Огонь на себя

Огонь на себя

Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным.

Исаак Ньютон

На оживленной и необычно для Рима широкой улице Королевы Елены высится большое здание Института санитарного просвещения. Снаружи оно кажется скучноватым. Зато внутренняя планировка его продумана до мелочей, а аудитории удобны для работы. Этот институт знают во многих странах мира: в его многочисленных залах часто проходят международные конференции ученых. Жарким августом 1969 года здание заполнили радиобиологи из разных стран - проходил восьмой съезд участников Европейского радиобиологического общества.

Заседания шли одновременно во всех аудиториях в течение нескольких дней. В конце работы съезда состоялось заключительное собрание. Самый большой зал института был полон. На трибуну легкими шагами поднялся один из видных европейских радиобиологов почетный член Академии наук Советского Союза Зенон Бак.

- Мы начинаем общую дискуссию,- начал он, твердо выговаривая английские фразы.- Характерно, что большинство высказанных здесь представлений имело характер предположений. А мы знаем: если много гипотез, то, следовательно, не хватает экспериментальных фактов...

Так началась дискуссия по основным вопросам. И сразу выяснилась особенность этой международной встречи ученых - примерно одна треть всех докладов была посвящена радиосенсибилизации. Проблема радиосенсибилизации, или, иными словами, повышение чувствительности организмов к действию ионизирующей радиации с помощью химических соединений, привлекла внимание исследователей во многих лабораториях разных стран Европы, Америки и Азии.

Интерес к тому или иному направлению науки никогда не бывает случайным. И интерес к радиосенсибилизации имел свои причины.

Существуют болезни своего века. Для средневековья такими болезнями были чума, оспа, холера... Перед первой мировой войной бичом городских трущоб стал туберкулез. Эти болезни были побеждены. Но, к сожалению, на смену им пришли новые. Сегодня наиболее опасными и широко распространенными стали сердечно-сосудистые заболевания и рак.

На борьбу с раком направлены все средства медицины и биологии. Особенно хорошие результаты приносит комплексная терапия: одновременное использование облучения, химиотерапевтических препаратов, а если нужно, и хирургического вмешательства. Но у лучевой терапии рака существуют свои особенности. Например, чтобы убить раковую клетку, необходимо использовать большие дозы облучения, а это опасно для организма. И вот тогда вспомнили о радиосенсибилизаторах. Возникла заманчивая идея - найти химические соединения, которые накапливались бы в опухолевой ткани и к тому же повышали чувствительность раковых клеток к действию ионизирующей радиации. Имея такое соединение, можно было бы снизить общую дозу проникающей радиации и добиваться гибели опухоли при меньших дозах облучения. Но радиосенсибилизаторами заинтересовались не только медицинские работники. В наши дни для борьбы с микроорганизмами все чаще используют лучевую стерилизацию. Например, пищевые продукты можно стерилизовать прямо в упаковке и самым дешевым способом, облучая их большими дозами гамма-лучей. При этом бактерии, грибки и плесени, портящие пищевые продукты, погибают. Но тут встречается одна существенная трудность. Для того чтобы убить эти микроорганизмы, нужно использовать очень большие дозы проникающих излучений. А имея радиосенсибилизаторы, повышающие чувствительность микроорганизмов к облучению и безвредные для человека, лучевую стерилизацию можно было бы осуществлять при значительно меньших дозах проникающих лучей. Это было бы и проще и быстрее.

Изучение проблемы радиосенсибилизации представляло интерес не только для практики. Большие перспективы открывались и при изучении теоретических вопросов радиобиологии.

При облучении образуются осколки молекул - радикалы, активные в химическом и биологическом отношении соединения, которые называют радиотоксинами. После поглощения клеткой квантов энергии эти радикалы, радиотоксины, а также образовавшиеся ионы и возбужденные молекулы начинают лучевое поражение раковой клетки. Если же перед облучением в организм вводят радиосенсибилизатор с известным химическим строением, то тогда можно предугадать, с какими веществами, образующимися при облучении, этот радиосенсибилизатор может реагировать. Иными словами, радиосенсибилизаторы - это удобные "инструменты", с помощью которых можно изучать самые тонкие механизмы действия ионизирующей радиации.

Новое направление радиобиологии - изыскание радиосенсибилизаторов, изучение их механизма действия и возможностей применения в клинике, конечно, сформировалось не сразу. Радиобиологический конгресс в Риме подвел итоги работ, начавшихся два десятилетия назад.

В 1946 году ученый Д. Митчел и его коллеги обнаружили вещества, повышающие чувствительность лабораторных животных к облучению рентгеновскими лучами. Митчел работал с соединением, похожим по действию на витамин К. Это соединение называют синкавитом. Когда в пище не хватает витамина К, то у подопытного животного развиваются многочисленные кровоизлияния под кожей, в мышцах, желудке, кишечнике. Если крысам перед облучением вводили синкавит, то их восприимчивость к рентгеновским лучам возрастала. В то же время само соединение не оказывало токсического действия на животных и не приводило их к гибели. Вызывал удивление и следующий факт. Можно было увеличивать количество вводимого крысам синкавита и наконец достигнуть того уровня, когда введение одного синкавита вызывало гибель животных. Но если подопытным животным перед введением смертельных доз синкавита вводили радиозащитное соединение, например аминокислоту цистеин, крысы не погибали. Цистеин обезвреживал токсическое действие синкавита. Радиопротектор побеждал радиосенсибилизатор.

Химическое строение аминокислоты цистеина было хорошо известно. Решающую роль в ее радиозащитном действии играла сульфгидрильная группа, состоящая из серы и водорода. Но если аминокислота защищала организм от токсических количеств синкавита, то можно было предположить, что и в этой реакции решающую роль играли те же сульфгидрильные группы. Экспериментальные работы Митчела, пожалуй, были первой ступенькой той длинной лестницы экспериментальных исследований, которые были посвящены проблеме радиосенсибилизации.

В короткий срок удалось установить, что "очувствлять" к действию проникающей радиации можно самые разнообразные организмы - от простейших до млекопитающих.

Одни химические соединения действовали только на определенный вид организмов. Другие-на самые разнообразные. Синкавит, например, был радиосенсибилизатором для мышей и крыс, "очувствлял" к действию ионизирующей радиации культуру клеток тканей, но слабо влиял на дрожжи и бактерии.

Синкавит, похожий по действию на витамин К, повышал воспри-имчивость животных к рентгеновским лучам

Количество работ в журналах и докладов на международных конференциях, посвященных проблеме радиосенсибилизации, увеличилось. И вот уже стало очевидным, что некоторые из экспериментаторов забыли о другом важном радиобиологическом направлении - изучении так называемых "радиомиметиков". Радиомиметики - соединения различных химических классов - обладали рядом общих признаков. Они, как и ионизирующая радиация, вызывали генетические повреждения в живых клетках, подавляли их деление, вызывали гибель определенных клеток кроветворной ткани. А главное, радиомиметики, вводимые экспериментальным животным, вызывали у них образование злокачественных новообразований. Иными словами, способствовали развитию рака.

Что вы знаете о таком радиомиметике, как иприт?

Это в высшей степени ядовитое отравляющее вещество. Его применение в военных целях запрещено международными соглашениями и договорами.

Но изучение механизма действия этого химического оружия принесло пользу науке.

В 1943 году ученые К. Ауэрбах и Д. Робсон обнаружили: иприт обладает сильнейшей способностью вызывать изменения генетического материала клетки и приводит к образованию мутаций. Прошло почти десятилетие, прежде чем было опубликовано сообщение другого экспериментатора - П. Коллера. По его данным, иприт вызывал такие же изменения в хромосомах ядра клетки, какие наблюдались и при облучении. А как известно, в хромосомах концентрируется наследственное вещество. Эти работы ученых произвели большое впечатление. Еще бы! До этого времени считали, что способность вызвать мутации и повреждение хромосом присуща только ионизирующей радиации.

Прошло всего несколько лет, и в журналах были уже сотни работ, посвященных изучению механизма действия иприта и его производных. Удалось установить, что не только иприт, но и целый ряд других химических соединений являются радиомиметиками и также вызывают генетические повреждения в клетках.

Исследование биохимического механизма действия радиомиметиков растянулось на несколько десятилетий. "Химический орешек" оказался довольно-таки крепким, и расколоть его было не так-то просто. И все же удалось установить важную закономерность: радиомиметические соединения вызывали глубокие изменения химических и физических свойств дизоксирибонуклеиновой кислоты - основного генетического материала клетки.

Одна научная проблема всегда тесно связана с другой. Например, "чисто радиобиологическая" проблема радиосенсибилизации смыкается с химическим мутагенезом - способностью некоторых веществ вызывать изменения в генетическом веществе. Решение обеих задач могло принести большую пользу при разработке методов лечения "болезни века" - злокачественных новообразований.

В самые последние годы интерес к радиомиметикам снова резко возрос. Ими стали интересоваться не только радиобиологи, но и врачи, токсикологи, гигиенисты... Интерес ученых к радиомиметикам понятен. В одном из журналов была опубликована карикатура. По беговой дорожке, напоминающей циферблат огромных часов, бежит испуганный человек.

За ним, догоняя его, вьются чудовищные клубы зловещего заводского черного дыма, напоминающие по форме хищного зверя. Зверь растопырил лапы и вот-вот настигнет бегуна.

Смысл рисунка ясен. Загрязнение окружающей среды стало одной из острейших проблем современности. Это следствие хищнической эксплуатации природных богатств в ряде стран, безответственного загрязнения рек, озер, морей и океанов сточными водами и промышленными отходами, отравления воздуха отработанными газами, дымом и копотью.

Химические вещества, загрязняющие воздух, воду и почву, таят в себе угрозу для живых организмов. Многие из этих веществ являются ядовитыми, а некоторые обладают свойствами радиомиметиков. Итак, мы видим тесную взаимосвязь наук. Поиск средств химической защиты от лучевых поражений ускорил разработку нового направления радиобиологии - изыскание лекарств, повышающих чувствительность клеток к ионизирующему облучению. Изучение механизма действия радиосенсибилизаторов указало новые пути для исследования радиомиметиков. И наконец, в последнее десятилетие интерес к этим проблемам снова резко возрос в связи с угрозой загрязнения окружающей нас среды - воздуха, земли, воды, океанов, морей, рек и озер.

"Маленьких" радиобиологических проблем не существует. В руках серьезного исследователя они всегда приобретали общебиологическую значимость.

Шло время, но интерес к проблеме радиосенсибилизации не ослабевал. Факты, которые кропотливо накапливали ученые, вызывали удивление, порой выглядели невероятными, требовали объяснения. Так оказалось, что один из наиболее мощных радиосенсибилизаторов окружает нас со всех сторон. Это кислород воздуха. В чем же дело? Как разобраться в этом явлении? Как его объяснить?

Провели опыты.

В воздухе, как известно, около двадцати процентов кислорода. Составили искусственную газовую смесь, в которой содержание кислорода было в четыре раза меньше по сравнению с атмосферным воздухом. Взяли белых крыс. Контрольных животных облучили рентгеновскими лучами в атмосфере воздуха. В течение тридцати дней 90 процентов животных погибло. Другую группу животных перед облучением в течение нескольких минут содержали в атмосфере с 5 процентами кислорода. Затем их облучили рентгеновскими лучами. Через тридцать дней ученые получили результат. 50 процентов крыс были живы. Следовательно, чем меньше содержание кислорода в атмосферном воздухе, тем ниже поражающее действие рентгеновских лучей!

Для установления радиобиологических закономерностей не всегда нужна сложная аппаратура.

Молодой исследователь Е. Райт получил очень интересные данные, хотя постановка его опытов была на редкость простой. Ученый взял молодых мышат, у которых обмен веществ проходит более интенсивно, чем у взрослых животных. Разделил их на две равные группы. На хвосты мышат одной группы накладывались эластичные зажимы, которые пережимали кровеносные сосуды. Через четыре секунды после этого в отключенных от системы кровообращения участках тканей наблюдалась сильнейшая недостаточность кислорода. Живые клетки в считанные секунды использовали все запасы кислорода и начали задыхаться. Физиологи такое состояние клеток называют гипоксическим. Затем участки хвостов, находящихся в состоянии гипоксии, облучали в течение одной секунды рентгеновскими лучами. Доза ионизирующей радиации была большой. Одновременно облучали участки хвостов мышат, которым зажимы не накладывались. Это была контрольная группа. Через различные интервалы времени после начала опыта облученные участки тканей, находящихся в состоянии гипоксии в нормальных физиологических условиях, исследовались, сравнивались между собой. Результаты опытов были следующие. Ткани, облученные в состоянии гипоксии, были поражены значительно меньше, чем у контрольных животных. И в этих экспериментах кислород выступал в качестве радиосенсибилизатора.

Радиосенсибилизирующие свойства кислорода обнаружили на самых разнообразных видах живых организмов. В кишечнике человека есть бактерия, которую называют кишечной палочкой. Это удобный объект для исследования. Ее можно культивировать и в пробирке, и в атмосфере воздуха, и в атмосфере, насыщенной или кислородом или азотом. И оказалось, что для поражения бактерий, живущих в атмосфере с недостатком кислорода, нужно затратить в 10 раз больше энергии ионизирующих излучений, чем для этих микроорганизмов, живущих в атмосфере воздуха или при избытке кислорода. Радиосенсибилизирующее действие кислорода легко демонстрируется и на растениях, и на яйцах аскарид, и на многих других биологических объектах. Обнаруженное разными учеными явление получило название "кислородный эффект".

Систематическое исследование кислородного эффекта началось с 1922 года. К середине шестидесятых годов было установлено следующее. В отсутствии кислорода или при резком уменьшении его содержания в среде действие рентгеновских или гамма-лучей на живые клетки резко уменьшается, но не предотвращается. Кислород оказывает свое действие только в том случае, если он присутствует во время облучения. Изменение его содержания после облучения не сказывалось на результатах опытов.

Кислородный эффект и явления радиосенсибилизации требовали грамотного физико-химического объяснения. Пришлось вспомнить некоторые законы радиационной химии. Если растворить какое-либо органическое вещество в воде и облучать этот водный раствор ионизирующей радиацией, то образуются осколки органических молекул и осколки молекул воды - радикалы. И вот было установлено: в присутствии кислорода изменяется природа вновь образующихся радикалов. Например, вместо радикала водорода образовывались радикалы молекул воды, которые оказывали большее повреждение. Одновременно с этим шли и другие процессы. У образующихся радикалов органических молекул появлялось больше возможностей реагировать с молекулярным кислородом. И часто эта реакция исключала все другие реакции, в которые был способен вступить радикал органической молекулы. Иными словами, кислород изменял характер радиационно-химических процессов. При облучении живой клетки эти изменения складывались явно не в ее пользу.

А каков же механизм действия радиосенсибилизаторов других химических классов?

О нем нам кое-что уже известно. Существует, например, химическое вещество йодацетат - соединение йода с уксусной кислотой. И вот этот йодацетат обладает свойствами радиосенсибилизатора. Введенное в определенном количестве, оно не вызывает существенных физиологических изменений. Если же после этого живые клетки облучить гамма-лучами в небольшой дозе, которая сама по себе вызывает небольшие лучевые поражения, то болезнь резко усиливается. Можно было подобрать и такие условия эксперимента, когда облучение в "чистом виде" вызывает гибель 30-40 процентов клеток. Но стоит ввести перед облучением небольшие количества йодацетата, как все клетки погибают. Почему? Оказывается, йодацетат способен реагировать с теми самыми молекулами внутри клетки, с которыми взаимодействуют радикалы, образующиеся при облучении. Можно сказать: в этом случае нападение на клетку происходит одновременно и с фронта и с тыла. Конечно, такое "нападение" целесообразно только в единственном случае: если эта клетка раковая. Поэтому сейчас в ряде стран строятся или уже действуют экспериментальные установки, на которых можно облучать больных в специальной камере в атмосфере с повышенным содержанием кислорода. При этом предполагается, что облучение опухоли ионизирующими лучами будет более эффективным.

В самом начале рассказа о радиосенсибилизаторах было упомянуто о том, как жарким августом 1969 года в Риме собрались радиобиологи из разных стран. На заключительном заседании ученые пришли к единому мнению: проблема радиосенсибилизации в радиобиологии приобретает особую значимость. Она важна для теории радиобиологии и должна заинтересовать врачей-практиков.

Прошло три года. И вот осенью в том же здании института в Риме состоялся 9-й Международный съезд Европейского общества радиобиологов. Проблема радиосенсибилизации по-прежнему занимала важное место в его работе. Как сказал один из видных ученых: "Проблема радиосенсибилизации еще не достигла того возраста, когда празднуют юбилей. Она все еще "на марше", "в пути".