Реферат: Химическая физика и некоторые проблемы биологии

Кинетика опухолевого роста

Около двух десятилетий назад в СССР было широко развёрнуто кинетическое изучение развития различных биологических процессов, в первую очередь – злокачественного опухолевого роста.

Перевиваемые опухоли и лейкозы животных являются моделями для постановки решения ряда проблем лечения рака человека. Кинетические исследования экспериментальных опухолей дают возможность количественно изучать закономерности их развития, как в отсутствии лечения, так и при различных терапевтических воздействиях, предлагать количественные критерии эффективности этих воздействий, разрабатывать оптимальные методы лечения.

Основной формой представления результатов кинетических исследований является кинетическая кривая – графическое изображение изменения во времени некоторых величин Ф, характеризующей развитие процесса. В качестве величины Ф обычно рассматривают любую характеристику, которую можно измерить и выразить количественно для каждого момента времени. Применительно к онкологии под Ф можно подразумевать вес, объем, диаметр опухоли, число опухолевых клеток и т.д.

Развитие опухолевого процесса в каждый момент характеризуется значением скорости W , величина которой также меняется во времени:

W(t)=dФ(t)/dt

Удельная скорость роста опухоли равна

γ(t) =1dФ(t)/dt=dФ ln (t)/dt

Развитие экспериментальных опухолей описывается различными типами кинетических зависимостей – экспоненциальной, степенной, S -образной.

Практически все известные экспериментальные опухоли на начальной стадии растут по экспоненциальному закону. На рисунке приведены данные о кинетике развития 5 перевиваемых опухолей разного происхождения и локализации:

По мере развития опухолей влияние различных факторов может приводить к отклонению от экспотенциальной зависимости. Во многих случаях скорость роста сначала возрастает, достигает максимального значения (перегиб на кривой), затем рост опухоли затормаживается. Величина Ф при этом асимптотически приближается к предельному значению Ф∞. Кинетические кривые имеют в этих случаях S-образный характер, и в зависимости от положения точки перегиба, описываются уравнением автокализа (логистической функцией).

Кинетические исследования позволяют вывести количественные критерии оценки эффективности терапевтических воздействий. В экспериментальной онкологии используют различные критерии, основанные на знании и сравнении кинетических параметров роста опухолей в опыте и в контроле.

В общем случае при действии химиотерапевтического препарата форма кинетической кривой может изменятся. При этом объективное сравнение кинетических кривых возможно, если использовать в качестве количественной характеристики процесса среднюю удельную скорость. На рисунке показаны кривые торможения роста веса селезёнки у мышей с лейкозом.

Для случаев, когда процесс и в контроле и в опыте соответствует экспотенциальному закону, этот критерий имеет простой вид:

X=γ/γ

где γ - значение удельной скорости для контрольной группы животных,

γ - для животных, получающих лечение.

Свободные радикалы и рак

В течение последних двух десятилетий разными исследователями высказывались соображениями, что воздействия на организм физических и химических агентов могут рассматриваться с позиции образования в организме свободных радикалов, не свойственных ему в нормальном состоянии. Одним из наиболее очевидных факторов подобного рода является действие ионизирующей радиации и света. Воздействие проникающих излучений на живой организм, сводящиеся конечном счете к образованию свободных радикалов и атомов, способно вызвать лучевой рак и лейкоз. То же относится и к действию некоторых канцерогенных веществ, где канцерогенность связывается с образованием свободных радикалов.

Парамагнитные частицы – свободные радикалы и комплексы ионов переходных металлов в парамагнитной форме – обнаружены в настоящее время во многих тканях животных и растительных организмов при их нормальном функционировании. Они регистрируются методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). На рисунке показан характерный спектр ЭРП клеток печени. Каждый сигнал в спектре характеризирует так называемого g-фактор.Спектр ЭРП заторможенной ткани печени крыс (сплошной линией) и опухоли печени (пунктир).

Предположение об интенсификации (стимулировании) свободнорадикальных процессов при развитии опухолей было подтверждено прямыми опытами в 1966г. До этого времени попытки применить метод ЭРП в онкологии приводили к противоречивым результатам. Кинетический подход позволил установить, что изменение содержание свободных радикалов в ткани опухоли в процессе её роста носит экстремальный характер. Впервые это было показано на примере лейкоза La у мышей.

В селезёнке мышей на начальных стадиях развития лейкоза La наблюдалось увеличение содержания свободных радикалов, достигавшее максимума примерно к 4-м суткам. Это изменение обнаруживалось раньше появления других признаков лейкоза. Максимум на кинетической кривой содержания радикалов совпадал с началом регистрируемых изменений в весе селезёнки. На 5-6 сутки начиналось уменьшение количества радикалов, которые к моменту гибели животных падало ниже нормы.

В настоящее время в лаборатории методами ЭРП и привитой сополимеризации в кинетическом аспекте изучено около 20 типов экспериментальных опухолей. Во всех случаях характер изменения концентрации свободных радикалов в опухолевой ткани подобен описанному выше. Наличие этого биофизического сдвига навело на мысль о возможности использовать его для целей ранней диагностики рака. Однако эта идея пока не получила практической реализации.

Изучение содержания свободных радикалов в лейкоцитах крови при лейкозах и в опухолевых тканях при развитии рака человека показало, что экстремальный характер изменения концентрации радикалов имеет место и в этих случаях.

Прогресируюшее течение лейкозов характеризуется увеличением содержания свободных радикалов в лейкозах до момента, соответствующего началу быстрого нарастания в организме дистрофических изменений. В этот период количество радикалов в лейкоцитах до момента начинает быстро уменьшатся. Можно предположить, что рост концентрации свободных радикалов свидетельствует об увеличении содержания в крови лейкозно-измененных клеток, то есть характеризирует лейкозную трансформацию кровотечения.

При химиотерапии содержание свободных радикалов в лейкоцитах снижается. Однако, несмотря на наступление состояния клинико-гематологической ремиссии, уровень радикалов в лейкоцитах в большинстве случаев остается выше значения, характерного для здоровых клеток. По-видимому, это связано с сохранением в периферической крови некоторого количества лейкозно измененных клеток.

Снижение уровня свободных радикалов в лейкоцитах при химиотерапии наблюдается раньше, чем уменьшение общего числа лейкоцитов в периферической крови. Можно думать, что изучение содержания свободных радикалов может также стать одним из методов контроля за развитием заболевания и ходом лечения.

Таким образом, характер изменения содержания свободных радикалов при развитии экспериментальных опухолевых процессов и при раке и лейкозах человека является достаточно общим.