Изменения клеточного цикла после воздействия радиации

Изменения клеточного цикла после воздействия радиации

Многочисленными исследованиями установлено значительное нарушение митотического цикла клеток при воздействии на них разнообразных факторов. Наиболее полно изучено действие ионизирующих излучений. Первоначальная задержка клеточного деления и соответствующее удлинение митотического цикла при воздействии радиации сменяются в дальнейшем сокращением продолжительности митотического цикла.

Имеется большое число исследований, направленных на изучение реакций отдельных периодов клеточного цикла на воздействие радиации. Для разных линий клеток получены различные данные. Обобщение этих данных, проведенное во многих работах, показало, что для большинства изученных клеток в культуре митоз и конец периода G₁ (переход в период S) наиболее чувствительны к действию радиации, а период S — наиболее устойчив. Задержка деления клеток наиболее значительна, если облучение осуществляли во время митоза, и мала для клеток, облученных в период S. Однако имеются линии клеток, где соотношение задержек периодов клеточного цикла иное.

Обращено внимание также на то, что реакция клеток на облучение в различные периоды клеточного цикла прямо противоположна, если сравнивать задержку деления клеток и их гибель: чем больше задержка деления, тем меньше гибель клеток. Так, клетки, облученные в периоде S, могут иметь высокую выживаемость потому, что они на длительный срок задерживают свое деление. В этот удлиненный период до деления клетки могут успеть отрепарировать возникшие в них повреждения. Обращено внимание на то, что радиозащитное средство цистеамин не оказывает защитного эффекта при воздействии радиации в период G₁ в отличие от облучений во время других периодов клеточного цикла.

Данные о влиянии радиации на митотический цикл клеток опухолей in vivo противоречивы, что объясняют различным временем проведения исследований после облучения. Работая на тех же клетках четырехсуточной асцитной фибросаркомы, обнаружили сначала удлинение митотического цикла (в 2 раза через 20 ч после облучения), а затем укорочение (через 48 ч). Если исследовать клеточный цикл асцитной карциномы Эрлиха сразу после облучения, то наблюдается увеличение продолжительности периодов G₁ и G₂ в 2 раза; продолжительность митоза не изменена.

Значительно меньше данных об изменении стадии митотического цикла in vivo у млекопитающих при действии радиации. Прежде всего выяснилось, что периоды G₁ и G₂ наиболее сильно реагируют на воздействие радиации, а периоды М и S — мало. При усилении пролиферативной активности тканей организма сокращения продолжительности митотического цикла в основном происходят за счет периода G₁.

В опытах на собаках, подвергавшихся длительному слабому хроническому воздействию, показано, что средняя продолжительность генерационного цикла миелоидных элементов может сокращаться в 2 раза за счет сокращения всех периодов интерфазы. В эритроидном ростке (эритробласты) в этот период сокращение генеративного цикла не было столь значительным и происходило только за счет укорочения периода G₁.

При одновременном исследовании митотического цикла у клеток кишечника и костного мозга установлено, что изменения продолжительности цикла клеток кишечника были менее выраженными. По-видимому, это является отражением того факта, что клетки кишечника делятся чаще, чем бластные клетки костного мозга. Возможности к сокращению интерфазы клеток кишечника меньше, чем у клеток костного мозга. Имеется взаимосвязь между нормальной продолжительностью митотического цикла клеток и чувствительностью их к хроническому облучению — чем короче интерфаза митотического цикла, тем чувствительнее клетки к радиации. Это обусловлено продолжительностью периода G₁.

Дальнейший наш анализ возможной роли периода G₁ в определении устойчивости к радиации показал много интересного. Широко распространенный феномен приостановки клеточного деления в пролиферирующих тканях (первоначальная реакция) относится к более общей реакции биологических систем в ответ на повреждение. Происходит временное ингибирование многих функций, не необходимых для репарации (восстановления) повреждений, и отдаление по времени переходов в другие функциональные состояния, когда эти невосстановленные повреждения могут проявиться неблагоприятным для биологической системы эффектом. Такое однотипное поведение биологических систем наблюдается на разных уровнях: организм, физиологическая система, клеточная система, ткань.

Продолжительность возможных задержек периодов клеточного цикла зависит не только от характера ткани, к которой клетки относятся. Так, в эпителии роговицы глаза мышей в период G₁ возникают более продолжительные задержки, чем в эпителии кишечника, в расчете на единицу дозы нейтронного излучения: для эпителия роговицы — 17 мин на 0,01 Гр, а для эпителия кишечника — только 4 мин на 0,01 Гр. Продолжительность митотического цикла клеток эпителия роговицы в норме в 6,5 раза больше, чем у клеток эпителия кишечника. К тому же клетки эпителия роговицы способны блокировать митотический цикл в периоде G₁ на значительно большие сроки, чем это возможно для эпителия кишечника. Установлено, что способность к удлинению продолжительности интерфазы (в основном в периоде G₁) митотического цикла является одним из основных условий эффективного завершения репарации лучевых повреждений. Существует определенная пропорциональность продолжительности блоковых задержек периодов интерфазы митотического цикла и интенсивности повреждения.

Четкие доказательства последовательности выхода клеток из блоков различных периодов интерфазы митотического цикла, зависимость продолжительности их от дозы облучения, относительное значение блоковых задержек были получены в нашей лаборатории В. Г. Тяжеловой и др. Основной результат аналитических исследований представлен в виде пространственной трехкоординатной картины дозовых кривых митотической активности, позволяющих извлекать ряд интересных закономерностей. Всего выделено пять пиков митотической активности. Экстраполяция дозовых зависимостей к нулевой дозе характеризует нормальную продолжительность периодов митотического цикла: G₁ — 8 ч, S — 8, G₂ — 1 и М — 1 ч при суммарной длительности цикла 18 ч. Это соответствует данным, полученным другим путем для эпителия кишечника крыс. Длительность блока в данном эксперименте учитывается через максимум митотической активности, который здесь представляет собой сумму нормальной длительности периода и блоковой задержки. Первые три пика соответствуют первому послеблоковому делению клеток. Выход клеток из блоков происходит в естественной последовательности. Раньше клетки выходят из блоков тех периодов, которые в момент облучения были ближе по ходу естественного созревания клеток к периоду митоза. Первая кривая характеризует выход из блока G₂M, вторая — из блока SG₂, третья — из блока G₁S.

С увеличением дозы облучения длительность всех периодов интерфазы митотического цикла растет, но не беспредельно. Она стремится к некоторому пределу. С одной стороны, удлинение периодов интерфазы необходимо для репарации увеличенного объема повреждений с увеличением дозы облучения, с другой — клетка, по-видимому, не может находиться неограниченное время в каком-либо одном периоде интерфазы и задерживать естественный для нее процесс созревания. Для каждого периода развития клетки характерно преобладание одних структурнофункциональных процессов и ингибирование других. В этом причина ограничения продолжительности блоковых задержек периодов интерфазы митотического цикла.

При этом скорость достижения указанного предела для разных периодов неодинакова. Она последовательно уменьшается для блоков G₂M, SG₂ и G₁S. Длительность периодов с учетом блоковых задержек после облучения максимальна для G₁, меньше для S и еще меньше для стадии G₂. В то же время относительные изменения периодов (в процентах от нормальной продолжительности стадии) иные: максимальное для G₂, менее сильное для G₁ и слабое для периода S.

Сравнительный анализ площадей, охватываемых кривыми митотической активности, дал возможность при некоторых допущениях (число клеток пропорционально площади) оценить относительное число выживающих клеток, облученных в определенном периоде митотического цикла, и построить дозовые кривые выживаемости. Клетки, облученные в периоде S, не погибали, пока доза облучения не превысила ~5 Гр, Даже после облучения в дозе 9 Гр еще выживало не менее половины клеток. Кривая выживаемости для клеток, облученных в периоде G₂, имеет небольшое плечо, затем число выживающих клеток снижалось и достигало примерно 50% в районе дозы облучения 5 Гр. Поведение клеток, облученных в стадии G₁, существенно отличалось. Гибель клеток происходила при любой дозе и достигала примерно 50% при облучении в дозе порядка 3,5 Гр, а при облучении в дозе 9 Гр оставалось в живых лишь около 20% клеток. Наибольшие различия обнаруживаются при сравнении доз облучения, вызывающих небольшой процент гибели. Так, для того чтобы получить примерно одинаковую 80%-ную выживаемость клеток, необходимо облучать клетки в периоде S в дозе около 7,5 Гр, в периоде G₂ — в дозе около 2,5 Гр и в периоде G₂ — в дозе 0,5—1,0 Гр.

Хотя эти выводы были получены на основе анализа ограниченного материала (эпителий тонкого кишечника крыс при воздействии на них радиации с мощностью дозы около 0,4 Гр/мин), они позволяют делать более общие выводы, так как не противоречат отрывочным данным других авторов.

Итак, проводя дальнейшие сопоставления полученных выводов для эпителия кишечника крыс, необходимо обратить внимание на следующее.

1. Период S среди других периодов интерфазы митотического цикла обладает наибольшей устойчивостью к радиации и имеет на кривой выживаемости плечо, свидетельствующее об огромных возможностях репарационных процессов, характерных для этой стадии. Однако при воздействии радиации период S имеет наименьшее относительное увеличение своей продолжительности за счет блоковых задержек и по достижении предельно возможной длительности блоковой задержки начинается гибель клеток. При этом кривая уменьшения выживаемости при дальнейшем увеличении дозы облучения имеет наибольший наклон. При ускорении процессов деления клеток период S относится к наименее укорачиваемому.

2. Период G₁ отличается наибольшей чувствительностью к радиации и не имеет на кривой выживаемости плеча, которое свидетельствовало бы о сколько-нибудь заметных возможностях репарационных процессов, характерных для этого периода. Однако период G₁ при действии радиации имеет наибольшее абсолютное увеличение своей продолжительности и не имеет ограничений в этом (по крайней мере, до дозы 9 Гр нет такого ограничения). Гибель клеток отмечена даже при дозах менее 1 Гр. При ускорении процессов деления период G₁ наиболее вариабелен и может весьма существенно укорачиваться. В случае сокращения генеративного цикла это происходит в основном за счет периода G₁.

3. Период G₂ наиболее короткий в норме, и увеличение его при воздействии радиации также небольшое, хотя в процентном отношении и является наибольшим. Этот период быстрее других выходит на предел возможного увеличения своей продолжительности. По количеству клеток, погибающих после облучения в периоде G₂, он занимает промежуточное положение между периодами S и G₁. Изменения длительности этого периода не отражаются существенно на общей продолжительности митотического цикла.

Интересные данные получены Ямагучи и Табачником при исследовании кинетики клеток эпидермиса кожи морских свинок в норме и после локального воздействия бета-радиации. Основные исследования проводились в период 12—14 сут после облучения, когда вслед за клеточной депопуляцией развивалась активная пролиферация и отмечался наиболее высокий митотический индекс. Результаты исследований приведены ниже. Указана продолжительность всего цикла и отдельных его периодов в часах.

Полученные данные вновь подтвердили, что длительность периодов М и S наиболее неизменяема, в то время как длительность периода G₁ была наиболее измененной, она оказалась сокращенной примерно в 20 раз. Доля G₁ в митотическом цикле у этих клеток составляет 83 %. Для базальных клеток эпидермиса в норме характерен очень длительный период G₁, составляющий до 80—85% всей продолжительности клеточного цикла. По-видимому, это связано с главной особенностью кожи — постоянным контактом с изменениями окружающей среды и необходимостью противостоять вредным ее воздействиям.