Главная страница
qrcode

Дозовые кривые выживаемости клеток. Теория мишени. Радиочувствительность разных стадий клеточного цикла Кривые выживаемости клеток


НазваниеДозовые кривые выживаемости клеток. Теория мишени. Радиочувствительность разных стадий клеточного цикла Кривые выживаемости клеток
АнкорLektsia 3.pdf
Дата11.11.2017
Размер2.68 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаLektsia_3.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипЛекция
#33429
страница1 из 6
Каталог
  1   2   3   4   5   6
Лекция
3

Дозовые кривые выживаемости клеток.
Теория мишени. Радиочувствительность разных стадий клеточного цикла
Кривые выживаемости клеток
Кривые выживаемости культивируемых клеток в обычных (те. линейных) координатах, в которых по оси абсцисс откладывается доза облучения, а по оси ординат доля выживших клеток, могут выглядеть следующим образом 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр
Сравнение кривых выживаемости клеток при действии ядов и ионизирующего излучения
Наличие подобного рода зависимости выживаемости клеток от дозы облучения было продемонстрировано еще в е годы ХХ в.
При этом уже в то время было отмечено, что кривые выживаемости клеток после воздействия излучения
отличаются
от кривых выживаемости клеток после воздействия каких
-
либо токсических агентов химической природы, например ядов
Кривая выживаемости клеток при действии ядов
Кривые выживаемости клеток, получаемые при действии химических агентов, характеризуются наличием пороговой концентрации, ниже которой все клетки выживают, а выше которой происходит резкое снижение доли выживших.
Переход от ной выживаемости до нулевой выживаемости происходит в очень узком диапазоне
концентраций.
Тот факт, что часть клеток гибнет, а другая часть клеток выживает при какой
-
либо концентрации внутри этого узкого концентрационного диапазона, объясняют обычно с т.н. «биологических»
позиций, а именно исходя из наличия индивидуальных различий клеток в клеточной популяции, подвергнутой этому
воздействию.
Чем меньше выражены индивидуальные различия, тем круче наклон кривой выживаемости, те. быстрее переход выживаемости от
100
% до
0%. Ясно, что популяция генетически однородных клеток

не может иметь клеток, сильно различающихся по чувствительности к какому
-
либо воздействию
Форма кривых выживаемости клеток при действии излучения не может быть объяснена индивидуальными различиями клеток
На кривых выживаемости клеток, подвергнутых облучению, отсутствует четкий порог гибель части клеток наблюдается даже при очень низких дозах облучения, а гибель другой части клеток той же популяции лишь при значительно более высоких дозах.
Объяснить этот феномен с биологических позиций (те. исходя из индивидуальных различий клеток к облучению) было невозможно, т.к. внутри генетически однородной популяции не могут находиться клетки, различающиеся по устойчивости к облучению в сотни и тысячи раз.
Поэтому в е годы прошлого века в противовес биологическому подходу сформировался физический (или биофизический) подход к объяснению и интерпретации кривых выживаемости клеток, подвергнутых действию ионизирующего излучения
Теория точечного тепла. Основные положения
В основе биофизического направления лежала теория точечного тепла, разработанная Дессауэром (
Dessauer
) в г. Эта теория опиралась наследующие основные идеи:
1.
Несмотря на то, что плотность поглощенной энергии в облучаемом объекте в среднем

очень низкая, энергия самих актов поглощения весьма велика и поэтому в микрообъемах вещества, в которых произошли акты поглощения энергии, происходит его локальное нагревание (те. появление т.н. точечного тепла, в результате чего вещество претерпевает значительные локальные изменения, обусловленные разрывом химических связей или активацией химических реакций.
2.
Пространственное распределение мест локализации точечного тепла внутри облученной клетки имеет случайный характер, те является чисто статистической (те. вероятностной) функцией.
3.
Клетка гетерогенна (те. неоднородна) по своему объему в отношении чувствительности к облучению и имеет как исключительно важные для жизни области, повреждение которых приводит клетку к гибели, таки области, относительно несущественные для выживания клетки
Форма кривых выживаемости клеток при действии излучения объясняется вероятностным характером действия излучения на жизненно важные области клетки
Т.о. теория точечного тепла заявила, что конечный эффект в клетке например, гибель) определяется
вероятностью
осуществления акта поглощения энергии
(т.е. появления точечного тепла) в жизненно важных
областях
(микрообъемах) клетки. При увеличении дозы облучения вероятность осуществления акта поглощения энергии в этих клеточных областях возрастает, при снижении дозы –
уменьшается.
Однако, даже при очень высокой дозе
облучения существует определенная
вероятность
того, что в каком
-
то количестве клеток не произошло
актов поглощения энергии в жизненно важных клеточных областях и поэтому эти клетки останутся неповрежденными облучением.
И наоборот даже при очень низкой дозе
существует вероятность
того, что в каком
-
то количестве клеток произойдут
акты поглощения энергии в жизненно важных клеточных областях, что вызовет гибель этих клеток
Фридрих Дессауэр (
Friedrich Dessauer, 1881-1963) известный немецкий физик, биофизик, изобретатель, предприниматель, публицист, философ, политический деятель. В г. основал Институт физических основ
медицины
в г.
Франкфурт
-
на
-
Майне. Главная цель института изучение возможности медицинского применения излучений, в частности лучей. Этот институт стал ведущим исследовательским центром в области исследования биологического действия ионизирующего излучения. В г. сформулировал теорию точечного тепла или точечного нагрева, объясняющую поражение клетки ионизирующим излучением, исходя из дискретной природы излучения и вероятностного характера взаимодействия излучения с веществом. Данную теорию рассматривают в качестве важной вехи в развитии радиобиологии, знаменующей начало второго этапа ее развития этапа количественной радиобиологии. Фридрих Дессауэр (1881
-1963)
Два фундаментальных положения в радиобиологии
В е годы прошлого столетия основные идеи теории точечного тепла получили дальнейшее развитие в работах таких исследователей,
как:
Дж. Кроутер
(J.A. Crowther
; в русскоязычной литературе встречаются также и другие варианты написания фамилии этого исследователя —
Краузер, Кроузер),
Д. Ли (D.E. Lea), К. Циммер
(K.G. Zimmer)
Н.В.
Тимофеев
-
Ресовский
В результате этих работ была сформулирована т.н. теория мишени, в основе которой лежали два фундаментальных положения:
принцип попадания и
принцип мишени
Принцип попадания
Принцип попадания
может быть сформулирован следующим образом:
Поглощение энергии
в облучаемом объеме происходит в результате дискретных
актов взаимодействия квантов излучения с веществом –
т.н. попаданий, пространственное

распределение
которых в облучаемом объеме имеет случайный
характер. Таким образом, принцип попадания отмечает дискретность
и
вероятностный
(случайный) характер актов взаимодействия излучения с веществом.
Фактически попаданием считается возникновение акта ионизации каких
-
либо молекул в облучаемом объеме.
Принцип мишени
Принцип мишени
может быть сформулирован следующим образом:
Клетка имеет в своем составе как исключительно важные для выживания области –
т.н. мишени, радиационное повреждение которых приводит клетку к гибели, таки области, относительно несущественные для выживания клетки. Таким образом, принцип мишени отмечает биологическую
гетерогенность
различных областей (микрообъемов) внутри клетки в отношении чувствительности к облучению, а именно, наличие внутри клетки мишеней чувствительных областей, радиационное повреждение которых приводит клетку к гибели

Мишени:
какие они могут быть и сколько их может быть в клетке?
Чисто теоретически можно представить, что могут существовать:
одноударные мишени
(когда мишень считается пораженной при одном попадании) и
многоударные мишени
(когда мишень считается пораженной при 2,
3, 4, …,
n
попаданиях).
Можно также предположить наличие в клетке:
только одной мишени (
одномишенная клетка) или нескольких мишеней (
многомишенная клетка) Причем гибель
многомишенной клетки
может наступить лишь после того, как все мишени получат определенное число попаданий (при этом каждая из этих мишеней может отличаться по ударности
Простейшие модели, описывающие кривые выживаемости
Для описания кривых пострадиационной выживаемости клеток используют различные математические модели.
Двумя простейшими моделями, описывающими кривые пострадиационной выживаемости клеток и базирующимися на теории мишени, являются:
Многоударная
-
одномишенная модель
Одноударная
-
многомишенная модель
Имеет ли смысл использовать более сложные
многоударные
-
многомишенные модели?
Использовать другие более сложные многоударные
-
многомишенные модели (основанные на теории мишени) весьма ненадежно, т.к. по форме кривых выживаемости невозможно сделать однозначный вывод об ударности и мишенности объекта. Практически одинаковые по форме кривые выживаемости можно получить варьируя число мишеней и их ударность.
Так, например, кривая выживаемости для 10
-
ударных
-16-
мишенных объектов очень хорошо совпадает с кривой выживаемости для 48
-
ударных
-1-
мишенных объектов.
Кроме того, теория мишени не учитывает наличия в клетке репарационных процессов, которые существенно затрудняют интерпретацию кривых выживаемости только с позиций мишенности и ударности объекта

Одноударная
-
многомишенная модель чисто формальное
использование
На практике во многих случаях для описания кривых выживаемости клеток чисто

формально
используется
одноударная
-
многомишенная модель.

Одноударная
-
многомишенная кривая (Исходные допущения для одноударной
-
многомишенной модели:

Каждая клетка имеет одинаковых мишеней.

Для поражения каждой из мишеней необходимо 1 попадание в эту мишень.

Клетка погибает при поражении всех мишеней Кривая выживаемости для такой модели описывается следующим
уравнением:
где исходное количество клеток количество клеток, выживших после облучения в дозе
D;
коэффициент число мишеней 0,01 0,1 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр
Выживаемость клеток представляют обычно не в линейных координатах, а в полулогарифмических координатах
(с использованием логарифмической шкалы
ординат).
По оси абсцисс доза, а по оси ординат (в логарифмическом масштабе) доля выживших клеток.
Кривая выживаемости в общем виде имеет плечо
Какие клетки считаются выжившими?
Выжившими считаются клетки,
непотерявшие клоногенной способности. Под
клоногенной (те. колониеобразующей) способностью
понимают способность клетки образовать видимую невооруженным глазом колонию. За такую колонию принимают колонию, состоящую из более чем 50 клеток ориентировочно это колония диаметром 0,5 мм).
Для образования такой колонии клетка должна совершить не менее 5
-6 успешных делений, те. таких делений, в результате которых образуются дочерние клетки также способные к делению. (После 5 делений образуется
2
5
=32 клеток, а после 6 делений –
2
6
=64 клетки)
Учет выживаемости культивируемых клеток грызунов обычно проводят через
5-
8 дней их роста после облучения, а для культивируемых клеток человека через 2 недели. Разные сроки связаны с разной длительность клеточного цикла. Например, для часто используемых в экспериментах клеток
HeLa клетки карциномы шейки матки человека) длительность клеточного цикла –
24 часов, а для клеток
V79 фибробласты легких китайского хомячка) –
11 часов

Одноударная
-
многомишенная кривая (преобразуется в следующее:
0
kD
N
ne
N


После логарифмирования получаем То, при
D кривая выживаемости в полулогарифмическом масштабе асимптотически приближается к прямой линии, наклон которой равен
k.
0 0,01 0,1 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр Значение ординаты точки пересечения экстраполированного участка этой прямой с осью ординат называют

экстраполяционным числом. Как ясно видно из уравнения, описывающего эту прямую,
экстраполяционное число равно числу мишеней.


0 При

D


уравнение
Кривая выживаемости в общем виде имеет
плечо
и прямолинейный участок

Одноударная
-
одномишенная кривая частный случай одноударной
-
многомишенной кривой
Если число мишеней
n
=1, то уравнение преобразуется в следующее:
0
kD
N
e
N


0
ln
N
kD
N
 
После логарифмирования получаем:
0
0,01
0,1
1
Д
ол я выживших клеток Доза облучения, Гр
Т.о., видно, что кривая выживаемости, не имеющая плеча, является частным случаем, для варианта, когда и число мишеней
n
=1, и ударность мишени тоже равна Ясно, что экстраполяционное число для этого варианта равно Кривая выживаемости без плеча (те. представляет собой прямую линию
Параметры, характеризующие кривые выживаемости с плечом. n

экстраполяционное число определяется как значение ординаты точки пересечения экстраполированного прямолинейного участка кривой выживаемости с осью ординат (для одноударной
-
многомишенной клетки
n показывает

кол
-
во мишеней, а для многоударной
-
одномишенной клетки –
кол
-
во попаданий необходимых для
поражения);
Для описания кривой выживаемости, имеющей плечо, используются параметры. доза, соответствующая точке пересечения экстраполированного прямолинейного участка кривой выживаемости с прямой параллельной оси абсцисс, проведенной на уровне ной выживаемости (характеризует величину плеча. определяется как прирост дозы, при котором выживаемость снижается в е
раз на прямолинейном участке кривой выживаемости. доза, при которой выживает 37% облученных клеток 0,01 0,1 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр n
D
37
D
0
e
Взаимосвязь
D
0
, и
n Параметры
D
0
, и связаны друг с другом следующим соотношением
Параметры, характеризующие кривые выживаемости без «плеча»
Для описания кривой выживаемости, не имеющей плеча, используется величина 0,01 0,1 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр = Для кривых выживаемости, не имеющих плеча, D
0
= D
37
, что следует из следующих расчетов:

доза
D
0
, которая определяется как доза, при которой выживаемость уменьшается враз или доза доза, при которой выживает облученных клеток.
Таким образом, приуменьшении выживаемости в
e
раз
от исходного уровня (те. при облучении в дозе
D
0
) выживаемость составит 37%
, те.
D
0
=D
37
.
0 1
1 0, 368 0, 37.
2, уменьшение числа выживших клеток враз Отчего зависит наличие плеча на кривых выживаемости клеток?
Итак, в общем виде кривая выживаемости клеток в полулогарифмическом масштабе состоит из двух участков) плеча и
2) прямолинейного участка.
Наличие (и величина) плеча зависит от) типа клеток и 2) вида излучения 0,01 0,1 Доля выживших клеток Доза облучения, Гр
Плечо
Прямолинейный участок
О чем говорит наличие плеча и величина В соответствии с теорией мишени и принципом попадания
наличие плеча говорит о том, что для поражения объекта недостаточно одного попадания. Это может наблюдаться, когда:
либо объект является многомишенным,
либо мишень является многоударной.
Однако, в соответствии с современными представлениями
наличие плеча трактуется больше как свидетельство протекания в клетке восстановительных (репарационных) процессов, а не как наличие
многоударности или многомишенности. Причем величину используют в качестве показателя способности клетки осуществлять репарационные процессы чем больше значение те. чем больше плечо, тем выше репарационная способность клетки
Зависимость наличия плеча от вида ионизирующего излучения
  1   2   3   4   5   6

перейти в каталог файлов


связь с админом