В биохимии , то кислородный эффект относится к тенденции к увеличению радиочувствительности свободных живых клеток и организмов в присутствии кислорода , чем в бескислородной или гипоксических условиях, где напряжение кислорода составляет менее 1% от атмосферного давления (то есть, <1% 101,3 кПа, 760 мм рт. Ст. Или 760 торр).
Физиология и причины
Объяснение кислородного эффекта и его отношение к гипоксическим тканям
Кислородный эффект имеет особое значение во внешней лучевых лучевой терапии , где убийство опухолевых клеток с фотоном и электроном пучков в хорошо окисленные областях может быть в три раза больше , чем в плохо vasculated части опухоли.
Кроме того , опухоль гипоксии , кислородный эффект также имеет отношение к гипоксии условиям , присутствующим в нормальной физиологии стволовых клеток ниш , такие как эндост , прилегающий к костям в костном мозге [1] и эпителиальный слое в кишечнике . [2] Кроме того, существуют незлокачественные заболевания, при которых насыщенные кислородом ткани могут стать гипоксичными, например, стенозированные коронарные артерии, связанные с сердечно-сосудистыми заболеваниями . [3]
Исторические исследования кислородного эффекта
Holthusen (1921) [4] впервые количественно оценил кислородный эффект, обнаружив в 2,5–3,0 раза меньше инкубационных яиц нематод Ascaris в оксигенированных условиях по сравнению с бескислородными условиями, что было неправильно отнесено к изменениям в делении клеток . Однако два года спустя Петри (1923) [5] впервые объяснил, что напряжение кислорода влияет на воздействие ионизирующего излучения на семена овощей. Позже влияние кислорода на лучевую терапию обсуждалось Mottram (1936). [6]
Ключевое наблюдение, ограничивающее гипотезы для объяснения биологических механизмов воздействия кислорода, заключается в том, что оксид азота является радиосенсибилизатором с эффектами, аналогичными действию кислорода, наблюдаемым в опухолевых клетках. [7] Еще одно важное наблюдение: кислород должен присутствовать во время облучения или в течение миллисекунд после него, чтобы имел место кислородный эффект. [8]
Наиболее известным объяснением кислородного эффекта является гипотеза кислородной фиксации, разработанная Александром в 1962 году [9], которая постулировала, что радиационно-индуцированные невосстановимые или «фиксированные» повреждения ядерной ДНК смертельны для клеток в присутствии двухатомного кислорода . [10] [11] Недавние гипотезы включают гипотезу, основанную на первых принципах повреждения, вызванного повышенным содержанием кислорода. [12] Другая гипотеза утверждает, что ионизирующее излучение провоцирует митохондрии производить реактивный кислород (и разновидности азота), утечка которых происходит во время окислительного фосфорилирования, которое изменяется в зависимости от отношения гиперболического насыщения, наблюдаемого как с кислородом, так и с эффектами оксида азота. [13]
Коэффициент увеличения кислорода и влияние излучения ЛПЭ
Кислородный эффект количественно оценивается путем измерения радиационной чувствительности или коэффициента повышения содержания кислорода (OER) конкретного биологического эффекта (например, гибели клеток или повреждения ДНК ) [14], который представляет собой соотношение доз в условиях чистого кислорода и бескислородных условий. Следовательно, OER варьируется от единицы в аноксии до максимального значения для 100% кислорода, обычно до трех для излучения с низкой ионизирующей плотностью ( бета- , гамма- или рентгеновские лучи ) или так называемой низкой линейной передачи энергии ( LET) излучения.
Наиболее быстро радиочувствительность изменяется 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 определили дополнительные характеристики кислородного эффекта, которые влияют на практику лучевой терапии. Они обнаружили, что максимальное значение OER уменьшается с увеличением ионизирующей плотности излучения (рис. 2), от излучения с низкой ЛПЭ до излучения с высокой ЛПЭ. [16] OER равно единице независимо от напряжения кислорода для альфа-частиц с высокой ЛПЭ около 200 кэВ / мкм. OER снижается для низких доз по оценке для культивируемых клеток млекопитающих, подвергшихся воздействию рентгеновских лучей в аэробных (21% O2, 159 мм рт.ст.) и бескислородных (азот) условиях. [17] Типичными процедурами фракционирования являются ежедневные воздействия 2 Гр, так как ниже этой дозы так называемая «плечевая» или репарационная область кривой выживаемости клеток нарушается при снижении OER (рис. 3).
Рекомендации
- ^ Parmar K, P Мош, Vergilio JA, Sackstein R, Вниз JD (2007). «Гипотеза кислородной фиксации: переоценка» . Труды Национальной академии наук . 104 (13): 5431–5436. DOI : 10.1073 / pnas.0701152104 . PMC 1838452 . PMID 17374716 .
- ^ Чжэн Л., Келли С.Дж., Колган С.П. (2015). «Физиологическая гипоксия и кислородный гомеостаз 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 .
- ^ Ричардсон, РБ (2008). «Возрастные изменения в напряжении кислорода, дозе 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 .
- ^ Холтхузен H (1921). "Beitrage zur Biologie der Strahlenwirkung" . Pflügers Archiv . 187 : 1–24. DOI : 10.1007 / BF01722061 .
- ^ Петри EJ (1923). "Kenntnis der Bedingungen der biologischen Wir kung der Rontgenstrahlen". Biochemische Zeitschrift : 135–353.
- ^ Mottram JC (1936). «Важный фактор радиочувствительности опухолей». Br J Radiol . 9 : 606–614. DOI : 10.1259 / 0007-1285-9-105-606 .
- ^ Грей Л.Х., Грин Ф.О., Хоуз Калифорния (1958). «Влияние оксида азота на радиочувствительность опухолевых клеток» . Природа . 182 (4640): 952–953. Bibcode : 1958Natur.182..952G . DOI : 10.1038 / 182952a0 . PMID 13590191 .
- ^ Говард-Фландерс, П., Мур, Д. (1958). «Интервал времени после импульсного облучения, в течение которого повреждение бактерий может быть изменено растворенным кислородом. I. Поиск воздействия кислорода через 0,02 секунды после импульсного облучения». Radiat Res . 9 (4): 422–437. Bibcode : 1958RadR .... 9..422H . DOI : 10.2307 / 3570768 . JSTOR 3570768 .
- ^ Александр П (1962). «О механизме действия некоторых препаратов, влияющих на радиационную чувствительность клеток». Trans NY Acad Sci . 24 : 966–978. DOI : 10.1111 / j.2164-0947.1962.tb01456.x . PMID 14011969 .
- ^ Юинг Д. (1998). «Гипотеза кислородной фиксации: переоценка». Am J Clin Oncol . 21 (4): 355–361. DOI : 10.1097 / 00000421-199808000-00008 . PMID 9708633 .
- ^ Холл, EJ; Джачча, AJ (2019). Радиобиология для радиолога . Филадельфия, Пенсильвания: Уолтерс Клувер. п. 597. ISBN. 978-1-49-633541-8.
- ^ Граймс Д.Р., Партридж М. (2015). «Механистическое исследование гипотезы кислородной фиксации и коэффициента увеличения кислорода» . Биомед Физ Анг Экспресс . 1 (4): 045209. DOI : 10,1088 / 2057-1976 / 1/4/045209 . PMC 4765087 . PMID 26925254 .
- ^ Ричардсон РБ, Харпер МЭ (2016). «Митохондриальный стресс контролирует радиочувствительность кислородного эффекта: последствия для лучевой терапии» . Oncotarget . 7 (16): 21469–21483. DOI : 10.18632 / oncotarget.7412 . PMC 5008299 . PMID 26894978 .
- ^ Thoday JM, Read J (1947). «Влияние кислорода на частоту хромосомных аберраций, вызванных рентгеновскими лучами» . Природа . 160 (4070): 608. Bibcode : 1947Natur.160..608T . DOI : 10.1038 / 160608a0 . PMID 20271559 .
- ^ Говард-Фландерс П., Альпер Т. (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 .
- ^ Барендсен Г.В., Кут С.Дж., Ван Керсен Г.Р., Бьюли Д.К., Филд С.Б., Парнелл С.Дж. (1966). «Влияние кислорода на нарушение пролиферативной способности клеток человека в культуре за счет ионизирующих излучений с различной ЛПЭ». Int J Radiat Biol Relat Stud Phys Chem Med . 10 (4): 317–327. DOI : 10.1080 / 09553006614550421 . PMID 5297012 .
- ^ Палчич Б., Бросинг Дж. В., Скарсгард Л. Д. (1982). «Измерения выживаемости при низких дозах: коэффициент увеличения кислорода» . Br J Рак . 46 (6): 980–984. DOI : 10.1038 / bjc.1982.312 . PMC 2011221 . PMID 7150493 .