Регистрация / Вход
Прислать материал

Гормезис как новая концепция в токсикологии. Использование для мониторинга радиационной токсичности с помощью люминесцентных морских бактерий.

Сведения об участнике
ФИО
Кудряшева Надежда Степановна
ФИО (на английском языке)
Kudryasheva Nadezhda Stepanovna
Название организации
Институт биофизики СО РАН; Сибирский федеральный университет
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биотестирование в нормировании и токсикологическом контроле, Методология биодиагностики
Название доклада
Гормезис как новая концепция в токсикологии. Использование для мониторинга радиационной токсичности с помощью люминесцентных морских бактерий.
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Рожко Т.В., Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; Петрова А.С., КНЦ СО РАН Институт биофизики; Гусейнов О.А., Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; Захватаев В.Е., Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; Хлебопорс Р.Г., Сибирский федеральный университет, Красноярск, Россия; Бадун Г.А., МГУ, Москва, Россия; Разживина И.А., МГУ, Москва, Россия
Аннотация
Результаты исследований эффектов низкодозовой радиации на биотестовую систему (люминесцентные бактерии) обсуждается в терминах новой концепции - радиационного гормезиса. Продемонстрировано отсутствие линейной зависимости доза-эффект при низкодозовых воздействиях на бактерии. В кинетике биолюминесценции бактерий в растворах альфа- и бета-излучающих радионуклидов (соответственно америций-241 и тритий) выделено три стадии: 1 – отсутствие эффекта (или распознавание стресс-фактора), 2 – активация (или адаптивная реакция) и (3) – ингибирование (подавление физиологической функции или радиационная токсичность). Такой отклик приписан явлению радиационного гормезиса. Рассмотрена роль активных форм кислорода (вторичных продуктов радиационного распада в водных растворах) и ионизации среды в процессах активации и ингибирования биолюминесценции радионуклидами. С использованием пленок, меченных тритием, т.е. в условиях, препятствующих проникновению радионуклида в клетки, продемонстрирована роль мембранных процессов в низкодозовых воздействиях на бактерии. Не обнаружены мутации в бактериальной ДНК в условиях хронической низкодозовой нагрузки под действием излучения альфа-, бета-, гамма- типов. На основе анализа результатов воздействия альфа- и бета-излучающих радионуклидов предложено использовать время воздействия, при котором стадия активации переходит в стадию ингибирования, в качестве кинетического параметра биолюминесценции, определяющего радиотоксичность растворов.
Ключевые слова
гормезис, низкодозовая радиация, растворы радионуклидов, радиотоксичность
Введение

Линейные и/или пороговые зависимости доза-эффект являются общепринятыми моделями в токсикологии. В последние десятилетия развивается новая концепция, которая описывается термином «гормезис». Эта концепция предполагает нелинейную зависимость доза-эффект, включающую активацию физиологических функции при низких дозах и ингибирование – при высоких [1]. С 80-х годов идет экспоненциальный рост цитирования термина «гормезис»/«горметик» [2]. Широко обсуждаются механизмы гормезиса  [2-4] и проблемы использования этой концепции при оценке экологических рисков [4].

Исследуемые нами процессы низкодозового воздействия радионуклидов на биотестовую систему (морские одноклеточные микроорганизмы, люминесценцтные бактерии) [5-11] укладываются в рамки концепции гормезиса.

Люминесцентные морские бактерии уже несколько десятилетий используются в качестве клеточного биотеста для оценки токсичности водных растворов. Тестовым параметром физиологической активности бактерий является интенсивность биолюминесценции. Благодаря простоте и высокой скорости анализа, бактерии являются удобным объектом для изучения биологического действия низкоинтенсивных факторов окружающей среды, в частности, низкодозовой радиации, т.к. обеспечивают проведение большого числа анализов в сопоставимых условиях и, следовательно, достоверность статистической обработки. 

Методы и материалы

Для изучения биологического отклика на радиоактивное воздействие использовали лиофилизированный препарат и интактные бактерии Photobacterium phosphoreum. Изучено воздействие излучения различного типа (альфа, бета, гамма) в условиях хронической  низкодозовой нагрузки (< 0.1 Гр) при варьировании интенсивности и времени облучения. Исследованы биологические эффекты таких радионуклидов, как америций-241, уран-235+238, тритий. Для оценки механизмов этих воздействий использован комплекс кинетических, биохимических, микроскопических, генетических и радиометрических методов. Для оценки мутагенности излучения использованы методы секвенирования и рестрикционного анализа. 

Полученные результаты

Продемонстрировано отсутствие линейной зависимости доза-эффект при низкодозовых воздействиях на бактерии. В кинетике биолюминесценции бактерий в растворах альфа- и бета-излучающих радионуклидов (соответственно америций-241 и тритий) выделено три стадии: 1 – отсутствие эффекта (или распознавание стресс-фактора), 2 – активация (или адаптивная реакция) и (3) – ингибирование  (подавление физиологической функции или радиационная токсичность). Такой отклик приписан явлению радиационного гормезиса. На рисунке 1 в качестве примера представлена кинетика биолюминесценции бактерий в присутствии бета-излучающего радионуклида трития в составе тритиевой воды.

 

Рис.1. Иллюстрация радиационного гормезиса в присутствии бета-излучающего радионуклида трития в составе тритиевой воды. Удельная радиоактивность раствора 2 МБк/л.

 

Рассмотрена роль активных форм кислорода (вторичных продуктов радиационного распада в водных растворах) и ионизации среды в процессах активации и ингибирования биолюминесценции радионуклидами. С использованием пленок, меченных тритием, т.е. в условиях, препятствующих проникновению радионуклида в клетки, продемонстрирована роль мембранных процессов в низкодозовых воздействиях на бактерии.

Для растворов альфа- и бета- излучающих радионуклидов, а также гамма-радиации продемонстрирована зависимость биологического эффекта от времени радиационного воздействия и отсутствие зависимости от удельной радиоактивности раствора (или мощности дозы). Не выявлено активации при низкодозовом гамма-воздействии.

Не обнаружены мутации в бактериальной ДНК в условиях хронической низкодозовой нагрузки под действием излучения альфа-, бета-, гамма- типов. Сделан вывод, что эффекты низкодозовой радиации могут быть рассмотрены в рамках нового направления, экспозомики, которая, в дополнение к геномике, рассматривает негенетическое влияние внешних условий на организмы и их структурные компоненты. В частности, для клеточных систем актуально рассмотрение эффективности трансмембранных, ферментативных и др. процессов. 

Заключение

Таким образом, показано, что результаты хронического воздействия радионуклидлв на люминесцентный бактериальный биотест согласуются с моделью радиационного гормезиса, т.е. включают стадию активации и стадию ингибирования люминесцентной функции бактерий. 

На основе анализа результатов воздействия альфа- и бета-излучающих радионуклидов предложено использовать время воздействия, при котором стадия активации переходит в стадию ингибирования (Рис.1), в качестве кинетического параметра биолюминесценции, определяющего радиотоксичность растворов.

Цитируемая литература
1. Calabrese E.J., Baldwin L.A. 2003. Toxicology rethinks its central belief. Nature. 421, 691-692.
2. Calabrese E.J., 2013. Hormetic mechanisms. Crit. Rev. Toxicol. 43, 580-606.
3. Burlakova, E.B., Kudryasheva, N.S., Tarasova, A.S., 2015. Pollutant toxicity and detoxification by humic substances: mechanisms and quantitative assessment via lu-minescent biomonitoring. Environ. Sci. Pollut. Res. 22, 155-167. http://dx.doi.org/10.1007/s11356-014-3459-6.
4. J. Shi1, M. Huber, T. Wang, W Dali, Z. Lin, Yin Chun-Sheng. Progress in the studies on hormesis of low-dose pollutants. Environmental Disease. 2016, 1, 58-64.
5. Kudryasheva, N.S., Rozhko, T.V., 2015. Effect of low-dose ionizing radiation on luminous marine bacteria: radiation hormesis and toxicity. J. Environ. Radioact. 142, 68–77.
6. Alexandrova, M., Rozhko, T., Vydryakova, G., Kudryasheva, N., 2011. Effect of Americium-241 on Luminous Bacteria. Role of Peroxides. J. Environ. Radioact. 102, 407–411.
7. Rozhko, T.V., Badun, G.A., Razzhivina, I.A., Guseynov, O.A., Guseynova, V.E., Kudryasheva, N.S., 2016. On mechanism of biological activation by tritium. J. Envi-ron. Radioact. 157, 131–135. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2016.03.017
8. Rozhko, T.V., Bondareva, L.G., Mogilnaya, O.A., Vydryakova, G.A., Bol-sunovsky, A.Y., Stom, D.I., Kudryasheva, N.S., 2011. Detoxification of Am-241 so-lutions by humic substances: bioluminescent monitoring. Anal. Bioanal. Chem. 400, 329–333.
9. Rozhko, T.V., Kudryasheva, N.S., Kuznetsov, A.M., Vydryakova, G.A., Bondare-va, L.G., Bolsunovsky, A.Y., 2007. Effect of low-level α-radiation on bioluminescent assay systems of various complexity. Photochem. Photobiol. Sci. 6, 67–70.
10. Selivanova, M.A., Rozhko, T.V., Devyatlovskaya, A.S., Kudryasheva, N.S., 2014. Comparison of chronic low-dose effects of alpha- and beta-emitting radionuclides on marine bacteria. Cent. Eur. J. Biol. 9, 951–959.
11. Selivanova, M.A., Mogilnaya, O.A., Badun, G.A., Vydryakova, G.A., Kuznetsov, A.M., Kudryasheva, N.S., 2013. Effect of tritium on luminous marine bacteria and enzyme reactions. J. Environ. Radioact. 120, 19–25.
Благодарности
Работа выполнена при частичном финансировании за счет средств государственного задания на проведение фундаментальных исследований РАН (проект № 01201351504), средств гранта РФФИ № 16-34-00695
Название, авторы, резюме (на английском языке)

 Hormesis as a new concept in toxicology. Mоnitoring of radiation toxicity using luminous marine bacteria.

N.S. KudryashevaT.V.Rozhko, A.S. Petrova, V.A. Zakhvataev, R.G. Khlebopros. G.A. Badun, I.A. Razzhivina

Luminous marine bacteria are highly sensitive to the presence of toxic compounds; this is a reason why they are applied as bioassays for several decades to monitor environmental toxicity. Tested physiological parameter here is bioluminescent intensity. The last decade has shown the bacteria-based bioluminescent assay to be a proper tool for monitoring biological effects of low-intensive environmental exposures. Simplicity and high rates of the assay procedure provide a possibility of simultaneous analyses of a lot of test-samples, resulting in a minimization of the main problem of low-dose measurements – a deficiency of reproducibility.

The paper develops a concept of hormesis involving adaptive reaction of organisms as a response to low-intensive environmental exposures. A series of studies of chronic low-dose effects on luminous bacteria  in model radionuclide solutions  are presented. Hormesis effects of alpha- and beta-emitting radionuclides (americium-241 and tritium) that include low-dose bioluminescence activation (adaptive response) and the bioluminescence inhibition (toxic effect), are under discussion. Role of reactive oxygen species, ionization of water media, changes in membrane processes, content and cristallinity of intracellular components, DNA-dependent processes are analyzed as constituents of low-dose adaptive response of bacterial cells.  Time of bioluminescence inhibition is suggested to use as parameter for radiotoxicity evaluation in solutions.