Рожденная веком [Самуил Петрович Ярмоненко] (fb2) читать онлайн

С. П. Ярмоненко Рожденная веком

Я с удовольствием представляю широкому кругу читателей повествование об одной из молодых и бурно развивающихся наук нашего времени — радиобиологии. Усиление исследований в области молекулярной биологии и физиолого-биохимических основ жизнедеятельности, предусмотренное XXV съездом КПСС с целью ускорения решения важнейших медико-биологических проблем, в полную меру относится и к радиобиологии, изучающей возможности управления реакциями организма на действие ионизирующих излучений, стремительно расширяющих сферу своего влияния на человечество.

Профессор С. П. Ярмоненко известен специалистам своей эрудицией и широкими научными интересами. Ему принадлежат крупные специальные монографии по противолучевой защите и биологическим основам лучевой терапии опухолей. Совсем недавно им выпущено первое капитальное руководство по радиобиологии человека и животных, предназначенное для студентов вузов. Сейчас С. П. Ярмоненко выступил с еще более широкой популяризацией радиобиологии.

Интересно написанная книга несомненно привлечет читателей, в первую очередь молодежь, к самым разнообразным, но одинаково увлекательным аспектам одной из центральных проблем современности. И в этом большая заслуга автора.

Л. А. ИЛЬИН, член-корреспондент АМН СССР, директор Института биофизики Минздрава СССР

ВВЕДЕНИЕ

Нельзя допустить, чтобы люди направляли на свое собственное уничтожение те силы природы, которые они сумели открыть и покорить.

Ф. ЖОЛИО-КЮРИ

Название этой книги в полной мере характеризует научную дисциплину, с которой мы хотим познакомить вас, любознательный читатель.

XX столетию повезло в эпитетах. Ему трижды последовательно присваивали разные имена, причем каждое из них оставалось в силе — атомный век, космическая эра и «золотой век» биологии. Как это часто бывает, первое из наименований оказалось наиболее емким, а потому и правильным, так как есть все основания полагать, что успехи в познании тайн ядра и управлении его энергией окажут решающее влияние на многие проблемы жизни нашей планеты, а также за ее пределами. Радиобиология происходит от латинского слова radius — луч и двух греческих слов: bios — жизнь и logos — учение — наука, изучающая действие ионизирующих излучений на живые объекты, или, как часто говорят,— наука, изучающая радиобиологические эффекты. Последние чрезвычайно разнообразны из-за особых проникающих свойств ионизирующих излучений, для которых, как мы узнаем дальше, не существует абсолютных преград. Поэтому эффекты ионизирующих излучений можно зарегистрировать на любом уровне организации материи — от атомного до организменного.

Так как со времени открытия ионизирующих излучений еще не минуло 100 лет, то и радиобиологию следует считать очень молодой наукой, особенно если учесть, что наиболее бурное развитие она получила в последние три десятилетия. Прежде всего это связано с крупными достижениями ядерной физики, а также ряда смежных дисциплин. Радиобиология является как бы вторым поколением «стыковых» наук, возникающих на перекрестках знаний вследствие их постоянной специализации, дифференциации и взаимного оплодотворения. Основываясь, с одной стороны, на таких фундаментальных дисциплинах, как физика, химия, биология, физиология, цитология и генетика, она, с другой стороны, теснейшим образом переплетена со «стыковыми» науками — биофизикой и биохимией.

В следующей главе мы коротко расскажем о полных драматизма становлении и истории радиобиологии. Здесь лишь обратим внимание на один парадоксальный исторический аспект ее развития — непосредственную связь с самым крупным одномоментным массовым убийством, произведенным с помощью атомных бомб в 1945 году, убийством, ошеломившим мир и вызвавшим к жизни бурный поток научных исследований. Цель их была одна: понять повадки нового коварного врага, с тем чтобы обуздать его и заставить работать на себя, а в случае необходимости обеспечить надежную защиту. Знаменательно, что такой разворот событий был предсказан за 40 лет до этого, на самой заре атомного века, одним из первооткрывателей энергии атомного ядра Пьером Кюри. Выступая 6 июня 1905 года с речью в Стокгольмской академии наук по поводу получения Нобелевской премии за открытие радиоактивности, он произнес поистине пророческие слова: «Можно представить себе, что в преступных руках радий способен быть очень опасным, и в связи с этим следует задаться вопросом: является ли познание тайн природы выгодным для человечества, достаточно ли человечество созрело, чтобы извлекать из него только пользу, или же это познание для него вредно. Я лично принадлежу к людям, думающим, что человечество извлечет из новых открытий больше пользы, чем зла». Как сейчас видно, сбылись обе части предсказания. И все же нужно надеяться, что великий ученый окажется правым: в конечном итоге восторжествует благо.

В настоящее время радиобиология сформировалась в самостоятельную дисциплину, имеющую собственные задачи, предмет исследования, а также специальные методы их изучения.

Радиобиология — наука экспериментальная. Ни одно заключение в ней не принимается на веру, без возможности строгой проверки и воспроизводимости при повторных экспериментах. Исследования, в зависимости от задач, ведутся на молекулярном, клеточном, тканевом, системном и организменном уровне. Весьма распространенным, ставшим классическим модельным объектом радиобиологических исследований на уровне организма является мышь.

Дело в том, что мыши, не являясь высокоспециализированными животными, крайне полезны в исследованиях, имеющих отношение к человеку. Крупнейший авторитет в области лабораторного животноводства У. Лейн-Петтер отмечает, что «приспособившись к созданным человеком условиям среды и источникам питания, они поселились в непосредственной близости к нему и стали в буквальном смысле слова царапаться в дверь его лаборатории. Как захребетники человека, мыши внушали ему постоянное отвращение, но переступив порог лаборатории и надев белые халаты, они стали респектабельными, избалованными и необходимыми ему». Мне довелось в Стокгольме видеть любопытную коллекцию в служебном и домашнем кабинетах крупнейшего шведского радиобиолога Л. Ревеса, работающего в Каролинском институте. Это — парад малых и больших, металлических, каменных, деревянных и пластмассовых мышей и даже залитых в полистерол мышиных мумий. Не случайно этот зверек сопровождает и наше повествование в качестве символа благодарного человечества за раскрытие очередной тайны природы.

В рамках небольшой книжки нет возможности даже бегло рассмотреть все проблемы радиобиологии. Поэтому основное внимание в ней сосредоточено на двух альтернативных аспектах проблемы — вредном и полезном действии ионизирующих излучений. Можно ли, однако, говорить о полезном действии ионизирующих излучений? Можно, ответим мы без тени сомнения. Так же можно, как принято говорить о полезном использовании энергии любого вида. Применительно к атомной энергии это относится не в меньшей степени.

ДЕТИЩЕ АТОМНОГО ВЕКА

Иногда надо пятиться, чтобы дальше прыгнуть.

ФРАНЦУЗСКАЯ ПОСЛОВИЦА

Лето 1976 года выдалось на редкость дождливым. Казалось, что на необъятных про--сторах нашей страны не найдется уголка, где можно насладиться безмятежным отдыхом под ласковыми лучами солнышка. Именно в один из таких пасмурных дней на прибалтийском пляже, где я оказался, путешествуя вдогонку за погодой, мне вспомнилась история Анри Беккереля и возникла мысль написать об этом и всех последующих событиях рассказ в виде путевых заметок по следам великого открытия.

Гамбургский мемориал

В апреле 1976 года во время пребывания в ГДР мне довелось увидеть сокровища Дрезденской галереи, родину величайших гуманистов Гёте и Шиллера Веймар рядом с Бухенвальдом — позорным следом фашизма, Лейпциг с его памятниками недавнего прошлого и древней старины: мрачным зданием, где проходило судилище Георгия Димитрова, Томас-кирхой с могилой Баха и Ауэрбах-келлером, где Гёте пришла мысль о Фаусте, дворец Сан-Суси — резиденцию прусской военщины и, наконец, Трептов-парк с величественной скульптурой советского воина-победителя.

Посетив эти места с любезными хозяевами — коллегами по совместной работе Клаусом Ноймайстером и Фридрихом Кампрадом, мы вспомнили с ними о том, что ровно сорок лет назад 4 апреля 1936 года в Гамбурге, напротив Рентгеновского института, где много лет трудился один из пионеров медицинской рентгенологии Альберс-Шонберг, погибший от лучевого рака, состоялось открытие мемориала, воздвигнутого германским обществом рентгенологов. На передней стороне колонны, увенчанной лавровым венком, было высечено: «Памятник посвящается рентгенологам и радиологам всех наций, врачам, физикам, химикам, техникам, лаборантам и сестрам, пожертвовавшим своей жизнью в борьбе против болезней их ближних. Они героически прокладывали путь для эффективного и безопасного применения рентгеновых лучей и радия в медицине. Слава их бессмертна».

На остальных сторонах памятника в алфавитном порядке высечены имена 169 человек, умерших к тому времени от мучительных радиационных поражений, вызванных рентгеновскими лучами и радием. Годом спустя их биографии и портреты были помещены в специально выпущенной Майером «Книге почета».

В 1941 году мемориал был дополнен еще двумя памятниками с именами 17 жертв, а в 1959 году «Книга почета», вышедшая вторым изданием, содержала уже 360 фамилий, в том числе 13 наших соотечественников. Но и этот список, к сожалению, оказался не исчерпывающим.

Знаменательно, однако, что за период с 1936 по 1959 год развитие ядерных исследований приобрело гигантские масштабы; в сферу воздействия ионизирующих излучений были вовлечены огромные контингенты людей. Между тем число жертв увеличилось лишь вдвое, причем многие из них погибли вследствие заболевания, возникшего еще в ранние годы, предшествовавшие этому периоду. Причины счастливого диссонанса между резким повышением контактов человека с ионизирующими излучениями и еще более значительным относительным снижением частоты лучевых поражений состоят в успехах новой области знаний — радиобиологии. Мы уже упоминали, что бурному развитию этой науки в значительной степени способствовала угроза ядерной катастрофы, которая с 40-х годов по вине империалистов нависла над миром. Сотни тысяч жертв в Японии, а в последующем повышение радиационного фона в атмосфере планеты выдвинули глобальную неотложную задачу — разработку проблемы противолучевой защиты, которая потребовала изучения механизмов биологического действия ионизирующих излучений.

После беглого экскурса, имевшего целью лишь показать, какой дорогой ценой расплатилось человечество за овладение энергией атома, вернемся к описанию основных исторических событий, памятуя об их огромной значимости для мирового прогресса. В этом наглядный пример драматизма фактов и идей, которыми так богата история радиобиологии, как, впрочем, и всей цивилизации.

Вюрцбург конца XIX века

Вильяма Конрада Рентгена мировая слава настигла в возрасте 50 лет. Он руководил тогда физическим институтом и кафедрой физики Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 года Рентген окончил, как обычно, поздно вечером эксперименты в лаборатории, помещавшейся этажом ниже его квартиры. Погасив свет, он заметил в темноте зеленоватое свечение, исходившее от кристаллов платино-синеродистого бария. Оказалось, что находившаяся поблизости круксова трубка, обернутая в черную бумагу, осталась под высоким напряжением, которое Рентген забыл выключить перед уходом. Свечение немедленно прекращалось, как только отключался ток, и тотчас возникало, однако, при его включении. Катодные, как и видимые, лучи не проникают сквозь черную бумагу и поэтому Рентгена осенила гениальная догадка о том, что при прохождении тока через трубку в ней возникает какое-то неизвестное излучение, которое он и назвал Х-лучами.

В эту ночь ученый не вернулся домой. Последующие 50 суток также были посвящены напряженной работе. Венцом этого самозабвенного творчества была рукопись, содержащая 17 страниц коротких обоснованных тезисов, которую Рентген вручил 28 декабря 1895 года председателю Вюрцбургского физико-медицинского общества вместе с первым рентгеновским снимком своей руки. В первых числах января 1896 «рентгеновского» года вышла из печати брошюра Рентгена, а в ближайшие недели — ее перевод на русском, английском, французском и итальянском языках.

Русский перевод под названием «Новый род лучей» был выпущен в Петербурге и содержал фотографию первой рентгенограммы руки, произведенной в России 16 января 1896 года.

6 января 1896 года известие об открытии Рентгеном всепроникающих лучей было передано лондонским телеграфом по всему миру, и все культурное человечество восприняло эту весть как величайшую сенсацию.

23 января состоялось триумфальное выступление Рентгена на заседании общества естествоиспытателей в Вюрцбурге, где он под овации всей аудитории произвел снимок руки председателя общества известного анатома Келликера. Маститый ученый заявил, что за 48 лет работы общества он не присутствовал при столь значительном научном событии, провозгласил троекратное «ура» в честь великого Рентгена и предложил назвать новые лучи именем их первооткрывателя, что с энтузиазмом было принято присутствовавшими, а впоследствии и всем миром.

10 декабря 1901 года Рентгену была присуждена первая Нобелевская премия по физике за выдающийся вклад в науку.

О значении самого открытия и глубине произведенного Рентгеном экспериментального анализа нового вида излучения написаны тома. Все это, однако, можно легко подытожить словами нашего замечательного соотечественника академика А. Ф. Иоффе, проработавшего с Рентгеном около 20 лет. В своих воспоминаниях, посвященных 50-летию открытия рентгеновских лучей, он пишет: «Из того, что Рентген опубликовал в первых трех сообщениях, не может быть изменено ни одно слово. Многие тысячи исследований не могли прибавить ни йоты к тому, что сделал сам Рентген в самых элементарных условиях с помощью самых элементарных приборов».

Небезынтересна «своеобразная» реакция обывателей и прессы того времени на сенсационное открытие. Некоторые ньюйоркские газеты, например, писали о том, что новые лучи могут фотографировать души умерших. Одна из них сообщала о применении рентгеновских лучей в колледже врачей и хирургов для проецирования анатомических картин прямо в мозг студентам, что дает им более прочные знания, чем обычные методы обучения. Один из членов законодательного собрания в Нью-Джерси Рид 19 февраля 1896 года внес законопроект, запрещающий из морально-этических соображений использование рентгеновских лучей в театральных биноклях. Различные фирмы стали усиленно рекомендовать непропускающее рентгеновские лучи нижнее белье, а также шляпы, предохраняющие от чтения чужих мыслей. По свидетельству современников, викторианские девушки краснели лишь при одном упоминании о рентгеновских лучах, ибо каждая из них могла уподобиться леди Годайве¹, беспомощной под взглядом любопытных, вооруженных биноклями с рентгеновскими лучами. Пожилые мужчины с удовольствием вели на эти темы беседы в клубах. Появлялись политические памфлеты и карикатуры вплоть до рентгеновского снимка совета министров великой державы. Раздраженная ситуацией лондонская «Пэлл Мэлл газетт» разразилась в передовой: «Нам надоели рентгеновские лучи. Самое лучшее, что нужно сделать цивилизованным странам,— это объединиться и сжечь все рентгеновские лучи, казнить всех изобретателей, утопить оборудование всего мира в океане. Пусть рыбы разглядывают свои кости, если им угодно, но не мы». Блеснул тупостью и венский полицмейстер, издавший следующее постановление: «Ввиду того, что по нашему заведению не поступало официальных сведений о свойствах новых лучей, строго воспрещается производить какие бы то ни было опыты впредь до выяснения вопроса и особого распоряжения полиции».

Возникшая шумиха не могла охладить интереса к великому открытию. Рентгеновы лучи немедленно стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практическое применение. Кроме того, они послужили непосредственным импульсом к обнаружению нового явления — естественной радиоактивности, которое потрясло мир менее чем через полгода после открытия рентгеновских лучей.

Париж эпохи атомной зари

Невидимые человеческому глазу первые проблески атомной зари появились на фотографической пластинке профессора физики Парижского музея естественной истории Анри Беккереля. Он — признанный всемирный авторитет в области люминесценции — в это время, как и многие, интересовался природой всепроникающих рентгеновских лучей. Исследуя индуцируемое солнечным светом свечение различных минералов, Беккерель обнаружил, что оно возникает и при освещении соли урана. Оказалось, что если такую соль положить на завернутую в черную бумагу фотографическую пластинку и выставить на солнце, то при проявлении пластинка засвечивалась лишь в том месте, где лежала соль урана. Беккерель решил повторить это наблюдение. Однако день оказался пасмурным, и опыт пришлось отложить, а пластинка, обернутая в непроницаемую для света бумагу с наложенной сверху солью урана в виде креста, была оставлена профессором в темном ящике письменного стола. Через два дня — 1 марта 1896 года — снова выдался солнечный день и можно было воспроизвести опыт. Движимый интуицией, ученый решил проявить пластинку, не освещая ее солнцем. К его удивлению, на пластинке оказались точные очертания креста, выложенного из соли урана. Значит, уран самостоятельно, независимо от солнечного излучения, испускает невидимые глазу «урановые лучи»!!!

Итак, оба великих открытия в значительной мере обязаны счастливым случайностям. Но здесь уместно напомнить мудрые слова Луи Пастера: «Случай помогает лишь умам, подготовленным к открытиям». Действительно, еще задолго до Рентгена и одновременно с ним многие исследователи работали с катодными лучами, наблюдали даже свечение экрана, а следовательно, «видели» рентгеновское излучение, но «увидел» (распознал) его только Рентген, и не потому, что ему повезло, а потому что «на случай при великих открытиях наталкиваются те, кто его заслуживает» (Лагранж).

Десятки исследователей после открытия Рентгена были заняты исканием новых таинственных излучений. Но и здесь лишь пытливому и талантливому Анри Беккерелю удалось отличить от возбуждаемой солнечным светом люминесценции самостоятельное испускание ураном проникающего излучения.

Парижу повезло не только на Беккереля. Изучение открытого им явления стало предметом страстных исканий вначале величайшего исследователя Марии Склодовской-Кюри, а вскоре и ее мужа — не менее блестящего ученого Пьера Кюри. 11-летняя беззаветная любовь и совместное творчество этой пары — одна из замечательнейших и красивейших страниц истории науки — ознаменована, открытием и выделением нескольких радиоактивных элементов, среди которых главные — полоний и радий — соответственно были открыты в июле и в декабре 1898 года. Полоний был назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши, а радий означает лучистый. Отсюда и само явление было названо ею радиоактивностью.

Величие открытия радиоактивности было ознаменовано присуждением в 1903 году Нобелевской премии по физике Пьеру и Марии Кюри, а также Анри Беккерелю.

Мы заканчиваем краткое изложение истории зарождения физических предпосылок радиобиологии, отсылая любознательного читателя к специальной историко-мемуарной литературе, в первую очередь к повествованиям о чете Кюри. Коротко напомним лишь о фактах, иллюстрирующих неоценимый вклад этой фамилии в развитие ядерных исследований. В 1911 году Мария Кюри награждается второй Нобелевской премией за работы в области радиационной химии; такой чести еще и до наших дней не удостоен ни один ученый. Всего Марии Кюри было присуждено 10 премий и 16 медалей; она была избрана почетным членом 106 различных научных учреждений, академий и научных обществ.

История всех времен и народов не знает примера, чтобы две супружеские пары в двух последовательных поколениях внесли столь большой вклад в науку, как семья Кюри. В 1935 году, через 32 года после родителей, получает Нобелевскую премию их дочь Ирен вместе со своим мужем — внуком французского коммунара — Фредериком Жолио за исследования в той же области, теперь — за открытие искусственной радиоактивности. Итак, 5 Нобелевских премий на четверых в одной семье!

Чрезвычайный интерес и уважение к двум поколениям Кюри — ученых объясняется еще и их высокими моральными качествами. Преданность науке привела к тому, что жизнь их была в прямом смысле принесена ей в жертву. Мария, Ирен и Фредерик Жолио умерли от лучевой болезни, и есть все основания полагать, что лишь трагическая ранняя кончина Пьера (в результате уличной катастрофы) избавила ёго от той же участи.

Этапы становления

Изучение биологического действия ионизирующих излучений началось тотчас после открытия рентгеновских лучей. Среди самых ранних работ известны классические исследования нашего соотечественника И. Ф. Тарханова, установившего уже в 1896 году реакции на облучение во многих системах организма, на основании чего им было высказано сбывшееся вскоре предположение о возможности лечебного применения рентгеновского излучения. Достаточно сказать, что лишь за год после его открытия было издано 49 книг и более 1000 статей об использовании Х-лучей в медицине.

В том же 1896 году в печати появились сообщения о поражениях кожи (эритемах, дерматитах, выпадении волос) у лиц, подвергавшихся частым и продолжительным воздействиям Х-лучами при проведении экспериментов, а в 1902 году Фрибен описал первый случай лучевого рака кожи.

В 1914 году Фейгина собрала из литературы 114 случаев рентгеновского рака у медицинского и технического персонала, а в 1933 году один из основоположников отечественной рентгенорадиологии М. И. Немёнов отмечает, что на съездах рентгенологов можно встретить ветеранов рентгенологии без пальцев и.даже без всей конечности из-за ампутации по поводу рентгеновского рака. Жертвой его пали такие крупные исследователи, как Бергонье, Леви-Дорн, Розенблат, Холцкнехт и другие.

Первыми о накожном действии радия заявили Вальков и Гизов. Пьер Кюри тотчас проверил это на собственном предплечье, и, по рассказам очевидцев, к его великой радости, участок кожи, соприкасавшийся с радием, оказался пораженным. 3 июня 1901 года Анри Беккерель на протяжении 6 часов носил в кармане жилета ампулу с радием и тоже получил ожог. Об этом через 10 дней, когда появилась эритема (а потом и долго незаживающая язва), он, одновременно обуреваемый восторгом и яростью, прибежав к Марии Кюри, восклицает: «Радий я люблю, но сердит на него».

Долгое время объектом наблюдения оставалась кожа, так как никто не предполагал, что рентгеновские лучи могут влиять и на глубоко расположенные ткани. Только в 1903 году Альберс-Шонберг обнаружил поражение семенников, в 1905 году Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облученных животных, а вскоре Броун и Осгоуд впервые описали бесплодие у людей — молодых рабочих завода рентгеновских трубок.

В 1903 году русскому исследователю Е. С. Лондону и немецкому биологу Хейнеке удалось вызвать гибель мышей, подвергнутых воздействию радия или рентгеновского облучения, причем оба они обратили внимание на поражение органов кроветворения. Детально описанные Хейнеке типичные радиационные изменения клеток костного мозга и лимфатических узлов являются классическими и по сей день.

В 1911 году вышла книга Е. С. Лондона «Радий в биологии и медицине». Она была опубликована на немецком языке и считается первой в мире монографией по радиобиологии.

Приведенные примеры, как и другие многочисленные наблюдения, знаменовали собой первый описательный этап развития радиобиологии. Но уже в этот период было установлено три кардинальных факта: вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления, различие в степени выраженности реакций разных клеток на облучение и большая роль ядра в клеточной радиочувствительности. Французскими исследователями Бергонье и Трибондо на основании тщательных экспериментов в 1906 году были сформулированы положения, вошедшие в историю под названием закона или правила Бергонье и Трибондо. Суть их состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем у них большая способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т. е. чем они менее дифференцированы.

Таким образом, уже в этот самый ранний период первоначальных наблюдений была подмечена наиболее важная особенность ионизирующих излучений — их избирательное действие, которое зависит не от самих лу-чей, а от свойств тех или иных клеток, определяющих их радиочувствительность. Благодаря этому, несмотря на совершенно одинаковые условия облучения даже одной и той же ткани, а тем более разных органов, одни клетки (активно делящиеся) погибают, а другие (неделя-щиеся) не обнаруживают повреждений.

Как оказалось в последующем, все эти ранние наблюдения имели фундаментальное значение, но в тот период они носили качественный характер, а кроме того, не было никакой теории, объясняющей механизм действия ионизирующих излучений на живые объекты.

Второй этап развития радиобиологии связан со становлением количественных принципов, имевших целью связать биологический эффект с дозой излучения. Этот этап характеризуется массовыми экспериментами на различных популяциях клеток и животных с количественным-отражением результатов на специальных кривых «доза — эффект». Такой способ анализа результатов радиобиологических экспериментов остается ведущим и по настоящее время.

Одна из знаменательных дат этого этапа— 1922 год, когда немецкий физик, хорошо знавший биологию и медицину Фридрих Десауэр, предложил первую теорию, объяснявшую радиобиологический эффект дискретностью событий — ионизаций чувствительного объема. Эти взгляды в последующем получили развитие в виде принципа попаданий и теории мишени в трудах блестящего русского исследователя Н. В. Тимофеева-Рессовского и известного английского физика Дугласса Эдварда Ли. К рассказу об этих работах мы еще вернемся в одном из увлекательных путешествий внутрь клетки.

Одним из эпохальных событий в радиобиологии явилось обнаружение действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки с наследственной передачей приобретенных признаков. Впервые эти наблюдения были сделаны в Ленинграде нашими соотечественниками Г. А. Надсоном и Г. Ф. Филипповым в 1925 году в опытах на дрожжах. К сожалению, это крупнейшее открытие не получило тогда должной оценки, и лишь после работ немца Ж. Меллера, подтвердившего эти результаты в экспериментах на дрозофиле, радиационногенетические исследования стали проводиться широким фронтом.

Мощным импульсом к бурному развитию радиобиологии явились успехи ядерной физики, обозначившие уже к началу 40-х годов перспективу овладения энергией атомного ядра. Именно с этим связана организация специальных лабораторий и институтов во всем мире, в том числе и в СССР.

В 1955 году вопросы радиобиологии впервые подверглись широкому международному обсуждению на первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. К этому времени общепланетарной проблемой стало резкое увеличение радиационного фона в атмосфере Земли вследствие массовых испытаний ядерного оружия. А вскоре перед радиобиологами задачу поставили и космические исследования.

С этого времени начался третий этап в развитии радиобиологии, продолжающийся и по настоящее время. Сейчас она представляет собой комплексную науку с четко выделенными отдельными направлениями: общая (фундаментальная) радиобиология; радиационная биохимия, биофизика, цитология, генетика, экология, иммунология, гигиена; радиобиология злокачественных опухолей, сельскохозяйственная радиобиология; радиобиология животных и человека; противолучевая защита и лечение радиационных поражений; космическая радиобиология.

В последние 20 лет ежегодно собираются международные или национальные конгрессы, конференции или симпозиумы по отдельным направлениям радиобиологии, привлекающие внимание огромного числа исследователей. Достаточно сказать, что уже на Втором международном конгрессе по радиационным исследованиям, состоявшемся в Англии в 1962 году, присутствовало 1200 ученых из 40 стран. Значительно более представительным был прошедший в США в 1974 году Пятый международный конгресс.

При Организации Объединенных Наций имеются специальные комитеты по сбору и обсуждению всей научной информации о действии ионизирующей радиации на организм человека и о путях противолучевой защиты.

С 1962 года в Советском Союзе учрежден специальный Научный совет АН СССР по проблемам радиобиологии, координирующий фундаментальные исследования в радиобиологии, направленные на решение злободневных практических задач. Его деятельность в значительной степени связана с охраной здоровья человека и окружающей среды. Первым председателем Научного совета был академик АМН СССР Андрей Владимирович Лебединский, а с 1964 года Советом руководит член-корреспондент АН СССР Александр Михайлович Кузин.

Научный совет играет очень большую.роль в развитии отечественной радиобиологии, к участию в его работе привлечены ведущие радиобиологи страны из АН СССР и других ведомств, в первую очередь ученые научно-исследовательских учреждений АМН СССР и Министерства здравоохранения СССР.

По инициативе Научного совета в Советском Союзе проведены три международных симпозиума (1962, 1971, 1975 гг.), обсуждавших теоретические вопросы первичных и начальных механизмов радиобиологического эффекта.

В настоящее время к проблемам радиобиологии, как и биологии вообще, привлечено внимание большого числа естествоиспытателей смежных специальностей, прежде всего физиков и химиков. Поэтому современный этап развития нашей дисциплины можно охарактеризовать следующим образом.

Накапливается разносторонняя информация о реакциях на облучение отдельных биологических объектов, систем и популяций разной степени сложности, причем развитие ядерной физики делает возможным изучение таких взаимодействий с помощью новых видов ионизирующих излучений, в том числе ядерных частиц гигантских энергий. Это определяет перспективу решения традиционных задач радиобиологии, а также создает основы для оригинальных подходов к изучению фундаментальных закономерностей биологической формы существования и развития материи.

Рожденная веком — так назвали мы эту книгу. И теперь, дорогой читатель, вы, вероятно, согласитесь с тем, что радиобиология с полным правом может считаться законным детищем нашего века. Это станет еще более наглядным после кратковременного экскурса в следующей главе к физическим основам нашей дисциплины и к современным ядерным установкам.

ОТ ФИЗИКИ К БИОЛОГИИ

От ложного знания к истинному незнанию.

Каламбур

Эпиграфом к данной главе взят лозунг традиционной школы по молекулярной биологии, организуемой в последние годы каждую зиму в подмосковном городе физиков-ядерщиков Дубне.

Михаил Владимирович Волькенштейн, приводя тот же лозунг в своей книге «Перекрестки науки», справедливо замечает, что это не просто шутка. Ложное знание удовлетворяется общими фразами о целесообразности живой природы, о качественной специфичности живой материи. Истинное же незнание означает четкую научную формулировку нерешенных проблем. В биологии (а следовательно, и в радиобиологии, скажем мы) их гораздо больше, чем решенных. Излагая свои взгляды на этот счет, автор соглашается в существовании качественных различий между живой и неживой материей и отсутствием промежуточных случаев между, ними, что, по его мнению, не означает каких-либо границ для физико-химического понимания жизни как целого в смысле принципа дополнительности. Эту точку зрения М. В. Волькенштейн излагает в письме к знаменитому Нильсу Бору и в ответ получает полное согласие величайшего мыслителя нашего века.

Радиобиологам такая точка зрения особенно близка, ибо ионизирующие излучения свое название получили из-за способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Иными словами, прологом к драме, ее первым актом являются события, разыгрывающиеся на самых элементарных уровнях организации материи.

Внутрь атома

Для ионизирующих излучений нет преград, они проникают всюду и потому имеют второе, не менее часто употребляемое наименование — проникающая радиация. Этим свойством она обязана присущей ей высокой энергии, превышающей энергию связи отдельных атомов и молекул в любом веществе живой или неживой материи, вследствие чего в зависимости от конкретной величины энергии (а также от заряда) она проникает внутрь атомов на разную глубину облучаемого объекта. Минимальная энергия излучения, потребная для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, составляет 10—15 эВ. Среднюю энергию ионообразования принимают равной 34 эВ. Максимальную величину энергии ионизирующих излучений трудно назвать, она достигает значений тысяч, миллионов и миллиардов электрон-вольт.

Все существующие в природе и искусственно образуемые ионизирующие излучения можно разделить на два типа: электромагнитные и корпускулярные.

Электромагнитные (их иногда называют квантовыми, или фотонными) излучения имеют ту же природу, что и видимый свет или радиоволны, отличаясь от них только значительно меньшей (в тысячи раз и более) длиной волны, или, как принято говорить, большей жесткостью. Минимальное количество одномоментно поглощаемой энергии электромагнитного излучения называют квантом, или фотоном. Энергия квантов выражается отношением 12 400/%, где % — длина волны излучения в ангстремах. Отсюда понятно, что чем короче длина волны, тем больше энергия излучения. В связи с этим энергия квантов коротковолнового излучения на много порядков выше, чем энергия световых квантов. К электромагнитным излучениям относят рентгеновские лучи, гамма-лучи радиоактивных изотопов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. На рис. 1 представлена шкала электромагнитных излучений в логарифмическом масштабе.

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения. Для наглядности приведены размеры атомов и биологических микрообъектов.

Все остальные виды ионизирующей радиации имеют корпускулярную природу и являются элементарными ядерными частицами. Большинство из них заряженные корпускулы: отрицательные — р-частицы, представляющие собой электроны, или положительные — протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы — ядра других элементов. Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда ядерные частицы — нейтроны, которые опосредованно также вызывают ионизацию. Наконец, в последнее время стали активно изучать отрицательные пи-мезоны в связи с перспективой их использования в лучевой терапии опухолей.

Отдельные кванты, или фотоны, гамма- и рентгеновских лучей обладают наибольшей проникающей способностью. Не имея массы покоя и не обладая зарядом, они почти беспрепятственно проникают в глубь ткани. Пробег их, главным образом, зависит от плотности вещества, поэтому он быстро сокращается в таких плотных материалах, как свинец или бетон, используемых обычно в качестве защитных экранов. Естественно, что проникающая способность увеличивается с ростом энергии падающего фотона, расходуемой по ходу его движения на ионизацию атомов и молекул.

Существует несколько механизмов передачи энергии электромагнитного излучения веществу. Основной из них, характерный для взаимодействия излучений с энергией больше 1 Мэв, называется эффектом Комптона. При нем происходит как бы упругое столкновение между падающим фотоном излучения и выбиваемым электроном. Оставшуюся энергию уносит другой, вторичный фотон, образующийся в результате этого взаимодействия, который вновь претерпевает комптон-эффект, и т. д. до полного расходования энергии первичного фотона (рис. 2).

Рис. 2. Комптон-эффект. Падающий фотон с энергией Е испытывает соударение с электроном е, приводя его в движение и сообщая ему энергию Е_а. Остаток энергии E_s = =Е—Е_а уносится рассеянным фотоном

Аналогичным образом вызывают ионизацию и заряженные корпускулярные излучения, длина пробега которых увеличивается с энергией и уменьшается с массой частиц. Нейтроны из-за отсутствия электрического заряда беспрепятственно проникают в глубь атомов, и, сталкиваясь с их ядрами, либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них, подобно бильярдным шарам. При таком упругом рассеянии образуются сильно ионизирующие протоны большой энергии, а при поглощении нейтронов атомными ядрами из последних вылетают протоны, α-частицы и у-кванты, которые также производят ионизацию. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или у-квантами. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь около 10% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода — протонами энергия нейтрона уменьшается почти втрое, передаваясь протону отдачи (рис. 3). Поэтому вещества, содержащие много водорода,— графит, вода, парафин — используют для защиты от нейтронного излучения, так как в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. Если энергии ионизирующих излучений не хватает для отрыва электрона, т. е. для ионизации, то такие кванты поглощаются атомами и приводят их в возбужденное состояние.

Рис. 3. Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода вещества. Часть энергии нейтрона передается в виде кинетической энергии протону отдачи, а сам нейтрон остается с меньшей энергией, постепенно замедляется и затем поглощается в одном из ядер атомов вещества

Кроме длины пробега, остальные различия между отдельными видами ионизирующих излучений сводятся к пространственному распределению вызываемых ими актов ионизации. Энергию, теряемую фотоном или частицей на единице их пути, называют линейной потерей, или передачей энергии (ЛПЭ). За единицу ЛПЭ принимают количество энергии (в кэВ) излучения, расходуемой при прохождении им 1 мкм в воде. В зависимости от этой величины все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим обычно относят электромагнитные излучения и электроны, а к плотноионизирующим — нейтроны, дейтроны и более тяжелые заряженные частицы.

Однако это деление достаточно условное, так как ЛПЭ связана не с физической природой или массой частицы, а зависит от скорости ее полета. В современных мощных ускорителях тяжелые заряженные ядерные частицы разгоняют до огромных скоростей и энергий, в результате чего они могут ионизовать даже слабее, чем электроны, и их, конечно, следует рассматривать как редкоионизирующие излучения, как, впрочем, и космические лучи, состоящие в основном из протонов и тяжелых ядер. Поэтому к редкоиони-зирующим следует относить все виды излучений независимо от физической природы, имеющие ЛПЭ 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим — превышающие эту величину. В конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизаций, описываемому известной кривой Брэгга, с конечным максимумом — пиком Брэгга (рис. 4). Эта особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц используется, как мы увидим далее, при лечении опухолей, так как позволяет сосредоточить на глубине значительную энергию при ее максимальном рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка.

В отличие от заряженных частиц кванты электромагнитного излучения проходят мимо многих атомов, не притягиваясь ими, и, как мы теперь уже знаем, лишь случайно, столкнувшись с одним из них, вышибают орбитальный электрон. Поэтому ионы на пути движения кванта появляются очень редко, а проникающая способность, т. е. длина пробега, электромагнитных излучений велика.

Рис. 4. Кривая Брэгга α-частицы

Биологический эффект прежде всего связан с количеством поглощенной энергии, т. е. с дозой излучения. Оценку дозы производят различными физическими и химическими методами. Самое общее представление о падающей энергии излучения может быть получено измерением количества энергии, освобождаемой источником излучения за время облучения в объекте. Чаще всего измеряют так называемую экспозиционную дозу, под которой понимают ионизирующую способность излучения в воздухе. Единицей ее измерения для электромагнитного излучения служит 1 рентген (Р). При дозе 1 Р электроны, освобожденные γ-квантами из 1 см³ воздуха, создают 2,08-10⁹ пар ионов; энергетическим эквивалентом рентгена является величина, равная 0,88-10~² Дж/кг. Для всех других видов ионизирующих излучений единицей дозы служат производные 1 Р, учитывающие относительную биологическую эффективность данного вида излучения.

Итак, фотоны и ядерные частицы, беспрепятственно ворвавшись внутрь молекул и атомов, превращают одни из них в ионы, а другие приводят в возбужденное состояние. Результаты этой «молекулярной катастрофы» незамедлительно сказываются на дальнейшей судьбе облученных клеток, тканей и организмов. Нам еще предстоит не только рассмотреть все последующие акты драмы, но и увидеть, как она может быть использована на благо человеку. Сейчас, однако, предпримем путешествие в обители физиков, до недавнего времени считавшиеся священными, а теперь широко открытые их любезными хозяевами длябиологов и медиков.

Ядерные мастодонты

Представьте себе машину, имеющую сотни метров в диаметре или тысячи метров в длину. Это — далеко не предельные размеры ныне действующих ускорителей ядерных частиц тех самых представителей атомного микромира, о которых только что шла речь. Гигантские размеры линейных ускорителей, синхротронов, фазотронов и других машин, сложнейшее оборудование, среди которого в особом почете огромные магниты и магнитные линзы, нужны для того, чтобы разогнать ядерные частицы до фантастических скоростей и тем самым нагрузить их колоссальной энергией порядка миллионов (МэВ) и миллиардов (ГэВ) электрон-вольт. Такая энергия превращает и без того вездесущие «пули» в разрушительные «снаряды», моделирующие происходящие в природе микрокатастрофы и тем самым открывающие все новые тайны мироздания.

В последние 15—20 лет, однако, возможности ядерных мастодонтов стали пытаться использовать для практических, земных дел, прежде всего, для улучшения лучевых методов лечения рака. Совсем недавно для того, чтобы познакомиться со специально выведенными для медико-биологических целей пучками протонов высоких энергий, нужно было отправиться в США, в Швецию или в Швейцарию. Сегодня это легко сделать, посетив г. Дубну — ядерную мекку стран СЭВ, или Институт теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве, или Ленинградский институт ядерной физики (ЛИЯФ) в г. Гатчине, или, наконец, Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) в Протвино.

В Дубне нас любезно примет директор лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент АН СССР Венедикт Петрович Джелепов. Он первым откликнулся на предложение лидера отечественной онкологии академика АМН СССР Николая Николаевича Блохина и профессора Аркадия Иосифовича Рудермана изучить возможности клинического использования протонов, в изобилии получаемых на 780-МэВ-ном синхроциклотроне. На этом ускорителе выведен специальный медико-биологический пучок протонов с энергией 160—180 МэВ. Здесь же оригинальным способом, разработанным под руководством О. В. Савченко, получен пучок отрицательных пи-мезонов. Это чрезвычайно интересные ядерные частицы. Они имеют положительный заряд, но по своей массе намного легче протона, хотя в 173 раза превышают массу электрона. Отрицательные пи-мезоны с энергиями 25— 100 МэВ обладают уникальными особенностями. Весь свой путь в ткани до полного торможения они проходят почти без ядерных взаимодействий, а в конце пробега со 100 %-ной вероятностью захватываются ядрами атомов ткани. Так как при этом в ядро вносится очень большая энергия, равная массе покоя пи-мезона (140 МэВ), то, как правило, каждый акт его поглощения сопровождается разрушением ядра и вылетом нейтронов, протонов, α-частиц, ионов Li, β и других плотноионизирующих частиц, создающих большое локальное энерговыделение в непосредственной близости от места захвата пи-мезона. Эта особенность взаимодействия отрицательных пи-мезонов (образование «звезд») явилась основанием для начала работ по их применению в лучевой терапии опухолей, интенсивно проводящихся сейчас в СССР й США. Мы вернемся к ним специально, когда будем рассматривать возможности лечебного применения ионизирующих излучений.

Другая группа энтузиастов применения достижений ядерной физики и ускорительной техники в медицине встретит нас в ИТЭФ. Здесь она представлена директором Института профессором Иваном Васильевичем Чувило, профессором Львом Лазаревичем Гольдиным, В. С. Хорошковым и М. Ф. Ломановым. Ими осуществлен оригинальный вывод протонов в диапазоне 70—200 МэВ на 7-ГэВ-ном синхротроне с внутреннего участка ускорительной траектории (равновесной орбиты) в моменты, соответствующие определенным энергетическим ступеням. Этим обеспечивается моноэнергетичность пучка и возможность его использования независимо от работы ускорителя для физических целей.

Упсала и супермастодонты

Воспоминания о недавнем посещении Упсалы — древней столицы Швеции полны контрастами. Деревянные домики древних викингов, расположенные у подножия гигантских курганов, хранителей останков шведских королей, прекрасно сохранившийся мощный кирпичный замок одного из них рядом со старейшим Университетом, который, свято чтя память захороненного здесь Карла Линнея, располагает крупнейшей в Скандинавии библиотекой и самым современным Институтом Густава Вернера с его мощным ускорителем протонов — синхроциклотроном на 185 МэВ.

Душа биологических исследований на этом ускорителе— профессор Бёри Ларсон. Он физик и биолог по образованию — один из пионеров использования протонов высоких энергий в онкологии, начал эти работы еще в середине 50-х годов. Ларсон — автор проекта многоканального протонного комплекса, который рассчитан на одновременное лечение нескольких больных. Это очень интересный проект, однако он не находит своей реализации в Швеции, так как государство не идет на выделение требуемых для строительства больших денежных средств.

Но то, что невозможно в Швеции, абсолютно реально в Советском Союзе. У нас в Онкологическом научном центре предусмотрено Строительство аналогичного комплекса, который рассчитан на ежедневное лечение 100 пациентов, что полностью обеспечивает потребности региона с 8 млн. жителей.

Крайне интересны перспективы развития ядерных установок Дубны. Здесь проектируется реконструкция синхроциклотрона Лаборатории ядерных проблем, рассчитанная на повышение интенсивности внутреннего пучка протонов в 100—200 раз и на получение мощных потоков отрицательных пи-мезонов. Здесь же проектируется выведение пучков ускоренных многозарядных ионов. На всех этих ускорителях — супермастодонтах можно будет, кроме того, получать короткоживущие радиоактивные изотопы для диагностики многих заболеваний.

Интересны перспективы биологических работ на уже ныне действующих супермастодонтах — синхротроне ИФВЭ в Протвино, где энергия ускоренных протонов составляет 70 ГэВ (70 000 МэВ).

История мировой цивилизации никогда не забудет советского первопроходца космоса Юрия Гагарина. Защита его сегодняшних последователей и жизнеобеспечение будущих поколений астронавтов составляет актуальную задачу самой молодой области радиобиологии — космической радиобиологии. Ее становление в нашей стране было осуществлено Юрием Григорьевичем Григорьевым. Развитие космической радиобиологии во многом связано с освоением биологических эффектов ядерных частиц высоких энергий, ибо они составляют значительную долю постоянного радиационного фона в космосе и представляют основную опасность при его резком повышении.

В феврале 1977 года в Дубне собрались физики, радиобиологи и лучевые терапевты социалистических стран. Здесь обсуждались перспективы нейтронной радиобиологии. Особый интерес и возможности в этом плане представляет оригинальный импульсный быстрый реактор нейтронов ИБР-2, реконструируемый здесь на основе действующего, созданного по проекту академика Ильи Михайловича Франка, реактора ИБР-30. Детальное комплексное изучение радиобиологических эффектов быстрых нейтронов, планируемое в странах СЭВ, позволит разработать принципы их оптимального использования в лучевой терапии опухолей, тем более что уже сегодня специалисты из ГДР располагают опытом их клинического применения, которым поделились профессор Эйхгорн, профессор Магдон, физики Мачке и Меркле.

Перспективы медико-биологическОго изучения тяжелых заряженных частиц в Советском Союзе привлекают внимание научной общественности всего мира. В обсуждении этой проблемы, которое состоялось в Москве в декабре 1977 года, наряду с отечественными видными физиками, экспериментаторами и клиницистами приняли участие крупнейшие иностранные ученые Европы и США. В дружеской обстановке горячих дискуссий обсуждалось сегодняшнее состояние вопроса и его перспективы. По общему признанию, протоны высоких энергий оценены как оптимальное радиационное средство среди редкоионизирующих излучений при облучении труднодоступных опухолевых мишеней, а в сочетании с эффективными радиомодифицирующими агентами и при лечении других злокачественных опухолей, когда удается сформировать необходимое изодозное поле.

Имеющиеся в нашей стране реальные возможности использования достижений ядерной физики и техники в биологических и медицинских целях отражают аналогичные тенденции в других технически развитых странах. Например, в США (Лос-Аламосе) строится линейный ускоритель протонов с энергией 800 МэВ, на котором предполагается получить интенсивный пи-мезонный пучок — «фабрику» отрицательных пи-мезонов. По проекту Калифорнийского университета в Беркли планируется строительство мощного циклического ускорителя многозарядных ионов — омнитрона. Чрезвычайная дороговизна омнитрона обусловила ему конкуренцию с проектом реконструкции для этих же целей действующего ускорителя Бевалака — Беватрона.

Выведение мощных пи-мезонных пучков планируется также в Британской Колумбии и Швейцарии.

Мы совершили краткий маршрут от физики к биологии. Продолжим его теперь по главным магистралям нашей дисциплины.

КТО КРЕПЧЕ И ПОЧЕМУ? ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ

Знание действия зависит от знания причины и заключает в себе последнее.

Б. СПИНОЗА

Если подвергнуть общему облучению какое-нибудь животное или человека в сравнительно небольшой дозе, не вызывающей даже видимых изменений в его состоянии, например, в дозе 50—100 Р, то оказывается, что некоторые клетки, например лимфоциты (одни из клеток белой крови), при этом погибнут. В то же время в водной «рубашке» атомного реактора в Лос-Аламосе (США) обнаружены размножающиеся бактерии, хотя доза в воде составляла более 1 млн. Р/ч. Таков огромный диапазон чувствительности кионизирующим излучениям в природе — естественной радиочувствительности. В первом случае речь идет о крайне радиочувствительных, а во втором об исключительно радио-устойчивых, или, как иногда говорят, радиорезистентных, объектах. Кстати, упомянутые бактерии даже получили соответствующее название — micrococcus radiodurans — радио-устойчивый микрококк.

Перед нами возникло противоречие только что приобретенному небольшому запасу знаний. Речь идет о несоответствии правилу Бергонье и Трибондо, согласно которому следовало ожидать противоположных результатов: лимфоцит — клетка неделящаяся, зрелая и должна быть радиоустойчивой, а бактерии — интенсивно делящиеся клетки и, казалось бы, должны легко поражаться (?).

А в чем вообще причина смертельного эффекта ионизирующих излучений? Прежде чем попытаться ответить на эти сложные вопросы, совершим несколько параллельных прогулок.

За ясностью

Короткий маршрут в область терминологии избавит нас от бессмысленных блужданий, связанных с терминологической путаницей, существующей вокруг самого понятия радиочувствительности, которая, как читатель уже легко догадался, является основным предметом радиобиологических исследований. Здесь уместно вспомнить высказывание Декарта о том, что споров не существовало бы, если бы люди договорились об определениях.

При сравнении чувствительности к ионизирующим излучениям можно использовать самые различные реги- . стрируемые реакции вне зависимости от их значения для жизнеспособности облучаемых объектов, подвергающихся сравнительному изучению. Обязательно, однако, чтобы эти реакции в принципе проявлялись у сравниваемых объектов. Между тем вследствие высокой степени дифференцировки, присущей даже отдельным клеткам, а тем более тканям и системам, многие реакции являются высокоспецифичными. К примеру, нервной и мышечной тканям свойственна электрическая активность, строго специфическая для каждой из них и даже для их различных областей, что отчетливо регистрируется графически с помощью специальных приборов. Как показал Ю. Г. Григорьев, изменения биотоков головного мозга, отражающиеся на соответствующих кривых, можно зарегистрировать уже в процессе облучения при очень малых дозах — до 10 Р, что характеризует чрезвычайно высокую реактивность центральной нервной системы на воздействие ионизирующих излучений. Но из этого никак не следует вывод о ее высокой радиочувствительности, ибо никаких морфологических, да и жизненно важных функциональных изменений в нервной системе не наступает при облучении в дозах порядка сотен и даже тысяч рентген.

Вот почему в качестве количественного показателя радиочувствительности следует использовать отношение доз ионизирующих излучений, вызывающих равные специфические (одинаковые) эффекты в сравниваемых клетках или системах. Удобным критерием такого рода являются смертельные эффекты, учитываемые с помощью определения дозы, вызывающей одинаковую смертность. Наиболее часто говорят о величине ЛД₅₀ — 50 %-ной летальной (смертельной) дозе; при облучении в этой дозе погибает примерно половина облученных объектов.

Для оценки сравнительной радиочувствительности клеток в радиобиологии используют дозовые кривые выживаемости, или, как их чаще называют, кривые доза — эффект. Из этого названия уже ясен принцип построения соответствующего графика, приведенного на рис. 5. Обычно такой график строят в полулогарифмическом масштабе. На оси абсцисс в линейном масштабе откладывают дозы, а на оси ординат в логарифмическом масштабе — выживаемость клеток. При этом тип кривой зависит от вида излучения, при воздействии редкоионизирующей радиации кривая имеет начальный пологий участок — плечо (рис. 5, Л), а при действии плотноионизирующих частиц плечо менее выражено или отсутствует (рис. 5, Б).

Рис. 5. Кривые выживаемости клеток китайского хомячка при гамма-облучении (Д) и при облучении нейтронами (Б)

На рис. 6 показана возможность сравнения радиочувствительности разных клеток по величине ЛД₅₀. Существуют и другие специальные более сложные критерии радиочувствительности, характеризуемые параметрами кривой,— ее наклоном, величиной плеча и др. Рассмотрение их, однако, не входит в нашу задачу. Итак, радиочувствительность нужно рассматривать как синоним радиопоражаемости и альтернативу радиоустойчивости. Иными словами, чем чувствительнее тот или иной объект к действию ионизирующих излучений, тем меньшая доза их нужна для его поражения.

Рис. 6. Кривые выживаемости дрожжей (1) и клеток костного мозга мыши (2); ЛД₅₀ составляют соответственно 45 кР и 330 Р

Велики ли эти дозы, если представить их в измерениях, привычных нам из повседневной жизни и общения с другими видами энергии?

Радиобиологический парадокс

Вашему вниманию предлагается таблица, дающая представление о диапазоне радиочувствительности в природе.

Как видно из табл. 1, радиочувствительность сильно различается не только между отдельными видами, она значительно варьирует в пределах одного вида; это так называемая внутривидовая, или индивидуальная, радиочувствительность. Более того, она имеет различия, характеризуемые возрастом и полом. Наконец, даже водном организме различные клетки и ткани очень сильно различаются по радиочувствительности, и наряду с чувствительными, например, кроветворной системой, тонким кишечником, половыми железами, имеются устойчивые, радиорезистентные органы и ткани: печень, мышцы, нервная система, кости.

Средние величины ЛД₅₀ гамма-излучения для разных биологических видов

В чем же причина такого разнообразия? Иными словами, каковы механизмы, определяющие естественную радиочувствительность биологических объектов? Забегая далеко вперед, можно сказать, что однозначно ответить на этот важнейший вопрос радиобиологии пока еще не удалось, хотя очень многие его аспекты достаточно хорошо изучены. С рассмотрением некоторых из них мы неизбежно встретимся на перекрестках наших путешествий. Сейчас же обратим внимание лишь на то, что, как видно из таблицы, доза, приводящая к гибели более половины млекопитающих любого вида, не превышает 1000 Р.

Если выразить эту дозу по суммарной тепловой энергии, поглощенной в теле человека, то окажется, что организм в результате нагреется на 0,001°, т. е. меньше, чем от выпитого стакана горячего чая.

Зададимся другим вопросом: сколько атомов подвергается ионизации при облучении в той же смертельной дозе 1000 Р?

Представление об этом может быть получено из рассмотрения двух следующих примеров.

Согласно расчетам Д. Э. Ли, в одном кубическом микроне ткани при дозе 1000 Р возникает около 200 ионизаций; если учесть, что в этом объеме содержится 10¹¹ атомов, то, следовательно, радиационному изменению подвергнется ничтожно малая доля молекул. Более того, если непрерывно облучать какое-либо вещество, по плотности соответствующее живым тканям, то половина его атомов превратится в ионы примерно через 1000 лет (!!!).

Итак, ничтожное количество суммарной энергии, поглощенной в организме, а тем более в клетке, при облучении приводит к необратимой катастрофе, заканчивающейся гибелью. Причины этого явления, метко названного Николаем Владимировичем Тимофеевым-Рессовским «радиобиологическим парадоксом», все еще полностью не изучены и по настоящее время остаются предметом фундаментальных радиобиологических исследований. Иллюстрацией этому может служить высказывание Фриц-Ниггли — крупнейшего радиационного генетика. «Вопрос о механизме радиобиологического эффекта остается еще совершенно открытым; различные гипотезы экспериментально не обоснованы настолько, чтобы не оставалось возможности для новых изумительных открытий». И тем не менее сведения, добытые в результате гигантского труда теоретиков и экспериментаторов, позволили сформулировать основные положения теории радиобиологического эффекта. Знакомству с ними будет содействовать предварительное путешествие внутрь клетки.

В клетку

Клетка является ареной, где развертываются основные драматические события, следующие за поглощением энергии в атомах и молекулах. Сюда и совершим мы наш нынешний экскурс, который облегчит понимание радиобиологического парадокса.

Современная цитология — наука о клетках, оснащенная самым совершенным оборудованием и методами исследования, такими, как электронная и сканирующая микроскопия, спектральный и рентгеноструктурный анализ, микроавторадиография и др., достигла огромного прогресса. В четвертом издании капитального труда по общей цитологии, написанного тремя маститыми учеными— Де Рббертисом (Буэнос-Айрес), Виктором Новинским (Техас) и Франциско Саэсом (Монтевидео, Уругвай), авторы справедливо замечают по этому поводу: «Хотя научный прогресс является непрерывным эволюционным процессом и его успехи неразрывно связаны с предшествующими достижениями, скорость этого процесса далеко не постоянна... Бурное развитие биологии в наше время объясняется двумя причинами: 1) высокой разрешающей способностью аппаратуры... и 2) содружеством с другими направлениями биологических исследований, главным образом с генетикой, физиологией и биохимией». Продолжая дальше эту мысль, добавим радиобиологию, взаимовлияние которой с цитологией стало особенно плодотворным в последние 10—15 лет².

Рассказ о клетке — этой элементарной и в то же время бесконечно сложной, удивительно устроенной природой единице жизни — уведет очень далеко от основной цели наших странствий. Этой увлекательной теме посвящены специальные книги самого различного уровня и объема. Здесь же обратим внимание на отличие клетки от отдельных, хотя и очень важных, сложных звеньев жизни, таких, как молекулы белков, нуклеиновых кислот, ферментов и др. Это — элементы живого, но до живого им еще далеко, даже в случае, если речь идет об их синтезе в пробирке, ибо «...жизнь начинается там, где возникает совершенно особым образом организованная автономная, саморегулирующая и самовоспро-изводящая система, как бы автоматически координирующая все звенья химических, в частности, синтетических процессов». Это слова академика Глеба Михайловича Франка, посвятившего много лет жизни изучению биофизики клетки. Наряду с гигантскими клетками, например амёбами, существуют клетки-пигмеи, размер которых в 1000 раз меньше и составляет 0,12—0,25 мк (0,0001—0,00025 мм),— это микоплазмы, возбудители плевропневмонии у скота, обнаруженные еще великим Пастером (их диаметр лишь в 1000 раз превышает диаметр атома водорода). Большинство клеток млекопитающих имеют диаметр от 10 до 30 мк. Таким образом, по диаметру клетки варьируют в тысячу раз, а по объему — в миллиард раз. Независимо от этого в каждой из них работают много сотен ферментов, управляющих громадным числом химических соединений. Все эти вещества поддерживаются в динамическом равновесии благодаря постоянно идущим в клетке великолепно устроенным и слаженным процессам синтеза и химических превращений, меняющих свое направление, удельный вес и скорость в зависимости от обстоятельств и нужд клетки.

Чему же обязана клетка наличием свойств, кажущихся при рассмотрении ее функции «чудесными»? Свойства эти заложены уже в биологических молекулах — их своеобразной пространственной конфигурации и в значительной степени связанной с ней строгой функционально-структурной упорядоченности многочисленных клеточных органелл. Предельно упрощая ситуацию, назовем лишь основные из них. Это клеточное ядро (хранитель генетической информации и главный управляющий) и цитоплазматический аппарат, состоящий из многочисленных митохондрий (энергостанций), рибосом (фабрик белка) и эндоплазматической сети (транспортных путей). Особое значение имеют внешние и внутренние поверхности клетки и ее органелл — мембраны, одновременно разделяющие и связывающие деятельность всей клетки в целом и ее отдельных частей (рис. 7).

Рис. 7. Общая схема ультраструктуры «идеальной» животной клетки. В центре — ядро клетки с ядрышком и хромосомами; в цитоплазме множественные органеллы. 1 — агранулярная эндоплазматическая сеть; 2 — базальная мембрана; 3 — центриоль; 4 — хромосома; 5 — ресничка; 6 — корешок реснички; 7 — десмосома; 8 — комплекс Гольджи; 9 — гранулярная эндоплазматическая сеть; 10 — лизосомы; 11 — выпячивание мембраны; 12 — митохондрии; 13 —микроворсинки; 14 — ядрышко; 15 — пора; 16 — плазматическая мембрана; 17 - пиноцитозный пузырек; 18 — рибосомы; 19 — секреторные пузырьки

Вся эта удивительная, сверхсложная, подвижная система реагирует на различные внешние воздействия, не теряя жизнеспособности, проявления своих специфических функций и самого поразительного свойства — способности к бесконечному размножению, в ходе которого дочерние клетки наследуют все признаки и функции их «предков». Увлекательнейший рассказ о наследственности и механизмах ее передачи читатель найдет в книге видного радиационного генетика Николая Викторовича Лучника «Почему я похож на папу», а также в книге Валерия Николаевича Сойфера «Арифметика наследственности».

Пластичность клетки, выработанная и закрепленная ею в эволюции по отношению к самым разнообразным агентам внешней сферы, пасует, однако, перед агрессией ионизирующих излучений, уже в самых ничтожных дозах лишающих жизнеспособности определенную долю клеток, парализуя самую удивительную их функцию — способность к неограниченному размножению.

Что же в клетке столь уязвимо?

Над этим вопросом радиобиологи задумывались очень давно и уже в начале века получили первые данные о высокой радиочувствительности ядра клетки. Однако наиболее убедительные доказательства справедливости данной точки зрения были получены в серии великолепных экспериментов генетиком Борисом Львовичем Аста-уровым, использовавшим для этой цели феномен андрогенеза — возможности развития организма из мужской зародышевой клетки без процесса оплодотворения. Опыты эти настолько изящны, что читателю, будет интересно познакомиться с ними подробнее. Борисом Львовичем было продемонстрировано получение потомства тутового шелкопряда, состоящего только из самцов, по всем признакам, повторяющих отца, путем предварительного облучения готовой к оплодотворению и кладке яиц самки бабочки в дозе 50 000 рад. Эта доза смертельна для нее и для ядерного аппарата еще не отложенных яиц, но гибель такой обреченной бабочки происходит не сразу и она может копулировать с необлученным самцом. Если затем отложенные после копуляции яйца нагреть для побуждения андрогенетического развития, то из них выходят гусеницы, маркированные только признаками отца, а после окукливания вылупляются бабочки — только самцы, которые также повторяют признаки своего отца (рис. 8).

Рис. 8. Схема экспериментов Б. Л. Астаурова, демонстрирующих роль ядра в механизме радиационной гибели клетки (объяснение в тексте)

Причина получения такого андрогенетнческого потомства состоит в следующем: у тутового шелкопряда в каждую яйцеклетку проникает несколько спермиев, но с женским пронуклеусом сливается ядро лишь одного из них. Так как женский пронуклеус в яйце был разрушен в результате облучения, то его место заняло ядро одного из проникших в такое облученное ядро спермиев, а ядро другого сперматозоида приняло на себя роль второго ядерного оплодотворяющего комплекса, что привело к образованию нормального диплоидного ядра, у которого, однако, оба набора хромосом получены от отца. Для нас наиболее важно, что огромный по сравнению с ядром объем материнской плазмы, подвергшийся тому же облучению, никак не сказался на жизнеспособности потомства.

Позднее прямые доказательства большей радиочувствительности ядра по сравнению с цитоплазмой были получены другими исследователями в опытах с прицельным облучением микропучками протонов и α-частиц ядра в клетках, где оно строго фиксировано. Оказалось, например, что попадание лишь одной α-частицы в ядро оплодотворенного яйца наездника вызывает гибель зародыша, которая в случае облучения цитоплазмы яйца регистрируется после прохождения 15 млн. частиц.

Однако приведенные примеры не отвергают роли цитоплазмы в повреждении ядерного аппарата и всей клетки в целом. Сейчас имеются данные о зависимости ядерных повреждений от степени облучения цитоплазмы. Кроме того, для разных объектов удельный вес прямого поражения ядра и опосредованных влияний может сильно различаться, отражая сложность ядерно-цитоплазма-тических отношений и особенности жизнедеятельности различных клеток.

Однако нам пора покинуть клетку. Мы заглянули в нее для того, чтобы помочь разгадать радиобиологический парадокс.

Мудрые мысли

Прежде всего заметим, что в отличие от эффектов, возникающих в результате воздействия любыми видами энергии, биологические реакции на ионизирующие излучения определяются не общим количеством поглощенной энергии, а формой передачи — в виде узколокальных процессов ее размена в микрогеометрических участках клетки. Отсюда при попытке объяснения радиобиологического парадокса были сформулированы два основных положения количественной радиобиологии.

Первое из них лежит в основе принципа попаданий, оно отмечает особенность действующего агента — дискретность поглощения энергии, а второе учитывает особенность облучаемого объекта — высокую функциональную гетерогенность клетки, предопределяющую различие в ответе на одно и то же попадание в зависимости от пораженной мишени. Иными словами, принцип попаданий исходит из наличия в клетке более или менее существенных для жизни структур, и так как распределение ионизаций носит случайный характер, то исход поражения клетки — чисто вероятностная реакция, зависящая от попадания в наиболее ответственный для жизни микрообъем.

Эти представления впервые были сформулированы Дессауэром еще в 20-х годах, а затем развиты в трудах Н. В. Тимофеева-Рессовского, К. Г. Циммера и Э. Д. Ли.

Легко заметить, что изложенные теоретические принципы носят чисто формальный характер; они и получили название классического формализма. Эпитет «классический» говорит о многом. Действительно, всем своим развитием количественная радиобиология в значительной степени обязана концепциям попадания и мишени. Вспоминая Шиллера — «И в настоящем дне грядущий день уже свой путь свершает»,— можно сказать, что и сегодня простые, но мудрые положения классицизма сохраняют свое значение, несмотря на появление большого числа фактов и явлений, требующих дополнительных объяснений и не укладывающихся в прокрустово ложе формальных представлений, ибо сам принцип позволяет хотя бы осмыслить радиобиологический парадокс.

Теперь расширились вероятностные аспекты этого принципа, что отражается даже в названии новых гипотез. Такова стохастическая (вероятностная) гипотеза О. Хуга и А. Келлерера, учитывающая не только поражение, но и открытую в последнее время возможность восстановления жизнеспособности облученной клетки. Кстати, честь открытия феномена восстановления принадлежит отечественному радиобиологу — Владимиру Ивановичу Корогодину, много лет проработавшему в тесном сотрудничестве с Н. В. Тимофеевым-Рессовским.

Стохастическая гипотеза рассматривает клетку как лабильную динамическую систему, постоянно находящуюся в стадии перехода из одного состояния в другое. Вследствие крайней сложности системы любой такой переход связан с множеством сопряженных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул. В процессе жизнедеятельности благодаря влиянию самых разнообразных, не подлежащих учету факторов и малейших неопределенностей исходного состояния возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого и (или) независимо от них — «крушения» всей системы. На биологическую стохастичность (вероятность) первого порядка при облучении клетки накладывается стохастика второго порядка вследствие случайного взаимодействие излучения с веществом. Это увеличивает вероятность крушений системы, происходящих со значительно меньшей частотой и в необлученном контроле.

Таким образом, как справедливо замечает В. И. Корогодин, стохастическая гипотеза, отражая дух времени, пытается рассмотреть различные возмущения биологической системы, возникающие как в процессе жизнедеятельности, так и под влиянием облучения, с позиций теории вероятностей, стремясь описать их моделями, максимально соответствующими представлениям динамической биохимии и молекулярной радиобиологии. Нельзя не заметить, что остались незыблемыми оба определяющих фактора классического принципа попаданий — дискретность радиационного агента и функциональная негомогенность биологического объекта. Существенно отличным является лишь толкование второго фактора: если с формальных позиций он определяется наличием фиксированных мишеней, то в системе новых представлений показана несостоятельность такой точки зрения, взамен которой развита идея определяющей ролл стохастической природы физиологических процессов и их радиационных нарушений.

Стохастическая гипотеза, учитывающая современные данные о микрораспределении энергии излучения, вариабельность радиочувствительности, роль процессов восстановления и временную кинетику биологических процессов, несомненно более биологична, чем классический формализм. Но и она не в состоянии удовлетворительно объяснить все многообразие экспериментальных фактов.

В последние 2—3 года была предпринята новая попытка теоретического анализа. На сей раз Юрий Капульцевич (представитель школы Н. В. Тимофеева-Рессовского и В. И. Корогодина) предложил так называемую вероятностную модель радиационного поражения клетки. Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания. Однако в рамках предлагаемой модели радиационные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы и в зависимости от условий жизнедеятельности клеток, увеличиваясь при ухудшении этих условий.

Таким образом, вероятностная модель, являясь как бы синтезом принципа попадания и стохастической концепции, использует сохранившие значения основные положения первого и дополняет последнюю, расширяя диапазон явлений, которые могут быть интерпретированы с позиций биологической стохастики. Однако уже сегодня сам автор модели указывает на ряд ее ограничений, свидетельствующих о необходимости дальнейшего совершенствования наших теоретических представлений.

Существует еще один теоретический подход к объяснению радиобиологического эффекта; он постулирует различные биофизические и биохимические механизмы усиления первичных элементарных процессов размена энергии излучения. Роль таких усилителей поражения приписывается высокореакционным продуктам, образующимся в облучаемом биосубстрате, получившим название радиотоксинов. По мнению академика Николая Марковича Эмануэля, профессора Бориса Николаевича Тарусова и профессора Юрия Борисовича Кудряшова, в качестве таковых выступают различные ненасыщенные жирные кислоты и перекиси липидной природы, инициирующие цепные окислительные реакции радикального типа. Наиболее широкие исследования в этом направлении на протяжении двух десятков лет осуществляются членом-корреспондентом АН СССР Александром Михайловичем Кузиным. В настоящее время развиваемая им концепция известна под названием структурно-метаболической гипотезы. В рамках этой гипотезы наряду с липидными токсинами большое значение придается хинонам и ортохинонам. Усиленное образование их в клетке под влиянием облучения нарушает ее строго упорядоченную структурную организацию, что приводит к нарушению мембран, сопряжению важных метаболических процессов, активации ферментов, расстройству управляющих систем и другим тяжелым последствиям вплоть до гибели. Таким образом, структурно-метаболическая гипотеза решающую роль отводит фактору функциональной гетерогенности клетки и опосредованным (через образование радиотоксинов) эффектам ионизирующих излучений.

К сожалению, и эта гипотеза не позволяет объяснить многие факты, в частности, такие важные, как разную эффективность электромагнитных излучений и тяжелых ядерных частиц, отличающихся, как упоминалось, лишь пространственным распределением энергии.

Подводя итог современному состоянию вопроса о первичных механизмах радиобиологического эффекта, следует исходить из того, что классические представления принципа попаданий претерпели серьезную модификацию. Очевидно, наиболее правильное решение рас- сматриваемой проблемы лежит на пути признания решающей роли совокупности повреждений, возникающих в отдельных звеньях многокомпонентной, чрезвычайно сложной, строго упорядоченной в структурном и функциональном отношении системы, каковой является живая клетка.

К сожалению, ни одна из гипотез пока не может быть названа общепризнанной (помните слова Фриц-Ниггли?), так как появляются все новые факты и открытия. И в этом нет ничего удивительного. Такова героико-драматическая судьба любой гипотезы, живущей лишь вместе с кругом явлений, которые она может объяснить, и отмирающей с рождением новых противоречащих или несоответствующих ей фактов.

Тем не менее существующие теоретические представления позволяют непротиворечиво объяснить многие экспериментальные факты и прежде всего осмыслить феноменологию радиационной гибели клетки.

Невосполнимая утрата

Попытаемся теперь ответить на вопросы, поставленные в начале этой главы.

Какова же непосредственная причина гибели клетки?

Ответ — прежде всего, повреждение содержащегося

в клеточном ядре наследственного вещества — дезоксирибонуклеиновой кислоты —ДНК. Гигантские молекулы ДНК, из которых состоят находящиеся в ядре хромосомы, уникальны по своему составу, строению и функциям. С них, как с матриц, считывается информация, печатаются, собираются блоки жизненно необходимых для клетки белков. Этот сложнейший процесс великолепно автоматизирован и выполняется отдельными участками макромолекул ДНК. Поэтому, несмотря на возникшие повреждения ДНК, ее разрывы, до тех пор пока клетка не делится, она и не подозревает о происшедшей катастрофе — «котел варит в полном объеме» (или с ничтожными нехватками). Но вот в момент очередного деления клетки оторванные куски содержащих ДНК хромосом неравномерно распределяются по двум дочерним клеткам — из-за неправильного соединения или вследствие потери — и возникает, как говорят цитогенетики, генный дисбаланс. Новообразованная клетка, лишенная части ДНК, необратимо утрачивая способность синтеза специфических материалов и управляющих функций, свойственных потерянному участку молекулы, обречена на гибель. В микроскопе такие обреченные клетки легко различить по наличию в них отдельно лежащих фрагментов хромосом.

Отсюда становится ясным, почему делящиеся клетки намного более радиочувствительны, чем находящиеся в стационарном, покоящемся состоянии. Продемонстрируем это на весьма наглядном примере. Два молодых аспиранта Геннадий Палыга и Ольга Ольшевская подвергли локальному облучению печень крысы. Печень относят к весьма радиорезистентным органам, и это понятно. Клетки ее в норме не делятся. И действительно, животные перенесли облучение без последствий. При микроскопическом исследовании ткани печени также не было обнаружено никаких изменений, не была нарушена существенно и функция органа. Через полгода у животных часть печени удалили, а оставшаяся начала регенерировать — надо же восполнить утраченную долю органа. И когда подвергли микроскопии кусочки регенерата, то оказалось, что многие из делящихся клеток содержат хромосомные аберрации, т. е. эти клетки или их потомки были обречены на гибель. Таким образом, лучевое повреждение клеток в стационарном состоянии не сказалось ни на их функции, ни на жизнеспособности. Более того, они как бы законсервировали это поражение, которое легко проявилось, однако, при искусственном побуждении клеток к делению. Такая форма гибели, характерная для большинства клеток, известна под названием репродуктивной, т. е. связанной с процессом репродукции (самовоспроизведения, деления).

Из рис. 9, на котором схематически изображены наиболее важные локализации лучевого поражения клетки, видно, что кроме непосредственных молекул ДНК важная роль отводится структурной целостности ядерных и цитоплазматических мембран и в первую очередь ДНК-мембранного комплекса, которому отводят регулирующую роль в воспроизведении ДНК и в разделении ее нитей в процессе деления. Приведенная схема иллюстрирует современные представления о роли совокупности повреждений структурно-функциональных звеньев строго упорядоченной системы, каковой является клетка, подчеркивая при этом особо важную роль ядерного аппарата в исходе ее поражения.

Рис. 9. Схема наиболее важных локализации лучевого поражения клетки. 1—2 —одиночные и двойные разрывы ДНК; 3 — нарушение связи ДНК с белком; 4 — нарушение структуры ДНК-мембранного комплекса; 5, 6 — нарушение ядерной и митохондриальной мембран

Некоторые клетки (их значительно меньше) гибнут и без деления, как говорят радиобиологи, под лучом или в первые минуты и часы после облучения. Это молодые, еще малодифференцированные клетки, не закончившие своего формирования в зрелые элементы. Типичным примером служат клетки эмбриона, находящегося на разных стадиях развития. Причины этой формы гибели клеток, называемой интерфазной (между делениями) точно не установлены. Известна лишь их чисто феноменологическая связь с процессами дифференцировки, в которых очень большая роль принадлежит также клеточному ядру. Наглядной иллюстрацией этому могут служить эксперименты Ю. В. Корогодиной, которая обнаружила, что при облучении крысят в первую неделю их жизни небольшими дозами наблюдается типичная интерфазная гибель большинства нервных клеток коры мозжечка, еще не завершивших свою дифференцировку.

Не исключено, что с этим связана и высокая радиочувствительность лимфоцитов, которые, будучи зрелыми клетками, обладают удивительным свойством полипо-тентности — превращения в другие клетки, т. е. сохраняют потенциальную способность к дифференцировке. Это дает основание предполагать о наличии в лимфоците некоей системы, которая, как следует из наблюдений за малодифференцированными клетками, чрезвычайно радиочувствительна. В этом случае высокая радиочувствительность зрелых лимфоцитов не противоречит правилу Бергонье и Трибондо (см. начало главы). Еще менее обоснована точка зрения о противоречии этому правилу высокой радиорезистентности постоянно делящихся бактерий, ибо сам акт деления, как было показано, является не причиной высокой радиочувствительности, а лишь способом выявления клеточного повреждения.

Мы взяли «под защиту» «доброе» правило Бергонье и Трибондо в связи с частыми нападками на него без достаточных оснований, при обнаружении чисто умозрительных противоречий. Между тем можно только удивляться и быть благодарными великолепным исследователям начала века, сформулировавшим это феноменологическое правило только на основании тщательных наблюдений. Сейчас, когда клеточная радиобиология продвинулась так далеко, общие закономерности, описанные Бергонье и Трибондо более 70 лет назад, остаются в силе и потверждаются в огромном числе исследований в самых разнообразных условиях эксперимента. Это не умаляет важности обнаружения отдельных исключений, но без тщательного их анализа нет оснований для опровержения «правила», которое следует лишь осмысливать с позиций сегодняшнего дня.

Не все потеряно

До недавнего времени казалось, что возникающие в клетке радиационные изменения необратимы. Основанием для такой точки зрения служили представления о невозможности «ремонта» повреждений уникальной структуры ДНК. Однако многолетние наблюдения В. И. Корогодина над судьбой облученных дрожжевых клеток уже к концу 50-х годов опровергли эти представления. Оказалось, что выживаемость облученных клеток сильно зависит от условий их последующего содержания. Автору в многочисленных опытах удалось показать, что еслидрожжи после облучения выдержать некоторое время в обычной воде, а затем посеять в питательную среду, то их выживаемость резко повышается по сравнению с клетками, посеянными в среду сразу после облучения. Так было впервые обнаружено явление пострадиационного восстановления. Честь этого открытия была официально признана за В. И. Корогодиным Государственным комитетом по открытиям и изобретениям Совета Министров СССР.

В последующем сам по себе феномен пострадиационного восстановления, а также зависимость реализации повреждений от условий содержания клеток после облучения наблюдались многими исследователями. В настоящее время различают два основных типа клеточного восстановления, или, как его обычно называют, репарации — восстановление от сублетальных и от потенциально летальных повреждений.

Сублетальные повреждения, как следует из их названия, сами по себе еще не ведут к гибели клетки, но облегчают ее инактивацию при последующем облучении. Типичными повреждениями такого типа являются одиночные разрывы ДНК. Сами по себе они не детальны, однако с увеличением дозы излучения повышается вероятность образования новых одиночных разрывов вблизи «старых», существующих во второй нити ДНК, что приводит к появлению двойных разрывов (обеих нитей), как правило, летальных для клетки.

В отличие от сублетальных потенциально летальные поражения уже сами по себе вызывают гибель клетки, но в определенных условиях могут быть репарированы (восстановлены). Именно восстановление этого типа повреждений, выявляемое изменением выживаемости в разных условиях культивирования, было открыто В. И. Корогодиным. Например, вполне вероятно, что часть двойных разрывов ДНК, образовавшихся при облучении в предсинтетический период, может быть вое-становлена на время, оставшееся до репликации (удвоения) ДНК и летальными станут лишь только те из них, которые клетка не успела «залечить» до момента синтеза ДНК. Отсюда, если искусственно задержать деление клеток и тем самым удлинить предсинтетический период (например, содержанием в непитательной среде), то увеличивается вероятность «заживления» двойных разрывов, а следовательно, и доля выживших клеток.

Вопрос о репарации клеток от потенциально летальных повреждений имеет очень большое значение для оценки истинной радиочувствительности. А. А. Вайнсон в нашей лаборатории показал, что выживаемость опухолевых клеток, высеянных через 2 часа после облучения в дозе 1000 Р, возрастает вдвое по сравнению о наблюдаемой при посеве сразу после облучения. Эффект восстановления определяется здесь тем, что в первые часы после облучения клетки находятся в контакте друг с другом. И. И. Пелевина обнаружила, что репарация от потенциально летальных поражений идет только в стационарных культурах, и не наблюдается в экспоненциально растущих; следовательно, в делящихся клетках, по-видимому, такого типа восстановление не происходит. Вполне возможно, что покоящиеся клетки, находящиеся в тесном контакте, выработали особое защитное свойство — репарацию от тех повреждений, которые обычно не восстанавливаются. Это подтверждается данными Г. С. Календо, которая наблюдала снижение выживаемости клеток при разобщении межклеточных контактов.

Возможность восстановления от сублетальных повреждений была продемонстрирована в I960 году Элкин-дом в опытах с дроблением дозы на две отдельные фракции с интервалом в несколько часов. Оказывается, что выживаемость большинства клеток млекопитающих при 2—4-часовом интервале между фракциями увеличивается в 2—3 раза. Это свидетельствует о происходящем восстановлении части сублетальных повреждений, возникших при первой фракции облучения.

Механизмы пострадиационной репарации сейчас являются предметом углубленных молекулярно-биологических исследований, успешно проводящихся в ряде ведущих научных центров нашей страны В. Д. Жестянниковым, С. Е. Бреслером, К. П. Хансоном, Н. И. Рябченко, А. И. Газиевым, В. Е. Комаром, Л. А. Носкиным, А. С. Саенко и другими. В результате уже сегодня добыты интереснейшие сведения. Открыты, например, два типа ферментов репарации, одни из них выщепляют отрезки ДНК с возникшими в них повреждениями, а другие «ремонтируют» образовавшиеся бреши, восстанавливая их исходную структуру. Обнаружены разные типы репарации на молекулярном уровне и условия, способствующие их проявлению.

Все эти сведения используются для управления радиочувствительностью клетки, ибо понятно, что, увеличивая объем репарации, можно ослабить последствия облучения. Как мы увидим дальше, не менее важным оказывается и альтернативная возможность — усилить лучевое поражение клетки, что также может быть достигнуто воздействием на механизмы и системы репарации, теперь, однако, в противоположном направлении,— ингибируя (подавляя) их отдельные стороны.

Есть все основания предположить, что и огромный диапазон межвидовых различий в радиочувствительности также в значительной мере связан с совершенством репарационных систем. Достаточно допустить особенности их организации у отдельных видов, чтобы ожидать любые различия в величинах доз, при которых реализуется одна и та же доля первичных повреждений.

Теперь мы видим, что исход поражения клетки зависит не только от первичного поражения, но и от возможности восстановления ее жизнеспособности. Отдавая должное истории, нельзя не вспомнить, что еще в 1925 году Р. Vencel и Р. Vinembergen, а в 1952 году В. Я. Александров чисто умозрительно, но удивительно дальновидно отметили, что исход лучевого поражения складывается из трех компонентов: первичной повреждаемости, возможности проявления поражения и восстановления. Следует лишь иметь в виду, что под восстановлением тогда понималась не репарация повреждения, а восстановление целостности поврежденной ткани и организма за счет размножения сохранивших жизнеспособность клеток. Однако это нисколько не умаляет значения упомянутого постулата, так же как и правила Бергонье и Трибондо, высказанные на самых ранних этапах развития радиобиологии.

Путешествие за ясностью, кто крепче и почему, закончено, однако сам по себе вопрос остался далеко не разрешенным. Это и понятно, ибо в его решении кроется познание одной из многих, сложнейших и пока еще не раскрытых тайн природы. Хочется надеяться, что кому-то из вас повезет, а если так, то и пожелать, чтобы это свершилось как можно скорее.

КТО ВЫЖИВЕТ?

Венец научной работы есть предсказание.

Н. А. УМОВ

Сейчас нам предстоит от клеточных радиационных эффектов перейти к рассмотрению радиочувствительности целого организма и понять причины гибели животных и человека, т. е. раскрыть радиобиологический парадокс на уровне организма. Без этого невозможно научиться управлять радиочувствительностью, а это, как вы помните, основная задача радиобиологии.

Критические системы

Еще в сороковых годах Борисом Раевским в опытах на мышах было обнаружено, что в определенных интервалах, несмотря на увеличение дозы, средние сроки отмирания животных не меняются.

Иными словами, между дозой излучения, поглощенной в организме, и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость. Последняя может быть описана кривой, состоящей из трех участков (рис. 10). Начальный участок охватывает период от нескольких недель до нескольких дней и соответствует дозам от нескольких сот рентген до 1000 Р. Далее следует участок в виде плато, где средняя продолжительность жизни, составляя около четырех дней, не изменяется, несмотря на увеличение дозы от 1000 до 10 000 Р. С дальнейшим ростом дозы продолжительность жизни снова резко укорачивается до нескольких часов — третий участок кривой.

Рис. 10. Зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы излучения — кривая Раевского, построенная в двойном логарифмическом масштабе (объяснение в тексте)

Эти три характерных компонента кривой отражают несовместимые с жизнью поражения жизненно важных критических органов или систем: соответственно костного мозга, тонкого кишечника и центральной нервной системы (ЦНС), выходящих из строя в соответствующем диапазоне доз.

В дальнейшем такого рода ступенчатый характер отмирания, связанный с выходом из строя критических систем, подтвержден и для других млекопитающих — крыс, морских свинок, собак, овец и обезьян. И. Б. Бычковская, обнаружившая для самых разнообразных объектов — одноклеточных, земноводных, насекомых, червей и даже растений ступенчатую зависимость времени наступления гибели от дозы, показала ее общебиологическую закономерность, отражающую многосистемность в реагировании на облучение целого организма.

Разрыв между дозами, начинающими вызывать определенные формы гибели, указывает на разницу в радиочувствительности ответственных систем (по критерию несовместимого с жизнью поражения). Так как для млекопитающих определены три такие критические системы, то аналогия в форме кривых отмирания делает справедливым допущение о том, что и другие объекты погибают в результате поражения каких-то, пока еще не установленных, жизненно важных систем.

Таким образом, системные поражения организма можно рассматривать как следствие своего рода дискретности биологического влияния ионизирующих излучений в отношении отдельных критических систем, что при регистрации такой интегральной реакции, как гибель организма, находит отражение в виде ступенчатых кривых доза — эффект.

Естественно, что нас прежде всего интересуют млекопитающие, и поэтому остановимся подробнее на поражении, развивающемся при облучении мышей,— классического объекта радиобиологических исследований.

Причинно-следственная связь отдельных компонентов кривой Б. Раевского с поражением определенных критических систем следует из возможности строгой воспроизводимости соответствующих синдромов: костномозгового, кишечного и целебрального. Если, например, заэкранировать (прикрыть свинцом) небольшой участок активного костного мозга или пересадить смертельно облученным животным костный мозг интактных доноров, то можно полностью предотвратить или резко снизить смертность при дозах до 1000 Р. Следовательно, гибель мышей в этом дозном диапазоне преимущественно вызвана поражением кроветворения. О кишечном механизме гибели в следующем диапазоне доз свидетельствует отмирание мышей в одни и те же сроки (3—5 дней) и при одинаковой картине поражения кишечника, вне зависимости от того, подвергались ли они общему облучению или локальному облучению выведенной наружу тонкой кишки. Наконец, при локальном облучении головы в дозах 15 000 Р гибель наступает в первые сутки или часы (в зависимости от дозы) при явлениях судорог, что указывает на поражение ЦНС. После 100 000 Р смерть наступает мгновенно (смерть под лучом вследствие денатурационной инактивации клеток — «молекулярная гибель»).

Чтобы понять причины столь четко выраженной зависимости проявлений отдельных синдромов от дозы излучения, необходимо познакомиться с кинетикой клеточных популяций соответствующих критических систем.

Состояние устойчивости динамического равновесия любой клеточной популяции в живом организме, необходимое для нормальной жизнедеятельности, поддерживается так называемой системой обновления, каждая потеря в которой (вследствие естественного отмирания клеток) количественно строго уравновешивается возникновением новых клеток. Применительно к рассмотренным только что трем основным радиационным синдромам две из таких систем (от которых в основном и зависит выживание или смерть облученного организма) — кроветворная и желудочно-кишечная — характеризуются большой скоростью клеточного обновления и соответственно высокой радиочувствительностью. В третьей — ЦНС — у половозрелых животных и у взрослого человека клеточного обновления практически не происходит.

Фабрика кроветворения

Вследствие высокой радиочувствительности костного мозга поражение кроветворения — наиболее типичный признак облучения организма. Степень его зависит от дозы и объема облученного плацдарма кроветворения, каковым является костный мозг. Поэтому на примере этого критического органа можно рассмотреть общие принципы систем клеточного обновления, имея в виду, что они в полной мере сохраняют свое значение для любой другой системы клеточного обновления. На этом маршруте заодно познакомимся с иерархическим устройством системы крови.

Главной задачей костного мозга является продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови. В нормальных условиях гибель или исчезновение одного клеточного элемента в периферической крови или в другом участке организма компенсируется продукцией новой клетки в костном мозге. По меткому выражению В. Бонда, костный мозг представляет собой «фабрику», производящую клетки, а периферическая кровь — «службу снабжения» организма уже зрелыми элементами. Напомним, что кровь содержит несколько типов высокодифференцированных зрелых клеток, наделенных строго специфическими, но в одинаковой степени жизненно важными функциями, утрата любой из которых несовместима с жизнью организма. Назовем основные типы зрелых клеток и их «обязанности».

Эритроциты из-за цвета часто называют красными кровяными клетками, они и придают алый цвет крови, насыщенность которого зависит от их количества и содержания гемоглобина. Главная функция эритроцитов — обеспечение дыхания тканей путем своевременной и полноценной доставки кислорода.

Лейкоциты — белые кровяные клетки, будучи отделенными, например, центрифугированием имеют светло-серый цвет. Основная задача лейкоцитов — борьба с чужим и защита организма. Для этого лейкоцитарные войска, в свою очередь, подразделяются на три армии. Наиболее многочисленная — гранулоциты, они предназначены для уничтожения микробов. Несколько меньшая по численности армия лимфоцитов осуществляет функцию иммунитета, по образному выражению члена-корреспондента АМН СССР Рема Викторовича Петрова, охраняющего на протяжении всей жизни нашу индивидуальность от всего чужого. Наименьшую численность, но не менее важную функцию несут макрофаги — чистильщики, подметальщики всего ненужного, образующегося в организме, например, остатков погибших клеток, а также попадающих мельчайших инородных предметов извне, например, пылевых и угольных частиц.

Третий тип зрелых клеток крови — тромбоциты, их часто называют кровяными пластинками. Главная роль их — участие в процессах свертывания крови при кровотечениях.

Так как все эти клетки зрелые, а следовательно, радиоустойчивые³, то при облучении «служба снабжения» некоторый период времени (равный естественной продолжительности жизни отдельных типов клеток) не страдает. Однако из-за очень сильного повреждения «фабрики» (костного мозга и лимфатических узлов), целиком состоящей из малодифференцированных, молодых и делящихся клеток, восполнение естественных утрат зрелых клеток на периферии задерживается. Степень и длительность нарушения возникшего клеточного дисбаланса определяют судьбу облученного организма.

Излишне здесь детально рассматривать структуру всей «фабрики» в качестве системы клеточного обновления. Это неоправданно заняло бы слишком много внимания. На рис. 11 изображена упрощенная модель такой системы, состоящей из нескольких пулов. Она имеет, прежде всего, самоподдерживающийся пул, составляющий фонд недифференцированных самых молодых предшественников — стволовых клеток, способных обеспечить постоянную скорость клеточного обновления в системе, При делении стволовых клеток часть их потомства предназначается для последующей дифференциации в специфические клеточные линии, а оставшиеся служат новыми стволовыми клетками. Пройдя одно или несколько делений в пуле размножающихся клеток, стволовая клетка постепенно дифференцируется, а затем, утратив способность делиться, входит в непролиферирующий пул созревающих и резервных клеток, где окончательно дозревает, становится функционально полноценной и переходит в пул функционирующих клеток, например, в периферическую кровь, если речь идет о кроветворной системе клеточного обновления.

Рис. 11. Схематическое изображение типичной системы клеточного обновления

Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления, имея в виду поддержание ее в состоянии количественного и качественного динамического равновесия, состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает новая, находящаяся в данный момент на стадии максимальной подготовленности. Таким образом, функционирующая система сама поддерживает себя вследствие необходимости восполнения постоянно происходящих утрат, являющихся своеобразными стимулами к активизации всех предшествующих пулов, в результате чего и осуществляется перманентное клеточное обновление.

Под влиянием облучения в любой клеточной системе обновления происходят резкие нарушения привычного динамического равновесия между отдельными пулами, приводящие к тяжелым функциональным расстройствам в самой системе, а в зависимости от ее жизненного значения и к соответствующим следствиям в организме.

Возвратимся, однако, к нашей модели системы клеточного обновления и на ее примере покажем типичную картину, возникающую после тотального облучения организма. Для упрощения первые два и частично третий пулы объединим в одно подразделение (компартмент) молодых и делящихся клеток, а четвертый и частично третий — во второй компартмент, содержащий зрелые и функционирующие клетки. Иными словами, произведем своеобразное укрупнение «фабрики» и «службы снабжения» белой крови.

В этом случае следует ожидать, что первый компартмент из-за резкого торможения процессов клеточного деления и интенсивной гибели клеток начнет опустошаться в ближайшее время после облучения, а число соответствующих зрелых функционирующих клеток уменьшится значительно позднее, когда их естественная убыль перестанет восполняться из-за опустошения предшествующих пулов. Легко понять, что это начинается спустя некоторое время, нужное для прохождения клетки от самых ранних стадий до выхода в функциональный пул. Количественные характеристики таких нарушений определяются кинетическими параметрами клеток конкретной системы обновления и дозой излучения.

На рис. 12 схематически показана кинетика событий, развивающихся теперь уже во всей «фабрике» и «службе снабжения». Клеточное опустошение костного мозга начинается тотчас после облучения и неуклонно продолжается до минимума, после чего у выживших особей постепенно происходит регенерация и восстановление исходного количества клеток (кривая 1). На характер изменений морфологического состава крови решающее влияние оказывает время жизни зрелых клеток или скорость их выбывания. Кривая 4 отражает короткую продолжительность жизни нейтрофильных гранулоцитов. Наиболее долго живущие (около 100 дней) эритроциты уменьшаются в числе значительно медленнее (кривая 6); даже при полном отсутствии продукции скорость спада их числа составляет всего около 1% в день. Промежуточный случай представлен тромбоцитами (кривая 5). Отсутствие порога у кривой 3, отражающей изменение числа лимфоцитов, связано с их крайне высокой радиочувствительностью, в результате чего, даже при небольших дозах, они погибают тотчас после облучения, причем не только в лимфоузлах — местах их образования, но и в периферической крови.

Рис. 12. Последовательность событий, происходящих в двух основных компартментах кроветворения после облучения: на «фабрике» — в костном мозге (А) и в «службе снабжения»— в периферической крови (Б). 1 — общее число клеток; 2 — лейкоциты; 3 — лимфоциты; 4 — нейтрофилы; 5 — тромбоциты; 6 — эритроциты.

Основная гибель животных при дозах, вызывающих костно-мозговой синдром, происходит в период между 7-м и 15-м днем после облучения. К этому времени количество зрелых функциональных клеток (прежде всего лейкоцитов и тромбоцитов) достигает минимума, а восполнение их из-за сильного повреждения «фабрики» недостаточно. Поэтому и основными причинами радиационной гибели при данном синдроме являются инфекция и кровоизлияния в жизненно важные органы.

Если фонд молодых предшественников на «фабрике» сохранен в большей степени (как это бывает при меньших дозах излучения), настолько, чтобы обеспечить временно поддержание минимального уровня функционирующих клеток крови, то вероятность выживания животных резко увеличивается. Запомним эту ситуацию, она потребуется нам для понимания стратегии противолучевой защиты и лечения лучевых поражений.

Рассмотренная схема дает лишь общее представление о кинетике клеточных популяций (цитокинетике) и ее изменениях в обоих компартментах кроветворения на основе механизмов саморегуляции, типичных для любой системы клеточного обновления. В зависимости от объекта и дозы излучения соответствующие параметры имеют свои количественные характеристики и некоторые качественные особенности.

Проиллюстрируем это кратко на примере двух дру-гих систем, ответственных за основные синдромы лучевого поражения организма. Когда говорят о кишечном синдроме, то при этом имеют в виду, что наиболее важные изменения после облучения у всех видов млекопитающих происходят в системе клеточного обновления слизистой тонкой кишки. Суть этих изменений состоит в клеточном опустошении ворсинок и крипт кишечника, кинетика которых аналогична рассмотренной для системы обновления костного мозга, отличаясь лишь количественными параметрами. Оказалось, что по сравнению с костным мозгом поражение кишечника мышей протер кает значительно быстрее и при существенно больших дозах. Причина этого состоит в более ускоренном прохождении клеток кишечника по пулам до полностью дифференцированного состояния и в большей радиорезистентности стволовых клеток кишечника по сравнению со стволовыми клетками костного мозга.

В результате клеточное опустошение крипт кишечника происходит уже через 1—2 дня, достигая нулевого показателя через 3—5 дней после облучения. К этому времени в среднем и гибнут животные при выраженных проявлениях поражения кишечника.

Реакция ЦНС на облучение принципиально отличается от костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это обусловлено тем, что зрелая нервная ткань представляет собой непролиферирующую клеточную систему, состоящую из высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение всей жизни не происходит. Поэтому ЦНС можно рассматривать как крайний — стационарный — вариант системы клеточной обновления с вытекающими отсюда следствиями, характерными для лучевых реакций радиорезистентных неделящихся функциональных клеток. Так оно и есть на самом деле: гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит, как упоминалось, при огромные дозах, порядка десятков крад (рис. 10).

Итак, нами рассмотрены основные радиационные синдромы и проанализирована цитокинетика поражений в критических системах клеточного обновления, из которых кроветворная система и кишечник являются типичными примерами радиочувствительных тканей сс свойственной им активностью процессов клеточного деления, а ЦНС — ярким примером непролиферирующих высокодифференцированных клеточных систем, являющихся поэтому радиорезистентными. Проведенный анализ позволяет оценить поражение клеточных популяций и прежде всего стволовых клеток критических систем как основную причину гибели организма после облучения в соответствующих дозах. Проблема стволовых клеток, как и вообще клеточных механизмов кроветворения, успешно разрабатывается профессором Иосифом Львовичем Чертковым. Ее радиационные аспекты исследуются Г. П. Груздевым и А. Г. Коноплянниковым.

Отвечая на вопрос, поставленный в начале главы, мы можем сказать, что исход поражения млекопитающих, как функцию дозы и времени после тотального облучения, определяют следующие кардинальные параметры клеточных популяций: относительная величина пула стволовых клеток, их радиочувствительность, темп деления клеток на фабрике и скорость утилизации зрелых элементов в здоровом и облученном организме. Из изложенного очевидно также, что можно поставить знак равенства между радиочувствительностью организма млекопитающих и радиочувствительностью костного мозга, ибо именно его глубокое поражение, возникающее при тотальном облучении, уже в минимальной абсолютно летальной дозе вполне достаточно для гибели организма. Поэтому, говоря о радиочувствительности организма, обычно имеют в виду диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома, т. е. до 1000 Р.

Мы познакомились с радиационными синдромами, возникающими при общем однократном облучении организма. Однако картина поражения существенно зависит от условий облучения, в частности от степени равномерности облучения разных сегментов тела. Закономерности проявления радиобиологических эффектов в зависимости от пространственного и временного распределения дозы являются предметом специальных исследований. С ними любознательный читатель может познакомиться в трудах И. Г. Акоева, Н. Г. Даренской и Г. М. Аветисова.

Для количественного изучения радиочувствительности организма пользуются кривыми доза — эффект, аналогичными тем, которыми описывают клеточную радиочувствительность. При построении такой кривой на оси абсцисс откладывают дозы излучениЯ| а на оси ординат — процент гибели, зарегистрированной за определенный срок наблюдения — чаще всего, за 30 дней (рис. 13).

Рис. 13. Кривая смертности мышей, облученных в разных дозах. ЛД⁵⁰/₃₀ = 52О Р

Оценим перспективу

Зададимся вопросом о судьбе выживших и их потомков. Оказывается, что «выздоровление» счастливцев зачастую только видимое, так как по прошествии некоторого времени могут появиться так называемые отдаленные последствия облучения. Наиболее грозные из них — укорочение продолжительности жизни, преждевременное одряхление и возникновение опухолей. Принято даже говорить о «радиационном старении», которое внешне проявляется как естественное старение, но наступает раньше и протекает интенсивнее.

Причины отдаленных последствий связывают с неполноценностью восстановления выживших клеток. При’ этом речь идет о так называемых соматических клетках различных органов и тканей индивидуума, непосредственно подвергшегося в прошлом облучению. Разработкой проблемы отдаленных последствий облучения занята лаборатория, возглавляемая профессором Самуилом Наумовичем Александровым.

Мы располагаем немногочисленными сведениями об отдаленных последствиях облучения человека. В основном это — результаты наблюдений за пережившими атомные взрывы в Японии. При сопоставлении их с большим числом экспериментов на животных можно прийти к заключению о том, что сокращение продолжительности жизни и повышение частоты злокачественных новообразований достоверно отмечается только после облучения в дозах порядка десятков рентген. Опасность отдаленных последствий меньших уровней облучения постулируется на основании экстраполяций, исходя из представлений о беспороговости радиационно-генетического эффекта. Более того, имеется достаточно много экспериментальных работ, в которых при облучении разнообразных биологических объектов в малых дозах наблюдалось даже увеличение средней продолжительности жизни. Разумеется, этих данных пока недостаточно для определенных выводов. Однако их наличие оставляет открытым вопрос о неизбежности развития отдаленных соматических эффектов облучения, особенно при воздействии в малых дозах.

Последствия облучения половых клеток сказываются на потомстве облученных родителей. Это так называемые генетические эффекты облучения. Вероятность их проявления резко увеличивается при облучении обоих родителей и практически сводится к нулю при облучении только одного из них. Причины таких особенностей наследования, вызванных облучением вредных изменений, хорошо изучены радиационной генетикой и нам не имеет смысла их детально анализировать. Важно лишь вытекающее отсюда следствие, состоящее в повышении вероятности реализации последствий у потомков по мере увеличения численности популяций, подвергающихся облучению даже в небольших дозах.

В создавшейся ситуации возникает определенный драматизм, сопутствующий любому виду технического прогресса. С одной стороны, развитие атомной энергетики требует расширения контингентов лиц, контактирующих с ионизирующим излучением, а с другой, такое расширение нежелательно из-за отягощения так называемым «генетическим грузом».

Учитывая важность проблемы и ее глобальный характер для населения всей планеты, созданы и активно работают специальные международные и национальные (в рамках каждой страны) организации, занимающиеся гигиеническим нормированием ионизирующих излучений и защитой от них. Уже в 1928 году на II Международном конгрессе в Стокгольме был создан специальный комитет по защите от рентгеновских лучей и радия. В 1960 году он был реорганизован в Международную комиссию по радиационной защите (МКРЗ). В настоящее время в ее главной комиссии нашу страну представляет А. А. Моисеев.

Согласно уставу МКРЗ обязана знакомиться со всеми достижениями в области защиты от излучений, разрабатывать соответствующие рекомендации исходя из основных научных принципов, представляя национальным комиссиям по защите от излучений отдельных государств право и ответственность за введение подробных инструкций или правил, наиболее соответствующих их внутренним условиям. Национальная комиссия радиационной защиты создана и в Советском Союзе. Ее возглавляет член-корреспондент АМН СССР Леонид Андреевич Ильин. Национальной комиссией СССР раз-j рабатываются нормы радиационной безопасности, имею-^ щие в нашем государстве законодательный характер, в отличие от капиталистических стран, где они сохраняют лишь рекомендательное значение. Принятые нормативы в СССР являются основой для законодательства в области радиационной защиты в странах СЭВ.

С 1955 года при ООН организован специальный Научный комитет по радиационным проблемам (ЮНЕСКО) для сбора и оценки информации о различных эффектах облучения. Периодически ЮНЕСКО получает задания от Генеральной Ассамблеи ООН и осуществляет их выполнение, привлекая для этих целей МКРЗ в тесном сотрудничестве со всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ).

В настоящее время принята в дополнение к фону об-j лучения, создаваемому на протяжении всей жизни естественными источниками, земли и космоса, так называемая предельно допустимая доза. Под ней понимают годовой уровень облучения персонала, не вызывающий при равномерном накоплении дозы в течение 50 лет обнаруживаемых современными методами неблагоприятных изменений в состоянии здоровья самого облучаемого и его потомства. Эта доза составляет для профессионального облучения 5 Р в год, а для всего населения в 100 раз меньше — 0,05 Р в год.

Согласно авторитетному мнению МКРЗ такая лучевая нагрузка вполне допустима и оправдана с учетом пользы, которую можно ожидать от широкого применения атомной энергии. Это подтверждается статистическими данными ретроспективного анализа, указывающими, что для лиц, работавших с излучениями в предыдущем поколении и подвергавшихся облучению в допустимых дозах того времени (в несколько раз больших, чем сейчас), опасность соматических последствий оказалась не большей (или даже меньшей), чем при большинстве других работ и профессий. Весьма интересна в этом отношении точка зрения ВОЗ, согласно которой цель эффективной программы радиационной защиты, в связи с расширением применения атомной энергии во всем многообразии форм и областей ее использования, состоит в нахождении оптимального соотношения известной опасности вредного воздействия и преимуществ применения ионизирующих излучений в интересах человека. При этом уровень неизбежного воздействия должен быть настолько низким, чтобы его можно было не принимать во внимание на фоне обычных вредностей, в условиях современного цивилизованного общества.

В повседневной жизни человек подвергается воздействию различных факторов внешней среды, которые, став «привычными», могут оказаться значительно более опасными, нежели радиационные. Ю. И. Москалев с соавторами приводит следующие убедительные примеры, иллюстрирующие это положение.

Согласно данным ВОЗ смертность от отравления газом и ядовитыми парами за 1957—1969 годы в ведущих цивилизованных странах на 1 млн. населения составила от 7 до 45 для мужчин и от 2,5 до 49 для женщин; при этом наивысшие показатели были в Шотландии, а наименьшие — в Канаде и в Японии. Весьма реальна в настоящее время опасность массового применения пестицидов, действующих на генетический аппарат и плод. Из года в год растет смертность от несчастных случаев при автодорожных катастрофах. Так, в 10 крупных капиталистических странах за периоды 1950—1952 и 1964— 1966 годов на каждый 1 млн. человек в числе погибших и раненых она выросла на 25—60%, а в Японии на 1000%.

Таблица 2Вероятность смерти от нерадиационных факторов в Великобритании и ФРГ в 1952—1963 годы

Продолжение табл. 2.

В табл. 2 приведены показатели смертности от нерадиационных факторов в двух странах Европы.

Таким образом, согласно современным оценкам вероятности возникновения отдаленных последствий облучения оказывается, что уровень риска их возникновения при принятых в настоящее время допустимых уровнях воздействия также намного меньше риска от факторов нерадиационной природы.

Мы рассмотрели феноменологию острого лучевого поражения, егс^ отдаленные последствия, а также научноорганизационные формы контроля за радиационным фактором внешней среды. Вы видели, что современные принципы радиационно-гигиенического нормирования имеют огромный запас прочности, делающий возможные последствия облучения несоизмеримо меньшими, чем вредные последствия других технических новшеств. При этом еще не учитываются современные биологические способы ослабления радиационных эффектов. О них-то и пойдет речь впереди.

КВАНТЫ В УПРЯЖКЕ

Когда мы правильно оцениваем нашу силу и совершенство, мы ясно видим, что следует делать для достижения доброй цели.

Б. СПИНОЗА

Итак, мы миновали первую половину пути и познакомились с феноменологией лучевого поражения. Иными словами, узнали о вредном действии ионизирующих излучений. Пора, однако, обуздать, их, а затем и обернуть зло во благо. Еще в самом начале века было замечено, что на коже больных, облучавшихся по поводу различных заболеваний, оставалась менее пигментированная область, повторяющая форму тубуса рентгеновской трубки. Значительно позднее стала ясной причина этого явления. Вследствие малой мощности рентгеновской трубки облучение в те времена производили на минимальном расстоянии от тела и часто пережимали краем тубуса кожные сосуды, что приводило к временному уменьшению кровотока, а следовательно, к снижению концентрации кислорода, который, как оказалось, играет решающую роль в реализации лучевого поражения.

Кислородный эффект

Под кислородным эффектом (КЭ) обычно понимают явление усиления лучевого поражения при повышении концентрации кислорода по сравнению с наблюдаемым в результате облучения в анаэробных (бескислородных) условиях, например в азоте. Допустимо и другое толкование КЭ, при котором, кроме того, учитывают и другую сторону явления — ослабление поражения при снижении концентрации кислорода в окружающей среде,— в гипоксических условиях. Нас будет больше интересовать именно эта сторона дела.

Детальное изучение КЭ на клетках млекопитающих было начато в конце 40-х годов крупным английским радиобиологом Греем с его сотрудниками. Ими была впервые определена количественная зависимость изменения радиочувствительности от концентрации кислорода в виде своеобразной кривой, известной в литературе как кривая Грея (рис. 14). Анализ этой кривой показывает, что в условиях полной аноксии клетки наиболее радиоустойчивы; по мере увеличения содержания кислорода их радиочувствительность вначале резко, затем более плавно увеличивается, а начиная с 25—30% О₂ до 100% О₂ практически не изменяется. Таким образом, на воздухе, содержащем, как известно, 21% кислорода, радиочувствительность оказывается почти максимальной. Эта закономерность была установлена Греем и Конгером в экспериментах на опухолевых клетках асцитного рака Эрлиха, облучавшихся при разных концентрациях кислорода. Об открытии и вызванном им энтузиазме среди сотрудников лаборатории Грея мне довелось услышать от одного из них, ныне маститого специалиста в этой области сэра Оливера Скотта, который и сейчас не может без волнения вспоминать тот период. Полученные результаты уже тогда позволили понять причину радиоустойчивости опухолей.

Рис. 14. Влияние концентрации (напряжения) кислорода на радиочувствительность клеток. Кривая Грея. 1 — 1—2% О₂; 2 — воздух, 21% О₂; 5—100% О₂.

Эти работы послужили импульсом к началу использования повышенного барометрического давления для усиления эффективности лучевых методов лечения рака, с чем подробнее мы познакомимся во время экскурсии в радиологическую клинику. С тех пор в Англии систематически созываются специальные симпозиумы, посвященные различным аспектам КЭ, называемые после кончины Грея его именем. Последний, седьмой мемориальный симпозиум состоялся в сентябре 1977 года и был посвящен использованию КЭ в лучевой терапии рака.

КЭ — универсальное явление в радиобиологии. Он может быть обнаружен самыми разнообразными методами регистрации по различным показателям поражения в модельных системах и в экспериментах с живыми организмами, расположенными на любом уровне эволюции.

Автор первой крупной отечественной монографии по КЭ, вышедшей еще в 1950 году, талантливый исследователь С. А. Ардашников удивительно метко заметил, что периодически появляющиеся в литературе исключения из КЭ в большинстве случаев удается расшифровать с позиций самого КЭ, в результате чего они в конечном счете не только не опровергают его, а наоборот, блестящим образом подтверждают.

Все это делает понятным пристальное внимание, уделяемое КЭ на протяжении последних сорока лет, ибо изменяя концентрацию кислорода, можно активно влиять на радиобиологический эффект в нужном направлении.

Удобным объектом изучения КЭ являются изолированные клетки, изменение выживаемости которых в зависимости от концентрации кислорода в среде во время облучения наглядно отражается на кривых выживания (рис. 15). Количественным выражением КЭ обычно служит так называемый коэффициент кислородного усиления, или фактор изменения дозы (ФИД), оцениваемый по отношениям величин доз, вызывающих одинаковую выживаемость при облучении в гипоксических условиях (в числителе) и в кислороде (в знаменателе). Участие кислорода в возникающих под влиянием облучения повреждениях биологических макромолекул происходит на самых ранних этапах. Это продемонстрировано в изящных экспериментах с использованием метода сверхбыстрого смешивания и импульсного облучения (продолжительность импульса всего 5—7 мс). Предварительно было установлено, что добавление кислорода к бактериям, находящимся в условиях аноксии, за 20 мс до облучения обеспечивало полную оксигенацию и соответственно усиливало их поражение. Доставка же кислорода даже через 2 мс после облучения уже не модифицировала эффекта, наблюдавшегося в аноксии.

Рис. 15. Радиочувствительность клеток, облученных в атмосфере азота (2) и на воздухе (1). ФИД, вычисленный на уровне 10%-ной выживаемости, составляет около 3 (1280 Р : 430 Р)

Рядом исследователей, однако, на различных биологических системах обнаружено новое явление, названное кислородным последствием. Оказалось, что кислород в определенных условиях и после облучения отчетливо усиливает лучевое поражение. Л. X. Эйдус это показал в оригинальных экспериментах на выделенных белках: миозине, пепсине и рибонуклеазе, а Н. И. Шапиро с сотрудниками — на сухих растительных семенах и изолированных опухолевых клетках. Кислородное последействие связывают с реализацией кислородом возникающих под влиянием радиации так называемых скрытых повреждений.

КЭ легко выявляется и при облучении животных. Впервые о повышении выживаемости мышей при облучении их в атмосфере, содержащей 10% О₂ и 90% N₂ сообщил в 1950 году Лимпероз. В лаборатории Э. Я. Граевского, где изучаются механизмы радиочувствительности и ее искусственного изменения, М. М. Константинова подтвердила эти данные и детально изучила зависимость защитного эффекта от содержания кислорода в экспериментах на мышах и крысах. Оказалось, что отчетливый, но слабый (ФИД ~ 1,2) защитный эффект наблюдался после снижения концентрации кислорода во вдыхаемой смеси до 9—10% (т. е. вдвое по сравнению с его содержанием в воздухе — 21%) и сильно возрастал при уменьшении концентрации до 7—5%. ФИД составлял около 1,5. Из этих экспериментов был сделан вывод, что животные в условиях недостатка кислорода, или, как говорят, в гипоксии, переносят облучение примерно в полтора раза больших дозах, чем при облучении на воздухе.

Аналогичные данные о величине ФИД при облучении мышей в условиях острой гипоксии многократно были получены и другими исследователями, и лишь в последние 3—4 года в этот вопрос внесены существенные уточнения. При использовании источников излучения высокой интенсивности (около 1000 Р в минуту) было показано, что в начальный период после вдыхания мышами гипоксических газовых смесей защитный эффект максимален, а затем он быстро снижается. Первым это явление в 1972 году обнаружил В. Г. Овакимов, а количественно оно было изучено В. Г. Кримкером и другимисотрудниками лаборатории.

Оказалось, что в первые 10 мин после начала вдыхания газовых смесей, содержащих 5—6% кислорода, ФИД увеличивается до 2,5 и выше, а затем он снижается до величины, наблюдавшейся М. М. Константиновой (1,5) и другими исследователями (рис. 16). Все они работали с менее мощными источниками излучения, в связи с чем общая длительность эксперимента была значительно большей, что не позволяло обнаружить вариаций степени защитного действия острой гипоксии.

Рис. 16. Кривые выживаемости мышей при облучении их на воздухе (кривая 3) и через разное время после помещения их в условиях гипоксии — 6% О₂ и 94% N₂ 1 — через 5 мин; 2 — через 20 мин. ФИД равен соответственно 2,5 и 1.5

Так был открыт феномен зависимости радиомодифицирующего эффекта гипоксии от ее продолжительности, который затем был продемонстрирован большой группой научных сотрудников и аспирантов на самых разнообразных биологических объектах, различающихся лишь «кислородной предысторией» их жизни до облучения. Теперь мы знаем, что защита всегда оказывается намного более выраженной на клетках или животных, хорошо снабжаемых кислородом, и сильно снижается или отсутствует при облучении объектов, предварительно испытывавших недостаток кислорода и адаптированных к этим условиям.

Такие данные получены на культурах клеток, выращенных в разных условиях кислородного режима (опыты В. В. Мещериковой) на асцитных опухолях разного возраста, различающихся степенью насыщения кислородом (эксперименты Н. Л. Шмаковой), на новорожденных мышатах, адаптированных к условиям гипоксии (опыты Б. 3. Айтмагамбетовой и А. Л. Выгодской). Механизмы адаптации сейчас изучаются И. М. Эпштейном, Э. П. Петросяном, А. А. Вайнсоном, В. М. Кримкером, В. М. Кортуковой и Е. А. Волошиной. С учетом полученных результатов сформулирована гипотеза, согласно которой радиозашитный эффект гипоксии определяется внутриклеточным содержанием кислорода, регулируемым цитоплазматическими мембранами в зависимости от его концентрации во внешней среде. Данные о зависимости ФИД острой гипоксии от физиологического состояния облучаемого объекта можно встретить и в работах некоторых зарубежных авторов (Куллен, Альпер и другие). Ретроспективный анализ их подтверждает справедливость адаптационной гипотезы.

Наиболее важно, что обнаруженный феномен начал использоваться в клинической практике, и мы вернемся к нему в следующей главе во время знакомства с методами лечения рака.

Поражение ослаблено

Первые раскаты атомных взрывов августа 1945 года потрясли человечество, парализовав воображение казавшимися неуправляемыми роковыми последствиями воздействия всепроникающего ионизирующего излучения.

Однако, как и следовало ожидать, вслед за оторопью начался мощный натиск на нового врага в целях его обуздания, который достаточно быстро принес положительные результаты. Уже в конце 40-х и начале 50-х годов американский исследователь Генри Пат и профессор фармакологии Льежского университета Зенон Бак сообщили миру о принципиальной возможности ослабления лучевого поражения организма с помощью ряда химических соединений, получивших название радиопротекторов (protector — защитник, покровитель). Сам процесс ослабления лучевого поражения протекторами называют фармакохимической защитой, чем подчеркивается необходимость введения протекторов перед облучением, чтобы последнее происходило на фоне их действия на организм. Применение протекторов даже в первые секунды после облучения оказывается бесполезным.

К настоящему времени испытаны десятки тысяч химических соединений, среди которых у многих обнаружены противолучевые свойства. Все они, однако, по механизму своего действия делятся на две большие группы.

Одна группа протекторов, воздействуя через нервную систему, вызывает временное сужение сосудов основных критических систем — костного мозга и кишечника, а потом своеобразную фармакологическую гипоксию, которая в основном и обусловливает радиозащит-ный эффект. В этом легко убедиться с помощью полярографического определения напряжения кислорода, снижающегося в тканях под влиянием одного из протекторов — мексамина (рис. 17). Мексамин и другие производные индолилалкиламинов синтезированы Николаем Николаевичем Суворовым, а систематическое изучение механизмов их действия впервые в нашей стране начало проводиться Петром Григорьевичем Жеребченко и членом-корреспондентом АМН СССР Михаилом Давидовичем Машковским.

Рис. 17. Изменение РОг в подкожной клетчатке (1), костном мозге (2) и кишечнике (3) крыс после введения мексамина

В последнее время рядом исследователей (Ю. Г. Кудряшов, А. Г. Свердлов, А. А. Носкин) обнаружен защитный эффект мексамина и на изолированных клетках, что позволяет предположить определенную долю участия клеточной компоненты в общем механизме защитного действия таких протекторов.

Вторую, более многочисленную группу протекторов составляют вещества, защитный эффект которых реализуется только при их непосредственном проникновении в клетки критических систем. Типичными представителями протекторов такого типа являются различные классы серусодержащих соединений. Они синтезированы в лабораториях академика И. Л. Кнунянца, Ф. Ю. Рачинского, В. Г. Яковлева и В. М. Федосеева. Пионерами в изучении противолучевой эффективности этих соединений в нашей стране являются Е. Ф. Романцев, Т. К. Джаракян, П. П. Саксонов, А. С. Мозжухин и А. М. Русанов. Наиболее эффективные протекторы (аминоалкилтиофосфаты, аминоэтилизотиуроний, цистеамин) обладают достаточно сильным защитным эффектом, лишь немногим уступающим защитному действию острой гипоксии. Например, в опытах на мышах величина ФИД достигает 2. Кстати, ФИД для соединений первой группы несколько меньший 1,5). Если же применять смеси протекторов обоих классов, то защитный эффект значительно возрастает, приближаясь к 3.

Таким образом, мы являемся свидетелями удивительного факта — возможности ослабления эффекта облучения, несмотря на поглощение клеткой одного и того же количества энергии.

Сегодня нельзя с точностью назвать молекулярные механизмы фармакологической защиты, ибо до сих пор не полностью известны первичные механизмы действия ионизирующих излучений, на самых ранних этапах которых она осуществляется. Ближе всех к этому подошел Э. Я. Граевский, который считает, что любой защитный агент вызывает направленное изменение клеточного метаболизма, сопровождающееся повышенным образованием определенных веществ — эндогенных протекторов. Последние, сорбируя на себе часть энергии, снижают вероятность поражения критических макромолекул.

Независимо от истинности предполагаемых молекулярных механизмов защиты можно легко наблюдать, что применение протекторов, или гипоксии, ослабляет поражение критических систем, как бы переводя их на уровень поражения, свойственный облучению в меньшей дозе (рис. 18). Это и обеспечивает повышение выживаемости защищенных животных.

Рис. 18. Динамика общего числа клеток костного мозга мыши после облучения в дозе 400 Р (2) и ее изменение при облучении в той же дозе, но после предварительного введения протектора (1)

Итак, заранее зная о предстоящем облучении, его последствия можно существенно ослабить. Ну, а если облучение произошло? Оказывается, в этом случае современная радиобиология располагает недюжинным арсеналом средств, которые теперь уже в полном смысле слова могут быть названы лекарственными, или средствами лечения.

В разработке комплексных схем лечения лучевой болезни большая заслуга принадлежит видным советским ученым — лауреатам Ленинской премии Ангелине Константиновне Гуськовой и Григорию Давидовичу Байсоголову. Основной принцип лечения состоит в стремлении компенсировать нарушенные функции критических систем и предупреждении ожидаемых осложнений.

Непосредственной причиной гибели животных наиболее часто бывает инфекция — из-за лишения организма основных его защитников, и кровоточивость — из-за резкого нарушения процессов свертывания крови. Отсюда мощная антибактериальная терапия, переливание лейкоцитарной и тромбоцитарной массы, широкий спектр витаминов и различных симптоматических препаратов. Разработанные и испытанные в экспериментах на мелких и крупных лабораторных животных комплексные схемы лечения острой лучевой болезни оказались высокоэффективными и в практике человека при лечении отдельных случаев поражения.

Эффективным средством лечения лучевой болезни является заместительная пересадка здорового костного мозга. В экспериментах на генетически однородных мышах показано, что введения около 10 млн. костномозговых клеток (1% от их общего количества) достаточно, чтобы обеспечить 100%-ое выживание животных, облученных в абсолютно смертельной дозе. Механизм высокой эффективности трансплантации костного мозга связан с приживлением и последующим размножением в организме облученного реципиента пересаженных клеток донора, которые становятся родоначальниками функциональных клеток крови. Кроме того, они стимулируют развитие сохранившихся после облучения собственных кроветворных элементов реципиента. Все это ускоряет восполнение клеточного состава периферической крови, а следовательно, снижает вероятность возникновения наиболее тяжелых последствий его дефицита.

К сожалению, широкому применению трансплантаций костного мозга в практике человека препятствуют необходимость преодоления тканевой несовместимости. В опытах на генетически разнородных мышах и крысах было показано, что пересаженный донорский костный мозг вначале приживляется, начинает размножаться и облученные животные хорошо переносят острую лучевую болезнь. Однако через некоторое время они погибают, теперь уже не от лучевого поражения, а от так называемой вторичной болезни (рант-болезни, болезни истощения), являющейся результатом тканевой несовместимости. Решающая роль генетического родства в эффективности трансплантаций костного мозга была продемонстрирована в экспериментах, где в качестве облученных реципиентов использовали первое поколение мышей-гибридов; одной половине из них вводили костный мозг от таких же гибридов (изологичная пересадка), а другой половине — от одного из линейных родителей. Оказалось, что в результате изологичной пересадки все облученные реципиенты выживали, тогда как при введении костного мозга даже одного из родителей (генетически наиболее близкого) 80% реципиентов погибло в первые полгода, причем абсолютное большинство — в первые 2—3 месяца.

Дело в том, что в начальном остром периоде лучевой болезни иммунитет сильно подавлен из-за гибели абсолютного большинства лимфоцитов (вспомните предыдущую главу). Поэтому «чужой» клеточный мозг не распознается «благодарным хозяином» (реципиентом) и добросовестно выполняет свою функцию, компенсируя ее резкое подавление у облученного реципиента. Однако по мере размножения оставшихся после облучения клеток, в том числе и лимфоцитов, они начинают, подвергаться агрессии со стороны донорских клеток трансплантата или сами атакуют «спасителей» своего хозяина, а по существу, и своих спасителен, ставших им теперь ненужными. В этой братоубийственной схватке погибают одни или другие, но независимо от этого она неизменно заканчивается гибелью облученного животного. Не правда ли, трудно представить себе более трагедийную ситуацию — гибель от «руки» собственного спасителя.

Таким образом, иммунитет, охраняющий нас от всего чужого на протяжении всей жизни, в данном случае оборачивается второй стороной медали — сильно ограничивает практические возможности высокоэффективного средства лечения лучевой болезни.

Преодоление тканевого барьера — острейшая проблема современной трансплантационной иммунологии. Успехи в ней пока очень скромные, хотя сама по себе иммунология сейчас выходит на острие прогресса медико-биологических дисциплин. В полную меру это относится и к поиску возможностей пересадок «чужого» костного мозга. Попытки, предпринимаемые в самых различных направлениях, убедительно свидетельствуют о принципиальной возможности решения этой проблемы, но тем не менее она еще далека от практического решения. Детальный рассказ об этих увлекательнейших поисках, как и вообще об успехах и перспективах иммунологии, уведет нас далеко от основной цели книги. Любознательный читатель найдет их интересное изложение в специальных книгах, в частности написанных Р. В. Петровым, нашим ведущим специалистом в области радиационной иммунологии.

Здесь мы коротко расскажем лишь о нескольких способах иммунологического сближения, свидетельствующих о его принципиальной возможности.

1. Выработка иммунологической толерантности в эмбриональном периоде. Смысл этого способа состоит в том, что, используя несовершенство иммунологической системы эмбриона, ему вводят гомологичные (от другого животного того же вида, но генетически неоднородные) клетки, к антигенам которых постепенно вырабатывается иммунологическая толерантность, такая же, как к собственным клеткам. Поэтому во взрослом состоянии такая химера, т. е. организм, в котором живут и развиваются клетки другого животного⁴, распознает «чужое» (клетки или ткани того же донора), но не реагирует на них, так как в организме выработана уже специфическая терпимость к этому чужому. За открытие явления иммунологической толерантности П. Медавару была присуждена Нобелевская премия.

2. Дополнительная фармакологическая иммунодепрессия в расчете на более длительное существование трансплантата и создание иммунологической неотвечаемости у донора по отношению к антигенам реципиента.

3. Трансплантация смешанного костного мозга от нескольких доноров, с тем чтобы в организме реципиента могла произойти селекция наиболее совместимого донорского костного мозга. В клинических исследованиях были подтверждены экспериментальные данные о том, что такая селекция может действительно иметь место. Однако количество клеток костного мозга от каждого донора должно быть, вероятно, по крайней мере, равно минимальному числу клеток, необходимому при введении костного мозга от одного донора, поэтому при данном методе значительно повышается общее число вводимых клеток.

4. Использование в качестве доноров близких родственников реципиента. Костный мозг, полученный от близкого родственника, а еще лучше от нескольких близких родственников (учитывая предыдущий метод), по-видимому, должен обладать более выраженной способностью к приживлению: аналогичная тенденция отмечена при гомотрансплантации почки.

5. Селективная инактивация лимфоцитов. Она была обнаружена парижским исследователем Ж. Матэ путем инкубации костного мозга в течение 0,5—1 ч при температуре 37° и последующей трансплантации мышам. Эта процедура была рекомендована для использования в клинике. Однако испытание Ван Паттэном данного метода на костном мозге обезьян дала негативные результаты, и сейчас идет его проверка.

Весьма интересна важность использования собственного (аутологичного) костного мозга, который извлекают из интактных (необлученных) участков или облученных в относительно небольших дозах (до 500 Р). Метод обоснован членом-корреспондентом АМН СССР Гавриилом Сергеевичем Стрелиным. В многолетних сравнительных экспериментах автора и его сотрудников эта процедура оказалась наиболее эффективной на крысах, собаках и обезьянах. У этих животных (и у человека) стволовые кроветворные клетки менее мобильны, и потому любые факторы, способствующие их расселению, ускоряют процессы восстановления гемопоэза.

Большим преимуществом данного метода являются его техническая простота, возможность введения свежих клеток без предварительного консервирования, при котором погибает до 50% клеток. Такой прием оправдан во всех случаях неравномерного облучения, в том числе и когда спонтанное восстановление кроветворения вполне вероятно или даже несомненно. Являясь абсолютно безопасной в иммунологическом отношении, аутотрансплантация костного мозга может тем не менее сократить срок восстановления гемопоэза, а следовательно, длительность лейкопении и тромбоцитопении, что, в свою очередь, уменьшит вероятность инфекционных и геморрагических осложнений.

Как видим, существуют реальные способы существенного повышения радиорезистентности организма профилактическим применением протекторов и ослабления уже возникшего поражения использованием широкого арсенала средств патогенетического лечения. Обе эти возможности уже сегодня используются в практике, прежде всего для защиты нормальных тканей при лучевых методах лечения опухолей (об этом речь впереди). Они учитываются также в качестве потенциальных защитных и лечебных средств в крайних, но принципиально возможных случаях переоблучения космонавтов в результате непрогнозируемой солнечной вспышки, а также персонала, попадающего в аварийные ситуации на мощных ядерных устройствах.

Усилить удар

Нужно ли вообще разрабатывать биологические средства усиления лучевого поражения, если можно просто увеличить дозу? Ответ однозначный — нужно. Это, во-первых, необходимо с научных позиций, ибо помогает вскрыть механизмы естественной радиочувствительности, а во-вторых, практически важно при разработке способов избирательного поражения опухолей.

Химические средства, используемые для этих целей, получили название радиосенсибилизаторов. Принципиально они могут быть разделены на две большие группы в соответствии с их влиянием на основные компоненты, определяющие клеточную радиочувствительность:

1 — усиливающие первичные радиационные повреждения;

2 — ослабляющие пострадиационное восстановление.

К первой группе сенсибилизаторов относят соединения, блокирующие сульфгидрильные группы (рассматриваемые как эндогенные протекторы), вещества, действие которых связывают с КЭ, а также средства усиления первичных повреждений ДНК или ингибиторы ее синтеза.

Было показано, например, что 5-фторурацил ингибирует тимидилат-синтетазу и образование тимина, что приводит к нестабильности ДНК и усиливает ее уязвимость излучением. Галоиды (хлор, бром и йод), замещая метильную группу в молекуле тимидина, образуют соответствующие галоидированные дезоксиуридины. Включаясь в ДНК во время ее синтеза, вместо нормального тимидина, они изменяют ее молекулярную структуру и препятствуют нормальному связыванию обоих путей, повышая при этом чувствительность клеток к ультрафиолетовому и ионизирующему излучениям. В качестве ингибитора синтеза ДНК используют оксимочевину. В различных биологических системах было обнаружено, что это химическое соединение, специфически подавляя синтез ДНК, вызывает значительную гибель клеток. Механизм подавления синтеза ДНК оксимочевиной в значительной мере заключается в ингибировании восстановления рибонуклеотидов до дезоксирибонуклеотидов.

Из соединений, усиливающих лучевое поражение клеток ослаблением пострадиационного восстановления, следует назвать специфические ингибиторы синтеза белка, в частности антибиотик актиномицин Д. Его механизм действия сводится к образованию комплекса с гуанином ДНК и ингибированию синтеза ДНК вследствие подавления активности ряда ферментов: РНК-полимеразы, ДНК-полимеразы и тимидинкиназы. Комплексируясь с ДНК из-за прочной связи с гуанином, актиномицин мешает ДНК выполнять функции матрицы для синтеза РНК, препятствует образованию полинуклеотидных цепей и белков и угнетает тем самым деление растущих клеток.

Сравнительно недавно оригинальный феномен усиления лучевого поражения был обнаружен Г. С. Календо. Оказалось, что облучение в определенном диапазоне доз (для клеток млекопитающих это 10—15 Р) временно стимулирует ряд физиологических реакций клеток и некоторые стороны метаболизма. В этот период такая «стимулированная» энергично работающая клетка обладает повышенной чувствительностью к любым повреждающим агентам, в том числе и к ионизирующей радиации.

Усиление поражения клеток может быть получено и их перегревом (до 41—42°) как до, так и после облучения.

Итак, сегодня мы располагаем возможностями по собственному желанию в значительной степени влиять на течение радиационного поражения, вмешиваясь в механизмы, определяющие клеточную радиочувствительность. Необходимость такого управления радиочувствительностью каждодневно ощущается в радиологической клинике, куда и направлено наше очередное путешествие.

РАДИОБИОЛОГИЯ И РАК

Нельзя желать того, чего не знаешь.

ВОЛЬТЕР

Проблема века — так названа книга о распространенности злокачественных опухолей на земном шаре и организации противораковой борьбы. Ее автор Александр Васильевич Чаклин, опираясь на огромный личный опыт работы в этой области, обосновывает избранное им название ростом заболеваемости и смертности от рака в последние десятилетия. Как отмечает в одном из последних обзоров Николай Павлович Напалков, смертность населения от злокачественных опухолей в СССР и в большинстве промышленно развитых стран мира составляет от 15 до 23%, «уступая» первое место смертности от сердечно-сосудистых заболеваний.

Анализируя этот вопрос, наш ведущий онколог академик АМН СССР Николай Николаевич Блохин убедительно показывает, что основная причина увеличения общей смертности от рака связана с изменением возрастной структуры населения — увеличением лиц пожилого возраста, а также с улучшением методов ранней диагностики. И в самом деле, если рассмотреть так называемые стандартизованные показатели, элиминирующие различия возрастного состава населения, как это сделано Н. П. Напалковым с соавторами в упомянутом обзоре, то оказывается, что смертность от рака в СССР за период с 1960 по 1973 год даже снизилась. К программе работ, предусматривающих искоренение коварного недуга, привлечено внимание большого круга ученых разных специальностей. Среди них одно из ведущих мест занимает лучевая терапия, которой подвергается около двух третей онкологических больных.

Успехи, достигнутые лучевой терапией за 80-летний период своего существования (мы помним, что рентгеновские лучи стали использоваться с лечебной целью сразу же после их открытия), главным образом, связаны с двумя факторами. Первый из них — постоянный физико-технический прогресс, определяющий применение новых видов и источников ионизирующих излучений, второй — совершенство врачебного искусства лучевых терапевтов, опирающихся на многолетний опыт своих предшественников. В значительной степени эмпирический характер лучевая терапия сохраняет и по сей день. Ее перевод на строго научные рельсы связан с использованием сведений об особенностях биологических реакций на облучение различных нормальных тканей и опухолей. Такое слияние клинических наблюдений с результатами экспериментальных радиобиологических исследований началось в последние полтора-два десятка лет, и его результаты не замедлили сказаться. О них-то, о трудностях на этом пути и обнадеживающих перспективах, и пойдет речь.

Враг распознан

Задача лучевой терапии сводится к максимально быстрому подавлению опухолевого роста. С точки зрения радиобиологии она может быть оптимально решена путем лучевой стерилизации раковой ткани, произведенной без угрожающих жизни пациента повреждений окружающих нормальных тканей. На последнем конгрессе по радиационным исследованиям, прошедшем в 1974 году, американский радиобиолог Мендельсон довольно образно обрисовал ситуацию, сказав, что лучевая терапия балансирует между двумя в равной степени опасными последствиями: недоизлечением опухоли при недостаточной дозе излучения и повреждением нормальных тканей при ее превышении.

Морис Тюбиана — крупнейший французский радиобиолог (физик и врач по образованию), используя количественные данные клеточной радиобиологии, приводит следующие расчеты.

Если опухоль круглой формы имеет диаметр 2 см, а составляющие ее клетки 20 мкм, то она состоит из 10⁹ клеток. Допускается, что рост опухоли будет подавлен в том случае, если имеется лишь один из 100 шансов на сохранение одной жизнеспособной клетки. Для этого необходима такая доза, чтобы доля выживших клеток составила 10^-11. Эта доза оказывается равной 2500—3000 Р. Так как однократное облучение в такой дозе вызовет тяжелое поражение тканей, то оно осуществляется в виде фракционированного курса (многократных сеансов облучения) с интервалами между отдельными фракциями. Во время таких перерывов происходит частичное восстановление жизнеспособности здоровых клеток (и это хорошо, так как позволяет ослабить поражение нормальных тканей) и, к сожалению, частично опухолевых, вследствие чего суммарную дозу приходится увеличивать в 2—3 раза. Но и это часто приводит лишь к временному эффекту, в последующем опухолевый рост возобновляется — возникает так называемый рецидив, справиться с которым препятствует толерантность (устойчивость) нормальных тканей, находящаяся на пределе в результате предшествующего облучения.

Источником рецидивирования в основном являются гипоксические зоны, образующиеся в опухоли из-за недостаточного ее кровоснабжения. Дело в том, что формирование кровеносных сосудов, доставляющих в опухоль вместе с кровью кислород, как правило, отстает от роста клеточной массы опухоли. Находящиеся в таких зонах клетки, как вы теперь знаете, обладают повышенной радиорезистентностью. Для их дезактивации требуются дозы в 2—3 раза большие, чем в условиях хорошей оксигенации, т. е. заведомо повреждающие нормальные ткани.

Рис. 19 дает представление о роли фракции гипоксических клеток на исход лучевой терапии. Например, один и тот же лечебный эффект дозы 4500 Р может быть достигнут при лечении опухолей, диаметр которых различается более чем в 100 раз — 75, 3 и 0,5 мм, если доля гипоксических клеток составляет соответственно 0, 1 или 100%.

Рис. 19. Дозы, необходимые для излечения 90% опухолей разного размера, в зависимости от степени оксигенации: полной (верхний ряд), при наличии 1% (средний ряд) или 100% (нижний ряд) аноксических клеток. Цифры на рисунке —диаметр опухоли в миллиметрах (объяснение в тексте)

Наличие гипоксических клеток, таким образом, делает опухоли менее радиочувствительными, чем хорошо оксигенированные нормальные ткани. Отсюда разработка средств и способов преодоления радиорезистентности, или (что то же самое) повышения радиочувствительности гипоксических клеток опухоли, т. е., как говорят, расширения терапевтического интервала, составляет первостепенную задачу радиобиологии.

Артиллерия, кислород, химическая атака, перегрев

Помните наши путешествия в Дубну и к ядерным мастодонтам будущего? Мы упоминали тогда, что добываемые на современных ускорителях плотноионизирующие ядерные частицы — нейтроны, отрицательные пи-мезоны и тяжелые ионы могут быть с успехом использованы для повышения эффективности лечения рака. Оказывается, что такая тяжелая ядерная артиллерия не только сильнее поражает клетку, но и в значительной степени нивелирует кислородный эффект. Наибольшее число данных получено в экспериментах с использованием нейтронов. Как видно из рис. 20, при облучении нейтронами в результате меньшего коэффициента кислородного усиления поражение гипоксических клеток более выражено, чем при рентгеновском облучении: дозы, инактивирующие 90% клеток при облучении в азоте, различаются в 4 раза. Кроме того, нейтроны сильно подавляют восстановление клеток, в связи с чем при фракционировании дозы они значительно эффективнее рентгеновских или гамма-лучей, повреждения которыми клетки частично репарируют в интервалах между облучениями. Начавшееся в последние годы клиническое применение нейтронов позволило повысить эффективность воздействия на опухоли, если их радиоустойчивость определяется фракцией гипоксических клеток или повышенной способностью к репарации. В Советском Союзе эти работы курируются профессором Евгением Александровичем Жербиным, ныне возглавляющим созданный академиком Георгием Артемьевичем Зедгенидзе Институт медицинской радиологии АМН СССР.

Рис. 20. Кривые выживания клеток при рентгеновском облучении (А) и облучении быстрыми нейтронами (Б) на воздухе (нижние кривые) и в атмосфере азота (верхние кривые); коэффициент кислородного усиления составляет соответственно 2,5 и 1,6 (объяснение в тексте)

Еще большие перспективы сулит применение тяжелых заряженных ядерных частиц, в частности многозарядных ионов и отрицательных пи-мезонов. Обладая теми же преимуществами, что и нейтроны, они, кроме того, теряют максимум энергии в самом конце пробега. Локализуя пик Брэгга в зоне опухоли, можно рассчитывать на преодоление радиорезистентности гипоксических клеток, подвергая минимальной лучевой нагрузке здоровые ткани по ходу пучка и полностью исключая облучение тканей, находящихся за пиком Брэгга.

Опыта клинического использования отрицательных пи-мезонов и тяжелых ионов пока нет, так как до сих пор еще не сооружены нужные для этих целей гигантские ускорители, позволяющие вывести внешние пучки требуемой интенсивности. Однако радиобиологические экспериментальные исследования, выполненные на пучках малой интенсивности в нашей стране и в США, принципиально подтверждают теоретические предпосылки их практического применения.

Успешное использование прецизионного (высокоточного) облучения опухолей тяжелыми заряженными ядерными частицами высоких энергий связано с необходимостью резкого повышения разрешающей способности методов строгой локализации патологического очага. Над этой задачей сейчас активно работает физико-техническая мысль, используя самые разнообразные современные способы интервидения. Следует думать, что в обозримом будущем мы получим возможность эффективного контроля распространенности клеточных элементов опухоли, без чего трудно гарантировать как избежание рецидивирования, так и переоблучения нормальных тканевых элементов, непосредственно примыкающих к опухолевому очагу.

В обход этого препятствия и независимо от него разрабатываются другие подходы к избирательному усилению поражения гипоксических клеток, не связанные с необходимостью столь строгой топической диагностики опухоли. Один из них состоит в попытке повысить оксигенацию опухолей путем вдыхания чистого кислорода при повышенном давлении — до 3 атм. Метод этот, названный оксибарорадиотерапией, как упоминалось, был предложен в конце 50-х годов английским радиобиологом Греем и скоро получил широкое развитие, прежде всего на родине автора, а также в других странах Европы и США. Теоретические предпосылки применения оксибарорадиотерапии состояли в своеобразной зависимости изменения радиочувствительности клеток от концентрации кислорода (см. рис. 14), из которой следует, что после 20 мм рт. ст. дальнейшее повышение напряжения кислорода вплоть до нескольких атмосфер практически не сказывается на радиочувствительности. С учетом того, что напряжение кислорода в большинстве нормальных тканей человека составляет в среднем около 40 мм рт. ст., можно было ожидать, что при облучении пациента в условиях гипербарической оксигенации последняя приведет лишь к усилению поражения гипоксических опухолевых клеток и не повлияет на радиочувствительность нормальных тканей. Накопленный к настоящему времени опыт оксибарорадиотерапии, в том числе данные отечественных клиницистов Е. С. Киселевой и С. Л. Дарьяловой, подтвердил ее радиобиологические предпосылки, однако полученные результаты оказались ниже ожидавшихся. Дело в том, что кислород даже под давлением не доходит до наиболее гипоксических зон опухоли, так как расходуется по пути жадно поглощающими его менее гипоксическими клетками.

Поняв причину этого явления, радиобиологи в начале 70-х годов высказали мысль о замене кислорода химическими соединениями, как и он обладающими сродством к электрону — электронакцепторными свойствами, с которыми связывают сенсибилизирующее действие кислорода. Такие соединения не нужны клеткам, поэтому они должны диффундировать далеко от питающих опухоль капилляров. Этот поиск вскоре завершился успехом, и сейчас не только в эксперименте, но и в клинике проводится изучение ряда электронакцепторных препаратов, получивших общее название сенсибилизаторов гипоксических опухолевых клеток. Основная ценность таких препаратов состоит в том, что они не усиливают поражения нормальных тканей, находящихся в условиях хорошего снабжения кислородом и потому не реагирующих на дополнительный электрон акцепторный потенциал.

К проблеме использования электронакцепторных соединений в последнее время привлечено очень большое внимание. Специально этим вопросам был посвящен прошедший в сентябре 1977 года 7-й Греевский мемориал. Принята комплексная программа соответствующих исследований в странах СЭВ.

Совсем недавно началась температурная атака на опухоли. В Советском Союзе ее возглавил член-корреспондент АМН СССР Николай Николаевич Александров. Оказалось, что кратковременный локальный нагрев опухоли до 42—43° С подавляет процессы репарации, особенно в гипоксических клетках, что также способствует усилению их поражения.

Рассмотренные пути преодоления радиорезистентности опухолей, обусловленной гипоксическими клетками, объединены одним стремлением — избирательно увеличить их радиочувствительность. Существует и альтернативная возможность решения проблемы — уменьшить чувствительность нормальных тканей, с тем чтобы можно было повысить дозу на опухоль.

Удар с тыла

Охраняемые в процессе лучевого лечения нормальные ткани, окружающие опухоль, «используются» ею как своеобразный защитный панцирь, повреждение которого прежде всего чревато опасностями для организма.

Кроме того, сохранение нормальных тканей важно, так как опосредованно способствует излечению. Это становится понятным, если учесть совершенно очевидную значимость таких процессов, как васкуляризация (состояние сосудистого русла), ограничение локального развития опухоли, задержка диссеминации опухолевых клеток, участие в формировании рубца или заживлении и поддержание иммунитета. Отсюда ясно, что повышение устойчивости нормальных тканей всегда полезно организму, а сохранение их боеспособности позволяет ударить по опухоли как бы с тыла.

Для избирательной противолучевой защиты нормальных тканей сейчас разрабатываются два подхода — использование химических протекторов и средств, создающих острые гипоксические состояния.

В серии независимых экспериментальных исследований, выполненных Л. Н. Кублик и А. Л. Выгодской в СССР, а Д. Юхасом с сотрудниками в США, было установлено, что некоторые аминоалкилтиофосфаты медленнее проникают в клетки опухоли, и что особенно важно, их защитный эффект меньше проявляется в условиях гипоксии. Такие препараты синтезируются в лаборатории академика И. Л. Кнунянца его сотрудниками О. В. Кильдышевой и М. Г. Линьковой. Они успешно испытаны на экспериментальных животных как средства избирательной защиты нормальных тканей. Однако лучшим критерием истины, как известно, служит практика, а в клинике тиофосфаты пока еще не изучались.

Облучение опухолей в условиях острой гипоксии давно привлекает внимание радиобиологов. Наибольший экспериментальный и клинический опыт в этом плане накоплен при использовании локальной аноксии конечностей, создаваемой наложением кровоостанавливающего жгута.

Радиобиологические предпосылки этому были получены в нашей стране исследованиями С. Б. Балмуханова с сотрудниками и Ю. И. Рампана, а за рубежом — Ван ден Бренком, П. Линдопом и другими. В этих исследованиях было показано, что при наложении жгута (турникета) напряжение кислорода в нормальных тканях снижается быстрее, чем в опухолях. Соответственно ФИД, например, в коже и костном мозге составляет 1,9—2,2, а в опухолях — 1,5. В клинических работах Г. Сьютта, С. Б. Балмуханова и И. П. Кузнецовой было подтверждено, что нормальные ткани при облучении в условиях турникетной аноксии переносят в 2—3 раза, большие дозы излучения, а регрессия опухоли ослабляется в меньшей степени. К сожалению, этот метод ограничен возможностью использования турникета при лечении опухолей конечностей; в основном это — остеосаркомы, характеризующиеся бурным метастазированием. Поэтому улучшение местных результатов позволяет рассчитывать на излечение лишь в тех редких случаях, когда лучевая терапия начата еще до начала формирования метастазов.

Поэтому понятно стремление использовать общие гипоксические состояния в лучевой терапии других опухолей. Предположения о кратковременном вдыхании азота (на период облучения опухоли) высказывались неоднократно с начала 60-х годов такими мировыми авторитетами, как Бак, Холлендер и Тюбиана, а Райтом были получены весьма обнадеживающие результаты в опытах на опухолях крыс. Мне памятен рассказ Холендера об этих экспериментах Райта на первом международном симпозиуме по первичными механизмам радиобиологического эффекта, состоявшемся в 1961 году. Со слов Холендера, опухоли удавалось излечить в один-два сеанса облучения крупными дозами, без заметного повреждения окружающих тканей, но затем животных приходилось выводить из состояния клинической смерти... Разумеется, что среди лучевых терапевтов трудно было найти энтузиастов, которые бы рискнули на клиническую апробацию кратковременной многократной асфиксии. Рассчитывать на легко переносимые газовые смеси не было особых оснований. Такие смеси, как упоминалось в предыдущей главе, оказывают слабый радиозащитный эффект. Помните, в опытах М. М. Константиновой при облучении мышей в атмосфере, содержащей 9—10% О₂, ФИД составил около 1,2. Кроме того, до последнего времени не было уверенности в возможности селективной защиты нормальных тканей, без чего применение гипоксии не имело смысла.

Здесь то и оказался крайне важным рассказанный в предыдущей главе обнаруженный В. Г. Овакимовым феномен ослабления защитного действия острой гипоксии на объектах, адаптированных к недостатку кислорода. Когда мы осмысливали с Валентином Григорьевичем это наблюдение, положенное в последующем в основу его докторской диссертации, мне показалась заманчивой аналогия с фракцией гипоксических клеток опухоли. Можно было легко представить себе, что такие клетки, длительно испытывая дефицит кислорода, также адаптируются к этим условиям, и, следовательно, дополнительная острая гипоксия должна оказывать на них меньшее радиомодифицирующее действие, чем на хорошо оксигенированные нормальные ткани. Идея эта показалась невероятно заманчивой, а ее проверка весьма проста. И вот через 2—3 месяца результаты первых же серий опытов не только подтвердили исходное предположение, но и обнаружили «парадоксальный» феномен. При локальном фракционированном облучении опухоли мышей (саркомы 37), вдыхавших смесь, содержащую 5% кислорода и 95% азота, регрессия опухоли не только не ослаблялась, а была выражена даже в большей степени, чем при облучении на воздухе.

Но, может быть, это случайность? Нет, опыт легко воспроизводился. Его результаты повторились и на двух других опухолевых штаммах.

На рис. 21 приведены результаты одного из таких экспериментов. Видно, что опухоли, подвергнутые дробному рентгеновскому облучению в условиях кратковременной острой гипоксии (продолжительность эксперимента 5 мин, включая время облучения), регрессируют — раньше, а рецидивируют позднее и с меньшей частотой, чем при облучении на воздухе.

Рис. 21. Регрессия (рассасывание) и рецидивнрование (возобновление роста) опухоли Эрлиха мышей при трехкратном облучении в разовой дозе 1750 Р на воздухе (1) и в условиях гипоксии — 5% О₂ и 95% N₂ (2); рост опухоли в контроле без облучения (3). Верхними стрелками показаны дни облучения, нижними — количество животных с рецидивами и время их возникновения

Парадоксально (теперь уже без кавычек), но факт!

В 1973 году докладываем дважды эти данные на Московском семинаре секции радиобиологии опухолей Научного совета АН СССР, а в 1974 году в Праге — на 1-й радиобиологической конференции социалистических стран. Встречают с интересом, но ощущается холодок и скепсис пополам с недоверием. Такая атмосфера лишь подливает масла в огонь. Все большее число сотрудников лаборатории приобщается к разработке гипоксирадиотерапии— так теперь назван новый метод лечения. С нами начинают сотрудничать и подтверждают результаты коллеги из ГДР; у них большой опыт работы с крупными лабораторными животными — свиньями и собаками.

После двукратного обстоятельного обсуждения на Ученом совете Онкологического научного центра клиницисты начинают гипоксирадиотерапию онкологических больных. Этому способствует кипучая энергия Р. Б. Стрелкова, независимо от нас обратившего внимание на целесообразность использования легко переносимых человеком гипоксических газовых смесей для противолучевой защиты человека и добившегося официального разрешения их использования в клинике.

Начинаем со смесей, содержащих 10% кислорода. Они хорошо переносятся человеком. Об этом свидетельствует большой опыт профессора П. А. Граменицкого — крупного авторитета в области авиационной и космической медицины. Параллельно испытываем на себе — группе авторов переносимость человеком более жестких (с меньшим содержанием кислорода) смесей, ибо понимаем, что эффективность метода сильно зависит от степени гипоксии и длительности ее воздействия. В эксперименте успешно исследуются возможности повышения устойчивости организма к гипоксии, не ослабляющие ее радиозащитного эффекта. В качестве средств, дифференцированно ослабляющих только токсическое действие острого недостатка кислорода, можно указать на гутимин, особенно в сочетании с витаминами группы В (данные П. Г. Жеребченко и А. В. Титова) и на мексамин (данные Э. Я. Каплана, В. Г. Овакимова и Л. И. Бережновой).

Сейчас лишь самое начало работы. Она проводится в единичных центрах и ни о каких ее практических результатах говорить еще нельзя. На основании экспериментальных данных можнодумать, что гипоксирадиотерапия должна быть особенно эффективна при опухолях, содержащих большую долю гипоксических клеток. Здесь-то и возникает тот самый парадоксальный эффект — усиление регрессии опухолей. Его причина в селективном сохранении боеспособности нормальных тканей, с тыла атакующих тяжело раненного врага.

Будущее покажет, насколько клиника человека подтвердит эксперимент. Профессор В. Ольснер — директор радиологической клиники К. Маркс-Университета в Лейпциге, с которым мы работаем в содружестве в области гипоксирадиотерапии, любит напоминать о многих примерах из истории онкологии, когда казавшиеся безупречными экспериментальные предпосылки не находили, к сожалению, клинического подтверждения. Однако имеющиеся практические успехи, как правило, все же явились следствием экспериментальных разработок. Весьма важно, что гипоксирадиотерапйя не сулит никаких неприятных неожиданностей и представляет простор для фундаментальных и прикладных исследований.

Биологический пи-мезон

Поездка в Швецию, о которой упоминалось в одной из начальных глав, к профессору Б. Ларсону, в значительной степени была вызвана нашей с ним общей любовью к гипоксии. Бьёри Ларсону, как и мне, представляется наиболее перспективным направлением усовершенствования лучевых методов лечения опухолей разработка способов управления тканевой радиочувствительностью с помощью модифицирующих агентов. Среди них в ближайшие годы (до получения и возможности использования исчерпывающей информации о цитокинетике опухолей человека) ведущая роль будет принадлежать средствам избирательного поражения гипоксических клеток и селективной защиты нормальных тканей. К первым относятся химические сенсибилизаторы и гипертермия, а ко вторым — протекторы и гипоксия. Мы только что познакомились с результатами экспериментальной гипоксирадиотерапии, проводимой в условиях вдыхания газовых смесей. Ларсона увлекает другой оригинальный путь создания кратковременной локальной гипоксии. Он вводит в артерию мелкодисперсные частички крахмала, которые закупоривают капилляры определенного участка тканей (например, кишечника или конечности) и вызывают в нем инфаркт. Не пугайтесь, однако, этого грозного слова, ибо закупорка эта — временная; частички крахмала быстро растворяются ферментом сыворотки крови — амилазой, и кровоснабжение восстанавливается. Зато облучение на высоте максимальной ишемии, вызванной прекращением кровотока, сопровождается наименьшим поражением нормальных тканей, что позволяет увеличить дозу на располагающуюся в этой зоне опухоль.

Особенно перспективным представляется нам с Ларсоном использование гипоксических состояний при облучении опухолей протонами высоких энергий. В этом случае удастся сочетать отличное дозное распределение (помните характерный для протонов пик Брэгга) с нивелировкой кислородного эффекта. Иными словами, если окажутся верными идеи, заложенные в гипоксирадиотерапию, и подтвердятся в клинике ее экспериментальные результаты, то на этом пути можно создать своего рода «биологический пи-мезон», при несоизмеримо меньших затратах, если учесть огромную стоимость пи-мезонной фабрики.

Перечисленные подходы к усовершенствованию и развитию лучевой терапии опухолей не исчерпывают всех возможностей, определяемых достижениями радиобиологии сегодняшнего дня, не говоря о ее перспективах. Сейчас все большее число специалистов сходятся во мнении о том, что развитие лучевых методов лечения опухолей связано и определяется успехами в разработке научно обоснованных средств и способов управления тканевой радиочувствительностью, особенно при использовании новых источников радиации.

Знаменательно, что об этом неоднократно говорили в своих выступлениях профессор Л. Ревес и академик АМН СССР Александр Сергеевич Павлов на международной и всесоюзной конференциях, одновременно проходивших в последней декаде ноября 1976 года в Вене и Ленинграде, а также в докладах на этих конференциях, посвященных данной проблеме. Об этом же годом раньше мне довелось с удовольствием слышать на берегах Дуная в великолепных залах национальной галереи Будапешта из уст крупнейших авторитетов, таких, как Д. Фаулер, А. Цупингер и другие, собравшихся вместе с венгерскими радиологами на 12-е заседание Европейского радиобиологического общества.

Мы коротко рассмотрели радиобиологию как научную основу лучевых методов лечения рака. Для этого пришлось навестить радиологическую клинику сегодняшнего дня и слегка заглянуть вперед. В частности, задача создания биологического пи-мезона, пусть вполне реальная, но все же является предметом будущих исследований и разработок. К ним-то и предстоит перейти на заключительном этапе наших странствий.

ЗАГЛЯНЕМ В БУДУЩЕЕ

Нет таких отдаленных явлений, до познания которых нельзя было бы достичь, и нет таких таинственных явлений, которые нельзя было бы понять.

ДЕКАРТ

Давайте, дорогой читатель, в заключение помечтаем...

«Если бы человек был совершенно лишен способности мечтать,— говорил Д. И. Писарев,— если бы он не мог изредка забегать вперед и созерцать воображением своим в цельной и законченной красоте то самое творение, которое только что начинает складываться под его руками,— тогда я решительно не мог бы себе представить, какая побудительная причина заставляла бы человека предпринимать и доводить до конца обширные и утомительные работы в области искусства, науки и практической жизни».

Вряд ли можно более четко изложить свое отношение к мечте, чем это сделал В. И. Ленин, сказав: «А4ечты! Без мечты человек превращается в животное. Мечты двигают прогресс».

Итак, помечтаем и пофантазируем, условившись, однако, не слишком отрываться от реальности о согласии с мудрым определением Л у Синя, который сказал: «Мечта — это не то, что уже существует, но и не то, чего не может быть. Это, как на земле,— дороги нет, а пройдут люди, проложат дорогу».

Радиация и прогресс

Командировка весной 1977 года в Польшу на совещание экспертов стран СЭВ обещала быть интересной не только возможностью обсуждения актуальных радиобиологических проблем с ведущими специалистами социалистических стран, но и еще по двум причинам. Наш первый визит в Варшаве намечался в Институт, основанный Марией Склодовской-Кюри, а совещание СЭВ было намечено в г. Гливице, что в нескольких десятках километров от места, где 32 года назад меня застал день Великой Победы.

Поезд прибыл на перрон великолепного современного здания Варшавского вокзала, одного из лучших в Европе. И через 15 минут мы с Е. С. Киселевой (моей спутницей в командировке) в кабинете Марии Кюри. Невольно вспоминаются два эпизода из истории: более полувека назад, в солнечный летний день 1925 года, первый кирпич будущего института радия кладет президент Польши, второй — мадам Кюри, третий — президент города Варшавы. 29 мая 1932 года коллега и друг Марии Кюри профессор Рего (крупнейший радиолог) открывает этот институт. В тот день Мария в последний раз видит Польшу. 4 июля 1934 года в возрасте 67 лет она скончалась в Париже от злокачественного заболевания крови...

Профессор Тадеуш Кошаровский — директор Института онкологии им. Марии Склодовской-Кюри (так теперь называется Институт радия)— горячий патриот своей Родины, ведет нас к бронзовой скульптуре великой Марии. Скульптор запечатлел ее в последние годы жизни, глубоко задумавшейся над возможными последствиями собственных открытий... Трагедийность и торжественность ситуации подчеркиваются тремя пулевыми пробоинами в теле статуи — варварскими следами фашизма, попранного бронзовыми стопами маленькой женщины-кумира и героини своей Родины, крупнейшего ученого, имя которого украшает историю великих дел Планеты.

Сегодня взору Марии предстал бы гигантский размах ее начинаний, их определяющая роль в мировом прогрессе. Нет такой области знаний, в которой бы так или иначе не использовались ионизирующие излучения. Они, сопровождая все живое на земле, оказывали в прошлом непосредственное влияние на ход эволюции, и сегодня позволяют проникнуть в историю нашей планеты и в судьбы сменявших друг друга цивилизаций, раскрывая секреты прикрытой веками и тысячелетиями таинственной неизвестности.

Атомная энергетика уже сегодня занимает солидное место в мировом хозяйстве. А в будущем она проникнет во все уголки жизни и деятельности человека. Уже к концу нашего столетия общая мощность атомных электростанций на земле превысит сотни миллионов киловатт. Ядерные двигатели займут прочное место на крупных океанских и воздушных лайнерах и уж наверняка обеспечат освоение других планет, а возможно, и зондирование иных галактик.

Но это — крупномасштабные энергосистемы. Между тем многие сотни и тысячи наших современников, по-недавним понятиям считавшихся обреченными, живут, работают, любят и радуются благодаря крошечным стимуляторам сердечной деятельности, работающим на атомном «топливе». Ядерная медицина сегодня — это узаконенная огромная область прикладных исследований. Горизонты ее необозримы. К услугам специалистов бесчисленное множество радиоактивных изотопов и меченных ими соединений, поставляемых природой, радиохимическими лабораториями и промышленностью с помощью ядерных реакторов и ускорителей.

Здесь и относительно долгоживущие и существующие недели, дни, часы и минуты изотопы. Каждому — своя область применения. С их помощью удается проникнуть в тончайшие механизмы обмена веществ, проследить за его нормальным ходом в организме и проконтролировать ошибки при различных болезненных состояниях.

Всем этим занимается радиоизотопная диагностика. Ее лозунг — видеть с помощью невидимого, и сегодня она оснащена для этого самой совершенной техникой, включая точнейшие счетчики, регистрирующие все виды ионизирующих излучений, электронно-вычислительные машины и компьютеры.

Профессор Р. И. Габуния, возглавляющий отдел радиоизотопной диагностики Онкологического научного центра АМН СССР, рассказывает, что уже сегодня, используя достижения физики, химии и радиоэлектроники, с помощью меченых атомов выявляются ранние патологические сдвиги, когда они еще не ощущаются человеком. Меченые соединения позволяют визуализировать (получать изображение) отдельные органы, недоступные инструментальным методам исследования. С их помощью определяют врожденные пороки сердца, поражение сердечной мышцы и сосудов, выявляют ранние нарушения функции легких и самые начальные расстройства внешнего дыхания. Особенно ценные данные получают с помощью радиоизотопных методов при диагностике злокачественных новообразований и оценке их распространенности применением радиоактивного фосфора, цитрата галия и меченых антибиотиков.

Новейшее достижение техники — сцинтилляционная гамма-камера позволяет определять функциональные нарушения быстро (в секунды) протекающих процессов коронарного и почечного кровотока. Таким путем, например, оказалась возможной ранняя диагностика вазоренальных (почечно-сосудистых) форм гипертонии, что позволило повысить эффективность ее лечения.

Большие перспективы заложены в применении ультракороткоживущих изотопов и нового направления диагностики, основанной на анализе гормонов, ферментов и других биологически активных веществ в 1 мл крови. Таким путем предполагается получить информацию, полезную для осуществления широких профилактических мероприятий по выявлению ранних форм злокачественных новообразований. Весьма важна возможность точного объективного контроля за радиоактивностью организма; высокочувствительные современные сцинцилляционные счетчики всего тела позволяют оценивать ее на уровне естественного фона.

Бурное развитие получили в последние годы имеющие большую историю методы рентгеновской диагностики. К их числу в первую очередь относятся ангио- и лимфография — исследование кровеносных сосудов и лимфатической системы с помощью рентгеноконтрастных веществ, а также топометрия и томография — получение изображения патологических очагов и отдельных органов на различных глубинах и «срезах» человеческого тела.

Возможности и разрешающая возможность этих и других методов рентгенодиагностики существенно повысились благодаря развитию и внедрению новой техники, в первую очередь электронно-оптических преобразователей, телевидения, видеомагнитофонов. Теперь эти методы используются не только для диагностики и контроля эффективности лечения, они резко облегчают осуществление сложнейших лечебных процедур и тонких оперативных вмешательств.

Перспективы участия атомной энергии в техническом прогрессе связаны с еще одной бурно развивающейся областью знаний — радиационной генетикой, оперирующей в лабиринтах биологического микромира.

Молекулярные ювелиры

Размер одной из самых гигантских молекул — молекулы ДНК — огромен, ее длина достигает 2 м. Однако диаметр ДНК не превышает 20 Å⁵. Представляя собой полимер, она состоит из нескольких сотен тысяч мономеров, называемых нуклеотидами, комбинаторика которых составляет гены, обеспечивающие необходимый запас и передачу информации, включающей все разнообразие признаков, характерных для данного вида.

Открытие Ф. Криком и Д. Уотсоном структуры ДНК сделало понятным молекулярный механизм мутаций, в том числе и вызываемых ионизирующей радиацией. Он состоит в выпадении отдельных оснований из состава нуклеотидов или вставке лишних единиц в молекулу ДНК, в результате чего искажается правильное считывание и синтез новых соединений. Познав причину мутаций, ученые сразу решили использовать последние во благо человека. Возникла почти фантастическая область знаний — генная инженерия. Ее конечные задачи определяются самим названием. Речь идет о конструировании гена, или, иными словами, об управлении наследственностью.

Не будем касаться этической стороны данного вопроса, предоставив это любителям бесплодной полемики, во-первых, по причине крайней отдаленности его приложения к человеку, а во-вторых, в согласии с мудрыми словами К. Гробстайна: «Прошлое создавало свои понятия, осмысливая то, что оно лишь смутно ощущало за всем этим,— понятия, порожденные невежеством и окрашенные предрассудками. Настоящее заставляет нас отказаться от старых, традиционных понятий, потому что будущее должно быть основано на глубоком знании стратегии жизни, которое будет использоваться все более сознательно».

Покажем лишь на отдельных примерах сегодняшнего дня, заимствованных из книги В. Н. Сойфера, необозримые перспективы молекулярных ювелиров будущего.

Генетики, используя методы получения мутаций, закрепления их и последующей селекции, вывели новые, невиданные расцветки норок; в 1963 году на аукционе в Нью-Йорке ставшая королевой рынка зеленая норка побила все рекорды стоимости — 400 долларов за шкурку!

Я. Л. Глембоцкий, подвергнув генетическому анализу причины гибели серых каракулевых овец (ширази), предложил эффективный селекционный выход из этого положения. И теперь ширази разводятся без особого труда.

Почти на 40% повысился выход натурального шелка благодаря ювелирному искусству генетика В. А. Струн-никова. Зная, что мужские коконы дают значительно больше шелка, чем женские, Струнников с помощью радиации принял решение осуществить дерзкий эксперимент — пересадить контролирующий темную окраску ген из одной хромосомы (аутосомы) в другую — половую хромосому. Задумано и сделано (легко сказать, на самом деле ученый затратил на эту операцию титанический труд); ген темной окраски перекочевал в женскую хромосому, и тепёрь только женские коконы окрашены в темный цвет. Фотоэлементу, вмонтированному в нехитрую машину, оставалось лишь сортировать грену шелкопрядов на темную и светлую — светлая была мужской .и ее оставляли для получения тяжелых коконов.

Колоссальные успехи имеет радиационная генетика в сельском хозяйстве.

Ее методами выведены высокоурожайные кустовые формы ячменя и фасоли, ранее не встречавшиеся в природе. Почти вдвое повысилась урожайность мутанта Петкусской ржи. В Швеции выведены новые сорта гороха, пшеницы и фасоли. Многие радиационные сорта обладают неполегаемостью, устойчивостью к болезням и другими полезными свойствами.

В нашей стране ведутся работы по выведению радиационных сортов томатов, люпина и хлопчатника. Крупнейшие успехи достигнуты в селекции микробов, продуцирующих антибиотики. Удалось получить штаммы микроорганизмов, дающих в сотни и тысячи раз больше антибиотиков, чем их исходные формы.

Большую экономическую выгоду сулит получение и разведение полиплоидных (содержащих много хромосомных наборов) сортов растений, дающих вдвое больше товарной продукции. Уже сейчас освоены полиплоидные сорта гречихи, яблони, редиса, винограда, укропа, шпината, ржи, турнепса и сахарной свеклы.

Потрясающие результаты получены методом гибридизации, когда используют первое поколение от скрещивания растений чистых линий, наследующих признаки обоих родителей. Прибавка урожая по сравнению с исходными родительскими культурами составляет для различных растений от 25 до 80%. В США, например, в 1952 году прибыль от введения гибридной культуры составила 10 млн. долларов, а в результате гибридизации пшеницы поставлена задача довести ее урожай до 70— 100 ц/га.

Из-за малых земельных площадей особое развитие гибридизация получила в Японии. 70% земель Болгарии также заняты гибридными сортами.

Большие работы по внедрению гибридизации в практику сельского хозяйства проводятся и в нашей стране. Некоторые гибридные сорта подсолнечника содержат рекордное количество жира — до 56%. Выведены новые гибриды томатов, сахарной свеклы, кукурузы и других овощных культур. Наибольшая работа предстоит в селекции зерновых культур. Повышение содержания белка в зерне пшеницы на один процент обеспечит возможность прокормить в течение года 16 млн. человек; один дополнительный процент сахара в свекле позволит дополучать более 0,5 млн. т сахара.

Крайне перспективны гибриды первого поколения животных — крупного рогатого скота, овец, домашней птицы. Здесь, на смену бесшабашной лысенковщине, пришел трудоемкий, но научно обоснованный метод отбора и закрепления в потомстве находящихся под строгим генетическим контролем полезных признаков.

Радиобиологи широко используют линейных животных, их гибриды, чистые линии клеток, бактерий и их мутанты для проведения самых разнообразных экспериментов, направленных на познание фундаментальных закономерностей жизни. С помощью меченных радиоактивными изотопами тимидина и урацила, например, удается контролировать таинственный процесс образования живого — синтез ДНК и белка в отдельных клетках. В самое последнее время удалось объединить такие сложнейшие методы исследования, как электронную микроскопию и гисторадиоавтографию, получив на этом пути возможность контроля за структурой и функцией отдельных субклеточных органелл и даже составляющих их компонентов. Многие результаты этих исследований уже сейчас используются на практике. Например, экспериментальная и клиническая онкология крайне заинтересована в информации о состоянии кинетики клеточных популяций опухолей, оцениваемой методами гисторадиоавтографии. Эти же сведения в отношении многих тканей, органов и систем нужны другим клиническим дисциплинам, а также фармакологии при разработке эффективных лекарственных препаратов.

В значительном числе случаев непосредственную практическую значимость перечисленных и других исследований предсказать нельзя, да и не следует пытаться это делать. Вспомним хотя бы совсем недавние времена, когда Альберт Эйнштейн и А. Ф. Иоффе ходили в чудаках, а сегодня их имена благодарным человечеством навечно вписаны в историю. Назидательно в этом плане изречение нашего соотечественника К. А. Тимирязева: не в поисках за ближайшими приложениями возводится здание науки, а приложения только являются крупицами, падающими с ее стола.

Радиобиология — человечеству

Далеко не полное описание созидательного участия атомной энергии в мировом прогрессе порадовало бы Марию Склодовскую-Кюри, но я не уверен, исчезла ли бы при этом задумчивость с ее чела, запечатленная в великолепной Варшавской скульптуре... Собственными руками ученого из восьми тонн уранита был добыт первый на свете грамм радия, а теперь его многочисленные «сородичи», добываемые в огромном количестве, грозят заполонить мир, и Марию волнует степень ответственности тех, кто будет на страже будущего человечества от нынешних атомных «щедрот».

Сегодня мы успокоили бы ее, рассказав о рождении целой науки, выполняющей эту функцию. Именно радиобиология призвана познать и правильно оценить последствия расширяющихся контактов человечества с радиационным спутником прогресса, сопоставив между собой риск и пользу этого содружества, тем более что развитие самой радиобиологии, ее фундаментальных и прикладных аспектов также неизбежно связано с вовлечением в сферу воздействия радиации все больших контингентов людей.

На самом деле, разве не заманчивы перспективы создания туморотропных радиоактивных лекарств, избирательно атакующих раковые клетки? А повышение разрешающей способности методов лучевой диагностики самых различных заболеваний, да еще на самых ранних стадиях их возникновения!

Есть еще целая область исследований, связанных со стимулирующим действием малых доз, излучения. Горячий поклонник этих работ в нашей стране А. М. Кузин неоднократно демонстрировал возможности повышения таким путем урожайности многих сельскохозяйственных культур.

Один из перспективных методов борьбы с вредителями — радиационная стерилизация самцов. Он основан на лабораторном разведении подлежащих уничтожению насекомых, их стерилизации и выпуске в расчете на отсутствие потомства при спаривании самок со стерилизованными самцами. Этот метод успешно апробирован в США для ликвидации мясной мухи. Во Флориде была построена «мушиная фабрика», где разводили и стерилизовали несколько миллионов мух в неделю, а затем выпускали над полями, зараженными паразитами. За несколько лет южные штаты освободились от злого губителя скота. Метод «стерильных самцов» разрабатывается и в нашей стране для уничтожения различных насекомых-вредителей. Он абсолютно безопасен для других организмов и высокоэффективен, в связи с чем, несмотря на дороговизну, вытесняет химические методы борьбы.

А преодоление тканевой несовместимости при пересадке органов радиационным подавлением трансплантационного иммунитета? Это ли не увлекательнейшая актуальная проблема современности?

Успешное решение перечисленных ц многих других проблем, на которые не хватит ни времени, ни места, ни фантазии, радиобиология видит в двух основных направлениях исследований. Первое из них состоит в развитии молекулярно-радиобиологических работ. На этом пути уточняются первичные процессы радиационных повреждений макромолекул и их роль для судьбы облученной клетки. Здесь уже сегодня открыты десятки ферментов, осуществляющих репарацию поврежденных молекул, изучены сложные механизмы работы каждого из них в отдельности, а также их комплексных взаимодействий. В самое последнее время обнаружены дефекты в работе систем репарации, которые сами по себе приводят к новым повреждениям. Открытие этого, на первый взгляд парадоксального, явления — мутацйй через ошибки репарации — обостряет вопрос о генетических последствиях малых доз излучения. Вместе с тем оно не снимает с повестки дня проблему пороговое радиационно-генетических эффектов, если понятию «порог» придать статистический, вероятностный характер, представив его в виде некоей величины дозы, вызывающей превышение мутационного шума, обусловленного природным фоном радиации.

Второе направление исследований в определенной мере связано с первым; оно состоит в разработке средств и способов управления радиочувствительностью и прежде всего — ее ослабления (в усилении поражения, как упоминалось, заинтересована только радиоонкология). Речь идет в равной степени как о профилактике радиационных поражений, так и о купировании их последствий. Эта центральная проблема радиобиологии, в свою очередь, распадается на два направления работ, которые базируются на разных предпосылках. Одно из них связано с ослаблением лучевых поражений, вызванных облучением в больших дозах. Реальные ситуации такого рода возникают при использовании радиации для лечения опухолей, при авариях на атомных производствах и т. д. Речь идет преимущественно о создании протекторов и средств регуляции внутриклеточного кислородного режима. Разработка этого направления усиленно проводится во многих химических и радиобиологических лабораториях мира с привлечением самой совершенной техники. Достаточно указать на ювелирную электронную технологию, позволяющую с помощью датчиков диаметром в 1 мк получать информацию о состоянии окислительно-восстановительных процессов не только в клетке, но и в ее отдельных компартментах.

Разрабатываются подходы и к заместительной терапии, прежде всего на пути культивирования кроветворных клеток, создания их запасов и преодоления иммунологического барьера, препятствующего гемотрансплантациям.

При разработке способов ослабления влияния малых уровней радиации используются другие подходы, так как пока отсутствуют доказательства снижения слабых радиационных эффектов с помощью изученных протекторов. Здесь прежде всего изучаются средства, контролирующие объем репарации и повышающие эффективность соответствующих ферментных систем клетки.

Возвращаясь к функциям радиобиологии, определяемым необходимостью трезвой оценки ситуации сегодняшнего дня и перспектив, связанных с неизбежным расширением сфер применения ядерной энергии, следует помнить, что сейчас в этом направлении сосредоточены усилия не только радиобиологов, но и специалистов самых различных смежных профессий. При этом наряду с оптимистами (которых, пожалуй, большинство) имеются и оппозиционно настроенные люди.

Споры ведутся горячие и в самых разных аудиториях. Примером тому может служить доклад председателя управления по атомной энергии Соединенного Королевства сэра Джона Хила на тему «Злоупотребление ядерной энергией», сделанный им в Лондоне на специальной конференции «Ядерная энергетика и интересы населения», организованной «Файнснишл тайме» в июне 1976 года. Полный текст стал известен, когда писались эти строки, так как он был опубликован в последнем бюллетене МАГАТЭ. Основные мысли Д. Хилла, анализ и оценка ситуации столь интересны, что заслуживают посвящения в них читателя этой книжки, тем более что они близки ее автору, являющемуся горячим приверженцем оптимистических прогнозов.

К числу всевозможных аспектов злоупотреблений ядерной энергией, таких, как угроза ядерного нападения, загрязнение окружающей среды, небрежное использование и эксплуатация ядерных материалов и устройств и др., докладчик относит также необоснованные и вводящие в заблуждение нападки, которым очень часто подвергается ядерная промышленность. Между тем вся история человечества, начиная с зарождения цивилизации, характеризуется стремлением найти более мощный источник энергии. По мере того как автомобиль, поезд и самолет сменяли почтовую карету, а фабрика — деревенскую кузницу, более крупными становились аварии; при падении со скалы почтовой кареты могли погибнуть шесть человек, а не сотни, как это случается при воздушных катастрофах.

Без колес у нас не было бы автомобиля и железных дорог, но также полевых орудий и танков. Без химии мы не сумели бы создать не только удобрения и лекарства, но и снаряды, бомбы и отравляющие вещества. Без ядерной физики у нас не было бы атомной бомбы и плутония, т. е. отсутствовал бы безграничный источник энергии, который обеспечит жизнь будущих поколений, когда истощатся ценные резервы нефти и газа. С учетом всего этого становится особенно актуальным реализм в оценке возможного ущерба здоровью населения, наносимого развивающейся атомной промышленностью. В этом плане, как замечает Д. Хилл, дискуссия о плутонии носит больше эмоциональный, чем рациональный характер, ибо по токсичности при попадании с пищей или водой плутоний нельзя сравнивать со многими химикатами, широко используемыми в повседневной жизни.

Главная опасность плутония и других источников излучения — возможность повышения частоты заболеваний злокачественными новообразованиями. Среди них особую роль играют лейкозы, которые наиболее часто связывают с атомной энергией. К сожалению, в этом случае заключения делаются без должной связи со статистикой. Между тем из данных десятилетнего анализа службы регистрации актов гражданского состояния по всем отраслям промышленности Англии следует, что смертность от лейкозов среди драпировщиков и работников текстильной промышленности в 2 раза с лишним выше средних показателей по стране. Значит ли это, однако, что обивка мебели вызывает лейкоз? Возможно, но не очень вероятно, говорит Хилл, и, пожалуй, с ним трудно не согласиться.

При объективном анализе тех же статистических данных можно легко убедиться, что в отраслях промышленности, применяющих высококвалифицированный труд, отмечается наивысшая продолжительность жизни и наиболее низкая смертность. В этом плане атомная промышленность находится в особом положении, так как имеет хорошие условия труда, систематический медицинский контроль и статистику и, кроме того, отличается высокой профессиональной заинтересованностью персонала. Отсюда и статистические показатели в ней благоприятнее средних цифр, характеризующих все население. В этом легко убедиться из приводимой Хиллом таблицы о фактической и предполагаемой (согласно средним данным) смертности в системе атомной промышленности Соединенного Королевства (табл. 3).

Таблица 3

Фактическая и предполагаемая смертность среди мужчин — сотрудников атомной промышленности Англии и пенсионеров и 1962—1974 годах (Д. Хилл, 1977)

Обращаясь в конце доклада к критикам, выступающим против атомной энергии, Хилл вопрошает об альтернативе, гарантирующей лучшие перспективы по сравнению с атомной энергией, и, не видя таковой, характеризует пренебрегающую статистическими данными критику как злонамеренное отношение к атомной энергии, которое вредит прогрессу человечества.

Можно не соглашаться со столь острой постановкой вопроса, тем более что она исходит от крупного руководителя атомной промышленностью, но нельзя отказать в полезности широкого обсуждения проблемы, последнее слово в котором за радиобиологией — в этом ее цель как детища века.

Мы начинали книгу со слов Фредерика Жолио-Кюри. Его же изречением хочется закончить изложение и с радостью присоединиться к пожеланиям нашего великого современника-гуманиста: «...Я хочу, чтобы как можно скорее перестали говорить: «Наука нас ведет к гибели от атомной и водородной бомбы», я хочу, чтобы, наконец, мы могли работать спокойно, ничего не опасаясь, и вновь с радостью приносить миру ценнейшие дары науки».

Самуил Петрович ЯРМОНЕНКО

РОЖДЕННАЯ ВЕКОМ

Редактор Н. И. Феоктистова. Заведующий естественнонаучной редакцией А. А. Нелюбов. Младший редактор Н. Т. Карячкина. Художественный редактор Т. И. Добровольнова. Художник И. А. Огурцов. Технический редактор А. Н. Красавина. Корректор Р. С. Колокольчикова.

А 08846. Индекс заказа 86706.

Сдано в набор 21/VII—77 г. Подписано к печати 2/XII—77 г. Формат бумаги 84Х108/32.Бумага типографская № 1. Бум. л. 1,75. Печ. л. 3,5. Усл. печ. л. 5,88. Уч.-изд. л. 5,73. Тираж 100 000 экз. Издательство «Знание», 101835, Москва, Центр, проезд Серова, Д. 4. Заказ № 7—2038. Цена 20 коп.

Головное предприятие республиканского производственного объединения «Полиграфкнига» Госкомиздата УССР, Киев, ул. Довженко, 3.

1

Леди Годайва — женщина из средневековой английской легенды, проехавшая в обнаженном виде верхом на коне по улицам Ковентри.

(обратно)

2

Следуя, как уже, вероятно, заметил читатель, несколько скептическому стилю изложения, отражающему неспокойный характер автора, приведем слова крупнейшего авторитета в области клеточного деления Д. Мэзия (Беркли, США): «Впереди у цитологии значительно более длинный путь, чем позади, и мы со всеми своими «новейшими» открытиями стоим лишь в самом начале этого пути».

(обратно)

3

Исключение представляют лимфоциты, которые, как мы знаем, крайне радиочувствительны, поэтому их число в крови резко уменьшается в первые же часы после облучения.

(обратно)

4

Термин «химера» был введен Питером Медаваром, чтобы подчеркнуть главный смысл данного явления, казавшегося с иммунологических позиций невероятным.

(обратно)

5

Один ангстрем (Å) составляет стомиллионную, часть сантиметра.

(обратно)

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ДЕТИЩЕ АТОМНОГО ВЕКА

  Гамбургский мемориал

  Вюрцбург конца XIX века

  Париж эпохи атомной зари

  Этапы становления

ОТ ФИЗИКИ К БИОЛОГИИ

  Внутрь атома

  Ядерные мастодонты

  Упсала и супермастодонты

КТО КРЕПЧЕ И ПОЧЕМУ? ФАКТЫ И ГИПОТЕЗЫ

  За ясностью

  Радиобиологический парадокс

  В клетку

  Мудрые мысли

  Невосполнимая утрата

  Не все потеряно

КТО ВЫЖИВЕТ?

  Критические системы

  Фабрика кроветворения

  Оценим перспективу

КВАНТЫ В УПРЯЖКЕ

  Кислородный эффект

  Поражение ослаблено

  Усилить удар

РАДИОБИОЛОГИЯ И РАК

  Враг распознан

  Артиллерия, кислород, химическая атака, перегрев

  Удар с тыла

  Биологический пи-мезон

ЗАГЛЯНЕМ В БУДУЩЕЕ

  Радиация и прогресс

  Молекулярные ювелиры

  Радиобиология — человечеству

*** Примечания ***