израилевич Е.А., Дыхно Н.М. Изотопный анализ воды // М,- АН СССР,- 1957,- 236 с.

12. Шутко А.Н. Исследование механизмов ранних нарушений процесса всасывания и обмена воды в организме при воздействии ионизирующей радиации с помощью дейтерия // Автореф. канд. дисс.- Л,- 1967.

13. Шутко А.Н. Исследование механизмов ранних нарушений процесса всасывания и обмена воды в организме при воздействии ионизирующей радиации с помощью дейтерия // Канд. дисс.- Л.- 1967.

14. Шутко А.Н. и Шатинина Н.Н. Способ исследования кинетики взаимодействия компонентов раствора //Авт. свид. N469918 с приор. от12.07.1972.

15. Altermatt Hans J., Gebbers Jan-Olaf, Laissue Jean A. Heavy water delay growth of human carcinoma in nude mice // Cancer. -1988.- V.62.- N 3,- P. 462-466.

16. Ben-Hur E., Utsumi H. and Elkind M.M. Potentially Lethal and DNA Radiation Demage: Similarities in Inhibition of Repair by Medium Containing D2O and by Hypertonic Buffer // Rad.Res,-1980.-V. 84.-N l.-P. 25-34.

17. Ben-Hur E. and Riklis E. Deuterium Oxide Enhancement of Chinese Hamster Cell Response to у Radiation // Rad.Res.- 1980,- V. 81.-N2.-P. 224-235.

18. Delia Porta G, Chieco-Bianhi L, Pennelli N. Tumors of the haematopoietic system. Path, of tumors in lab. animals.V II Tumors of the mouse. Ed.V.S. turusov, Lyon.-1979.- P. 527-545.

19. Duchesne J., Mosora F., Rinne M., Dress A. The Effect of Heavy Water on the Organic Free Radical Content in Rat Liver and Kidney : Consequences for Senescence and Cancer // J. theor. BioL-1978.- V. 71.- N 2.- P. 275-278.

20. Kaplan H.S. Influence of age on susceptibility of mice to the development of Lymphoid tumors after irradiation // J. of the National Cancer Inst.- 1948 V. 9.-.N 1.- P. 55-56.

21. Keizev H.J. Protection of haemopoietic steam cells during cytotoxic treatment // Proc. of Radiobiological Inst, of Organization for Health Research TNO, Rijswijk, Niderlands.- 1976.- P.137.

22. Lacroix M., Mosora F. Biological effect of deuterium and other stable isotopes // Isotope Rations as Pollutant Source and Behav. Indie.- Vienna.- 1975.- P. 383-386.

23. Laissue J.A., Burki H,, Berchtold W. Survival of tumor-bearing mice exposed to heavy water or heavy water plus methotrexate // Cancer Res.- 1982.-V. 42.-N3.-P. 1125-1129.53

24. Laissue J.A., Altermatt H.J. Bally E., Gebbers J.-O. Protection of mice from whole body gamma irradiation by deuteration of drinking water: hematologic finding // Exp. Hematol.1987.- V. 15.- N 2- P. 177-180.

25. Laissue J.A., Altermatt H.J., Berchtold W., Blattmann H., Gebbers J.-O., Michel F., Zimmermami A., Suter T. Radioprotective effects of heavy water // Jahresber. 1985. Schweiz. Inst. Nuklearfoch.-Yilligen.- s.a.- Med. 39-42.

26. McPhee D.,Pye J.,Shortman K. The differentiation of T lymphocytes. Y.Evidence for intrathymic death of most thymocytes // Thymus.-1979.- V. l.-P. 151-159.

27. Powers E.L. Is the water shell about the "target" involved in radiation effects in cells // Proceedings of the Fourth Symposium on Microdosimetry, Yerbania Pallanza, Italy, 24-28 September 1973.-Brussels.- P. 607-624.

28. Teller P. Cancers: le miracle de l'eau lourde // J. int. med.1988.-V. 88.-N 114.- P. 38.

29. Ujeno Y., Takimoto K. Deuterium isotope effect on radiation damages to mammalian cells //Annu. Repts Res. React. Inst. Kyoto Univ.- 1980.- 13.- P. 62-66.

30. Wexler H. Accurate identification of experimental pulmonary metastases // J.Natl Cancer Inst.- 1966.- V. 36.- N 4.- P. 641-644.