Радиационная биология. Радиоэкология

Длительное воздействие ионизирующего излучения в низких дозах является одним из факторов риска для здоровья космонавтов, при этом нарушения кроветворения, вызванные повреждением клеток костного мозга (КМ), являются наиболее частым результатом облучения. Цель настоящей работы заключалась в оценке эффектов хронического воздействия ионизирующего излучения на гемопоэтические стволовые и прогениторные клетки (ГСПК) и стромальные прогениторные клетки КМ. При моделировании радиационного воздействия крыс подвергали 10-кратному внешнему фракционированному γ-излучению в суммарной дозе 500 сГр в течение 33 дней. Контрольная группа животных содержалась в стандартных условиях вивария. Изучали клеточный состав и функциональные характеристики клеток КМ из бедренных костей крыс. После облучения наблюдалось снижение клеточности КМ и изменение экспрессии поверхностных маркеров. Стромальные прогениторные клетки после облучения характеризовались более высоким уровнем индуцированной и спонтанной адиподифференцировки, сниженным пролиферативным потенциалом. В опытной группе было снижено общее количество гемопоэтических колоний и угнетены различные ростки кроветворения, кроме КОЕ-ГМ. После облучения культура кариоцитов КМ характеризовалась более высокой продукцией цитокинов, которые тормозят пролиферацию ГСПК (IL-18, IFNγ) и активируют их дифференцировку (IL-6). Также наблюдалось возрастание экспрессии генов и продукции цитокинов с прорезорбтивным действием на фоне снижения экспрессии генов, вовлеченных в остеогенез. Таким образом, продемонстрировано, что хроническое фракционированное радиационное воздействие в диапазоне низких доз вызывает негативные изменения со стороны стромального и гемопоэтического дифферонов КМ, что может привести к нарушению кроветворения.

Цель работы – экспериментальное изучение радиозащитного действия рекомбинантного флагеллина, лишенного антигенных свойств, в условиях общего внешнего облучения мышей по показателям выживаемости и влиянию на гемо- и иммунопоэз. В работе использовано новое рекомбинантное производное флагеллина Salmonella enterica – белок dFliC, полученный путем структурно-ориентированного реинжиниринга ранее разработанной молекулы. Радиозащитное действие dFliC изучали на модели костномозговой формы острого радиационного поражения у мышей. 30-суточную выживаемость облученных мышей анализировали по методу Каплана–Мейера. Оценивали влияние белка dFliC на численность селезеночных колониеобразующих единиц (КОЕ-с) и миелокариоцитов в костном мозге, клеточный состав и цитокиновый профиль периферической крови мышей. Для статистической обработки результатов использовали программное обеспечение Statistica 8.0. Разработан протокол очистки молекулы рекомбинантного флагеллина dFliC и получены образцы белка, чистота которого составила 92.79%. Установлено, что введение dFliC в дозе 1 мг/кг за 15–30 мин до облучения в дозе 7.8 Гр повышало 30-суточную выживаемость мышей на 38% (р < 0.05). Применение dFliC способствовало повышению количества КОЕ-с на 9 сутки после облучения в дозе 7 Гр в 2.8 раза (р < 0.05), сохранению жизнеспособности гемопоэтических стволовых клеток, снижению тяжести тромбоцитопении. Регистрировалось повышение продукции ИЛ-3 и ГМ-КСФ, участвующих в регуляции ранних этапов развития кроветворных клеток, и хемоаттрактанта макрофагов ИЛ-12р40; содержание провоспалительных цитокинов ИЛ-1β и ИЛ-33 поддерживалось на более низком уровне, чем при облучении без применения dFliC. Структурная перестройка молекулы флагеллина не привела к снижению радиозащитного действия рекомбинантного белка. Показано, что противолучевая эффективность dFliC обеспечивается защитным действием на кроветворные клетки костного мозга и стимуляцией постлучевого восстановления гемо- и иммунопоэза путем регуляции экспрессии цитокинов с широким спектром биологической активности.

В настоящее время получено достаточно экспериментальных данных, свидетельствующих о существенных нарушениях функций центральной нервной системы (ЦНС) на всех уровнях ее организации, вызываемых воздействием тяжелых ионов в дозах, сопоставимых с потенциально возможными в ходе Марсианской миссии. Чрезвычайно важной и в то же время наименее изученной проблемой являются нейробиологические эффекты комбинированного действия ионизирующих излучений и нерадиационных факторов космического полета (ФКП), в частности, важнейшего из них – микрогравитации. Анализируя нейробиологические эффекты взаимодействия моделируемой микрогравитации (АнОВ) и ионизирующих излучений, мы обнаружили их сложный характер: на всех уровнях организации ЦНС (от молекулярного до интегративного) наблюдались как синергические, так и антагонистические отношения при комбинированном воздействии этих факторов. Возможность антагонистического характера взаимодействия данных ФКП стала весьма неожиданным эффектом, требующим дальнейших исследований. Можно сделать вывод о том, что нейробиологические эффекты взаимодействия АнОВ и ионизирующих излучений при их синхронном комбинированном действии носят сложный характер, который мы назвали интерференционным, по аналогии с физическим явлением интерференции, проявляя синергический либо антагонистический эффекты, либо же появление новых эффектов в отношении поведения, метаболизма моноаминов и молекулярных механизмов. Не исключено, что проявление такого рода взаимодействия может приводить к нивелированию негативных последствий от воздействия этих факторов.

В данном исследовании впервые получены сведения о чувствительности животных с дисфункцией генов piwi и aub к хроническому облучению в малых дозах (20 сГр) и проявлении у анализируемых мутантов радиоадаптивного ответа. Реакция мутантных генотипов Drosophila melanogaster на облучение была проанализирована по показателям “продолжительность жизни”, “фертильность” и “повреждения ДНК”. Результаты экспериментов показали, что у самок с мутацией piwi обнаружено адаптивное действие хронического облучения в малых дозах (20 сГр) в ответ на последующую экспозицию в дозе 60 Гр. Хроническое низкоинтенсивное облучение не повлияло на репродуктивные функции и уровень повреждений ДНК в гонадах особей с дисфункцией генов piwi и aub, но привело к повышению их продолжительности жизни. Таким образом, функциональное снижение некоторых генов семейства Argonaute может модифицировать эффекты облучения с формированием у животных радиорезистентных признаков.

Воздействие γ-излучения на семена в дозе 20 Гр и концентрацией свинца 2 мг/мл существенно модифицирует оксидативный статус растений ячменя. Свинец в исследованной концентрации угнетает развитие проростков, но уступает воздействию γ-излучения в способности индуцировать цитогенетические нарушения в корневой меристеме. Токсичность свинца гораздо больше сказывается на корнях, чем на побегах, поскольку корни непосредственно взаимодействуют с раствором свинца. Предварительное γ-облучение семян модифицирует оксидативный статус растений, что снижает негативное действие свинца на всхожесть семян и митотическую активность клеток. Сочетанное действие свинца и ионизирующего излучения не ведет к усилению оксидативного стресса и увеличению частоты цитогенетических нарушений по сравнению с их раздельным действием.

Изучали комбинированное действие импульсного магнитного поля (ИМП) (несущая частота 1.8 МГц, модулировано импульсами с частотой повторения 28 кГц, индукция магнитного поля в месте расположения биологических объектов 75 мТл в импульсе с длительностью воздействия на семена 60 с) и γ-излучения в дозе 3 Гр на клетки меристемы корня лука. Анализировали частоту клеток с хромосомными аберрациями в ана-телофазе, типы аберраций, частоту клеток с микроядрами и митотический индекс. γ-облучение приводило к повышению частоты клеток с хромосомными аберрациями в 12 раз, а частоты клеток с микроядрами в 64 раза. ИМП приводило к увеличению частоты клеток с хромосомными аберрациями в 2 раза и клеток с микроядрами – в 3 раза. Комбинированное действие исследуемых факторов характеризовалось антагонистическим взаимодействием. Предложено несколько гипотез, объясняющих выявленные эффекты комбинированного действия ИМП и гамма-облучения: ИМП является фактором, приводящим к повышению эффективности репарации ДНК; ИМП повышает вероятность апоптозной гибели клеток и элиминацию радиационно-индуцированных аберрантных клеток; ИМП приводит к более выраженной задержке клеточного цикла и таким образом увеличивает время для репарации радиационно-индуцированных повреждений ДНК.