10.9.1. Гибель клеток и кривые выживаемости в культуре (in vitro)

Гибель клеток является основным, но не единственным процессом, вовлеченным в детерминированные эффекты. Пока доза невелика (не составляет много грей), большинство типов клеток обычно не погибает сразу после облучения, но может продолжать функционировать, пока не попытается делиться. Затем эта попытка может потерпеть неудачу, скорее всего из-за тяжелого повреждения хромосом, и клетка погибает. В то время как гибель отдельной клетки в ткани может рассматриваться как случайный, т. е. стохастический эффект, совокупный эффект гибели большой доли клеток ткани или других форм повреждения является детерминированным. Исследования культур клеток млекопитающих показывают, что выживаемость клеток изменяется в зависимости от дозы и может быть представлена «кривыми выживаемости», типичный вид которых приведен на рис. 3.1. Для плотноионизирующего излучения (с большой ЛПЭ) кривая доза — эффект может быть экспоненциальной, т.е. линейной в полулогарифмическом масштабе. Ее можно характеризовать одним параметром — наклоном кривой, который обычно представляют обратной величиной — дозой (), необходимой для снижения выживаемости до 37%. Для редкоионизирующего излучения (с малой ЛПЭ) вроде рентгеновского излучения дозовая зависимость обычно имеет начальное плечо, за которым следует участок прямой или почти прямой в полулогарифмическом масштабе. Кривая характеризуется любыми двумя из трех параметров: () — дозой, требующейся для снижения выживаемости до 37% на экспоненциальном участке кривой, т.е. величиной, обратной наклону прямолинейного участка кривой; экстраполяционным числом , показанным на рисунке, и квазипороговой дозой в точке пересечения прямолинейного участка кривой с осью доз.

Чтобы представить форму кривых выживаемости, было использовано несколько уравнений:

  • Кривая 1, показанная на рис. 10.1, для плотноионизирующего излучения (с большой ЛПЭ), задается выражением
(10.1),

где — выживаемость; — доза; — доза при выживаемости 37% или величина, обратная наклону кривой.

  • Кривая 2, показанная на рис. 10.1, а для редкоионизирующего излучения
(10.2),

где — экстраполяционное число при нулевой дозе; — величина, обратная наклону экспоненциального участка на кривой.

Для клеток млекопитающих и для излучения с малой ЛПЭ типичные значения находятся в диапазоне 2-20 (несколько меньшем, чем показано на рисунке), а - в диапазоне 1-2 Гр.

Для учета начального наклона кривой требуется более сложное выражение, которое может быть выражено следующим образом:

(10.3),

где — величина, обратная начальному наклону кривой.

  • Начальный участок между 0 и 5 Гр (а часто и в более широком диапазоне дозы) для многих биологических систем может быть лучше представлен так называемым линейно-квадратичным уравнением, основанным на средней частоте () событий со смертельным исходом,
(10.4),

а выживаемость

(10.5).

Здесь — линейный коэффициент, который может изменяться в диапазоне от 1·10-1 до 5·10-1 Гр-1; — квадратичный коэффициент — от 1·10-1 до 5·10-1 Гр-2, а находится в диапазоне от 1 до 10 Гр.

Если между облучениями и, следовательно, между актами повреждения проходит время, то может произойти восстановление «сублетального» повреждения и потребуется большая доза излучения для уничтожения того же числа клеток. Это восстановление продемонстрировано в экспериментах на клетках млекопитающих, получавших две дозы излучения, разделенных различными интервалами времени. Оно также согласуется с наблюдением, что для излучения с малой ЛПЭ мощность дозы больше 0,1 Гр·мин-1 вызывает наибольший эффект, тогда как меньшие мощности дозы приводят к прогрессивно снижающейся гибели клеток млекопитающих, пока мощность дозы не достигает приблизительно 0,1 Гр·ч-1 или менее.