Химия высоких энергий, 2022, T. 56, № 5, стр. 416-418

Химический подход к дозиметрии предлагает богатую палитру методов регистрации радиационного воздействия для самых разных задач использования ионизирующего излучения (ИИ) [1]. Одним из них является хироптический метод: маркером в этом случае выступает оптическая активность чувствительного вещества, регистрируемая с помощью поляриметрии, дисперсии оптического вращения или спектроскопии кругового дихроизма (КД). Учитывая многообразие оптически активных веществ и материалов [2], есть все основания предполагать его перспективность в детектировании ИИ. К простейшим представителям этого класса дозиметрических систем относятся растворы хиральных молекул (например, простых сахаров: сахарозы, глюкозы, арабинозы и др. [3–5]). Однако могут использоваться и более сложные супрамолекулярные системы. Так, например, в недавней работе при проведении облучения на промышленном ускорителе электронов мы показали возможность регистрации высоких доз ИИ (от 20 до 90 кГр) с использованием холестерических жидкокристаллических дисперсий (ХЖКД) ДНК [6]. Эти системы, получаемые в результате конденсации низкомолекулярных (≤ 1 × 10⁶ Да) ДНК в присутствии полиэтиленгликоля (ПЭГ) и высокой концентрации соли [7], обладают выдающимся по интенсивности сигналом КД, просты в приготовлении, дешевы и доступны. Привлекательности их применения в промышленной дозиметрии в значительной мере способствует отечественный опыт разработки компактных дихрометров-анализаторов [8].

Ключевой задачей развития дозиметрических систем на основе ХЖКД ДНК является расширение диапазона регистрируемых с их помощью доз ИИ как в область более низких (~Гр), так и в сторону более высоких значений (~МГр). Ранее на примере производных холестерина было показано, что присутствие перехватчика свободных радикалов позволяет существенно снизить изменение оптических свойств этих молекул, вызванных радиационным воздействием [9]. Поэтому с целью исследования возможности влияния на чувствительность ХЖКД ДНК к радиационному облучению в настоящей работе мы провели эксперимент с добавлением в эту систему диметилсульфоксида (ДМСО). ДМСО представляет собой небольшую амфипатическую молекулу, состоящую из гидрофильной сульфоксидной группы и двух гидрофобных метильных групп, и является одним из важнейших апротонных растворителей. Кроме того, он хорошо известен как радиопротектор: противолучевой эффект ДМСО, основанный на перехвате свободных радикалов, был показан во множестве работ in vitro и in vivo [10–14]. К слову, в этом растворителе хорошо растворяется ПЭГ [15], и в небольших количествах ДМСО не вызывает критических изменений в ХЖКД ДНК.

Процедура приготовления образцов ХЖКД ДНК, а также условия их облучения детально описаны в работе [6]. Концентрации ДНК и ПЭГ в конечной системе составляли 1.2 × 10^–4 М и 17 мас. % соответственно. Отметим, что для приготовления образцов в настоящей работе использовался стоковый раствор ПЭГ с концентрацией 34 мас. %. Ранее мы отмечали, что интенсивность сигнала КД системы может заметно снижаться из-за уменьшения осмотического давления раствора полимера в результате ее разбавления [16]. Поэтому для минимизации этого эффекта ДМСО (≥ 99.8%; производства ООО “Компонент-Реактив”, Россия) в концентрации от 0.83 до 5.00 об. % от конечного объема образца (т.е. от 25 до 150 мкл на 3 мл) добавляли в водно-солевой раствор ДНК перед внесением ПЭГ (т.е. перед формированием дисперсии). Этот путь был выбран поскольку внесение ДМСО в исследуемых объемах в готовую дисперсную систему сопровождалось бы значительно более сильным падением сигнала КД (до ≈40% согласно проведенным измерениям). В нашем же случае изменение амплитуды КД-сигнала не превышало 15%.

На рис. 1а представлены спектры КД образцов ХЖКД ДНК, облученных пучком высокоэнергетичных тормозных фотонов с максимальной энергией в спектре равной 7.6 МэВ в дозе 70 кГр в отсутствии и в присутствии ДМСО. В результате облучения интенсивность КД-сигнала ХЖКД ДНК уменьшалась на ≈54% по сравнению с необлученным контролем, что с учетом точности пленочной дозиметрии хорошо согласуется с опубликованными ранее результатами [6]. Отметим, что механизм уменьшения оптической активности этой системы под действием ИИ окончательно не определен, однако мы полагаем наличие комплексного влияния радиационно-индуцированного повреждения молекул ДНК и ПЭГ. Поскольку основным компонентом дисперсионной среды является вода, этот эффект, вероятно, обусловлен в первую очередь действием активных форм кислорода (как известно, их вклад в лучевое поражение может составлять до 80–90% [17]). Это подтверждается тем фактом, что добавление в ХЖКД ДНК ДМСО в концентрации от 0.83 до 3.33 об. % приводило к меньшему падению амплитуды сигнала КД: изменения составляли ≈27% (0.83 об. %), ≈23% (1.67 об. %) и ≈43% (3.33 об. %) от исходного значения, что соответствует значениям коэффициента изменения дозы 1.57 ± 0.08, 1.66 ± 0.08 и 1.24 ± 0.17 соответственно (данные для всех исследованных концентраций ДМСО представлены на рис. 1б; по аналогии с работой [18] при фиксированной дозе облучения его значение определяли как отношения пиковой интенсивности КД-сигнала в исследуемом образце к облученному в отсутствии радиопротектора). Отметим, что при внесении в систему аналогичных объемов дистиллированной воды противолучевого действия не наблюдалось. Вместе с тем, при увеличении фракции ДМСО до 5.00 об. % было отмечено падение интенсивности сигнала КД до ≈22% от величины его исходного значения. Коэффициент изменения дозы в этом случае составлял 0.46 ± 0.10. Такое поведение системы указывает на конкуренцию двух процессов: снижения чувствительности ХЖКД ДНК к лучевому воздействию за счет нейтрализации продуктов радиолиза молекулами ДМСО с одной стороны и повышения ее радиочувствительности за счет уменьшения стабилизирующего частицы дисперсии осмотического давления раствора полимера с другой стороны. При небольших концентрациях ДМСО доминирует эффект радиозащиты, однако с ростом его объемной фракции в системе начинает преобладать эффект разбавления.

Рис. 1.

(а) КД-спектры образцов ХЖКД ДНК: 1 – необлученный, 2 – облученный в дозе 70 кГр в отсутствии ДМСО, 3 – облученные в дозе 70 кГр в присутствии ДМСО в различных концентрациях: 0.83 об. % (а), 1.67 об. % (б), 3.33 об. % (в), 5.00 об. % (г). (б) Значения коэффициента изменения дозы для образцов ХЖКД ДНК, облученных в дозе 70 кГр в присутствии различных концентраций ДМСО. Стандартные отклонения рассчитаны по пяти независимым измерениям.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1) добавление в ХЖКД ДНК противолучевых соединений, способных ингибировать протекание радикальных процессов, позволяет уменьшить ее чувствительность к лучевому воздействию и в целом представляет многообещающий способ расширения дозиметрического потенциала этой системы; 2) критическое значение в чувствительности ХЖКД ДНК к облучению имеет осмотическое давление раствора полимера, изменение которого, по-видимому, может позволить в широких пределах варьировать отклик этой системы.