4 Декабрь 2009
РЕФЕРАТ Представлен обзор и обсуждены некоторые общие закономерности синергических эффектов, а также предложена биофизическая концепция синергического взаимодействия вредных факторов окружающей среды и сформулирована математическая модель для его описания, оптимизации и предсказания. Проанализированы данные, полученные нами и другими авторами, изучавшими реакции биологических объектов на одновременное действие гипертермии и ионизирующего и ультрафиолетового излучения, ультразвука и химических агентов. Результаты обсуждены в плане потенциальной значимости синергического взаимодействия вредных факторов в биосфере. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионизирующее излучение, ультрафиолетовое излучение, ультразвук, гипертермия, химические агенты, синергизм, математическая модель, эффекты низких доз, биосфера.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ СИНЕРГИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ДРУГИХ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Введение

Биосфера никогда не подвергается воздействию какого-либо одного вредного агента. Комбинированное действие различных агентов является отличительной чертой современной жизни, и многие физические, химические, биологические и социальные факторы могут одновременно оказывать своё вредное влияние как на человека, так и на всю окружающую его среду. При этом комбинированное действие двух вредных агентов может приводить к большему эффекту, чем можно ожидать на основании суммирования их раздельного применения. Этот эффект получил название синергизм. Он приводит к возникновению вероятность того, что сочетанное действие ионизирующего излучения с другими факторами окружающей среды повысит риск нарушений здоровья человека. В связи с отсутствием возможности экспериментально проверить все комбинации воздействующих факторов проблема синергизма не так очевидна для малых интенсивностей действия агентов. Более того, в литературе, посвященной изучению зависимости синергизма от интенсивности применяемых агентов, имеются противоречия. В нашей лаборатории получены многочисленные экспериментальные данные о комбинированном действии гипертермии и различных ингибирующих факторов [8, 19, 20]. Было показано, что во всех случаях коэффициент синергического усиления увеличивается, достигает максимального значения и затем уменьшается с увеличением действующей температуры. Однако целый ряд проблем остались нерешенными. Задачи данной работы  состояли в следующем: (1) проанализировать общие закономерности проявления синергического взаимодействия; (2) предложить универсальную биофизическую концепцию синергического взаимодействия; (3) на этой основе сформулировать математическую модель для описания, оптимизации и предсказания синергических эффектов; (4) сравнить предсказания модели с экспериментальными результатами. Полученные результаты обсуждены в плане потенциальной значимости синергического взаимодействия вредных факторов в биосфере.

 

Общие закономерности проявления синергического взаимодействия

Используя собственные экспериментальные данные, мы сформулировали общие закономерности реакций различных биологических эффектов на одновременное комбинированное действие ионизирующего излучения, ультрафиолетового излучения, ультразвука, микроволн, химических агентов и гипертермии. Для проверки универсальности этих закономерностей были использованы также результаты, опубликованные другими авторами. На рис. 1 представлен пример зависимости коэффициента синергического взаимодействия от температуры, при которой происходило облучение диплоидных дрожжевых клеток ионизирующим излучением (А), ультрафиолетовым излучением (Б) и ультразвуком (В). Коэффициент синергического усиления определялся как отношение эффективных повреждений, возникших после комбинированного действия этих агентов, к сумме эффективных повреждений, вызванных этими агентами, примененными раздельно. Во всех этих примерах имеется диапазон температур, при которых наблюдается синергизм, и в этом диапазоне существует температура, при которой отмечается максимальный синергизм. При температурах ниже этого диапазона синергический эффект не наблюдался, и клеточная гибель определялась, главным образом, сумой повреждений, индуцированных ионизирующим излучением, ультрафиолетовым излучением или ультразвуком. При температурах выше этого диапазона синергический эффект также не наблюдался, но клеточная гибель определялась в основном гипертермией. Было показано, что снижение интенсивности любого из излучений, используемых в комбинации, приводит к уменьшению температуры, при которой наблюдается максимальный синергизм. Другими словами, чем меньше интенсивность одного из действующих агента, тем меньше должна быть интенсивность другого фактора для обеспечения максимальной эффективности синергического взаимодействия [17]. Именно такая закономерность важна для экологической значимости синергического взаимодействия факторов окружающей среды, реально встречающихся в биосфере. В качестве примера, иллюстрирующего эту закономерность, на рис. 2 показана зависимость коэффициента синергического усиления от мощности дозы ионизирующего излучения для инактивации бактериальных спор (А) и диплоидных дрожжевых клеток (Б) при комбинированном действии радиации и гипертермии. Аналогичные зависимости представлены для комбинированного действия гипертермии и УФ-излучения на дрожжевые клетки (В) и для действия микроволн на температуру тела кроликов (Г). Очевидно, что для любой постоянной температуры, при которой происходит облучение, синергизм может наблюдаться в пределах некоторого диапазона мощностей доз ионизирующего излучения. В пределах этого диапазона может быть указана интенсивность физического агента, которая максимизирует синергизм.

Таким образом, из представленных выше данных следует, что для определенной интенсивности физических факторов или концентрации химических агентов должна существовать некоторая конкретная температура, которая обеспечивает максимальное синергическое взаимодействие и наоборот. Любое отклонение от оптимального значения температуры или оптимальной интенсивности применяемых агентов должно приводить к уменьшению синергического взаимодействия. Эти результаты, помимо того, что они являются важным ключом для поиска синергизма, в реальных условиях могут указывать на возможность оптимизации и достижения желаемого уровня синергизма.

 

Чтобы продемонстрировать потенциальную значимость синергизма при низких интенсивностях действующих агентов, характерных для биосферы в современных техногенных условиях, на рис. 3 представлена корреляция между интенсивностью физического фактора или концентрацией химического соединения и температурой, совместное действие которых обеспечивает максимальный синергизм. Исходные данные для этих расчетов взяты из наших более ранних публикаций [8, 19, 20], а также из работ других авторов, выполненных на бактериальных спорах [21], бактериофаге [23], культивируемых клетках млекопитающих [11, 15, 24] и кроликах [5]. Видно, что обнаруженная взаимосвязь является линейной, и ее характер не зависит от вида биологических объектов, действующих агентов и применяемых тестов. Во всех случаях при меньшей интенсивности физического фактора или концентрации химического агента необходимо было снижать температуру, при которой наблюдался максимальный синергизм. Эти результаты указывают на потенциальную значимость синергического взаимодействия при низкой интенсивности вредных факторов, встречающихся в биосфере.

Концепция и математическое описание синергического эффекта

            Синергические эффекты комбинированного действия ионизирующего излучения и гипертермии или химических ингибиторов исправления повреждений часто связывают с нарушением процессов исправления [8, 11]. Однако эта концепция не может объяснить всю совокупность наблюдаемых синергических эффектов. В частности, синергическое взаимодействие может наблюдаться для многочисленных агентов, индуцирующих повреждения, которые вовсе не могут быть исправлены. Более того, результаты наших недавних работ [6, 20], указывающие на пренебрежимо малую роль нарушения процессов исправления повреждений в механизме синергического взаимодействия комбинированных воздействий, подчеркивают необходимость разработки новой теоретической концепции синергизма.

Разумно допустить, что ответственными за синергическое взаимодействие являются некоторые дополнительные эффективные повреждения (например, летальные), вызываемые комбинированными воздействиями. Мы предполагаем, что дополнительные летальные повреждения возникают в результате взаимодействия субповреждений, индуцированных обоими агентами, причем эти субповреждения не являются эффективными, когда агенты применяется раздельно. Можно допустить [8], что число субповреждений прямо пропорционально числу летальных повреждений. Пусть p1 и p2 являются числами субповреждений, которые образуются на одно летальное повреждение, индуцированное ионизирующим излучением и гипертермией соответственно, а N1 и N2 являются средними числами летальных повреждений, сформированных этими агентами. Число дополнительных летальных повреждений N3, возникающих в результате взаимодействия субповреждений от ионизирующего излучения и гипертермии может быть записано как

N3 = min{p1N1; p2N2}             (1)

Здесь min{p1N1; p2N2} представляет собой наименьшую из двух переменных величин p1N1 и p2N2, которые являются средними числами субповреждений, вызванных ионизирующим излучением и гипертермией соответственно. Таким образом, средний выход летальных повреждений на клетку, можно представить как сумму повреждений от ионизирующей радиации (N1), гипертермии (N2) и их взаимодействия (min{p1N1; p2N2}). Тогда коэффициент синергического усиления может быть выражен как:

k = (N1 + N2 + N3)/(N1 + N2)  (2)

            С учетом уравнение 1 последнее выражение может быть переписано в виде:

k = 1 + min{p1N1; p2N2}/(N1 + N2)     (3)

            Перспектива разумного использования этой модели лежит в возможности предсказывать самый большой синергический эффект и условия, при котором он может быть реализован. Из уравнения 3 видно, что максимальный синергизм будет иметь место, когда оба агента вызывают равные уровни субповреждений, т.е.

p1N1 = p2N2     (4)

            С учетом уравнения 2 и 4, следующее выражение будет определять максимумальный коэффициент синергического взаимодействия

kmax = 1 + [p1p2/(p1 + p2)]      (5)

            Если наблюдаемый синергический эффект индуцирован преимущественно теплом (p1N1 < p2N2), то тогда, учитывая уравнение 3, параметр p1 можно выразить следующим образом:

p1 = (k1 – 1)(1 + N2/N1)          (6)

где k1 представляет собой коэффициент синергического усиления, наблюдавшегося в экспериментах, выполненных при этом условии. Наоборот, если регистрируемый эффект обусловлен главным образом действием ионизирующего излучения, мы имеем

p2 = (k21)(1 + N1/N2)          (7)

где k2 представляет собой коэффициент синергического усиления при условия p2N2 < p1N1. Необходимые в этих расчетах величины летальных повреждений могут быть рассчитаны [14] как:

N = – lnS         (8)

где Sдоля выживших клеток.

            Зная экспериментальные значения k1 и k2, можно оценить основные параметры модели p1 и p2, используя уравнения 6 и 7 соответственно. Тогда, применяя уравнение 3, можно определить коэффициент синергического усиления k для любых отношений повреждений N2/N1, индуцированных изучаемыми агентами, максимальный синергизм (уравнение 5) и условие, при котором он может быть достигнут (уравнение 4).

 

3.         Применение модели к экспериментальным результатам

      Некоторые примеры применения представленной модели для оптимизации и предсказания синергизма были опубликованы ранее [8, 19, 20]. В данной работе мы проверили применимость этой модели для количественного описания, предсказания и оптимизации синергизма, наблюдавшегося для различных биологических эффектов и тестов. Рис. 4 показывает взаимосвязь между отношением N2/N1 и коэффициентами синергического усиления, найденными в эксперименте (кружки и треугольники), а также теоретически предсказанными рассматриваемой моделью (сплошные линии) для различных вариантов взаимодействующих агентов, биологических объектов и исследуемых тестов. Процедура расчета теоретических кривых описана выше. Исходные экспериментальные данные, использованные для этих расчетов, взяты из наших прежних публикаций [8, 19, 20], а также из работ, опубликованных другими авторами, работавших с бактериальными спорами [21], бактериофагом [23], культивируемыми клетками млекопитающих [11, 15, 14] и кроликами [5]. Видно, что между теоретически предсказанными и экспериментально полученными результатами имеется хорошее соответствие. Это означает, что данная модель может быть использована для математического описания, оптимизации и предсказания взаимодействия различных факторов окружающей среды.

 

4.         Синергические взаимодействия в биосфере

      Сопоставление экспериментальных данных с предсказаниями модели, представленное в предыдущем разделе, было проведено для клеток различного происхождения. В литературе опубликовано много результатов, демонстрирующих на животных синергическое взаимодействие ионизирующего излучения с гипертермией, излучением сверхвысокой частоты (СВЧ), ультразвуком, шумом, вибрацией и многочисленными химическими агентами [1, 7, 9]. Однако ограниченное количество экспериментальных данных, представленное в этих работах, не позволило использовать их для математического описания с помощью нашей модели. Известны только единичные публикации, в которых имеются достаточно обширные данные по комбинированному воздействию на уровне животных и человека для использования их в модели.

      В работе Колгановой и соавт. [5] представлен обширный экспериментальный материал по нагреву тела кроликов при одновременном воздействии электромагнитным СВЧ- излучением (7 ГГц) и повышенной температуры окружающей среды. Эти данные мы использовали для количественного описания синергического взаимодействия между этими факторами [4]. Модель хорошо описала результаты, полученные в эксперименте, а также с ее помощью были предсказаны максимальная величина синергического эффекта, условие, при котором она достигается, и зависимость синергизма как от окружающей температуры, так и от интенсивности излучения (рис. 4И).

      Радон и его короткоживущие продукты распада рассматриваются как важный источник облучения населения естественной радиоактивностью. Из эпидемиологических и токсикологических исследований хорошо известно, что взаимодействие между курением табака и радоном может быть синергическим [10, 13, 18]. Модель, описанная выше, была применена к этим данным. Было показано [16], что она предсказывает коэффициент синергического усиления при любых соотношениях эффективных повреждений, вызванных курением и радоном, а также максимальную величину синергического эффекта и условие, при котором она достигается.

      Детальное изучение здоровья населения и механизмов адаптации было проведено в условиях комбинированного действия ионизирующего излучения и некоторых химических поллютантов [3] в г. Балаково (Саратовская область), где имеется мощная атомная электростанция и несколько предприятий химической отрасли. Автором выдвинуто предположение о потенциальной значимости синергического взаимодействия ионизирующего излучения и химических агентов для здоровья населения.

      Используя экспериментальные результаты, полученные С. Б. Диневой и соавт. [2], мы рассчитали связь между коэффициентом синергического усиления и мощностью дозы ионизирующего излучения [20] для комбинированного действия нитрата свинца и хронического облучения на семена  Arabidopsis thaliana. Семена были отобраны в диких популяциях, которое росли в течение пяти лет в местах с различными уровнями радиоактивного загрязнения внутри 30-км зоны вокруг Чернобыльской АЭС и затем подвергались воздействию нитрата свинца в лабораторных условиях. Было показано [20], что синергический эффект имел заметный максимум при определенной мощности дозы (5 мкГр/час) ионизирующего излучения. Именно такая зависимость должна ожидаться из математической модели, описанной выше.

      В литературе широко обсуждается влияние радиации и дефицита йода на развитие рака щитовидной железы. В частности, в работе [22] было показано, что развитие рака щитовидной железы у детей и юношей, подвергавшихся воздействию радиации от Чернобыльской аварии, зависело как от радиационной дозы, так и от йодного дефицита. Исследование проведено в трех районах Брянской области  с уровнями загрязнения от 137Cs до 40 Ки/км2, в трех районах с уровнями  до 5 Ки/км2 и в четырех районах с уровнями менее 5 Ки/км2. Было обследовано 195785 детей и юношей (1968–1986 годы рождения). Максимальный синергический эффект наблюдался для умеренного уровня йодного дефицита, при котором отношение наблюдаемого число случаев рака щитовидной железы (на 100000 населения) к ожидаемому составляло 7,3. Уменьшение уровня йодного дефицита приводило к прогрессивному уменьшению этого отношения до 1,7, и оно было также слегка сниженным (6,9) при повышенном уровне йодного дефицита. Эти данные указывают на существование соотношения между дозой ионизирующего излучения и уровнем йодного дефицита, которое приводит к их максимальному синергическому взаимодействию и соответствуют рассмотренной модели синергизма.

 

Заключение

      Показано, что экспериментальные данные о синергическом взаимодействии гипертермии с другими вредными агентами соответствуют примечательно простой математической модели, основанной на предположении, что синергизм обусловлен дополнительными эффективными повреждениями, возникающими в результате взаимодействия субповреждений, индуцированных обоими агентами. Эти субповреждения рассматриваются как неэффективные при раздельном применении агентов. Идея о взаимодействии субповреждений широко используется в радиобиологии [12]. В предложенной здесь модели синергический эффект определяется выражением min{p1N1p2N2}. Это означает, что одно субповреждение, вызванное облучением, взаимодействует с одним субповреждением от гипертермии. Предполагается, что этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут исчерпаны субповреждения от менее часто встречающегося типа. Однако это не означает, что данной модели требуется какой-то необычный тип взаимодействия. Чтобы оценить основные параметры p1 и p2, мы использовали экспериментальные значения коэффициентов синергического усиления k1 и k2. Это означает, что модель принимает во внимание только реальные взаимодействия, определяющие синергический эффект. Модель предсказывает зависимость синергического взаимодействия от отношения повреждений N2/N1, которые вызваны каждым агентом, максимальную величину синергического эффекта, а также условие, при котором она может быть достигнута. Модель не касается молекулярной природы субповреждений, и механизм их взаимодействия остаётся не установленным. Несмотря на использованные аппроксимации, из представленных данных видно хорошее соответствие между этой упрощенной моделью и экспериментальными результатами. Было показано, что степень синергического взаимодействия зависит от соотношения эффективных повреждений (N2/N1), индуцированных использованными агентами. При этом эффективность синергического взаимодействия уменьшается при любом отклонении N2/N1 от оптимума.

      Интерес представляет тот вытекающий из модели вывод,  что для достижения максимального синергического эффекта при меньшей интенсивности физических факторов или меньшей концентрации химических агентов должны использоваться более низкие температуры (или интенсивности действия другого агента). Например, уменьшение мощности дозы ионизирующего излучения приводит к увеличению длительности одновременного терморадиационного воздействия, необходимого для того, чтобы достичь той же самой поглощенной дозы. Поэтому число термических субповреждений также увеличится, что приведет к нарушению условия, при котором наблюдается максимальный синергизм (уравнение 6). Соответственно, для сохранения неизменного оптимального соотношения N2/N1 при уменьшении мощности дозы (или интенсивности других агентов) должна быть снижена температура, при которой происходит облучение. На этом основании можно сделать вывод, что длительные воздействия низкоинтенсивных факторов окружающей среды или малых концентраций химических поллютантов на биоту могут, в принципе, синергическим образом взаимодействовать друг с другом или окружающей температурой. Этот вывод подтверждается несколькими примерами в наших экспериментах, приведенных выше (рис. 3).

            В целом, результаты данной работы свидетельствуют о важности синергического взаимодействия при низкой интенсивности вредных агентов, существующих в биосфере.

 

 

Литература

 

  1. Булдаков Л.А., Книжников В.С. (ред.) Методологические аспекты гигиенического исследования сочетанных и комбинированных воздействий. – М.: Минздрав СССР, 1986. – 254 c.
  2. Динева С.Б., Абрамов В. И., Шевченко В.А. Генетические последствия нитрата свинца на семена хронически облучаемых популяций Arabidopsis Thaliana // Генетика. – 1993.- Т. 29. – С. 1914–1920.
  3. Додина Л.Г. Нарушение здоровья населения и механизмы адаптации в условиях воздействия антропогенных факторов малой интенсивности. Автореферат докт. дисс. –Санкт Петербург, 1998.
  4. Калугина А.В., Комарова Л.Н., Петин В.Г. Математическое описание синергического взаимодействия температуры окружающей среды и микроволн при нагреве животных // Радиационная биология. – Радиоэкология. – 2002. – Т. 42 – С. 223-227.
  5. Колганова О.Н., Жаворонков Л.П., Петин В.Г., Дрозд А.И., Глушакова В.С., Парфенова Т.А. Термокомпенсаторные реакции кроликов на микроволновое облучение при различных температурах окружающей среды // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2001. – Т. 41. – С. 712-717.
  6. Комарова Л.Н., Петин В.Г. Модификация радиочувствительности: новые горизонты и перспективы. – Обнинск: ИАТЭ, 2007. – 142 с.
  7. Либерман А.Н. (ред.) Гигиеническая оценка факторов радиационной и нерадиационной природы и их комбинаций. – Л.: Минздрав РСФСР, 1976. – 114 с.
  8. Петин В.Г., Комаров В.П. Количественное описание модификации радиочувствительности. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 192 с.
  9. Тиунов Л.А., Жербин Е.А., Жердин Б.Н. Радиация и яды. – М.: Атомиздат, 1977. – 144 с.

10.  Band P., Feldshtein M., Saccomanno G., Watson L., King G. Potentiation of cigarette smoking and radiation: evidence from a spurum cytology survey among uranium miners and controls // Cancer. – 1980. – Vol. 45. – P. 1273–1277.

11.  Ben-Hur E. Mechanisms of the synergistic interaction between hyperthermia and radiation in cultured mammalian cells // J. Radiat. Res. – 1976. – Vol. 17. – P. 92–98.

12.  Chadwick K.H., Leenhouts H.P. The Molecular Theory of Radiation Biology. – Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1981. – 271 p.

13.  Chameaud J., Perraud R., Chretien J., Masse R., Lafuma J. Lung carcinogenesis during in vivo cigarette smoking and radon daughter exposure in rats // Recent Results in Cancer Res. – 1982. – Vol. 82. P. 11-20.

14.  Haynes R.H. The interpretation of microbial inactivation and recovery phenomena // Radiat. Res. – 1966. - Suppl. 6. – P. 1–29.

15.  Johnson H.A., Pavelec M. Thermal enhancement of thio-TEPA cytotoxicity // J. Natl. Cancer Inst. – 1973. – Vol. 50. – P. 903-908.

16.  Kim J.K., Belkina S.V., Petin V.G. Mathematical description and prognosis of synergistic interaction of radon and smoking // Iran. J. Radiat. Res. – 2007. – Vol.4. – P. 169–174.

17.  Kim J.K., Petin V.G, Zhurakovskaya G.P. Exposure rate as a determinant of synergistic interaction of heat combined with ionizing or ultraviolet radiations in cell killing // J. Radiat. Res. – 2001. – Vol. 42. – P. 361-365.

18.  Pershagen G, Åkerblom G, Axelson O, Clavensjö B, Damber L et al. Residential radon exposure and lung cancer in Sweden // N.-Engl. J. Med. – 1994 – Vol. 330. – P. 159-164.

19.  Petin V.G., Kim J.K., Zhurakovskaya G.P., Dergacheva I.P. Some general regularities of synergistic interaction of hyperthermia with various physical and chemical inactivating agents // Int. J. Hyperthermia. – 2002. – Vol. 18. – P. 40-49.

20.  Petin V.G., Zhurakovskaya G.P., Kim J.K. Synergetic effects of different pollutants and equidosimetry // Equidosimetry – ecological standardization and equidosimetry for Radioecology and Environmental Ecology / Ed. by F. Bréchignac, G. Desmet. – Dordrecht: Springer Verlag, 2005. – P. 207-222.

21.  Reynolds M.C., Brannen J.P. Thermal enhancement of radiosterilization // Radiation Preservation of  Food. – Vienna: International Atomic Energy Agency, 1973. – P. 165-176.

22.  Shakhtarin V.V., Tsyb A.F., Stepanenko A.F. et al. Iodine deficiency and thyroid cancer morbidity following the accident at the Chernobyl power plant. // Radiation and Thyroid Cancer / Ed. by G. Thomas, A. Karaoglou, E.D. Williams. – Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: Word Scientific, 1999. – P. 277–282.

23.  Trujillo R., Dugan V.L. Synergistic inactivation of viruses by heat and ionizing radiations // Biophys. J. – 1972. – Vol. 12. – P. 92-113.

24.  Urano M., Kahn J., Majima H., Gerweck L.E. The cytotoxic effect of cis-diamminedichloroplatinum (II) on culture Chinese hamster ovary cells at elevated temperatures: Arrhenius plot analysis // Int. J. Hyperther. – 1990. – Vol. 6. – P. 581-590.

0
Число просмотров:8198