Инал Акоев - Биофизика познает рак
С увеличением дозы облучения длительность всех периодов интерфазы митотического цикла растет, но не беспредельно. Она стремится к некоторому пределу. С одной стороны, удлинение периодов интерфазы необходимо для репарации увеличенного объема повреждений с увеличением дозы облучения, с другой — клетка, по-видимому, не может находиться неограниченное время в каком-либо одном периоде интерфазы и задерживать естественный для нее процесс созревания. Для каждого периода развития клетки характерно преобладание одних структурнофункциональных процессов и ингибирование других. В этом причина ограничения продолжительности блоковых задержек периодов интерфазы митотического цикла.
При этом скорость достижения указанного предела для разных периодов неодинакова. Она последовательно уменьшается для блоков G2M, SG2 и G1S. Длительность периодов с учетом блоковых задержек после облучения максимальна для G1, меньше для S и еще меньше для стадии G2. В то же время относительные изменения периодов (в процентах от нормальной продолжительности стадии) иные: максимальное для G2, менее сильное для G1 и слабое для периода S.
Сравнительный анализ площадей, охватываемых кривыми митотической активности, дал возможность при некоторых допущениях (число клеток пропорционально площади) оценить относительное число выживающих клеток, облученных в определенном периоде митотического цикла, и построить дозовые кривые выживаемости. Клетки, облученные в периоде S, не погибали, пока доза облучения не превысила ~5 Гр, Даже после облучения в дозе 9 Гр еще выживало не менее половины клеток. Кривая выживаемости для клеток, облученных в периоде G2, имеет небольшое плечо, затем число выживающих клеток снижалось и достигало примерно 50% в районе дозы облучения 5 Гр. Поведение клеток, облученных в стадии G1, существенно отличалось. Гибель клеток происходила при любой дозе и достигала примерно 50% при облучении в дозе порядка 3,5 Гр, а при облучении в дозе 9 Гр оставалось в живых лишь около 20% клеток. Наибольшие различия обнаруживаются при сравнении доз облучения, вызывающих небольшой процент гибели. Так, для того чтобы получить примерно одинаковую 80%-ную выживаемость клеток, необходимо облучать клетки в периоде S в дозе около 7,5 Гр, в периоде G2 — в дозе около 2,5 Гр и в периоде G2 — в дозе 0,5—1,0 Гр.
Хотя эти выводы были получены на основе анализа ограниченного материала (эпителий тонкого кишечника крыс при воздействии на них радиации с мощностью дозы около 0,4 Гр/мин), они позволяют делать более общие выводы, так как не противоречат отрывочным данным других авторов.
Итак, проводя дальнейшие сопоставления полученных выводов для эпителия кишечника крыс, необходимо обратить внимание на следующее.
1. Период S среди других периодов интерфазы митотического цикла обладает наибольшей устойчивостью к радиации и имеет на кривой выживаемости плечо, свидетельствующее об огромных возможностях репарационных процессов, характерных для этой стадии. Однако при воздействии радиации период S имеет наименьшее относительное увеличение своей продолжительности за счет блоковых задержек и по достижении предельно возможной длительности блоковой задержки начинается гибель клеток. При этом кривая уменьшения выживаемости при дальнейшем увеличении дозы облучения имеет наибольший наклон. При ускорении процессов деления клеток период S относится к наименее укорачиваемому.
2. Период G1 отличается наибольшей чувствительностью к радиации и не имеет на кривой выживаемости плеча, которое свидетельствовало бы о сколько-нибудь заметных возможностях репарационных процессов, характерных для этого периода. Однако период G1 при действии радиации имеет наибольшее абсолютное увеличение своей продолжительности и не имеет ограничений в этом (по крайней мере, до дозы 9 Гр нет такого ограничения). Гибель клеток отмечена даже при дозах менее 1 Гр. При ускорении процессов деления период G1 наиболее вариабелен и может весьма существенно укорачиваться. В случае сокращения генеративного цикла это происходит в основном за счет периода G1.
3. Период G2 наиболее короткий в норме, и увеличение его при воздействии радиации также небольшое, хотя в процентном отношении и является наибольшим. Этот период быстрее других выходит на предел возможного увеличения своей продолжительности. По количеству клеток, погибающих после облучения в периоде G2, он занимает промежуточное положение между периодами S и G1. Изменения длительности этого периода не отражаются существенно на общей продолжительности митотического цикла.
Интересные данные получены Ямагучи и Табачником при исследовании кинетики клеток эпидермиса кожи морских свинок в норме и после локального воздействия бета-радиации. Основные исследования проводились в период 12—14 сут после облучения, когда вслед за клеточной депопуляцией развивалась активная пролиферация и отмечался наиболее высокий митотический индекс. Результаты исследований приведены ниже. Указана продолжительность всего цикла и отдельных его периодов в часах.
G1 S G2 M Сумма Без облучения 76-77 9,3-9,6 5,0-5,6 0,4-0,6 91-92 После облучения 3-4 (5,7-7,2) 2,3-2,6 (0,4-0,6) 16 Во сколько раз сокращено ~20 ~1,5 ~2 1,0 ~5Полученные данные вновь подтвердили, что длительность периодов М и S наиболее неизменяема, в то время как длительность периода G1 была наиболее измененной, она оказалась сокращенной примерно в 20 раз. Доля G1 в митотическом цикле у этих клеток составляет 83 %. Для базальных клеток эпидермиса в норме характерен очень длительный период G1, составляющий до 80—85% всей продолжительности клеточного цикла. По-видимому, это связано с главной особенностью кожи — постоянным контактом с изменениями окружающей среды и необходимостью противостоять вредным ее воздействиям.
Изменения клеточного цикла в предопухолевых состояниях и в опухолях
При канцерогенезе на первый план всегда выступают количественные изменения пропорции дифференцирующихся и размножающихся клеток, связанные с уменьшением доли дифференцирующихся клеток среди дочерних генераций.
Интенсивность пролиферации злокачественной ткани часто превышает нормальную этих же тканей. Это различие, однако, не относится к числу абсолютных критериев. Известно достаточное количество примеров обратных взаимоотношений, когда скорость деления злокачественных клеток снижена по сравнению с исходными нормальными значениями. К тому же в массе опухолевой ткани могут существовать и длительно не пролиферирующие клетки, пребывающие в состояниях покоя или дифференцировки.
Опухоли чаще всего возникают в местах длительной и (или) интенсивной физиологической или репаративной (раневой) регенерации, сопровождаемой увеличением клеточной массы. Между канцерогенезом и предшествующей ему длительной и (или) интенсивной пролиферацией существует, как правило, положительная корреляция.
Однако после завершения малигнизации пролиферативная активность может быть разной. Важная пролиферативная характеристика гетерогенности популяции — коэффициент вариации длительности митотического цикла составляющих ее клеток. Вариабельность длительности цикла и отдельных его периодов увеличена для клеток в ходе предопухолевой активной пролиферации и в злокачественных опухолях.
Нормальные обновляющиеся ткани, обладающие очень высокой митотической активностью, имеют минимальный резерв ее дальнейшего увеличения. Поэтому стимулы, направленные на дальнейшее увеличение интенсивности деления клеток этих тканей, в процессе канцерогенеза могут вести к срыву компенсаторного резерва, который находится и в норме «на пределе», и в результате к концу канцерогенеза — к уменьшению скорости деления. В тканях, в которых скорость нормального размножения клеток далека от максимальной, величина компенсаторного резерва пролиферативной активности может оказаться достаточно высокой. Поэтому в этих тканях неэкстремальные стимулы к интенсификации клеточного деления вызывают в них прямой эффект усиления митотической активности, сохраняющейся и после окончания канцерогенеза. Время генерации пролиферирующих лейкозных бластов обычно значительно меньше, чем ранних кроветворных предшественников, т. е. они размножаются быстрее и с укороченным митотическим циклом.
