Кислородный эффект
Феномен в биохимии

В биохимии кислородный эффект относится к тенденции к повышению радиочувствительности свободных живых клеток и организмов в присутствии кислорода по сравнению с бескислородными или гипоксическими условиями, где напряжение кислорода составляет менее 1% от атмосферного давления (т. е. <1% от 101,3 кПа, 760 мм рт. ст. или 760 торр).

Физиология и причины

Относительная чувствительность. Этот рисунок иллюстрирует типичное изменение относительной радиочувствительности для биологического эффекта, такого как гибель клеток при воздействии излучений с низкой ионизирующей плотностью (например, рентгеновских лучей). Показанная гиперболическая зависимость имеет максимальный OER 2,70 для 100% кислорода (при 760 мм рт. ст.), с полудиапазоном OER при 4,2 мм рт. ст. или 0,55% кислорода.

Объяснение эффекта кислорода и его значение для гипоксических тканей

Влияние кислорода имеет особое значение при дистанционной лучевой терапии , где уничтожение опухолевых клеток фотонными и электронными пучками в хорошо оксигенированных областях может быть в три раза более выраженным, чем в плохо васкуляризированной части опухоли.

Помимо опухолевой гипоксии , кислородный эффект также имеет отношение к состояниям гипоксии, присутствующим в нормальной физиологии ниш стволовых клеток, таких как эндост, прилегающий к кости в костном мозге [ 1] и эпителиальный слой кишечника . [2] Кроме того, существуют незлокачественные заболевания, при которых оксигенированные ткани могут стать гипоксическими, например, при стенозированных коронарных артериях, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями . [3]

Изменение с ионизирующей плотностью. Этот рисунок иллюстрирует тенденцию относительной радиочувствительности или OER с напряжением кислорода для излучений с различной ионизирующей плотностью или линейной передачей энергии (LET, кэВ/мкм). Ингибирование клонирования культивируемыми клетками человека было измерено после воздействия альфа-частиц, дейтронов и рентгеновских лучей 250 кВп Барендсеном и др. (1966). Диапазон максимального OER для 100% кислорода (при 760 мм рт. ст.) составил 2,7 для рентгеновских лучей 250 кВп, снижаясь до 1,0 для альфа-частиц 2,5 МэВ. В каждом случае показанные кривые OER предполагают значение OER в половинном диапазоне 4,2 мм рт. ст. или 0,55% кислорода.

Исторические исследования кислородного эффекта

Хольтхузен (1921) [4] впервые количественно оценил влияние кислорода, обнаружив в 2,5–3,0 раза меньше вылупляющихся яиц нематоды аскариды в условиях насыщения кислородом по сравнению с аноксическими условиями, что было ошибочно отнесено к изменениям в делении клеток . Однако два года спустя Петри (1923) [5] впервые приписал напряжение кислорода влиянию ионизирующего излучения на семена овощей. Позднее последствия воздействия кислорода на радиотерапию обсуждались Моттрамом (1936). [6]

Ключевым наблюдением, ограничивающим гипотезы, объясняющие биологические механизмы воздействия кислорода, является то, что газ оксид азота является радиосенсибилизатором с эффектами, аналогичными эффекту кислорода, наблюдаемому в опухолевых клетках. [7] Другим важным наблюдением является то, что кислород должен присутствовать во время облучения или в течение миллисекунд после него, чтобы имел место эффект кислорода. [8]

Наиболее известным объяснением эффекта кислорода является гипотеза фиксации кислорода, разработанная Александером в 1962 году [9] , которая постулировала, что вызванные радиацией невосстанавливаемые или «фиксированные» повреждения ядерной ДНК смертельны для клеток в присутствии двухатомного кислорода . [10] [11] Недавние гипотезы включают гипотезу, основанную на повреждении, усиленном кислородом, из первых принципов. [12] Другая гипотеза постулирует, что ионизирующее излучение провоцирует митохондрии производить реактивный кислород (и виды азота), которые являются утечкой во время окислительного фосфорилирования , которое изменяется с гиперболической зависимостью насыщения, наблюдаемой как при воздействии кислорода, так и оксида азота. [13]

Выживаемость клеток. Этот рисунок иллюстрирует снижение OER от аэробных до аноксических условий для более низких доз по сравнению с более высокими, что имеет отношение к выбору фракционирования дозы при радиотерапии опухолей.

Коэффициент усиления кислорода и влияние излучения ЛПЭ

Эффект кислорода количественно определяется путем измерения радиационной чувствительности или коэффициента усиления кислорода (Oxygen Enhancement Ratio, OER) конкретного биологического эффекта (например, клеточной смерти или повреждения ДНК ), [14] , который представляет собой отношение доз в условиях чистого кислорода и бескислородных условиях. Следовательно, OER варьируется от единицы в условиях бескислородной среды до максимального значения для 100% кислорода, обычно до трех для низкоионизирующего излучения ( бета- , гамма- или рентгеновского излучения ) или так называемого низколинейного переноса энергии (LET) излучения.

Радиочувствительность изменяется наиболее быстро при парциальном давлении кислорода ниже ~1% атмосферного (рис. 1). Говард-Фландерс и Альпер (1957) [15] разработали формулу для гиперболической функции OER и ее изменения в зависимости от концентрации кислорода или давления кислорода в воздухе.

Радиобиологи выявили дополнительные характеристики эффекта кислорода, которые влияют на методы радиотерапии. Они обнаружили, что максимальное значение OER уменьшается по мере увеличения ионизирующей плотности излучения (рис. 2), от излучений с низкой ЛПЭ к излучениям с высокой ЛПЭ. [16] OER равен единице независимо от напряжения кислорода для альфа-частиц с высокой ЛПЭ около 200 кэВ/мкм. OER снижается для низких доз, как было оценено для культивируемых клеток млекопитающих, подвергшихся воздействию рентгеновских лучей в аэробных (21% O2, 159 мм рт. ст.) и бескислородных (азот) условиях. [17] Типичные методы фракционирования представляют собой ежедневные облучения по 2 Гр, поскольку ниже этой дозы так называемое «плечо» или область восстановления кривой выживания клеток нарушается при снижении OER (рис. 3).

Ссылки

  1. ^ Parmar K, Mauch P, Vergilio JA, Sackstein R, Down JD (2007). «Гипотеза фиксации кислорода: переоценка». Труды Национальной академии наук . 104 (13): 5431– 5436. doi : 10.1073/pnas.0701152104 . PMC  1838452. PMID  17374716 .
  2. ^ Zheng L, Kelly CJ, Colgan SP (2015). «Физиологическая гипоксия и гомеостаз кислорода в здоровом кишечнике. Обзор по теме: Клеточные реакции на гипоксию». Am J Physiol Cell Physiol . 309 (6): C350 – C360 . doi :10.1152/ajpcell.00191.2015. PMC 4572369 . PMID  26179603.  
  3. ^ Ричардсон, РБ (2008). «Возрастные изменения напряжения кислорода, дозы облучения и чувствительности в нормальных и пораженных коронарных артериях — часть B: моделирование диффузии кислорода в стенки сосудов». Int J Radiat Biol . 84 (10): 849– 857. doi :10.1080/09553000802389645. PMID  18979320. S2CID  24585967.
  4. ^ Холтузен Х (1921). «Beitrage zur Biologie der Strahlenwirkung». Архив Пфлюгерса . 187 : 1–24 . doi : 10.1007/BF01722061. S2CID  26030155.
  5. ^ Петри Э.Дж. (1923). «Kenntnis der Bedingungen der Biologischen Wir kung der Rontgenstrahlen». Biochemische Zeitschrift : 135–353 .
  6. ^ Mottram JC (1936). «Фактор важности радиочувствительности опухолей». Br J Radiol . 9 : 606–614 . doi :10.1259/0007-1285-9-105-606.
  7. ^ Gray LH, Green FO, Hawes CA (1958). «Влияние оксида азота на радиочувствительность опухолевых клеток». Nature . 182 (4640): 952– 953. Bibcode :1958Natur.182..952G. doi :10.1038/182952a0. PMID  13590191. S2CID  27573591.
  8. ^ Howard-Flanders, P, Moore, D (1958). «Интервал времени после импульсного облучения, в течение которого повреждение бактерий может быть изменено растворенным кислородом. I. Поиск эффекта кислорода через 0,02 секунды после импульсного облучения». Radiat Res . 9 (4): 422– 437. Bibcode : 1958RadR....9..422H. doi : 10.2307/3570768. JSTOR  3570768. PMID  13591515.
  9. ^ Александр П (1962). «О способе действия некоторых методов лечения, влияющих на чувствительность клеток к радиации». Trans NY Acad Sci . 24 : 966–978 . doi :10.1111/j.2164-0947.1962.tb01456.x. PMID  14011969.
  10. ^ Юинг Д. (1998). «Гипотеза фиксации кислорода: переоценка». Am J Clin Oncol . 21 (4): 355– 361. doi :10.1097/00000421-199808000-00008. PMID  9708633.
  11. ^ Холл, Э.Дж.; Джачча, AJ (2019). Радиобиология для радиолога . Филадельфия, Пенсильвания: Уолтерс Клювер. п. 597. ИСБН 978-1-49-633541-8.
  12. ^ Граймс DR, Партридж M (2015). "Механистическое исследование гипотезы фиксации кислорода и коэффициента повышения кислорода". Biomedical Physics & Engineering Express . 1 (4): 045209. doi :10.1088/2057-1976/1/4/045209. PMC 4765087. PMID  26925254 . 
  13. ^ Ричардсон РБ, Харпер МЭ (2016). «Митохондриальный стресс контролирует радиочувствительность эффекта кислорода: последствия для радиотерапии». Oncotarget . 7 (16): 21469– 21483. doi :10.18632/oncotarget.7412. PMC 5008299 . PMID  26894978. 
  14. ^ Thoday JM, Read J (1947). "Влияние кислорода на частоту хромосомных аберраций, вызванных рентгеновскими лучами". Nature . 160 (4070): 608. Bibcode :1947Natur.160..608T. doi : 10.1038/160608a0 . PMID  20271559. S2CID  4068339.
  15. ^ Howard-Flanders P, Alper T (1957). «Чувствительность микроорганизмов к облучению в контролируемых газовых условиях». Radiat Res . 7 (5): 518– 540. Bibcode :1957RadR....7..518H. doi :10.2307/3570400. JSTOR  3570400. PMID  13485393.
  16. ^ Barendsen GW, Koot CJ, Van Kersen GR, Bewley DK, Field SB, Parnell CJ (1966). «Влияние кислорода на нарушение пролиферативной способности человеческих клеток в культуре ионизирующим излучением с различной ЛПЭ». Int J Radiat Biol Relat Stud Phys Chem Med . 10 (4): 317– 327. doi :10.1080/09553006614550421. PMID  5297012.
  17. ^ Palcic B, Brosing JW, Skarsgard LD (1982). «Измерения выживаемости при низких дозах: коэффициент усиления кислорода». Br J Cancer . 46 (6): 980–984 . doi :10.1038/bjc.1982.312. PMC 2011221. PMID  7150493. 
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Oxygen_effect&oldid=1192027542"