Радиопротекторы

ПЛАН

 

1.    Радиопротекторы — понятие стр 3

2. Основы патогенеза радиационного поражения стр 5

3. Классификация и характеристика радиозащитных веществ стр 12

4. Механизм радиозащитного действия стр 20

5. Практическое применение радиопротекторов стр 21

 

Широкие масштабы мирного использования атомной энер­гии в ряде областей — энергетике, медицине, сельском хо­зяйстве, промышленности, исследовании космоса, а также сохраняющаяся угроза военного конфликта с применением ядерного оружия представляют потенциальную опасность для нынешнего и будущих поколений. Число лиц, контак­тирующих с источниками ионизирующих излучений, будет постоянно возрастать.

Уже более 30 лет ученым известны радиозащитные свойства некоторых химических веществ. Их изучение про­водится в интересах защиты здоровых тканей у тех боль­ных, которые в связи с онкологическими заболеваниями подвергаются интенсивной радиотерапии. Очевидна и не­обходимость защиты человека от воздействия ионизирую­щих излучений при ликвидации последствий аварий на атомных установках и в случае военного конфликта, с при­менением ядерного оружия. Дальнейшее проникновение человека в космос также не мыслится без разработки со­ответствующих радиозащитных мероприятий.

Радиационная защита в широком смысле включает лю­бые действия, направленные на уменьшение риска радиа­ционного поражения. К ним в первую очередь относятся все профилактические мероприятия в области радиаци­онной безопасности лиц, работающих с ионизирующими излучениями. В 1977 г. изданы Рекомендации (№ 26) Международной комиссии по радиологической защите. В 1982 г. Международное агентство по атомной энергии в Вене опубликовало Основные правила безопасности при радиационной защите.

При контакте человека с ионизирующими излучениями высокой мощности практические меры защиты могут пред­ставлять собой:

а) физическое (механическое) экранирование части или всего тела во время облучения;

б) фракционирование облучения с помощью рационального чередования работы в зоне радиоактивного загряз­нения и вне ее;

в) назначение перед облучением радиозащитных средств (радиозащита в узком смысле слова).

Радиопротекторы могут быть подразделены на группы с учетом их химической природы, продолжительности и вероятного механизма защитного действия или фармако­логического эффекта. Для понимания действия радиопро­текторов и их роли в современной радиационной защите мы сочли необходимым включить в книгу вступительную главу о механизмах радиационного поражения живого ор­ганизма. Исчерпывающего представления о них пока не существует, поэтому не могут быть раскрыты с оконча­тельной ясностью и механизмы защитного действия радио­протекторов. В то же время данные о процессе послелучевого повреждения, с одной стороны, и расширение ин­формации о действии радиопротекторов на различных уровнях живого организма — с другой, взаимно обогаща­ют наше понимание как пострадиационного процесса, так и радиозащитного эффекта.

Наряду с радиопротекторами интерес радиобиологов вызывают вещества с противоположным действием — ра­диосенсибилизаторы. Одной из главных целей здесь является изыскание химических соединений, повышающих чувстви­тельность раковых клеток к воздействию ионизирующей радиации. Таким образом, проблемы защиты здоровых тканей с помощью радиопротекторов и повышение чувстви­тельности раковых клеток к облучению путем использо­вания радиосенсибилизаторов оказываются связанными общностью задач. Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы вместе представляют так называемые радиомодифицирующие средства. Их комбинированное использование открывает новые возможности для радиотерапии злокачественных опухолей.

Радиозащитное действие впервые было описано в 1949 году исследователем Паттом. Цистеин, введенный мышам перед леталь­ным рентгеновским облучением, предотвращал гибель боль­шого числа животных. Полученные данные, подтверждаю­щие реальную возможность уменьшения влияния иони­зирующих излучений на биологические процессы у млекопитающих, положили начало широкому развитию исследовательских программ в целях поиска средств с выраженным защитным действием, способных обеспечить защиту человеческого организма.

К настоящему времени проверены радиозащитные свойства тысяч химических соединений. В 1961—1963 гг. ученые Huber и Spode систематически публико­вали отчеты об испытаниях химических средств на радио­защитную активность. Клиническое применение получили только некоторые из них. К наиболее эффективным сред­ствам относятся цистеамин (МЭА), цистамин, аминоэтил-изотиуроний (АЭТ), гаммафос (WR-2721), серотонин и мексамин. Радиозащитное действие цистеамина (меркаптоэтиламин, или МЭА) и цистамина (дисульфид МЭА) впервые описали Bacq и соавт. (1951), АЭТ—Doherty и Burnet (1955), серотонина—Gray и соавт. (1952), мексамина (5-метокситриптамин, 5-МОТ)— Красных и соавт. (1962). Гаммафос, в англоязычной литературе обозначае­мый WR-2721, в химическом отношении представляет со­бой 8-2-(3-аминопропиламино) тиофосфорноэтиловый эфир. Он был синтезирован Piper и соавт. (1969), а его радио­защитный эффект установлен Yuhas и Storer (1969).

 

ОСНОВЫ ПАТОГЕНЕЗА РАДИАЦИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующие излучения получили свое название ввиду способности вызывать ионизацию атомов и молекул облу­чаемого вещества. При прохождении через вещество иони­зирующее излучение способствует отрыву электронов от атомов и молекул, благодаря чему возникают ионные па­ры: положительно заряженный остаток атома и молекулы и отрицательно заряженный электрон. Процессы ионизации атомов и молекул неживого вещества и живой ткани не различаются.

По характеру взаимодействия с веществом ионизирую­щие излучения делятся на прямо и косвенно ионизирую­щие. Прямо ионизирующие излучения ионизируют атомы поглощающего излучение вещества воздействием несущих заряд электростатических сил. К ним относятся заряжен­ные частицы — электроны, протоны и альфа-частицы. Косвенно ионизирующие излучения при взаимодействии с веществом передают свою энергию заряженным частицам атомов поглощающего излучение вещества, которые затем как прямо ионизирующие частицы вызывают образование ионных пар. К этим излучениям относятся электромагнит­ные рентгеновское и гамма-излучение, а также корпуску­лярное излучение нейтронов, не несущих электрического заряда.

Физическое поглощение ионизирующего излучения протекает за доли секунды (10^-17 — 10^-15). Механизмы, веду­щие к ионизации и возбуждению атомов облучаемого вещества, достаточно хорошо изучены и детально описаны в учебниках биофизики. Менее изучены следующие два этапа развития пострадиационного повреждения, при ко­торых происходят химические и биологические изменения. В настоящее время очень мало известно о связи между химическими и биомолекулярными изменениями и после­дующими биологическими эффектами. В развитии пост­радиационных процессов в живых тканях недостаточно изучена роль, в частности, возбужденных атомов.

Из-за потери электрона или его захвата возникают свободные радикалы — атомы и молекулы, имеющие на орбитальной электронной оболочке один неспаренный элек­трон. У стабильных атомов в орбитальном слое всегда на­ходятся пары электронов, вращающихся вокруг собствен­ной оси в противоположном направлении. Свободные ра­дикалы обладают высокой реакционной способностью с выраженным стремлением присоединить или отдать элек­трон с тем, чтобы довести общее их число до четного. Ис­ходя из этого, свободные радикалы делят на окислитель­ные (принимающие электроны) и восстановительные (отдающие их).

Живая ткань содержит 60—90% воды, поэтому есте­ственно, что при взаимодействии ионизирующих излуче­ний с тканями организма значительная часть энергии поглощается молекулами воды. Радикалы, возникающие при радиолизе воды, могут взаимодействовать с любой органической молекулой ткани. Реакция свободных ради­калов воды с биологически важными молекулами клеток лежит в основе косвенного действия ионизирующего излу­чения. Свободные радикалы воды как промежуточные продукты поглощения энергии излучений служат средст­вом переноса энергии на важные биомолекулы. Прямое же действие ионизирующих излучений обусловлено непосред­ственным поглощением энергии излучений биологически важными молекулами, При ионизации которых и возни­кают свободные радикалы. С точки зрения собственно био­логического повреждения вообще не имеет большого зна­чения то, как повреждена критическая биомолекула,— прямо или косвенно. Принимая во внимание состав живой материи, можно допустить, что в радиационном повреж­дении клеток участвует как прямой, так и косвенный ме­ханизм.

Существенную радиобиологическую роль играет взаи­модействие свободных радикалов с молекулами кислоро­да. Оно ведет к возникновению перекисных радикалов водорода и органических молекул, которые могут затем реагировать с другими органическими молекулами ткани. Усиление радиационного повреждения клеток и тканей живого организма в присутствии кислорода носит назва­ние кислородного эффекта.

Прямое и косвенное воздействие излучений на биоло­гически важные молекулы ведет к обширным биологиче­ским изменениям в облученном организме, которые можно схематически представить как изменения на различных уровнях биологической организации от молекулы до це­лостного организма. Эти типы радиационных поражений приведены в табл. 1.

Таблица 1. Типы радиационного поражения у млекопитающих

Уровень биологической организации	Важнейшие радиационные эффекты
Молекулярный	Повреждение макромолекул ферментов, ДНК, РНК и воздействие на обменные процессы
Субклеточный	Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом, митохондрий и лизосом
Клеточный	Остановка деления и гибель клеток; трансформация в злокачественные клетки
Ткань, орган	Поражение ЦНС, костного мозга, желудочно-кишечного тракта; вероятность гибели, обусловленной злокачественным ростом
Целостный организм	Смерть или сокращение продолжительности жизни, вызванное радиацией
Популяция	Изменения генетической характеристики у отдельных индивидуумов под влиянием генных и хромосомных мутаций

РАЗВИТИЕ РАДИАЦИОННОГО ПОРАЖЕНИЯ

Вслед за поглощением энергии ионизирующего излучения, сопровождаемым физическими изменениями клеток, про­исходят процессы химического и биологического харак­тера, которые закономерно приводят прежде всего к по­вреждению критических биомолекул в клетке. Этот про­цесс протекает менее 10^-6 с, тогда как окончательное проявление биологического поражения может растягивать­ся ца часы, дни и даже десятилетия.

Для жизненной функции клеток решающее значение имеют белки и нуклеиновые кислоты. Белки — главный органический компонент цитоплазмы. Некоторые белки от­носятся к структурным элементам клетки, другие — к име­ющим важное значение ферментам. Радиационное повреж­дение белков состоит в уменьшении их молекулярной мас­сы в результате фрагментации полипептидных цепочек, в изменении растворимости, нарушении вторичной и тре­тичной структуры, агрегировании и т. п. Биохимическим критерием радиационного повреждения ферментов явля­ется утрата ими способности осуществлять специфические реакции. При интерпретации пострадиационных измене­ний ферментативной активности in vitro наряду с радиа­ционными нарушениями самого фермента следует учиты­вать и другие повреждения клетки, прежде всего мембран и органелл. Чтобы вызвать явные изменения ферментатив­ной активности в условиях in vitro, требуются значитель­но большие дозы, чем in vivo.

Наиболее существенные повреждения клетки возникают в ядре, основной молекулой которого является ДНК. Ядро у млекопитающих проходит четыре фазы деления; из них наиболее чувствителен к облучению митоз, точнее его первая стадия — поздняя профаза. Клетки, которые в мо­мент облучения оказываются в этой стадии, не могут вступить в митоз, что проявляется первичным снижением митотической активности спустя 2 ч после облучения. Клет­ки, облученные в более поздних стадиях митоза, или завершают цикл деления без каких-либо нарушений, или в результате инверсии обменных процессов возвращаются в профазу. Речь идет о радиационной синхронизации мито­зов, когда клетки с запозданием снова начинают делиться и производят чисто внешнюю компенсацию первоначаль­ного снижения митотической активности. Нарушения ДНК могут вести к атипическому течению клеточного деления и появлению хромосомных аберраций. Неделящиеся клет­ки пребывают в длительной интерфазе, оставаясь по боль­шей части вне влияния тех доз излучения, которые вызы­вают репродуктивный отказ делящихся клеток.

С нарушением клеточной мембраны связаны радиаци­онные изменения поведенческих функций ЦНС. Радиаци­онное повреждение эндоплазматического ретикулума при­водит к уменьшению синтеза белков. Поврежденные лизосомы высвобождают катаболические ферменты, спо­собные вызвать изменения нуклеиновых кислот, белков и мукополисахаридов. Нарушение структуры и функции митохондрий снижает уровень окислительного фосфорилирования.

Перечисленные изменения субклеточных структур толь­ко намечены, исследования в данной области ведутся.

Стволовые клетки костного мозга, зародышевого эпи­телия тонкого кишечника, кожи и семенных канальцев характеризуются высокой пролиферативной активностью. Еще в 1906 г. J. Bergonie и L. Tribondeau сформулировали основной радиобиологический закон, согласно которому ткани с малодифференцированными и активно делящи­мися клетками относятся к радиочувствительным, а ткани с дифференцированными и слабо или вообще не деля­щимися клетками — к радиорезистентным. По этой клас­сификации кроветворные клетки костного мозга, зароды­шевые клетки семенников, кишечный и кожный эпителий являются радиочувствительными, а мозг, мышцы, печень, почки, кости, хрящи и связки — радиорезистентными. Ис­ключение составляют небольшие лимфоциты, которые (хо­тя они дифференцированы и не делятся) обладают высо­кой чувствительностью к ионизирующему излучению. При­чиной, вероятно, является их выраженная способность к функциональным изменениям. При рассмотрении радиа­ционного поражения радиочувствительных тканей следует учитывать, что и чувствительные клетки, находясь в мо­мент облучения в разных стадиях клеточного цикла, об­ладают различной радиочувствительностью. Очень большие дозы вызывают гибель клеток независимо от фазы кле­точного цикла. При меньших дозах цитолиз не происхо­дит, но репродуктивная способность клеток снижается в зависимости от полученной ими дозы. Часть клеток оста­ется неповрежденной либо может быть полностью восста­новленной от повреждений. На субклеточном уровне репарация радиационного поражения происходит, как пра­вило, в течение нескольких минут, на клеточном уровне — нескольких часов, на уровне ткани — дней и недель, а в целом организме млекопитающего — в течение месяцев. Обратимая компонента составляет примерно 90% началь­ного радиационного поражения. Считается, что репарация 50% обратимого поражения у человека занимает примерно 30 (25-45) дней. Остальная часть обратимого поражения полностью репарируется через 200 ± 60 дней после окон­чания однократного сублетального облучения. Чем больше относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излу­чений, тем меньше у организма возможности восстанов­ления. Необратимая компонента нейтронного облучения составляет более 10% начального поражения.

Пострадиационная убыль клеток вследствие их гибели в интерфазе, а также утрата репродуктивной способности части клеток особенно серьезны для тех непрерывно об­новляющихся клеточных популяций, зрелые формы кото­рых имеют физиологически ограниченное время жизни, после чего они отмирают. Чем короче цикл созревания и средний срок жизни зрелых клеток какой-либо системы, тем выраженное и чаще бывают нарушения этой системы в период после облучения. Те важные органы и системы, выход из строя которых приводит к гибели организма, на­зываются критическими. Так, к основному тканевому пора­жению в диапазоне доз (на все тело) 1-10 Гр относится нарушение кроветворной функции, получившее название костномозгового синдрома. Доза, при которой выживает 37% стволовых кроветворных клеток (Д₀) у мышей, со­ставляет 1 Гр. При костномозговом синдроме возникают серьезные нарушения репродуктивной способности гемопоэза. Эти нарушения с течением времени после облучения определяют изменения в периферической крови в зависи­мости от среднего времени жизни форменных элементов крови и дозы излучения.

Для убыли форменных элементов в периферической крови характерна определенная последовательность во вре­мени, сопровождаемая следующими функциональными из­менениями.

1. Сокращение числа лимфоцитов отмечается сразу же после облучения и достигает максимума на 1–3-й сутки. Оно проявляется ослаблением или подавлением как кле­точных, так и гуморальных иммунологических реакций.

2. Уменьшение количества нейтрофильных гранулоцитов (после временного 1–2-суточного лейкоцитоза, обус­ловленного выбросом нейтрофилов из депо организма) достигает нулевой отметки на 4-е и 5-е сутки в случае летального облучения. При меньших дозах количество нейтрофилов постепенно сокращается, его минимум при­ходится на 2–4-ю неделю после экспозиции. Гранулоцитопения понижает сопротивляемость организма к инфек­циям.

3. Уменьшение числа тромбоцитов происходит парал­лельно с сокращением количества нейтрофилов или на не­сколько суток позже. Дефицит тромбоцитов вместе с ра­диационным поражением эндотелия сосудов проявляется геморрагическим синдромом.

4. Содержание эритроцитов ежесуточно снижается при­мерно на 0,8%, что усугубляется кровотечениями и явле­ниями гемолиза. За первый месяц после облучения потеря эритроцитов может достигнуть 25% от исходного уровня. Анемия замедляет процессы репарации, а дефицит кисло­рода в костном мозге нарушает его способность восста­навливать гемопоэз.

У мышей Д₀ стволовых клеток кишечника составляет 4–6 Гр. Следовательно, они в несколько раз более радио­устойчивы, чем стволовые кроветворные клетки. При дозах 10—100 Гр решающим в течении пострадиационного про­цесса является поражение кишечного эпителия. Основная причина его гибели состоит в том, что в условиях денуда­ции слизистой оболочки тонкого кишечника происходит потеря жидкости, электролитов и белков, сопровождаемая микробной инвазией и токсемией, ведущими к септическо­му шоку и недостаточности кровообращения. Радиацион­ные изменения эпителиального слоя желудка, толстого кишечника и прямой кишки примерно такие же, но выра­жены значительно меньше. Хотя решающим патогенетиче­ским фактором данного синдрома является денудация сли­зистой оболочки кишечника, следует иметь в виду, что параллельно с этим постепенно развиваются нарушения кроветворной функции. Одновременное тяжелое необрати­мое поражение обеих критических систем организма при облучении в дозах 10–100 Гр приводит к быстрой и не­избежной гибели.

При однократном общем облучении в дозах свыше 100 Гр большинство млекопитающих гибнет в результате так называемой церебральной смерти в сроки до 48 ч. Радиационное поражение ЦНС объясняется повреждением нервных клеток и сосудов мозга. При исключительно больших дозах облучения возможно специфическое воз­действие радиации на дыхательный центр в продолговатом мозге. Радиационный синдром ЦПС принципиально отличается от костномозгового синдрома тем, что при его раз­витии не происходит выраженного клеточного опустоше­ния. К характерным признакам этого синдрома относятся непрекращающиеся тошнота и рвота, упорный понос, бес­покойство, дезориентация, атаксия, тремор, судороги, а также апатия, сонливость, нарушение сознания. Сравни­тельно быстро наступает полное истощение организма, заканчивающееся смертью.

Когда речь идет о чувствительности организма к иони­зирующему излучению, рассматривается, как правило, диа­пазон доз, вызывающих гибель при проявлениях костно­мозгового синдрома. Пострадиационные изменения в дру­гих (не критических) тканях могут оказать значительное воздействие на важные функции организма (зрение, ре­продуктивные функции), в то же время не оказывая ре­шающего влияния на жизненный исход. В связи с нару­шением нервно-гуморальной регуляции в пострадиацион­ный патогенетический механизм вовлекаются все органы и ткани. Радиочувствительность же всего организма у млекопитающих приравнивается к радиочувствительности кроветворных клеток, так как их аплазия, возникающая после общего облучения в минимальных абсолютно смер­тельных дозах, приводит к гибели организма.

При оценке радиочувствительности организма и ана­лизе эффективности радиопротекторов учитываются дозы облучения, вызывающие конкретный летальный исход. Сублетальная доза не приводит к гибели ни одного живот­ного из облученной группы. Летальная доза вызывает смерть минимально одной, а максимально всех облучен­ных особей. Эта величина характеризуется процентом по­гибших особей в группе к определенному сроку после об­лучения. В эксперименте чаще всего применяется средняя летальная доза (гибель 50% животных к 30-м или 90-м суткам)—ЛД_50/30, ЛД_50/90. Минимальная абсолютно ле­тальная доза — это доза, при которой погибают все особи из облученной группы. Супралетальная доза больше ми­нимальной абсолютно летальной. Отдельные супралетальные дозы различаются лишь по продолжительности жизни животных после экспозиции, поскольку все они вызывают смерть 100% животных в облученной группе. Летальные дозы у млекопитающих, установленные только для одного вида воздействия на организм — облучения, значительно понизились бы в случае комбинации облучения с ожогами, ранениями и различными стрессовыми факторами.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАДИАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ

На конечный биологический эффект влияют различные факторы, которые в основном делятся на физические, хи­мические и биологические.

Среди физических факторов на первом месте стоит вид излучения, характеризуемый относительной биологической эффективностью. Различия биологического действия обус­ловлены линейным переносом энергии данного вида иони­зирующего излучения, связанным с плотностью ионизации и определяющим способность излучения проникать в слои поглощающего его вещества. ОБЭ представляет величину отношения дозы стандартного излучения (изотоп ⁶⁰Со или рент­геновское излучение 220 кВ) к дозе исследуемого излуче­ния, дающей равный биологический эффект. Так как для сравнения можно выбрать множество биологических эф­фектов, для испытуемого излучения существует несколько величин ОБЭ. Если показателем пострадиационного дейст­вия берется катарактогенный эффект, величина ОБЭ для нейтронов деления лежит в диапазоне 5—10 в зависимо­сти от вида облученных животных, тогда как по важному критерию — развитию острой лучевой болезни — ОБЭ ней­тронов деления равняется примерно 1.

Следующим существенным физическим фактором явля­ется доза ионизирующего излучения, которая в Междуна­родной системе единиц (СИ) выражается в грэях (Гр). 1 Гр=100 рад, 1 рад=0,975 Р. От величины поглощенной дозы зависят развитие синдромов радиационного пораже­ния и продолжительность жизни после облучения.

При анализе отношения между дозой, получаемой ор­ганизмом млекопитающего, и определенным биологиче­ским эффектом учитывается вероятность его возникнове­ния. Если эффект появляется в ответ на облучение неза­висимо от величины поглощенной дозы, он относится к разряду стохастических. За стохастические принимаются, например, наследственные эффекты излучения. В отличие от них нестохастические эффекты наблюдаются по дости­жении определенной пороговой дозы излучения. В качест­ве примера можно указать помутнение хрусталика, бес­плодие и др.

В Рекомендациях Международной комиссии по радио­логической защите (№ 26, 1977 г.) стохастические и несто­хастические эффекты определены следующим образом: «Стохастическими называют те беспороговые эффекты, для которых вероятность их возникновения (а не столько их тяжесть) рассматривают как функцию дозы. Нестохасти­ческими называют эффекты, при которых тяжесть пора­жения изменяется в зависимости от дозы и, следовательно, для появления которых может существовать порог».

Химические радиозащитные вещества в зависимости от их эффективности снижают биологическое воздействие излучений в лучшем случае в 3 раза. Предотвратить воз­никновение стохастических эффектов они не могут.

К существенным химическим факторам, модифицирую­щим действие ионизирующего излучения, относится кон­центрация кислорода в тканях организма у млекопитаю­щих. Его наличие в тканях, особенно во время гамма- или рентгеновского облучения, усиливает биологическое воз­действие радиации. Механизм кислородного эффекта объ­ясняется усилением главным образом непрямого действия излучения. Присутствие же кислорода в облученной ткани по окончании экспозиции дает противоположный эффект.

Для характеристики облучения, наряду с величиной общей дозы, важное значение имеет продолжительность экспозиции. Доза ионизирующей радиации независимо от времени ее действия вызывает в облученном организме одно и то же число ионизаций. Различие, однако, состоит в объеме репарации радиационного поражения. Следова­тельно, при облучении меньшей мощности наблюдается меньшее биологическое поражение. Мощность поглощен­ной дозы выражается в грэях за единицу времени, напри­мер Гр/мин, мГр/ч и т. д.

Изменение радиочувствительности тканей организма имеет большое практическое значение. Данная книга по­священа радиопротекторам, а также веществам, снижаю­щим радиочувствительность организма, однако это не озна­чает, что мы недооцениваем исследования радиосенсиби­лизаторов; их изучение ведется прежде всего в интересах радиотерапии.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА РАДИОЗАЩИТНЫХ ВЕЩЕСТВ

Радиозащитный эффект обнаружен у целого ряда веществ различной химической структуры. Поскольку эти разно­родные соединения обладают самыми различными, подчас противоположными свойствами, их трудно разделить по фармакологическому действию. Для проявления радиоза­щитного эффекта в организме млекопитающего в боль­шинстве случаев достаточно однократного введения радиопротекторов. Однако имеются и такие вещества, которые повышают радиорезистентность лишь после повторного введения. Различаются радиопротекторы и по эффективно­сти создаваемой ими защиты. Существует, таким образом, множество критериев, по которым их можно классифи­цировать.

С практической точки зрения радиопротекторы целесо­образно разделить по длительности их действия, выделив вещества кратковременного и длительного действия.

1. Радиопротекторы или комбинация радиопротекторов, обладающих кратковременным действием (в пределах не­скольких минут или часов), предназначены для однократ­ной защиты от острого внешнего облучения. Такие веще­ства или их комбинации можно вводить тем же особям и повторно. В качестве средств индивидуальной защиты эти вещества могут найти применение перед предполагае­мым взрывом ядерного оружия, вхождением в зону ра­диоактивного загрязнения или перед каждым радиотера­певтическим местным облучением. В космическом про­странстве они могут быть использованы для защиты космонавтов от облучения, вызванного солнечными вспыш­ками.

2. Радиозащитные вещества длительного воздействия предназначены для более продолжительного повышения радиорезистентности организма. Для получения защитного эффекта, как правило, необходимо увеличение интервала после введения таких веществ примерно до 24 ч. Иногда требуется повторное введение. Практическое применение этих протекторов возможно у профессионалов, работаю­щих с ионизирующим излучением, у космонавтов при дол­говременных космических полетах, а также при длитель­ной радиотерапии.

Поскольку протекторы кратковременного защитного действия чаще всего относятся к веществам химической природы, говорят о химической радиозащите.

С другой стороны, длительное защитное действие воз­никает после введения веществ в основном биологического происхождения; это обозначают как биологическую радио­защиту.

Требования к радиопротекторам зависят от места при­менения препаратов; в условиях больницы способ введе­ния не имеет особого значения. В большинстве случаев требования должны отвечать задачам использования радиопротекторов в качестве индивидуальных средств защиты. Согласно Саксонову и соавт. (1976) эти требования должны быть как минимум следующими:

— препарат должен быть достаточно эффективным и не вызывать выраженных побочных реакций;

— действовать быстро (в пределах первых 30 мин) и сравнительно продолжительно (не менее 2 ч);

— должен быть нетоксичным с терапевтическим ко­эффициентом не менее 3;

— не должен оказывать даже кратковременного отри­цательного влияния на трудоспособность человека или ослаблять приобретенные им навыки;

— иметь удобную лекарственную форму: для перорального введения или инъекции шприц-тюбиком объемом не более 2 мл;

— не должен оказывать вредного воздействия на орга­низм при повторных приемах или обладать кумулятивны­ми свойствами;

— не должен снижать резистентность организма к дру­гим неблагоприятным факторам внешней среды;

— препарат должен быть устойчивым при хранении, сохранять свои защитные и фармакологические свойства не менее 3 лет.

Менее строгие требования предъявляются к радиопро­текторам, предназначенным для использования в радио­терапии. Они усложняются, однако, важным условием — необходимостью дифференцированного защитного дейст­вия. Следует обеспечить высокий уровень защиты здоровых тканей и минимальный — тканей опухоли. Такое раз­граничение позволяет усилить действие местно применен­ной терапевтической дозы облучения на опухолевый очаг без серьезного повреждения окружающих его здоровых тканей.

 

РАДИОЗАЩИТНЫЕ ВЕЩЕСТВА КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

К ним относятся разные типы химических соединений. Их классификация по химической структуре и предпола­гаемому механизму действия впервые дана в монографии Bacq (1965), а позже — в работе Суворова и Шашкова (1975). В 1979 г. Sweeney опубликовал обзор химических радиопротекторов, изученных в рамках обширной иссле­довательской программы вооруженных сил США. В радио­биологических лабораториях Армейского исследователь­ского института им. Уолтера Рида в Вашингтоне, а также в целом ряде американских университетов в 1959—1965 гг. испытано около 4400 различных химических веществ. По­мимо этого, в радиационной лаборатории ВВС США в Чикаго было проверено радиозащитное действие еще 1500 веществ.

В результате проведенного анализа к клиническому применению была рекомендована небольшая группа пре­паратов, прежде всего вещество, обозначенное WR-2721. Речь шла о производном тиофосфорной кислоты (см. да­лее), названном также гаммафосом. Оно относится к большой группе серосодержащих радиопротекторов.

Современные наиболее эффективные радиопротекторы делятся на две основные группы:

а) серосодержащие радиозащитные вещества;

б) производные индолилалкиламинов.

 

Серосодержащие радиозащитные вещества

К числу наиболее важных из них с точки зрения возмож­ного практического использования относятся цистеамин, цистамин, аминоэтилизотиуроний, гаммафос, затем цистафос, цитрифос, адетурон и меркаптопропионилглицин (МПГ).

Цистеамин. Это аминоэтиол, b-меркаптоэтиламин, в специальной литературе часто сокращенно обозначаемый МЭА; он имеет химическую формулу

HS—СН₂—СН₂—NH₂.

Цистеамин представляет собой сильное основание. Его относительная молекулярная масса 77. Он образует соли с неорганическими и органическими кис­лотами. Температура плавления 96°С, рН водного раство­ра 8,4. Все соли МЭА, за исключением салицилатов, барбитуратов и фосфатов, гигроскопичны. Из них чаще всего используются гидрохлорид и оксалат. Гидрохлорид цистеамина — белое кристаллическое вещество со специфиче­ским неприятным запахом меркаптана, хорошо раствори­мое в воде; температура плавления 70—72 °С. Водные рас­творы дают кислую реакцию, рН 3,5—4,0. Температура плавления сукцината МЭА 146—148 °С, рН водного рас­твора 7,3.

Аминоалкилтиолы являются сильными восстановителя­ми, они легко окисляются кислородом воздуха и различ­ными слабыми окислителями, в том числе трехвалент­ным железом, и образуют дисульфиды. Скорость окисления аминоалкилтиолов на воздухе и в водных растворах зависит от рН среды, температуры и присутствия ионов меди и железа. С увеличением рН, температуры и коли­чества ионов в среде скорость окисления возрастает. Силь­ные окислители могут окислить тиолы до производных сульфиновых или сульфоновых кислот.

Радиозащитное действие цистеамина открыли ученый Bacq и соавторы в 1951 году в Институте фармакологии лютеранского университета в Бельгии.

Цистамин. Он представляет собой меркаптоэтиламин с химической формулой

S— СН₂— СН₂—NH₂.

 |

S— СН₂— СН₂—NH₂.

Цистамин — белое кристаллическое вещество, плохо рас­творимое в воде, но хорошо — в спирте, бензоле и других органических растворителях; относительная молекулярная масса 152. Он обладает свойствами осно­вания, с кислотами образует соли, из которых наиболее часто используется дигидрохлорид цистамина. Это также белое кристаллическое вещество, гигроскопичное, легко растворимое в воде, трудно растворимое в спирте. Водные растворы дигидрохлорида цистамина имеют довольно кислую реакцию, рН око­ло 5,5.

МЭА и цистамин синтезировал ученый Gabriel еще в 1889 г. Радиозащитное действие цистамина впервые описали Bacq и соавторы (1951).

Аминоэтилизотиуроний. Это — производное тиомочевины, S-2-аминоэтилизотиомочевина, чаще всего используе­мая в форме бромида гидробромида. Химическая формула АЭТ

 

H₂N—СН₂—СН₂—S—C—NH₂

II

NH.

Его относительная молекулярная масса 119. Бромистая соль АЭТ—белое кристаллическое ве­щество, гигроскопичное, горькое на вкус, нестабильное на свету, хорошо растворимое в воде, практически нераство­римое в спирте. Водные растворы имеют кислую реакцию. В нейтральном растворе АЭТ превращается в 2-меркаптоэтилгуанидин (МЭГ), нестабильный in vitro и легко окис­ляющийся до дисульфида.

Данные о радиозащитном действии АЭТ первыми опуб­ликовали американские радиобиологи из Окриджа Doherty и Burnett в 1955 г. При введении АЭТ в дозах 250 — 450 мг/кг выживали 80% летально облученных мышей (ЛД₉₄). Описание синтеза АЭТ дали в 1957 г. Shapira и соавт. Независимо от этих данных в 1954 г. АЭТ синте­зировал советский ученый В. Д. Ляшенко. В опытах Семе­нова в 1955 г. после введения АЭТ в дозе 150 мг/кг вы­живали лишь 18% летально облученных мышей, что зна­чительно меньше, чем при применении цистамина. По этой причине данному протектору не придали тогда большого значения.

Гаммафос. Он представляет собой аминоалкилпроизводное тиофосфорной кислоты, точнее S-2-(3-аминопропиламино) этиловый эфир тиофосфорной кислоты. Его хими­ческая формула

O

II

H₂N—СН₂—СН₂—СН₂—NH—СН₂—СН₂—S—Р—ОН.

|

ОН

Это — белое кристаллическое вещество, довольно хорошо растворимое в воде, с резким чесночным запахом. Тем­пературу плавления определили Свердлов и соавт. (1974) в интервале от 145 до 147 °С.

О синтезе гаммафоса сообщили в 1969 г. Piper и соавт. В том же году радиозащитное действие гаммафоса у мы­шей описали Yuhas и Storer.

Из группы производных тиофосфорной кислоты боль­шое внимание уделяется защитному действию цистафоса (WR-638) S-2-аминоэтилтиофосфорной кислоты.

 О

 II

H₂N— СН₂— СН₂— S— Р— ОН.

 |

ОН

В 1959 г. это вещество синтезировал Akerfeldt. Одно­временно было описано его радиозащитное действие. Оно особенно эффективно при нейтронном облучении мышей.

Интересные малотоксичные вещества синтезировали ученый Пантев и соавторы в 1973г. Путем соединения цистеамина с аденозинтрифосфатом (АТФ) было создано эффективное защитное средство цитрифос, а соединением молекул АЭТ и АТФ — радиозащитное вещество адетурон. Последнее эффективно и в случае пролонгированного облучения низ­кой мощности.

Значительный интерес радиобиологов вызывает 2-меркаптопропионилглицин, сокращенно обозначаемый МПГ. Он представляет собой нетоксичное радиозащитное ве­ществ. Защитная доза МПГ была определена у мышей — 20 мг/кг при внутрибрюшинном введении, тогда как средняя летальная доза препарата достигает 2100 мг/кг. Многие соврменные ученые считают это вещество, наряду с гаммафосом, наи­более перспективным из всех серосодержащих радиопро­текторов для клинического применения.

 

Производные индолилалкиламинов

Основными представителями этой группы химических ра­диопротекторов являются серотонин и мексамин. Оба ве­щества — производные триптамина

 

Рис 1

 

Серотонин. В химическом отношении серотонин пред­ставляет собой 5-гидрокситриптамин (5-ГТ).

 

Рис 2

 

Серотонин обладает амфотерными свойствами. В физио­логических условиях ведет себя как основание и только при рН > 10 обнаруживает свойства кислоты. Не­связанный серотонин легко растворяется в воде и с тру­дом — в органических растворителях. Он легко кристалли­зуется до белой кристаллической соли в форме креатининсульфата, относительная молекулярная масса которого составляет 405,37. Из-за значительной нестабильности рас­творов необходимо постоянно готовить свежие растворы серотонина, предохранять их от света и высокой темпера­туры.

Радиозащитное действие серотонина было описано еще в 1952 г. сотрудниками двух лабораторий независимо друг от друга (Bacq, Herve; Gray и соавторы).

 

Мексамин. Его химическая формула очень близка к формуле серотонина. Мексамин является 5-метокситриптамином, сокращенно 5-МОТ.

 

Рис 3

 

Мексамин легко образует соли. Чаще всего применяется гидрохлорид 5-метокситриптамина. Это белое кристалли­ческое вещество, хорошо растворимое в воде, с температу­рой плавления 240—243 °С и относительной молекулярной массой 226,72.

Радиозащитное действие мексамина впервые описали Красных и соавт. (1962).

Главным основанием для разделения химических ра­диопротекторов кратковременного действия на две группы служит различие в химической структуре веществ; другое важное основание — представление о различных механиз­мах их действия. Схематично можно представить, что радиозащитное действие серосодержащих веществ реали­зуется в зависимости от достигнутой концентрации их в клетках радиочувствительных тканей, тогда как производ­ные индолилалкиламинов повышают радиорезистентность тканей и всего организма млекопитающего главным обра­зом благодаря развитию гипоксии вследствие сосудосу­живающего фармакологического действия серотонина и мексамина. (Далее об этом будет упомянуто).

Представление о разных механизмах радиозащитного действия двух типов протекторов потребовало подтверж­дения защитного эффекта комбинаций различных протек­торов. Их вводили одновременно в одном растворе (кок­тейле) либо отдельными порциями одним и тем же или разными способами. Таким образом создалась третья боль­шая группа — комбинации радиопротекторов, также пред­назначенные для однократной и кратковременной защиты от облучения.

 

Комбинация радиозащитных веществ

Обычно испытывается радиозащитное действие двухком­понентных комбинаций, однако не составляют исключе­ния и многокомпонентные рецептуры. Все комбинации ис­пытываются с тем, чтобы свести к приемлемому минимуму дозу отдельных компонентов с целью ослабления их неже­лательного побочного действия и достижения наибольше­го защитного эффекта.

Чаще всего комбинация защитных веществ вводится в одном растворе и одним способом. Однако описаны со­четания различных способов парентерального введения либо перорального и парентерального введения разных радиопротекторов. При этом все компоненты не должны вводиться одновременно, а лишь через определенные ин­тервалы.

Комбинация серосодержащих протекторов и производ­ных индолилалкиламинов. Двухкомпонентная рецептура протекторов с разными механизмами действия логически оправдана. Уже в конце 50-х годов был испытан ряд комбинаций серосодержащих протекторов с индолилалкиламинами. Одна из первых комбинаций такого рода, состоя­щая из цистеина и триптамина, была испытана Романцевым и Савичем в 1958 г. Если при использовании отдель­ных протекторов перед летальным общим облучением выживало 20—30% крыс, то совместное применение этих протекторов повышало выживаемость животных до 70%.

За этим исследованием последовал анализ целого ряда двухкомпонентных рецептур протекторов из обеих основных групп химических радиозащитных ве­ществ.

В большинстве рецептур дозы отдельных компонентов подбирались опытным путем в течение нескольких лет. Затем стали применять фармакологический метод. Первоначально таким методом изобол определяли количественные соотношения токсичности и защитного действия комбинаций радиопротекторов. Таким путем можно оценить, наблюдается ли в комбинациях синергизм защитного действия лишь аддитивного или же потенцирующего характера, повышается или снижается токсичность протекторов при их совместном или раздель­ном применении.

Совместное введение различных серосодержащих ра­диопротекторов. Первую комбинацию цистеина и цисте­амина предложили Straube и Patt еще в 1953 г. При вве­дении оптимальных защитных доз этих протекторов в половинном размере авторы установили суммацию защит­ного действия.

Однако многие ученые не отмечали после внутрибрюшинного введения мышам комбинации АЭТ с цистеамином или цистамином существенного усиления за­щитного эффекта. Одновре­менное пероральное введение цистамина и АЭТ подтвер­дило только аддитивность защитного действия отдельных компонентов. Комбинации АЭТ с гаммафосом и АЭТ с цистафосом позволяют снизить эффективные дозы даже 4-кратно по сравнению со столь же эффективными защит­ными дозами отдельно примененных протекторов.

Поскольку раздельное применение эффективных доз се­росодержащих радиопротекторов вызывает нежелательные фармакологические эффекты, то одной из основных задач радиобиологии в аспекте данной тематики является изучение этих комбинаций с целью минимизации нежелательных про­явлений. Сделать это довольно трудно, ибо побочное дей­ствие серосодержащих радиопротекторов не слишком ха­рактерно. К таким проявлениям относятся тошнота, рвота, снижение артериального давления, брадикардия и др.

Многокомпонентные комбинации радиопротекторов. В конце 60-х годов защитное действие многокомпонент­ных комбинаций радиопротекторов в эксперименте на мы­шах проверено Maisin и Mattelin (1967), Maisin и Lambiet (1967), Maisin и соавторы (1968). Они внутрибрюшинно вво­дили АЭТ, глутатион, серотонин и цистеин либо вместе, либо в разных З-компонентных вариантах, иногда в сочетании с пострадиационной трансплантацией костного мозга.

Ранее, еще в 1962 г., Wang и Kereiakes опубликовали сообщение о защитном эффекте однократного совместного введения АЭТ, цистеамина и серотонина супралетально облученным мышам. Внутрибрюшинное введение комби­нации АЭТ, МЭА и 5-ГТ оказалось высокоэффективным и при тотальном облучении крыс.

Значительный эффект дала также З-компонентная ком­бинация мексамина, АЭТ и цистафоса, детально проанализированная Пугачевой и соавторами (1973). Если в этой рецептуре цистафос заменялся цистамином, она становилась еще более эффективной.

Как сообщил ученый Schmidt (1965), американским астронав­там назначалась комбинация радиопротекторов, составлен­ная из 7 компонентов: резерпина, серотонина, АЭТ, цисте­амина, глутатиона, парааминопропиофенона и хлорпромазина.

Пероральное совместное введение трех серосодержащих радиопротекторов (гаммафоса, цистафоса и АЭТ) обладает главным образом тем преимуществом, что их комбинация, по эффективности примерно равная каждой дозе отдельных компонентов, оказывается по сравнению с ними менее токсичной и, следовательно, более безопас­ной.

 

Химические радиопротекторы и гипоксия

Значительное снижение биологического воздействия иони­зирующего излучения под влиянием общей гипоксии отно­сится к основным представлениям в радиобиологии (свод­ка данных). Например, по данным Vacek и соавт. (1971), уменьшение содержания кислорода в окружающей среде до 8% во время облучения увеличи­вает среднюю летальную дозу у мышей на 3—4 Гр. Снижение уровня кислорода до 9,2—11% не приводит к повышению выживаемости мышей, подвергавшихся супралетальному воздействию гамма-излучения в дозе 14,5–15 Гр. Оно выявляется лишь после уменьшения содержа­ния кислорода до 6,7%. Повышение радиорезистентности организма млекопитающего под влиянием химических радиопротекторов в ус­ловиях общей гипоксии, имеет не только практическое значение. Оно доказывает, что гипоксия — не единствен­ный механизм защитного действия.

Усиление защитного действия цистеина в условиях ги­поксии отметили в 1953 г. Mayer и Patt. В отношении цис­теамина и цистамина эти данные подтвердили Devik и Lothe (1955), позже—Федоров и Семенов (1967). Соче­тание индолилалкиламиновых протекторов, гипоксический механизм радиозащитного действия которых считается ре­шающим, с внешней гипоксией, вопреки ожиданиям, так­же превысило радиозащитный эффект одной гипоксии.

Возможность защиты организма с помощью локаль­ной гипоксии костного мозга путем наложения жгута на задние конечности мыши впервые установили Жеребченко и соавт. (1959, 1960). У крыс это наблюдение под­тверждено Vodicka (1970), у собак—Ярмоненко (1969).

В опытах на мышах Баркая и Семенов показали (1967), что локальная гипоксия костного мозга после перевязки одной задней конечности, не дающей выраженного за­щитного эффекта при летальном облучении в дозах 10,5 и 11,25 Гр, в комбинации с цистамином обусловливает эф­фективную защиту. Точно так же Ярмоненко (1969) от­метил суммацию радиозащитного эффекта после наложе­ния жгута и введения цистеамина мышам. Защитный эффект мексамина не повысился при одновременном на­ложении зажимной муфты. После введения цистамина крысам с ишемизированными задними конечностями Vo­dicka (1971) получил суммацию эффекта и 100% выжи­вание животных при абсолютно летальном в иных усло­виях гамма-облучении.

 

МЕХАНИЗМ РАДИОЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ

Несмотря на обширные исследования, радиобиологи не достигли единого, полного и общепризнанного представле­ния о механизме действия химических радиопротекторов, что отчасти является следствием ограниченности современ­ных познаний о развитии радиационного поражения при поглощении энергии ионизирующего излучения живыми организмами.

Представления о механизме защитного действия сосре­доточены вокруг двух основных групп.