Инал Акоев - Биофизика познает рак
Клетки могут находиться в двух альтернативных состояниях — в митотической активности или покое. В последние годы к покоящимся принято относить клетки, которые неопределенно долгое время могут не размножаться и при этом полностью сохранять как жизнеспособность, так и способность к пролиферации (т. е. к делению) независимо от степени своей специфической функциональной нагрузки. Покоящиеся клетки всего лишь часть непролиферирующей фракции клеточной популяции.
Выход клетки в состояние пролиферативного покоя не является необратимым. В определенных физиологических или патологических ситуациях клетки могут вернуться в митотический цикл. Однако по мере пребывания клетки в состоянии покоя ее метаболизм становится все более консервативным и требуется все больше усилий и времени, чтобы инвертировать его на пути деления.
Во время продвижения клеток по циклу от одного митоза до другого встречается важнейшая критическая фаза в периоде G1, в которой осуществляется выбор клеткой дальнейшей судьбы — идти к делению или к дифференцировке. Она находится в середине или в завершающей части периода G1. В целом по мере клеточной дифференцировки в пределах сформированных органов в течение эмбриогенеза и в ходе постнатального онтогенеза темп репродукции клеток постепенно уменьшается. При этом продолжительность каждой последующей генерации клеток, как правило, возрастает (например, в ходе дифференцировки клеток миелоидного ряда — с 25 до 604 ч), а пролиферативный пул и матричная активность ДНК снижаются. Вместе с тем в любой стадии развития существуют промежуточные, бластные элементы с интенсивной пролиферацией и коротким циклом: нейробласты, миобласты, эритробласты и др. Между возрастом животного и средней продолжительностью цикла существует определенная зависимость. Так, пролиферативный пул, рассчитанный для зачатка печени, составил 64,1%. С возрастом эта величина уменьшается, составляя у новорожденных крыс около 39%, через 21 сут от рождения — 15, через 51 сут — около 3%.
Максимальный пролиферативный пул при регенерации равен 69,3%. Эта величина близка к величине пула в зачатке печени эмбрионов, равной 64,1%. В соответствии с этим эмбриональная и регенерирующая печень имеет схожие короткие времена средней продолжительности митотического цикла, которые близки к этому показателю для быстро делящихся клеток других эмбриональных тканей, злокачественных опухолей, клеток нормальной слизистой оболочки кишечника. Следует подчеркнуть, что и кинетика процессов пролиферации в зачатке печени и при ее регенерации в зрелом организме также имеет значительное сходство.
Изменения клеточного цикла после воздействия радиации
Многочисленными исследованиями установлено значительное нарушение митотического цикла клеток при воздействии на них разнообразных факторов. Наиболее полно изучено действие ионизирующих излучений. Первоначальная задержка клеточного деления и соответствующее удлинение митотического цикла при воздействии радиации сменяются в дальнейшем сокращением продолжительности митотического цикла.
Имеется большое число исследований, направленных на изучение реакций отдельных периодов клеточного цикла на воздействие радиации. Для разных линий клеток получены различные данные. Обобщение этих данных, проведенное во многих работах, показало, что для большинства изученных клеток в культуре митоз и конец периода G1 (переход в период S) наиболее чувствительны к действию радиации, а период S — наиболее устойчив. Задержка деления клеток наиболее значительна, если облучение осуществляли во время митоза, и мала для клеток, облученных в период S. Однако имеются линии клеток, где соотношение задержек периодов клеточного цикла иное.
Обращено внимание также на то, что реакция клеток на облучение в различные периоды клеточного цикла прямо противоположна, если сравнивать задержку деления клеток и их гибель: чем больше задержка деления, тем меньше гибель клеток. Так, клетки, облученные в периоде S, могут иметь высокую выживаемость потому, что они на длительный срок задерживают свое деление. В этот удлиненный период до деления клетки могут успеть отрепарировать возникшие в них повреждения. Обращено внимание на то, что радиозащитное средство цистеамин не оказывает защитного эффекта при воздействии радиации в период G1 в отличие от облучений во время других периодов клеточного цикла.
Данные о влиянии радиации на митотический цикл клеток опухолей in vivo противоречивы, что объясняют различным временем проведения исследований после облучения. Работая на тех же клетках четырехсуточной асцитной фибросаркомы, обнаружили сначала удлинение митотического цикла (в 2 раза через 20 ч после облучения), а затем укорочение (через 48 ч). Если исследовать клеточный цикл асцитной карциномы Эрлиха сразу после облучения, то наблюдается увеличение продолжительности периодов G1 и G2 в 2 раза; продолжительность митоза не изменена.
Значительно меньше данных об изменении стадии митотического цикла in vivo у млекопитающих при действии радиации. Прежде всего выяснилось, что периоды G1 и G2 наиболее сильно реагируют на воздействие радиации, а периоды М и S — мало. При усилении пролиферативной активности тканей организма сокращения продолжительности митотического цикла в основном происходят за счет периода G1.
В опытах на собаках, подвергавшихся длительному слабому хроническому воздействию, показано, что средняя продолжительность генерационного цикла миелоидных элементов может сокращаться в 2 раза за счет сокращения всех периодов интерфазы. В эритроидном ростке (эритробласты) в этот период сокращение генеративного цикла не было столь значительным и происходило только за счет укорочения периода G1.
При одновременном исследовании митотического цикла у клеток кишечника и костного мозга установлено, что изменения продолжительности цикла клеток кишечника были менее выраженными. По-видимому, это является отражением того факта, что клетки кишечника делятся чаще, чем бластные клетки костного мозга. Возможности к сокращению интерфазы клеток кишечника меньше, чем у клеток костного мозга. Имеется взаимосвязь между нормальной продолжительностью митотического цикла клеток и чувствительностью их к хроническому облучению — чем короче интерфаза митотического цикла, тем чувствительнее клетки к радиации. Это обусловлено продолжительностью периода G1.
Дальнейший наш анализ возможной роли периода G1 в определении устойчивости к радиации показал много интересного. Широко распространенный феномен приостановки клеточного деления в пролиферирующих тканях (первоначальная реакция) относится к более общей реакции биологических систем в ответ на повреждение. Происходит временное ингибирование многих функций, не необходимых для репарации (восстановления) повреждений, и отдаление по времени переходов в другие функциональные состояния, когда эти невосстановленные повреждения могут проявиться неблагоприятным для биологической системы эффектом. Такое однотипное поведение биологических систем наблюдается на разных уровнях: организм, физиологическая система, клеточная система, ткань.
Продолжительность возможных задержек периодов клеточного цикла зависит не только от характера ткани, к которой клетки относятся. Так, в эпителии роговицы глаза мышей в период G1 возникают более продолжительные задержки, чем в эпителии кишечника, в расчете на единицу дозы нейтронного излучения: для эпителия роговицы — 17 мин на 0,01 Гр, а для эпителия кишечника — только 4 мин на 0,01 Гр. Продолжительность митотического цикла клеток эпителия роговицы в норме в 6,5 раза больше, чем у клеток эпителия кишечника. К тому же клетки эпителия роговицы способны блокировать митотический цикл в периоде G1 на значительно большие сроки, чем это возможно для эпителия кишечника. Установлено, что способность к удлинению продолжительности интерфазы (в основном в периоде G1) митотического цикла является одним из основных условий эффективного завершения репарации лучевых повреждений. Существует определенная пропорциональность продолжительности блоковых задержек периодов интерфазы митотического цикла и интенсивности повреждения.
Четкие доказательства последовательности выхода клеток из блоков различных периодов интерфазы митотического цикла, зависимость продолжительности их от дозы облучения, относительное значение блоковых задержек были получены в нашей лаборатории В. Г. Тяжеловой и др. Основной результат аналитических исследований представлен в виде пространственной трехкоординатной картины дозовых кривых митотической активности, позволяющих извлекать ряд интересных закономерностей. Всего выделено пять пиков митотической активности. Экстраполяция дозовых зависимостей к нулевой дозе характеризует нормальную продолжительность периодов митотического цикла: G1 — 8 ч, S — 8, G2 — 1 и М — 1 ч при суммарной длительности цикла 18 ч. Это соответствует данным, полученным другим путем для эпителия кишечника крыс. Длительность блока в данном эксперименте учитывается через максимум митотической активности, который здесь представляет собой сумму нормальной длительности периода и блоковой задержки. Первые три пика соответствуют первому послеблоковому делению клеток. Выход клеток из блоков происходит в естественной последовательности. Раньше клетки выходят из блоков тех периодов, которые в момент облучения были ближе по ходу естественного созревания клеток к периоду митоза. Первая кривая характеризует выход из блока G2M, вторая — из блока SG2, третья — из блока G1S.
