Клетъчният цикъл се променя след излагане на радиация

Многобройни изследвания са установили значително нарушаване на митотичния цикъл на клетките, когато са изложени на различни фактори. Най-пълно е проучено действието на йонизиращите лъчения. Първоначалното забавяне на клетъчното делене и съответното удължаване на митотичния цикъл под въздействието на радиация се заменят с по-нататъшно намаляване на продължителността на митотичния цикъл.

Има голям брой изследвания, насочени към изучаване на реакциите на отделните периоди от клетъчния цикъл към ефектите на радиацията. Бяха получени различни данни за различни клетъчни линии. Обобщението на тези данни, проведено в много работи, показа, че за повечето от изследваните клетки в културата митозата и краят на периода G1 (преход към S период) са най-чувствителни към действието на радиацията, а S периодът е най-стабилен. Забавянето на клетъчното делене е най-значимо, ако облъчването е извършено по време на митоза, и е малко за клетки, облъчени по време на периода S. Има обаче клетъчни линии, при които съотношението на закъсненията на периода на клетъчния цикъл е различно.

Беше обърнато внимание и на факта, че реакцията на клетките към облъчване в различни периоди от клетъчния цикъл е точно противоположна, ако сравним забавянето на клетъчното делене и тяхната смърт: колкото по-голямо е забавянето на деленето, толкова по-малка е клетъчната смърт. По този начин клетките, облъчени в периода S, могат да имат висока степен на оцеляване, тъй като забавят деленето си за дълго време. През този продължителен период преди деленето на клетките щетите, възникнали в тях, могат да бъдат поправени. Обръща се внимание на факта, че радиопротективният агент цистеамин няма защитен ефект при излагане на радиация през периода G1, за разлика от експозициите през други периоди от клетъчния цикъл.

Данни за въздействието на радиацията върхуМитотичният цикъл на туморните клетки in vivo е противоречив, което се обяснява с различното време на изследване след облъчване. Работейки върху същите клетки на четиридневна асцитна фибросаркома, открихме първо удължаване на митотичния цикъл (два пъти след 20 часа след облъчване), а след това и скъсяване (след 48 часа). Ако клетъчният цикъл на асцитния карцином на Ерлих се изследва веднага след облъчването, тогава се наблюдава увеличение на продължителността на периодите G1 и G2 с 2 пъти; продължителността на митозата не е променена.

Има значително по-малко данни за промени в стадия на митотичния цикъл in vivo при бозайници под действието на радиация. На първо място се оказа, че периодите G1 и G2 реагират най-силно на въздействието на радиацията, докато периодите M и S реагират слабо. С увеличаване на пролиферативната активност на телесните тъкани, намаляването на продължителността на митотичния цикъл се дължи главно на периода G1.

При експерименти върху кучета, подложени на продължителна слаба хронична експозиция, беше показано, че средната продължителност на цикъла на генериране на миелоидни елементи може да бъде намалена 2 пъти поради намаляването на всички периоди на интерфаза. В еритроидния зародиш (еритробласти) през този период намаляването на генеративния цикъл не е толкова значително и се дължи само на скъсяването на периода G1.

При едновременно изследване на митотичния цикъл в чревните клетки и костния мозък беше установено, че промените в продължителността на цикъла на чревните клетки са по-слабо изразени. Това изглежда е отражение на факта, че чревните клетки се делят по-често от бластните клетки на костния мозък. Способността за намаляване на интерфазата на чревните клетки е по-малка от тази на клетките на костния мозък. Съществува връзка между нормалната продължителност на митотичния цикъл на клетките и тяхната чувствителносткъм хронично облъчване - колкото по-къса е интерфазата на митотичния цикъл, толкова клетките са по-чувствителни към радиация. Това се дължи на продължителността на периода G1.

Нашият по-нататъшен анализ на възможната роля на периода G1 при определяне на устойчивостта на радиация показа много интересни неща. Широко разпространеният феномен на спиране на клетъчното делене в пролифериращи тъкани (първоначален отговор) се отнася до по-обща реакция на биологичните системи в отговор на нараняване. Има временно инхибиране на много функции, които не са необходими за ремонт (възстановяване) на увреждане, и забавяне на времето за преход към други функционални състояния, когато тези неремонтирани повреди могат да се проявят като неблагоприятно въздействие върху биологичната система. Такова еднакво поведение на биологичните системи се наблюдава на различни нива: организъм, физиологична система, клетъчна система, тъкан.

Продължителността на възможните закъснения в периодите на клетъчния цикъл зависи не само от естеството на тъканта, към която принадлежат клетките. По този начин в епитела на роговицата на окото на мишки по време на периода G1 се наблюдават по-дълги забавяния, отколкото в епитела на червата, на единица доза неутронно лъчение: за епитела на роговицата - 17 минути на 0,01 Gy, а за чревния епител - само 4 минути на 0,01 Gy. Продължителността на митотичния цикъл на епителните клетки на роговицата обикновено е 6,5 пъти по-голяма от тази на чревните епителни клетки. В допълнение, епителните клетки на роговицата са в състояние да блокират митотичния цикъл в периода G1 за много по-дълги периоди, отколкото е възможно за чревния епител. Установено е, че способността за удължаване на продължителността на интерфазата (главно в периода G1) на митотичния цикъл е едно от основните условия за ефективно завършване на възстановяването на радиационното увреждане. Има определенапропорционалност на продължителността на блоковите забавяния на периодите на интерфазата на митотичния цикъл и интензивността на увреждането.

Ясни доказателства за последователността на излизане на клетките от блоковете на различни периоди от интерфазата на митотичния цикъл, зависимостта на тяхната продължителност от дозата на радиация, относителната стойност на блоковите забавяния бяха получени в нашата лаборатория от V. G. Tyazhelovoy et al. Общо бяха идентифицирани пет пика на митотична активност. Екстраполацията на зависимостите от дозата до нулевата доза характеризира нормалната продължителност на периодите на митотичния цикъл: G1 - 8 часа, S - 8, G2 - 1 и M - 1 час с обща продължителност на цикъла 18 ч. Това съответства на данните, получени по различен начин за чревния епител на плъхове. Продължителността на блока в този експеримент се взема предвид чрез максимума на митотичната активност, който тук е сумата от нормалната продължителност на периода и забавянето на блока. Първите три пика съответстват на първото клетъчно делене след блокиране. Излизането на клетките от блоковете става в естествена последователност. Преди това клетките напускат блоковете на онези периоди, които по време на облъчването са били по-близо в хода на естественото съзряване на клетките до периода на митоза. Първата крива характеризира изхода от блока G2M, втората - от блока SG2, а третата - от блока G1S.

С увеличаване на дозата на облъчване продължителността на всички периоди на интерфазата на митотичния цикъл се увеличава, но не безкрайно. Тя клони към някакъв предел. От една страна, удължаването на интерфазните периоди е необходимо за възстановяване на увеличено количество увреждане с увеличаване на дозата на облъчване, от друга страна, клетката,очевидно е невъзможно да останете за неопределено време във всеки един период от интерфазата и да забавите процеса на съзряване, което е естествено за него. Всеки период от развитието на клетката се характеризира с преобладаване на едни структурни и функционални процеси и инхибиране на други. Това е причината за ограничаване на продължителността на блоковите забавяния в интерфазните периоди на митотичния цикъл.

В същото време скоростта на достигане на определения лимит за различни периоди не е еднаква. Намалява последователно за блокове G2M, SG2 и G1S. Продължителността на периодите, като се вземат предвид блоковите закъснения след облъчване, е максимална за G1, по-кратка за S и още по-кратка за етап G2. В същото време относителните промени в периодите (като процент от нормалната продължителност на етапа) са различни: максимални за G2, по-малко силни за G1 и слаби за периода S.

Сравнителният анализ на площите, обхванати от кривите на митотичната активност, даде възможност при определени предположения (броят на клетките е пропорционален на площта) да се оцени относителният брой на оцелелите клетки, облъчени в определен период от митотичния цикъл, и да се построят криви на преживяемост на дозата. Клетките, облъчени в периода S, не умират, докато дозата на радиация не бъде превишена

5 Gy Дори след облъчване с доза от 9 Gy, поне половината от клетките все още оцеляват. Кривата на оцеляване за клетките, облъчени в периода G2, има късо рамо, след което броят на оцелелите клетки намалява и достига приблизително 50% в областта на доза на облъчване от 5 Gy. Поведението на клетките, облъчени на етап G1, е значително различно. Клетъчната смърт настъпва при всяка доза и достига около 50% при облъчване в доза от около 3,5 Gy, а при облъчване в доза от 9 Gy само около 20% от клетките остават живи. Най-големите разлики се установяват при сравняване на дози радиация, които причиняват малък процентсмърт. Така че, за да се получи приблизително същите 80% клетъчна преживяемост, е необходимо да се облъчват клетките в периода S в доза от около 7,5 Gy, в периода G2 в доза от около 2,5 Gy и в периода G2 в доза от 0,5–1,0 Gy.

По този начин, когато се правят по-нататъшни сравнения на получените заключения за чревния епител на плъхове, е необходимо да се обърне внимание на следното.

1. Период S сред другите периоди на интерфазата на митотичния цикъл има най-голяма устойчивост на радиация и има рамо на кривата на оцеляване, което показва огромните възможности за възстановителни процеси, характерни за този етап. Въпреки това, когато е изложен на радиация, периодът S има най-малкото относително увеличение на продължителността си поради забавяне на блока и при достигане на максималната възможна продължителност на забавянето на блока започва клетъчна смърт. В този случай кривата на намаляване на преживяемостта с по-нататъшно увеличаване на дозата на радиация има най-голям наклон. При ускоряване на процесите на клетъчно делене периодът S се отнася до най-малко скъсения.

2. Периодът G1 е най-чувствителен към радиация и няма рамо на кривата на оцеляване, което да показва забележими възможности за възстановителни процеси, характерни за този период. Периодът G1 под действието на радиация обаче има най-голямо абсолютно увеличение на продължителността си и няма ограничения за това (поне до доза от 9 Gy няма такова ограничение). Клетъчна смърт е отбелязана дори при дози под 1 Gy. Когато процесите на делене се ускоряват, периодът G1 е най-променлив и може да бъде много значително съкратен. В случай на скъсяване на генеративния цикъл това се случва главно поради периода G1.

3. Периодът G2 е най-краткият в нормата и увеличението му при излагане на радиация също е малко, въпреки чев процентно отношение и е най-големият. Този период, по-бързо от другите, достига границата на възможно увеличаване на продължителността му. По отношение на броя на клетките, които умират след облъчване в периода G2, той заема междинна позиция между периодите S и G1. Промените в продължителността на този период не влияят значително на общата продължителност на митотичния цикъл.

Интересни данни са получени от Yamaguchi и Tabachnik при изучаване на кинетиката на кожни епидермални клетки при морски свинчета при нормални условия и след локално излагане на бета радиация. Основните изследвания са проведени в периода 12-14 дни след облъчването, когато се развива активна пролиферация след депопулация на клетките и се отбелязва най-високият митотичен индекс. Резултатите от изследването са показани по-долу. Посочена е продължителността на целия цикъл и отделните му периоди в часове.