Влияние медицинской визуализации излучения на клеточное здоровье

Конкретные типы повреждения ДНК и хромосомные последствия

Не все повреждения ДНК равны. Тип и сложность поражения в значительной степени определяют, выживает ли клетка и точно ли восстанавливается повреждение.

• Повреждение основания: Окисление или фрагментация отдельных нуклеотидных оснований. Это очень распространено и обычно эффективно восстанавливается с помощью восстановления эксцизии основания (BER).
• Одноцепочечные разрывы (SSB): Разрыв фосфатной основы одной нити спирали ДНК. Они также распространены и относительно легко восстанавливаются, потому что комплементарная нить остается неповрежденной в качестве шаблона.
• Двойные разрывы (DSB): Разрыв в обеих нитях спирали ДНК в непосредственной близости. Это наиболее критический тип поражения. Один невосстановленный или неправильно восстановившийся DSB может быть смертельным для клетки или может привести к хромосомным аберрациям, которые являются признаками канцерогенеза.
• Связи: Ковалентные связи, образующиеся между двумя основаниями ДНК на противоположных нитях (межстранных) или внутри одной и той же нити (внутренних), или между ДНК и белком.

Если ДСБ не исправляются должным образом, они могут привести к видимым хромосомным аномалиям при делении клеток. Простые обмены, дицентрические хромосомы и ацентрические фрагменты являются хорошо документированными последствиями радиационного воздействия. Эти аберрации могут служить биологическими дозиметрами, позволяющими исследователям оценить дозу облучения, полученную на основе анализа образца крови. Образование летальной аберрации, такой как дицентрическая хромосома, эффективно устраняет способность клетки делиться, что является основным механизмом детерминированных эффектов.

Системы клеточной защиты и пути восстановления ДНК

Клетки не являются пассивными жертвами радиационного повреждения. Они обладают сложными и высококонсервативными механизмами для обнаружения повреждений, остановки клеточного цикла и проведения ремонта. Целостность этих систем является определяющим фактором в том, выживает ли клетка после оскорбления в результате процедуры диагностической визуализации.

Контрольные точки клеточного цикла

Когда клетка обнаруживает повреждение ДНК, она активирует пути контрольных точек, в первую очередь управляемые белком-супрессором опухоли p53. Эти контрольные точки останавливают клеточный цикл на определенных стадиях (например, границы G1/S или G2/M), чтобы выиграть время для восстановления до репликации ДНК или деления клетки. Если повреждение слишком серьезное, p53 может вызвать апоптоз (запрограммированная гибель клетки), устраняя угрозу мутированной клетки, проходящей по поврежденному геному. Неудача p53 является важным шагом в развитии многих видов рака.

Ремонт путей для ионизирующего радиационного повреждения

Различные пути ремонта специализируются на различных типах повреждений.

• Base Excision Repair (BER): Обрабатывает небольшие, незатухающие повреждения основания и большинство одноцепочечных разрывов. Это процесс высокой точности, который использует неповрежденную комплементарную нить в качестве шаблона.
• Гомологичная рекомбинация (HR): Высокоточный путь восстановления для двухцепочечных разрывов, но он активен только в фазах S и G2 клеточного цикла, когда сестринская хроматида доступна для использования в качестве идеального шаблона.
• Неоднородное присоединение конца (NHEJ): Это основной путь для восстановления DSB в клетках млекопитающих и активен на протяжении всего клеточного цикла. NHEJ непосредственно лигирует сломанные концы вместе. Он быстрый, но может быть подвержен ошибкам, часто вызывая небольшие вставки или делеции (инделы) на месте ремонта. В то время как NHEJ жизненно важен для выживания, его подверженная ошибка природа является источником мутаций, которые могут накапливаться в течение жизни и потенциально способствовать раку. При низких дозах, типичных для медицинской визуализации, NHEJ является доминирующим путем для восстановления DSB.

Замечательная эффективность этих систем восстановления означает, что однократное воздействие низких доз диагностического рентгеновского излучения редко приводит к постоянному вреду.Риск возникает из-за накопления повреждений и статистической вероятности того, что ошибка восстановления происходит в критическом гене, таком как онкоген или ген-супрессор опухоли.

Стохастические и детерминистические эффекты: структура риска

Для того чтобы сообщить о потенциальных последствиях радиационного облучения для здоровья, физики и радиобиологи классифицируют эффекты на две широкие категории: стохастические и детерминированные.

Стохастические эффекты (на основе вероятности)

Стохастические эффекты — это те, для которых вероятность возникновения увеличивается с дозой, но тяжесть эффекта не увеличивается. Первичные стохастические риски от медицинской визуализации — это индукция рака и наследственные генетические эффекты. Преобладающая модель, используемая для радиационной защиты, — это модель линейного порога (LNT). Эта модель предполагает, что любое количество излучения, независимо от того, насколько оно мало, несет пропорциональный риск индуцирования рака. Это консервативная структура, предназначенная для обеспечения безопасности, и хотя ее применение в очень низких дозах обсуждается, она остается основой глобальных стандартов радиационной защиты. Период задержки для радиационно-индуцированных солидных опухолей обычно составляет годы до десятилетий после воздействия. Такие организации, как Научный комитет ООН по воздействию атомного излучения (UNSCEAR) [FLT: 3] постоянно пересматривают эпидемиологические данные для уточнения этих оценок риска.

Детерминированные эффекты (на основе порога)

Детерминистические эффекты, также известные как тканевые реакции, — это те, для которых тяжесть эффекта увеличивается с дозой, и существует чёткая пороговая доза, ниже которой эффект не происходит. Эти эффекты требуют значительной дозы, чтобы убить достаточно клеток, чтобы нарушить функцию ткани или органа. Примеры включают:

• Эритема кожи (красота): ~2-5 Гр порог.
• Потери волос (Эпиляция): ~ 3-5 Гр порог.
• Катаракта (Опасность линз): ~0,5-2 Gy порог (хотя последние данные свидетельствуют о более низком пороге для некоторых типов).
• Депрессия костного мозга: ~0,5-1 Гр порог для острого воздействия.

Критически, для пациента, подвергающегося правильно проведенной стандартной процедуре диагностической визуализации, дозы намного ниже пороговых значений для любых детерминированных эффектов. Основной проблемой медицинской визуализации, следовательно, является небольшой стохастический риск рака. Вся область радиологической безопасности предназначена для управления этим низким теоретическим риском против очень ощутимой, высокой пользы точного диагноза.

Факторы, влияющие на радиочувствительность: ткани и население

Риск, связанный с данной дозой облучения, не является однородным по всему телу или по всем демографическим группам пациентов.Некоторые ткани по своей природе более радиочувствительны, чем другие, придерживаясь в основном закона Бергонье-Трибондо, который гласит, что клетки наиболее чувствительны, когда они очень митотические (быстро делятся), недифференцированные и имеют высокую скорость метаболизма.

Высокорадиочувствительные ткани: Костный мозг (гематопоэтические стволовые клетки), лимфоидные ткани (лимфатические узлы, селезенка), слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, гонады (яички и яичники) и развивающийся плод. Например, КТ-сканирование брюшной полости доставляет дозу в высокочувствительный костный мозг, поэтому он вносит больший вклад в общую эффективную дозу и риск, чем рентген руки.

Меньшие радиочувствительные ткани: Зрелые нервные клетки (нейроны), мышечная ткань и хрящ относительно устойчивы к радиационному повреждению.

Пациентская изменчивость: Дети значительно более радиочувствительны, чем взрослые, по двум основным причинам. Во-первых, у них более высокая доля быстро делящихся клеток, что делает их более склонными к инициированию рака, вызванного радиацией. Во-вторых, их более длительный ожидаемый срок жизни обеспечивает большее окно для развития и клинического проявления рака, вызванного радиацией. По этим причинам кампания Image Gently и Альянс за радиационную безопасность в педиатрической визуализации выступают за строгие протоколы снижения дозы, специально предназначенные для педиатрических пациентов. Кроме того, люди с генетическими состояниями, которые ухудшают восстановление ДНК, такие как Ataxia Telangiectasia (мутированный ген ATM) или наследственный синдром рака молочной железы и яичников (мутированный ген BRCA1 / BRCA2), проявляют повышенную радиочувствительность и более высокие риски от радиационного воздействия.

Это сравнение показывает, что многие распространенные обследования несут дозу, сопоставимую или меньшую, чем то, что мы получаем от естественной среды в течение нескольких месяцев до нескольких лет. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) предоставляет подробные фактические данные, которые объясняют эти сравнительные риски, подчеркивая, что небольшое увеличение риска развития рака в течение жизни от медицинской необходимости, правильно выполненного сканирования значительно перевешивается преимуществом точного диагноза.

Кроме того, область активно движется к альтернативам и технологиям, которые минимизируют или устраняют ионизирующее излучение. Магнитно-резонансная томография (MRI) и Ультразвук предлагают превосходные диагностические возможности для многих клинических вопросов без какого-либо воздействия ионизирующего излучения. Новые технологии, такие как , учитывающие фотоны CT и , значительно снижают необходимую дозу для высококачественной КТ-визуализации, обещая будущее, где и без того низкий риск еще ниже.