Зміни клітинного циклу після дії радіації

Численними дослідженнями встановлено значне порушення мітотичного циклу клітин при дії ними різноманітних чинників. Найбільш повно вивчено дію іонізуючих випромінювань. Початкова затримка клітинного поділу та відповідне подовження мітотичного циклу при дії радіації змінюються надалі скороченням тривалості мітотичного циклу.

Є велика кількість досліджень, вкладених у вивчення реакцій окремих періодів клітинного циклу вплив радіації. Для різних ліній клітин отримано різні дані. Узагальнення цих даних, проведене у багатьох роботах, показало, що з більшості вивчених клітин у культурі мітоз і кінець періоду G1 (перехід період S) найбільш чутливі до дії радіації, а період S — найбільш стійкий. Затримка поділу клітин найбільш значна, якщо опромінення здійснювали під час мітозу, і мала для клітин, опромінених у період S. Однак є лінії клітин, де співвідношення затримок періодів клітинного циклу інше.

Звернено увагу також на те, що реакція клітин на опромінення в різні періоди клітинного циклу прямо протилежна, якщо порівнювати затримку поділу клітин та їх загибель: чим більша затримка поділу, тим менша загибель клітин. Так, клітини, опромінені в періоді S, можуть мати виживання тому, що вони на тривалий термін затримують свій поділ. У цей подовжений період до поділу клітини можуть встигнути відрепарувати ушкодження, що виникли в них. Звернено увагу, що радіозахисний засіб цистеамін не має захисного ефекту при впливі радіації в період G1 на відміну від опромінення під час інших періодів клітинного циклу.

Дані про вплив радіації наМітотичний цикл клітин пухлин in vivo суперечливий, що пояснюють різним часом проведення досліджень після опромінення. Працюючи на тих же клітинах чотиридобової асцитної фібросаркоми, виявили спочатку подовження мітотичного циклу (в 2 рази через 20 годин після опромінення), а потім скорочення (через 48 год). Якщо досліджувати клітинний цикл асцитної карциноми Ерліха відразу після опромінення, спостерігається збільшення тривалості періодів G1 і G2 в 2 рази; тривалість мітозу не змінена.

Значно менше даних про зміну стадії мітотичного циклу in vivo у ссавців під час радіації. Насамперед з'ясувалося, що періоди G1 і G2 найбільше сильно реагують на вплив радіації, а періоди М і S — мало. При посиленні проліферативної активності тканин організму скорочення тривалості мітотичного циклу переважно відбуваються з допомогою періоду G1.

У дослідах на собаках, які зазнавали тривалого слабкого хронічного впливу, показано, що середня тривалість генераційного циклу мієлоїдних елементів може скорочуватися вдвічі за рахунок скорочення всіх періодів інтерфази. У еритроїдному паростку (еритробласти) у період скорочення генеративного циклу був настільки значним і відбувалося лише з допомогою укорочення періоду G1.

При одночасному дослідженні мітотичного циклу у клітин кишечнику та кісткового мозку встановлено, що зміни тривалості циклу клітин кишечника були менш вираженими. Очевидно, це відображенням того факту, що клітини кишечника діляться частіше, ніж бластні клітини кісткового мозку. Можливості до скорочення інтерфази клітин кишечника менші, ніж у клітин кісткового мозку. Є взаємозв'язок між нормальною тривалістю мітотичного циклу клітин та чутливістю їхдо хронічного опромінення - чим коротше інтерфаза мітотичного циклу, тим чутливіше клітини до радіації. Це зумовлено тривалістю періоду G1.

Подальший аналіз можливої ролі періоду G1 у визначенні стійкості до радіації показав багато цікавого. Широко поширений феномен припинення клітинного поділу в тканинах, що проліферують (початкова реакція) відноситься до більш загальної реакції біологічних систем у відповідь на пошкодження. Відбувається тимчасове інгібування багатьох функцій, не необхідні репарації (відновлення) ушкоджень, і віддалення за часом переходів до інших функціональних станів, коли ці невідновлені ушкодження можуть виявитися несприятливим для біологічної системи ефектом. Така однотипна поведінка біологічних систем спостерігається на різних рівнях: організм, фізіологічна система, клітинна система, тканина.

Тривалість можливих затримок періодів клітинного циклу залежить від характеру тканини, до якої клітини ставляться. Так, в епітелії рогівки ока мишей у період G1 виникають більш тривалі затримки, ніж в епітелії кишечника, у розрахунку на одиницю дози нейтронного випромінювання: для епітелію рогівки – 17 хв на 0,01 Гр, а для епітелію кишечника – лише 4 хв на 0 01 Гр. Тривалість мітотичного циклу клітин епітелію рогівки в нормі в 6,5 рази більша, ніж у клітин епітелію кишечника. До того ж клітини епітелію рогівки здатні блокувати мітотичний цикл у період G1 на значно більші терміни, ніж це можливо для епітелію кишечника. Встановлено, що здатність до подовження тривалості інтерфази (в основному в період G1) мітотичного циклу є однією з основних умов ефективного завершення репарації променевих пошкоджень. Існує певнапропорційність тривалості блокових затримок періодів інтерфази мітотичного циклу та інтенсивності ушкодження.

Чіткі докази послідовності виходу клітин з блоків різних періодів інтерфази мітотичного циклу, залежність тривалості їх від дози опромінення, відносне значення блокових затримок були отримані в нашій лабораторії В. Г. Тяжелової та ін. Основний результат аналітичних досліджень представлений у вигляді просторової трикоординатної картини активності, що дозволяють отримувати низку цікавих закономірностей. Усього виділено п'ять піків мітотичної активності. Екстраполяція дозових залежностей до нульової дози характеризує нормальну тривалість періодів мітотичного циклу: G1 – 8 год, S – 8, G2 – 1 та М – 1 год при сумарній тривалості циклу 18 год. Це відповідає даним, отриманим іншим шляхом для епітелію кишечника щурів. Тривалість блоку в даному експерименті враховується через максимум мітотичної активності, який тут є сумою нормальної тривалості періоду та блокової затримки. Перші три піки відповідають першому післяблоковому поділу клітин. Вихід клітин із блоків відбувається у природній послідовності. Раніше клітини виходять із блоків тих періодів, які в момент опромінення були ближчими по ходу природного дозрівання клітин до періоду мітозу. Перша крива характеризує вихід з блоку G2M, друга - з блоку SG2, третя - з блоку G1S.

Зі збільшенням дози опромінення тривалість усіх періодів інтерфази мітотичного циклу зростає, але не безмежно. Вона прагне до певної межі. З одного боку, подовження періодів інтерфази необхідне для репарації збільшеного об'єму пошкоджень зі збільшенням дози опромінення, з іншого - клітина,мабуть, неспроможна перебувати необмежений час у якомусь одному періоді інтерфази і затримувати природний неї дозрівання. Для кожного періоду розвитку клітини характерно переважання одних структурно-функціональних процесів та інгібування інших. У цьому є причина обмеження тривалості блокових затримок періодів інтерфази мітотичного циклу.

При цьому швидкість досягнення зазначеної межі для різних періодів неоднакова. Вона послідовно зменшується для блоків G2M, SG2 та G1S. Тривалість періодів з урахуванням блокових затримок після опромінення максимальна для G1, менше для S і менше для стадії G2. У той самий час відносні зміни періодів (у відсотках нормальної тривалості стадії) інші: максимальне для G2, менш сильне для G1 і слабке періоду S.

Порівняльний аналіз площ, що охоплюються кривими мітотичної активності, дав можливість при деяких припущеннях (число клітин пропорційно площі) оцінити відносну кількість клітин, що виживають, опромінених у певному періоді мітотичного циклу, і побудувати дозові криві виживання. Клітини, опромінені в періоді S, не гинули, доки доза опромінення не перевищила

5 Гр, навіть після опромінення в дозі 9 Гр ще виживало щонайменше половини клітин. Крива виживаності для клітин, опромінених у періоді G2, має невелике плече, потім кількість клітин, що виживають, знижувалася і досягала приблизно 50% в районі дози опромінення 5 Гр. Поведінка клітин, опромінених у стадії G1, суттєво відрізнялася. Загибель клітин відбувалася при будь-якій дозі і досягала приблизно 50% при опроміненні дози близько 3,5 Гр, а при опроміненні в дозі 9 Гр залишалося живими лише близько 20% клітин. Найбільші відмінності виявляються при порівнянні доз опромінення, що спричиняють невеликий відсотокзагибелі. Так, для того щоб отримати приблизно однакову 80% виживання клітин, необхідно опромінювати клітини в періоді S в дозі близько 7,5 Гр, в періоді G2 - в дозі близько 2,5 Гр і в періоді G2 - в дозі 0,5 -1,0 Гр.

Отже, проводячи подальші зіставлення отриманих висновків для епітелію кишечника щурів, необхідно звернути увагу на таке.

1. Період S серед інших періодів інтерфази мітотичного циклу має найбільшу стійкість до радіації і має на кривій виживаності плече, що свідчить про величезні можливості репараційних процесів, характерних для цієї стадії. Однак при дії радіації період S має найменше відносне збільшення своєї тривалості за рахунок блокових затримок і після досягнення гранично можливої тривалості блокової затримки починається загибель клітин. При цьому крива зменшення виживання при подальшому збільшенні дози опромінення має найбільший нахил. При прискоренні процесів поділу клітин період S відноситься до найменш укорочення.

2. Період G1 відрізняється найбільшою чутливістю до радіації і не має на кривій виживаності плеча, яке свідчило б про скільки-небудь помітні можливості репараційних процесів, характерних для цього періоду. Однак період G1 при дії радіації має найбільше абсолютне збільшення своєї тривалості і не має обмежень у цьому (принаймні до дози 9 Гр немає такого обмеження). Загибель клітин відзначена навіть за доз менше 1 Гр. При прискоренні процесів поділу період G1 найбільш варіабельний і може суттєво скорочуватися. У разі скорочення генеративного циклу це відбувається переважно за рахунок періоду G1.

3. Період G2 найкоротший у нормі, і збільшення його при впливі радіації також невелике, хочау відсотковому відношенні і є найбільшим. Цей період швидше за інших виходить на межу можливого збільшення своєї тривалості. За кількістю клітин, що гинуть після опромінення в період G2, він займає проміжне положення між періодами S і G1. Зміни тривалості цього періоду не відбиваються істотно загальної тривалості мітотичного циклу.

Цікаві дані отримані Ямагучи та Табачником при дослідженні кінетики клітин епідермісу шкіри морських свинок у нормі та після локального впливу бета-радіації. Основні дослідження проводилися в період 12-14 діб після опромінення, коли за клітинною депопуляцією розвивалася активна проліферація і відзначався найвищий мітотичний індекс. Результати досліджень наведено нижче. Вказано тривалість всього циклу та окремих його періодів у годинах.