В одном из ранних экспериментов 600 самок мышей линии C57BL / 6 в возрасте 1 месяца подвергались хроническому гамма-облучению при очень низкой мощности дозы 7 или 14 кгр / год. Полученные результаты показали, что продолжительность жизни, определяемая временем выживаемости 50%, была увеличена у облученных мышей с 549 дней в контрольной группе до 673 дней в обеих облученных группах. Средняя продолжительность жизни мышей была увеличена примерно на 23% , и различия были значимыми между контрольными и облученными мышами.
При уровне экспозиции 0,1 р / сут до естественной гибели подопытные мыши и морские свинки имели несколько большую среднюю продолжительность жизни по сравнению с контрольными животными, с выраженным увеличением массы тела и увеличением частоты опухолей в фазе роста у обоих видов. Основная гипотеза об увеличении медианной продолжительности жизни была связана с регенеративной гиперплазией на ранних этапах воздействия и физиологическим усилением защитных механизмов против интеркуррентной инфекции при наличии продолжающейся травмы.
Напротив, радиационно-индуцированное укорачивание жизни происходит в меньшей степени у некоторых животных, таких как собаки, которые в основном подвержены опухолям с длительными латентными периодами. Была установлена линейная зависимость ответа дозы для укорочения жизни в мышах , с долгосрочными затяжными низко-лет экспозициями имея 5 до 10 раз более менее эффективное чем одиночное острое облучение. Таким образом, 3000 мышей SPF B6C3F1 в 8-недельном возрасте облучались в течение приблизительно 400 дней гамма-лучами Cs-137 при мощности дозы 21, 1,1 и 0,05 мГр/сут с суммарными дозами, эквивалентными 8000, 400 и 20 мГр соответственно.
По сравнению с безызлучательным контролем, частота миелоидного лейкоза у самцов, новообразований мягких тканей и злокачественных гранулезно-клеточных опухолей у самок, а также гемангиосаркомы у обоих полов, подвергнутых воздействию 21 мГр/сут, были значительно увеличены. Значительное увеличение массы тела наблюдалось в возрасте от 32 до 60 недель у самцов и самок, подвергшихся воздействию 1,1 мГр/сут и 21 мГр/сут соответственно.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что сокращение продолжительности жизни у мышей, постоянно подвергающихся воздействию низких доз гамма-излучения, обусловлено ранней смертью от различных новообразований. С другой стороны, влияние высоких доз (3,0–8,3 Гр) радиации на укорочение жизни было более выражено у мышей, облученных в раннем возрасте, по сравнению с мышами, облученными в более старшем возрасте.Несмотря на упомянутые выше изменения продолжительности жизни животных, вызванные радиацией, однако, в большинстве случаев оказывается, что максимальная продолжительность жизни остается неизменной, и все больше исследований посвящено влиянию возраста на лучевую реакцию в различных системах органов.
Для оценки влияния старения на лучевую реакцию в головном мозге взрослых крыс самцам в возрасте 8, 18 или 28 месяцев проводилось облучение всего мозга (ВБИ) с однократной дозой 10 Гр. Зубчатая извилина гиппокампа была проанализирована через 1 и 10 недель для чувствительных нейробиологических маркеров, связанных с радиационно-индуцированным повреждением, включая плотность пролиферирующих клеток, незрелых нейронов, общую микроглию и активированную микроглию.
Полученные результаты свидетельствовали о значительном снижении базального уровня пролиферирующих клеток и незрелых нейронов и усилении микроглиальной активации, происходящей при нормальном старении. WBI индуцировал большее транзиторное увеличение клеточной пролиферации у более старых животных, но уменьшение незрелых нейронов у молодых крыс. Общее количество микроглии уменьшилось после ЧМТ во всех возрастах, но активация микроглии заметно увеличилась, особенно у более старших животных. Эти эффекты свидетельствовали о большей воспалительной реакции, которая может способствовать развитию вызванной радиацией когнитивной дисфункции у пожилых людей.
В другом исследовании для решения проблемы старения, связанного с ИК, самцам f344 × BN крыс (4, 16 и 24 мес) давали однократную дозу WBI 10 Гр γ-лучей, а также экспрессию провоспалительных медиаторов и молекул адгезии, включая несколько цитокинов (например, TNF-α, IL-1β и IL-6), молекул адгезии (например, E-селектин, молекула межклеточной адгезии-1 (ICAM-1) и молекула адгезии сосудистых клеток-1 (VCAM-1), моноцитов хемокина хемоаттрактантный белок-1 (MCP-1) и ММП-9 в мозге крыс измеряли через 4, 8 и 24 ч после облучения. Полученные результаты свидетельствуют о выраженном ослаблении острого воспалительного ответа на облучение в гиппокампе крыс среднего и пожилого возраста по сравнению с молодыми группами, что указывает на подавление, но не активацию радиационно-индуцированных провоспалительных реакций в головном мозге у пожилых животных.
Прямая кишка является важным дозоограничивающим органом при лучевой терапии опухолей мочеполовой системы. Для выяснения изменений, приводящих к различиям в характере реакции между молодыми и старшими крысами, проводили гистопатологическое исследование путем гистологического исследования тканей прямой кишки через 1, 2, 4 и 10 недель после облучения двумя дозами, эквивалентными ЛД 20 и ЛД 80. Гистологические изменения были сопоставлены между двумя группами молодых (12 недель) и старших (78 недель) самок крыс линии Вистар. Наблюдались некоторые возрастные гистологические различия, причем в старшей группе отмечалась более высокая частота изъязвления и окклюзии сосудов. В группе с низкими дозами у более старых животных в 60% случаев наблюдались язвы, в то время как у молодых животных, получавших меньшую дозу, язвы отсутствовали. Тяжелые сосудистые изменения возникали рано и были более выраженными у более старых животных, чем в молодой группе.
Для поиска биологического эффекта дозы и возраста облучения при возникновении радиогенной сердечно-сосудистой патологии у самцов крыс линии WAG/RijCmcr в возрасте 6 месяцев с гамма-излучением и в возрасте 6 месяцев или 6 недель с рентгеновским облучением измеряли клинически значимые биомаркеры сердечно-сосудистой патологии и поражения почек. Среди переменных со значительным радиационно-дозным эффектом были выявлены значительные изменения по возрасту при воздействии на бикарбонат, креатинин, АСТ, общий холестерин и азот мочевины крови, кальций, альбумин, белок, щелочная фосфатаза и ЛПВП. Содержание кардиального периваскулярного коллагена было достоверно увеличено у крыс, которые были облучены рентгеновским излучением 8,0 Гр в возрасте 6 недель, но не в возрасте 6 месяцев. В то время как системное артериальное давление было повышено в обеих группах после 8,0 гр рентгеновского облучения (по сравнению с возрастными сопоставимыми контрольными группами), величина увеличения выше исходного уровня была больше у более молодых крыс. Эти данные свидетельствуют о том, что доза и возраст при облучении определяют сроки и тяжесть поражения сердца и почек.
Кроветворная система является чувствительной мишенью лучевого поражения. Имеются данные о том, что количество клеток в периферической крови мышей восстанавливалось через 6 недель после 2-Гр облучения всего тела, но примитивная фракция HSCs/HPC, т. е. клетки в линии-отрицательные, c-kit-положительные и стволовые клетки-антиген-1-положительные (LKS), непрерывно уменьшалась до 19,5 месяцев после облучения. Когда мышей облучали в 6-месячном возрасте, острые повреждения зрелых клеток крови были довольно умеренными, но все же клетки фракции LKS были специфически повреждены, и восстановление значительно замедлилось. В случае 21-месячных мышей, подвергнутых радиационному воздействию, Ccnd1, PiK3r1 и Fyn были сверхэкспрессированы исключительно в клетках фракции LKS. Авторы предположили, что мыши, облученные в молодом возрасте (6 недель), имели относительно большее количество ГСК/ГПК на массу тела, чем у зрелых животных (6 месяцев). Кроме того, Ccnd1 и PiK3r1 upregulation by aging были дополнительно усилены излучением, что привело к ускоренному процессу старения.
Индукция старения ГСК может привести к дефекту самообновления ГСК. В исследовании по изучению старения в ГСК, индуцированных ИК, было обнаружено, что облучение всего тела мышей C57BL/6 в сублетальной дозе (6,5 гр) приводило к устойчивому снижению LKS + ГСК, с повышенной экспрессией двух широко используемых биомаркеров клеточного старения, p16(Ink4a) и SA-beta-gal. Напротив, такие изменения не наблюдались в облученных ЛКС-гемопоэтических клетках-предшественниках. Полученные результаты дают прямые доказательства того, что облучение может избирательно индуцировать старение ГСК.
Воздействие ионизирующего излучения является хорошо известным фактором риска развития рака щитовидной железы. Оценить влияние возраста на радиочувствительность клеток фолликулярного эпителия щитовидной железы крыс после облучения in vivo, были определены реакции на 8 гр всего тела рентгеновского облучения для пролиферации клеток, экспрессии молекул повреждения ДНК, реагирующих (в том числе в пути р53), и индукции апоптоза в 4-недельном, 7-недельном и 8-месячном возрасте крысиного тиреоида. Полученные результаты показали, что количество пролиферирующих клеток в незрелых и молодых взрослых тиреоидах превышало таковое во взрослых тиреоидах и достоверно уменьшалось после облучения. Количество молекул ответа на повреждение ДНК увеличивалось независимо от возраста в облученных тиреоидах и не было отмечено апоптоза или накопления р53, несмотря на экспрессию проапоптотических генов во всех возрастных группах. Однако ИК индуцировала аутофагию в незрелых, но не взрослых тироидах крыс, что позволяет предположить, что аутофагия может быть маркером реакции повреждения ДНК на облучение в незрелых тироидах.
Для выявления критических возрастных окон радиационного канцерогенеза на моделях экспериментальных животных различные штаммы мышей и крыс подвергали воздействию γ - или рентгеновского излучения в дозах 0,05-4 гр в течение 1 недели–15 недель после рождения. Органоспецифические исследования рака выявили высокую чувствительность медуллобластомы у мыши Ptch1 и почечно-клеточного рака у крысы Eker к ионизирующему излучению в перинатальном периоде. Кроме того, отмечалась высокая частота опухолей печени и тимических лимфом у мышей линии B6C3F1 и опухолей кишечника у мышей линии ApcMin/+ после облучения в младенческом возрасте, а также повышенная миелоидная лейкемия у мышей линии C3H в зрелом возрасте. Возрастная зависимость была относительно небольшой для радиационно-индуцированного канцерогенеза легких у крыс линии Вистар. Авторы пришли к выводу, что возрастное окно для радиационно-индуцированных опухолей было связано с пролиферативным статусом и клеточным ответом на радиацию, включая апоптоз.
Для изучения возрастных различий в повреждении генома между препубертатной и взрослой стадиями две группы мышей BALB/CJ в возрасте 3 и 12 недель подвергались однократному облучению дозой 8 гр, а геномное повреждение измерялось через 24 ч, 48 ч и 72 ч после облучения с использованием in vivo микроядерного анализа. Результат показал значительно более высокую частоту микроядер в препубертате, чем у взрослых животных за все время отбора проб, что указывает на более высокую восприимчивость к ИК в препубертатном возрасте.
В попытке изучить влияние космического излучения на укорочение продолжительности жизни и индукцию опухоли, мышей B6C3F1 подвергали еженедельному воздействию 0,4 и 2,0 гр всего тела углеродно-ионного или рентгеновского облучения в течение 4 последовательных недель, и частота индуцированных опухолей, а также продолжительность жизни наблюдались после облучения. Выявлен дозозависимый эффект при опухолевой индукции тимических лимфом и опухолей печени. Укорочение жизненного периода рентгеновскими лучами было пропорционально дозе, в то время как ионы углерода производили выпуклую восходящую зависимость ответа на дозу. Относительная биологическая эффективность для сокращения продолжительности жизни на 50% составила около 1,4 года. Полученный результат стимулирует дальнейшие исследования долгосрочного биологического действия ионов углерода при малых дозах в космосе.
Для этого нормальные фибробласты человека облучали ионами углерода (290 МэВ u−1, 70 кэВ мкм−1) и γ-лучами в общей дозе 1 мгр однократно при низкой мощности дозы (1 мгр/6-8 ч), а клетки непрерывно культивировали до 5 месяцев для наблюдения кинетики роста. Рост облученных углеродом клеток начал замедляться значительно раньше, чем рост необлученных клеток до достижения ими возраста старения. Напротив, клетки, облученные γ-лучами в аналогичных условиях, не показали существенного отклонения от необлученных клеток. γ-H2AX foci, суррогатный маркер разрыва двойной нити ДНК (DSB), и фосфорилированные DNA-PKcs foci, маркер репарации DSB, увеличились в числе, когда необлученные клетки достигли нескольких проходов до старения, и число этих маркеров еще больше увеличилось в carbonirradiated клетках. Полученные результаты указывают на различные эффекты высокой линейной передачи энергии (LET) излучения (ионов углерода) от низкой LET излучения (γ-лучей) даже при очень низких дозах, и кажется, что одна низкая доза облучения тяжелыми ионами может повлиять на стабильность генома через много поколений после облучения.
В одном из ранних исследований, посвященных замедленным эффектам облучения мышей, были использованы (C57L x A/He)F1-мыши, которые подвергались мгновенному воздействию ионизирующего излучения в результате экспериментального ядерного взрыва. Выживших мышей наблюдали вплоть до естественной смерти от отсроченных эффектов радиации. В результате было выявлено сокращение продолжительности жизни, которое варьировалось в зависимости от дозы облучения и не было связано с увеличением смертности от какой-либо конкретной причины, но было коррелировано с преждевременным началом всех заболеваний, связанных с естественным старением. Хотя воздействие радиации на распространенность и тяжесть заболеваний заметно варьировалось от одного заболевания к другому, все болезни развивались в дебюте по существу в одинаковой степени от одной дозы радиации. В частности, у сильно облученных мышей наступление тимической лимфомы было ускорено более значительно, чем при любом другом заболевании. Для большинства наблюдаемых эффектов нейтроны были более эффективны, чем γ-лучи.
Современное понимание биологических процессов, участвующих в канцерогенезе, подтверждает вывод о том, что возраст при облучении играет важную роль в модификации радиационно-индуцированных раковых заболеваний. При воздействии радиации с увеличением возраста точность и эффективность для организмов идентификации и уничтожения поврежденных клеток, а также способность восстанавливать вызванные радиацией повреждения хромосом в некоторой степени снижаются. Однако для интерпретации связи между радиочувствительностью и изменением восприимчивости к раку с возрастом необходимо обеспечить механистическое понимание как на клеточном, так и на молекулярном уровнях.