Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Основные закономерности взаимодействия факторов
окружающей среды (аналитический обзор литературы) 13
1.1. Характер взаимодействия повреждений при комбинированных
воздействиях 13
Восстановление клеток после комбинированных воздействий различных факторов окружающей среды 24
Математические модели комбинированных воздействий 36
Совместное действие ионизирующего излучения и других физических
факторов 45
1.5. Комбинированное воздействие ионизирующего излучения и химических
агентов 54
Эффекты комбинированных воздействий при малых мощностях доз ионизирующего излучения 61
Постановка цели и задач исследования 75
Глава 2. Восстановления дрожжевых клеток после комбинированных
воздействий различных факторов 79
Восстановление дрожжевых клеток после последовательного действия ионизирующего излучения и гипертермии 79
Восстановление дрожжевых клеток после одновременного терморадиационного воздействия 87
Оценка параметров, описывающих восстановление дрожжевых клеток после комбинированного действия тепла и ионизирующего излучения 98
Восстановление дрожжевых клеток после одновременного воздействия УФ-излучения и гипертермии 104
Глава 3. Восстановление культивируемых клеток млекопитающих после
терморадиационных воздействий 120
Восстановление разрывов ДНК клеток млекопитающих после терморадиационного воздействия 121
Ингибирование восстановления клеток китайского хомячка от потенциально летальных радиационных повреждений гипертермией 136
Параметры восстановления культивируемых клеток человека после действия ионизирующего излучения и гипертермии 146
Подавление восстановления от потенциально летальных радиационных повреждений клеток солидной опухоли гипертермией 150
Глава 4. Восстановление клеток млекопитающих после
комбинированных воздействий ионизирующих излучений и
химических агентов 154
Подавление способности клеток китайского хомячка восстанавливаться от радиационных повреждений химическими ингибиторами восстановления 154
Химическое ингибирование восстановления от потенциально летальных повреждений культивируемых клеток человека и грызунов 168
Действие новобиоцина на восстановление клеток китайского хомячка от потенциально летальных повреждений 180
Влияние 5'-иододеоксиуридиина на восстановление повреждений, индуцированных ионизирующим излучением 182
Глава 5. Прогнозирование восстановления и синергизма после
комбинированных воздействий 191
5.1. Математическое описание необратимого компонента радиационного
поражения дрожжевых клеток после комбинированных
воздействий 192
5.2. Прогнозирование объема восстановления и синергизма после
одновременного действия ионизирующего излучения гипертермии 194
5.3. Предсказание объема восстановления и синергизма после
одновременного действия УФ-излучения и гипертермии на дрожжевые
клетки 203
Глава 6. Синергические эффекты после комбинированных воздействий
различных факторов 212
6.1. Комбинированное действие ультразвука и гипертермии на дрожжевые
клетки 212
Особенности одновременного действия цитостатиков и гипертермии на клетки китайского хомячка 219
Математическое описание, оптимизация и предсказание синергического взаимодействия флюорида и ксилитола на бактериальные клетки 234
6.4. Одновременное действие СВЧ излучения и температуры окружающей
среды на повышение температуры тела кроликов 244
Глава 7. Комбинированное действие гипертермии и ионизирующего
излучения при малых мощностях доз 250
Закономерности отмирания дрожжевых клеток, выдерживаемых после облучения в непитательной среде 250
Биологические эффекты комбинированного действия хронического облучения и повышенной температуры 272
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 285
ВЫВОДЫ 308
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 312
ПРИЛОЖЕНИЕ 349
Введение к работе
Актуальность работы. Живые организмы и вся биосфера в целом подвергаются комбинированным многофакторным воздействиям. Испытания ядерного оружия, аварии на объектах ядерной энергетики, таких как Чернобыльская АЭС, химические комбинаты «Маяк» и «Томск-7», привели к загрязнению биосферы долгоживущими радионуклидами. Активно включаясь в круговорот веществ в биосфере, долгоживущие радионуклиды оказывают радиационное воздействие на человека, растительный и животный мир. Особую актуальность эта проблема приобрела в связи с тем, что радиоактивные загрязнения, как экологический фактор, никогда не действуют изолированно, а в комбинации с другими факторами окружающей среды. Увеличение производства химических веществ, синтетических лекарств, использование удобрений, повышение фона ультрафиолетового (УФ) излучения в связи с образованием озоновых дыр, а также комбинации этих факторов друг с другом и ионизирующими излучениями приводят к отрицательным последствиям и вредно отражаются на здоровье человека и на всей окружающей среде. Поэтому проблема восстановления клеток после раздельного и комбинированного воздействий факторов физической и химической природы, модифицирующих радиочувствительность клеток различного происхождения, становится все более актуальной. Часть вопросов по восстановлению клеток не нашла отражения в отечественной и зарубежной научной литературе: изучение механизма ингибирования процесса восстановления после воздействия негативных факторов различной природы и их комбинаций; влияние модификаторов радиочувствительности на параметры, описывающие и характеризующие процесс восстановления. Следовательно, количественная оценка параметров восстановления после комбинированных воздействий различных факторов окружающей среды и химических ингибиторов восстановления является актуальной задачей. При комбинированном действии различных физических, химических и даже
социальных факторов их вредное действие может суммироваться (независимое действие), ослабляться (антагонизм), либо усиливаться (синергизм). Синергическое взаимодействие факторов окружающей среды представляет особую опасность и привлекает внимание многих исследователей. Многообразие загрязняющих агентов обусловливает необходимость изучения общих закономерностей взаимодействия физических и химических факторов окружающей среды, разработки концептуальных основ их синергического взаимодействия, прогнозирования и оптимизации эффектов, индуцируемых при комбинированных воздействиях. Чтобы оценить принципиальную возможность синергического и антагонистического взаимодействий вредных факторов окружающей среды при малых интенсивностях загрязняющих агентов в биосфере, необходимо проанализировать зависимость синергизма от мощности дозы ионизирующего излучения, интенсивности УФ излучения, ультразвука, радиоволн СВЧ диапазона или концентрации химических агентов, используемых в комбинации с другими агентами. Принципиальную важность представляет малоисследованное явление радиационного гормезиса при действии малых доз ионизирующего излучения в комбинации с другими факторами внешней среды.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является теоретическое обоснование и экспериментальная проверка механизма взаимодействия ионизирующего излучения с физическими и химическими агентами окружающей среды для разработки новой концепции синергического взаимодействия и прогнозирования биологических эффектов при комбинированных воздействиях. Для реализации этой цели необходимо решить следующий комплекс задач.
1. Экспериментально исследовать динамику пострадиационного восстановления простейших эукариотических клеток после различных
режимов комбинированного действия ионизирующего или ультрафиолетового излучения с гипертермией.
Количественно оценить параметры восстановления клеток (необратимый компонент и константа восстановления) после комбинированных воздействий различных агентов. Выяснить, какой из этих параметров оказывает большее влияние на эффективность синергического взаимодействия.
Применить математическую модель пострадиационного восстановления, описывающую процесс восстановления в терминах уменьшения эффективной дозы, для интерпретации механизма действия ингибиторов восстановления, используемых в комбинации с ионизирующим излучением для повышения радиочувствительности клеток высших эукариот.
Предложить математическую модель для описания и прогнозирования способности клеток восстанавливаться от потенциально летальных повреждений при комбинированных воздействиях различных физических и химических факторов окружающей среды.
Выяснить, связано ли повреждение восстановления, регистрируемое после комбинированных воздействий различных факторов на эукариотические клетки, с нарушением процессов восстановления или является следствием формирования необратимых повреждений, от которых клетки неспособны восстанавливаться.
Изучить закономерности явления комбинированного действия малых доз ионизирующего излучения с другими поражающими факторами на отмирание дрожжевых клеток, выдерживаемых в непитательной среде после облучения.
Материалы и методы исследований
Собственные экспериментальные исследования проведены на простейших эукариотических клетках (дрожжевые клетки различного генотипа) после комбинированного действия гипертермии с ионизирующим излучением, УФ-светом и ультразвуком.
Для доказательства общности полученных закономерностей привлечены обширные экспериментальные данные по комбинированному действию физических и химических факторов окружающей среды на культивируемые клетки млекопитающих различного происхождения и животных, опубликованные другими авторами.
Теоретическое исследование базируется на научном обосновании постулатов, лежащих в основе математической модели синергизма и дальнейшем ее развитии, которое позволит прогнозировать синергические эффекты и восстановление клеток после комбинированных воздействий.
Научная новизна. Научная новизна работы заключается в
экспериментально-теоретическом исследовании взаимодействия
ионизирующего излучения с физическими и химическими агентами окружающей среды для прогнозирования синергических эффектов. Следующие новые факты, положения и сформулированные на их основе концепции о механизмах проявления эффектов комбинированных воздействий, имеющие принципиальный характер, впервые получены в настоящей работе. 1. Экспериментально изучена динамика пострадиационного восстановления
диплоидных дрожжевых клеток после различных режимов
комбинированного действия ионизирующего излучения и гипертермии.
Продемонстрировано, что скорость и объем восстановления постоянно
млекопитающих является следствием образования необратимых повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться.
Доказана возможность использования математической модели синергизма для описания и прогнозирования объема и скорости восстановления клеток от потенциально летальных повреждений при комбинированных воздействиях различных физических и химических факторов окружающей среды.
Выявлены новые закономерности комбинированного действия малых доз ионизирующего излучения с другими поражающими факторами на отмирание дрожжевых клеток, выдерживаемых в непитательной среде после облучения.
Фундаментальная и практическая значимость работы. Результаты диссертационных исследований имеют фундаментальную значимость для понимания механизмов комбинированного- взаимодействия различных факторов и повышения радиочувствительности клеток химическими ингибиторами восстановления. Результаты данной работы имеют теоретическое значение с точки зрения понимания механизмов синергического взаимодействия и путей оптимизации воздействующих агентов. Практическая значимость результатов диссертации определяется возможностью сочетанного использования многофакторных воздействий, дифференциально влияющих на сам процесс восстановления клеток от радиационных повреждений и на формирование необратимых повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться. Помимо фундаментальной важности этой работы, ее результаты будут полезны для ряда практических применений в области биомедицинских технологий и исследований окружающей среды.
Данные этой работы могут использоваться для прогностической оценки потенциальной опасности реально встречающихся в биосфере малых
мощностей доз ионизирующего излучения и интенсивностей других агентов. Полученные приоритетные данные будут способствовать разработке новых принципов нормирования комбинированных воздействий вредных факторов окружающей среды, учитывающих их синергическое и антагонистическое взаимодействие.
Положения, выносимые на защиту
Уменьшение скорости и объема восстановления при комбинированных воздействиях ионизирующего излучения с различными факторами физической и химической природы на дрожжевые клетки и клетки млекопитающих объясняется формированием необратимых повреждений, от которых клетки не способны восстанавливаться, а не нарушением самих процессов восстановления.
Новая концепция синергического взаимодействия ионизирующего излучения, в соответствии с которой причиной синергического взаимодействия являются формирование невосстанавливаемых повреждений. Сформулированная на этой основе математическая модель позволяет не только прогнозировать коэффициент синергического усиления, его максимум и условия его достижения, но и объем восстанавливающихся клеток.
Хроническое облучение дрожжевых клеток при малых мощностях доз приводит к значительной задержке отмирания диплоидных дрожжевых клеток по сравнению с отмиранием клеток при естественном радиационном фоне. Это положительное действие радиации отмечается для диплоидных, а не для гаплоидных дрожжевых клеток, что подчеркивает роль процессов восстановления в проявлении радиационного гормезиса.
Апробация работы. Результаты исследований доложены на следующих международных и отечественных конференциях:
Международная конференция «International Conference on Radiation and Health», Beer Sheva (Israel) - 1996 г.; IV съезд по радиационным исследованиям, 2001; III Международная конференция «Электромагнитные излучения в биологии», Калуга — 2005; Международная конференция БИОРАД-2006 «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды», Сыктывкар - 2006; V съезд по радиационным исследованиям, 2006; Международная конференция «International Conference "20 years after Chernobyl: strategy for recovery and sustainable development of the affected regions», Gomel, 2006; Четвертая международная конференция «4th International Workshop on Space Radiation Research and 17th Annual NASA Space Radiation Health Investigators Workshop», Dubna, 2006; Международная конференция «Autumn Meeting of Korean Society of Environmental Biology. — Korea Ocean Research & Development Institute», South Sea Institute, 2006; Вторая международная конференция "The Second Asian and Oceanic Congress for Radiation Protection», Beijing, China, 2006; Международная конференция «International conference on radiation biology and 5th low rad Conference», India, 2006; Международная конференция «Spring Meeting of Korean Society of Environmental Biology. Korea Research Institute of Bioscience & Biotechnology», Daejeon, 2007; Международная конференция «low rad conference», Portugal, 2008; Международная конференция «International Conference on Radiation Biology», India, 2008.
Структура диссертации. Диссертация изложена на 365 страницах, включает введение, обзор литературных данных, описание материалов и методов исследования, результаты экспериментальных и теоретических исследований, обсуждение, выводы и список использованной литературы. Иллюстрирована 92 рисунками и 24 таблицами, список цитируемой
литературы включает 115 работ на русском языке и 241 на иностранных языках.
