Prospects for using low-dose radiation in the complex therapy for COVID-19

Full Text

Введение

В последнее время малые дозы радиации (МДР), применяемые для терапии ряда патологических состояний у человека (включая онкозаболевания), стали использоваться и для лечения новой коронавирусной инфекции COVID-19 [1–4]. Беспороговая концепция действия ионизирующего излучения (ИИ), которая господствовала до последнего времени, предполагала линейную зависимость развития повреждений с увеличением дозы [5]. Высокие дозы радиации (ВДР) на протяжении многих десятилетий эффективно применяются для радиотерапии опухолей, вызывая разрушение и гибель злокачественных клеточных элементов [6]. Однако в ряде работ показано, что МДР вызывают при предварительном облучении устойчивость клеток, их популяций, микро- и макроорганизмов к действию не только ВДР, но и ряда высокотоксичных химических мутагенов [7]. В этом заключается так называемый эффект гормезиса, который привлёк внимание исследователей в данном случае к изучению спектра и механизмов действия МДР [2][8].

Некоторые исторические аспекты использования ионизирующего излучения для лечения патологии человека

Ещё с 1905 г. радиотерапия являлась убедительно действующим методом лечения неразрешающихся бактериальных пневмоний, основанным на ускорении метаболических и аутолитических процессов в ходе элиминации воспалительного очага [9]. Так, в 1913 г. применение этого терапевтического вмешательства снизило смертность от пневмонии на 50%. В 1924 г. у 243 больных, которым назначалась радиотерапия, также были получены положительные результаты. Однако с открытием пенициллина в 40-х гг. XX в. стал происходить постепенный отказ от методов облучения. В 2013 г. опубликовано сообщение о лечении различных типов пневмоний МДР, при этом в 83% случаев (из 863 пациентов) продемонстрирован положительный эффект терапии [10]. Авторы подчёркивали необходимость соблюдения определённых протоколов лечения, в частности использования доз облучения в диапазоне 20–200 сГр [4][11]. Кроме того, радиотерапия на протяжении определённого периода времени рассматривалась как один из основных методов лечения ряда заболеваний, включая болезнь Альцгеймера [12].

Известно, что в различных регионах Земли имеются районы с повышенным природным фоном радиации. Неоднократно было показано, что представители их населения реже болеют не только острыми респираторными, но и другими заболеваниями, включая злокачественные новообразования. Так, в округе Янси (провинция Гуандун, Китайская Народная Республика (КНР)) измеренная эффективная доза радиации оказалась равной 6,24 мЗв/год, тогда как её уровень в контрольном регионе составлял 1,95 мЗв/год. При этом в сыворотке крови 54 мужчин, проживавших в исследуемом регионе, при сравнении с 54 лицами мужского пола, представлявших население другой административной области (контроль), были достоверно повышены уровни интерлейкинов (IL) и степень экспрессии ряда генов, ответственных за регуляцию иммунного статуса и клеточного гомеостаза [13].

Лечение COVID-19

Приведённые сведения явились предпосылками использования МДР для пилотных исследований по лечению новой коронавирусной инфекции COVID-19 [3][14–16]. Рядом авторов приводятся данные о положительном влиянии МДР на течение заболевания, хотя в ряде случаев совместно с облучением назначали лекарственную терапию. Одним из важнейших факторов является доза ИИ. Авторы считают, что МДР осуществляют мультицентрическое клиническое воздействие, при этом позитивный эффект оказывает их сочетание с противовоспалительными препаратами – ингибиторами цитокинов. Диапазон МДР при лечении некоторых пациентов с пневмониями находился в интервале от 0,7–0,8 до 1,0 Гр. При этом применялось либо фракционированное облучение (2–3 раза с интервалами 2–3 сут), либо облучение только лёгких, либо всего тела. Вместе с тем оценивался риск возможных негативных последствий ИИ в двух основных направлениях: во-первых, возможность отдалённого возникновения различного рода новообразований; во-вторых, вероятность спонтанной вирусной активации. Относительно влияния на процесс канцерогенеза первые исследования применения МДР показали положительные результаты без развития острой лучевой токсичности и ухудшения в т.ч. в виде цитокинового шторма [17]. В случаях же вирусной активации, например в ходе лечения инфекции, вызываемой вирусом простого герпеса (Herpesviridae; Alphaherpesvirinae; Simplexvirus: Herpes simplex virus 1 (HHV-1)), использовались ВДР – 5–10 Гр [18]. По этой причине для активации латентных вирусных агентов необходимой считается доза >4 Гр, что, естественно, не может быть каким-либо образом связано с МДР.

Механизм действия МДР

Основным механизмом воздействия МДР на организм человека является активация иммунной системы, проявления функционирования которой обнаружены на различных экспериментальных моделях [15][19–20]. Активированные CD8+ дендритические и T-клетки атакуют и элиминируют вирус-инфицированные клеточные элементы. Продуцирующие IL-10 иммунные клетки, индуцированные лёгочными макрофагами, ослабляют контроль цитокинового шторма, вызываемого вирусной инфекцией. МДР активируют эндотелиальные клетки и уменьшают адгезию лейкоцитов, что способствует выработке противовоспалительных цитокинов. Кроме того, данный вид лучевой терапии влияет на оксидативный стресс – основной компонент действия ИИ. Элиминация свободных радикалов выступает одним из механизмов противовоспалительного ответа при применении МДР. Кроме того, наряду с процессом активации иммунных клеток многие транскрипционные факторы (P53, контролирующий клеточный гомеостаз; ядерный фактор NF-κB (p65); активированный протеин АР1) организуют противовоспалительную защиту. Для эффекта МДР характерна повышенная экспрессия генов теплового шока, способствующих устойчивости клеток. Показано активирующее воздействие МДР на Т-клетки с повышением продукции интерферона (IFN-) γ и экспрессии IL-2, -4, -6 [21].

Разные исследователи неоднозначно определяют оптимальный терапевтический диапазон МДР. Это в определённой степени зависит от источника облучения, проведения исследования in vitro или процедуры in vivo, характеристик облучаемого органа, условий содержания животных (диета и др.), степени злокачественности клеток и ряда других факторов. Так, величина МДР может колебаться от 0,005 до 0,1 Гр [22][23]. Вместе с тем анализ данных о положительных эффектах МДР указывает на целесообразность применения дозы 0,05 Гр, которая по сравнению с другими (более высокими) стимулирует иммунологические реакции, не оказывая какого-либо токсического влияния. Напротив, воздействие ВДР (>1 Гр) ведёт к снижению иммунного статуса, вызывает геномную нестабильность, повреждение тканей, а также эпигенетические изменения [2][22][24].

Нами изучен ряд параметров, характеризующих влияние МДР (0,1 Гр) на уровни экспрессии некоторых генов и их регуляторов в нормальных лимфоцитах здоровых доноров через 1 и 4 ч после облучения (таблица) [25]. Определяли содержание матричной РНК (мРНК) белок-кодирующих генов, длинных некодирующих РНК (днРНК; long non-coding RNA, ncRNA) и микроРНК (мкРНК; microRNA, miRNA). Статистическую обработку результатов осуществляли с использованием пакета программ Statistica 7.0. При оценке экспрессии генов определяли значения медианы (Me) и квартилей Q1; Q3. С целью установления достоверности различий применяли t-критерий Стьюдента и непараметрический критерий Манна– Уитни (при уровне значимости p ≤ 0,05).

Из генов, представленных в таблице, PTEN является мишенью гена P53. Гены RhoА, cdc42, IRAK1, IAP1 и IL6, в свою очередь, представляют собой мишени ядерного транскрипционного фактора NF-κB. Через 1 ч после воздействия радиации (рентгеновское излучение в дозе 0,1 Гр) на лимфоциты в клетках отмечалось статистически значимое увеличение содержания мРНК гена P53 наряду со снижением содержания мРНК генов RhoА, cdc42 и IL-6. Таким образом, на протяжении этого временно́го отрезка зафиксировано увеличение транскрипции гена Р53 и снижение функциональной активности NF-κB в лимфоцитах. Спустя 4 ч все уровни мРНК белоксинтезирующих генов возвращались к показателям интактного контроля.

Как видно из таблицы, через 1 ч после облучения в дозе 0,1 Гр в лимфоцитах наблюдались увеличение содержания днРНК MALAT1 и GAS5, снижение экспрессии miR-27a и miR-181a, а спустя 4 ч – нормализация этих показателей. Таким образом, показано, что в течение первого часа после воздействия ИИ в лимфоцитах активируется р53-система и снижается активность NF-κB-ответа. Через 4 ч активность исследуемых показателей восстанавливается.

Приведённые данные демонстрируют, что уже через 1 ч после облучения в клетках создавалась определённая устойчивость, называемая адаптивным ответом (одно из проявлений радиационного гормезиса), который характеризовался резистентностью к действию ВДР. В работе В.Ф. Михайлова и соавт. опубликованы данные, где показано различие в экспрессии генов и некодирующих РНК [25].

Некоторые авторы делали акцент на микроРНК, используемые как биомаркёры прогноза заболевания или эффективности радиотерапии, влияющие на устойчивость либо чувствительность к облучению [26]. В других случаях основное внимание уделялось днРНК в качестве регуляторов генов при ответе на воздействие ИИ [27]. Нами осуществлён комплексный структурированный анализ активности генов и их регуляторов – днРНК и микроРНК. Из полученных результатов следует, что имеет место разнонаправленный ответ со стороны этих генетических структур на действие радиации.

Таким образом, можно заключить, что совокупность литературных данных с учётом проведённых собственных исследований позволяет считать возможным использование действия МДР для лечения пациентов с COVID-19. Во-первых, облучение в дозе 0,05 Гр не даёт каких-либо отдалённых последствий, активируя иммунный ответ и другие защитные механизмы. Во-вторых, для потенциального терапевтического применения эффективным является облучение в дозе 0,05 Гр всего тела, а не отдельных органов, что связано с активацией различных биологических систем разных органов и тканей, неодинаковых по чувствительности к действию МДР и к ИИ в целом [21].

На рисунке из работы W. Jangiam и соавт. [28] показано значительное преимущество лучевого воздействия в дозе 0,05 Гр по сравнению 1 Гр на примере клеточной линии мышей BALB/cJ (Jurkat).

Авторы сообщают о стимуляции реакций иммунитета, в том числе активации противовоспалительных цитокинов, отсутствии эпигенетических изменений и нестабильности генома, а также повреждений клеток и тканей при облучении в дозе 0,05 Гр, тогда как в случае дозы 1 Гр наблюдаются перечисленные эффекты (ингибирование иммунологических реакций и действия провоспалительных цитокинов, геномная нестабильность, эпигенетические изменения и тканевые повреждения).

Необходимо отметить, что предобработка клеток МДР создают устойчивость не только к действию ВДР, но и к химическим мутагенам. Возможно, что состояние устойчивости формируется также по отношению к вирусным токсинам, которые разрушают клеточные или тканевые структуры.

Заключение

Одна из задач данной работы состоит в привлечении внимания специалистов к возможности использования МДР как одного из подходов для улучшения состояния больных с COVID-19. Значительный интерес к применению этого метода для лечения новой коронавирусной инфекции может стимулировать поиски эффективного использования терапевтического потенциала МДР либо в начале заболевания, либо в процессе манифестации его клинических проявлений.

About the authors

D. V. Saleeva

FSBI «State Research Center – Burnasyan Federal Medical Biophysical Center» of Federal Medical Biological Agency of Russia

Author for correspondence.
Email: dasha_saleeva@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-5870-5594

Daria V. Saleeva, Junior Researcher of the Laboratory of Molecular Biology and Genetics of Radiation Effects.

123098, Moscow, Russia

Россия

G. D. Zasukhina

FSBI «State Research Center – Burnasyan Federal Medical Biophysical Center» of Federal Medical Biological Agency of Russia; FSBIS Vavilov Institute of General Genetics of Russian Academy of Sciences

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-9871-0902

123098, Moscow, Russia

119991, Moscow, Russia

Россия

References

Supplementary files