Введение. В последнее время в связи с использованием ускоренных заряженных частиц для терапии рака, требующей высокоточного контроля позиционирования пациентов, часто возникает необходимость использования анестезии, особенно для детей и пожилых людей. Анестезия оказывает существенное влияние на многие физиологические параметры, которые влияют как на результат лечения, так и на радиочувствительность организма. Наблюдаемые эффекты зависят от состава анестезирующей смеси, концентрации, режима введения, вида и возраста животных, критерия регистрации поражения, вида излучения, диапазона доз при тотальном или локальном облучении. Актуальным является также поиск новых экспериментальных моделей на животных для исследования действия источников заряженных частиц, для которых необходимы удобные и безопасные способы иммобилизации животных, которые бы обеспечивали не только точное позиционирования мишени в определенных координатах при облучении протонами или ионами углерода, но и позволили бы скорректировать программы планирования облучения с учетом движений, связанных с дыханием.

Цель. Исследование влияния анестезии на радиочувствительность мышей по тесту 30-суточной выживаемости при тотальном облучении мышей пучками протонов и ионов углерода in vivo до и в пике Брэгга, а также рентгеновского излучения.

Материалы и методы. Эксперименты проводили в соответствии с международными требованиями на 2-месячных самцах мышей колонии SHK. В работе было использовано 405 мышей. Животные были разделены на две группы для облучения с анестезией и без. Каждую из групп делили на подгруппы (n=10–15) для облучения разными видами излучения и дозами. По отдельным экспериментальным точкам проведено 2–3 независимых эксперимента.

Животных облучали тотально в индивидуальных хорошо вентилируемых контейнерах. Мышей анестезировали за 10 мин до облучения комбинацией селективных препаратов ксилазина (Interchemie, Нидерланды) – 0.7 мг/кг и золетила 100 (Virbac, Франция) – 3.4 мг/кг. Глубину наркоза оценивали визуально по отсутствию некоординированных движений у мыши и отрицательной реакции на болевой раздражитель в виде зажатия хвоста пинцетом. Выбранная схема анестезии обеспечивала обездвиживание мышей во время укладки и облучения, а также 100% выход мышей из наркоза без введения дополнительных антагонистических препаратов и отсутствие гибели животных.

Облучение животных протонами проводили на комплексе протонной терапии ФТЦ ФИАН (Протвино) тонким сканирующим пучком в дозах 6.5–8.5 Гр до пика Брэгга (ЛПЭ = 0.7 ± 0.04 кэВ/мкм) и в пике Брэгга (ЛПЭ = 2.5±0.7 кэВ/мкм). Облучение мышей моноэнергетическим пучком ионов углерода с энергией 450 МэВ/нуклон в дозе 6.5 Гр до пика Брэгга (ЛПЭ = 15 кэВ/мкм) и в пике Брэгга (ЛПЭ = 39 кэВ/мкм) осуществлялось на установке “Радиобиологический стенд на углеродном пучке У-70” НИЦ “Курчатовский институт” – ИФВЭ (Протвино). В качестве положительного контроля мышей облучали рентгеновским излучением (РИ) в диапазоне доз 6.0–8.5 Гр на установке РУТ (ЛПЭ = 2 кэВ/мкм) в Центре коллективного пользования “Источники излучения” (ИБК, Пущино).

Результаты и обсуждение. Облучение мышей РИ в присутствии анестезии приводило к повышению 30-ти суточной выживаемости (p≤0.01) при всех дозах. Средняя продолжительность жизни (СПЖ) погибших мышей не зависела от наличия анестезии в исследуемом диапазоне доз.

Анестезия после облучения протонами в пике Брэгга в дозах 6.5 и 7.5 Гр, а также до пика Брэгга при всех дозах не влияла на динамику гибели мышей, характер течения лучевой болезни и СПЖ погибших животных, но при облучении в дозе 8.5 Гр в пике Брэгга наблюдалось значительное повышение выживаемости: к 30 сут выжило 43% животных по сравнению с не анестезированными мышами, где этот показатель был всего 7%. Для РИ и протонов был рассчитан фактор изменения дозы (ФИД) при действии анестезии. Для РИ ФИД=1.13, что свидетельствует о слабом защитном эффекте анестезии в исследованном диапазоне доз. Для протонов в пике Брэгга ФИД=0.94, а до пика ФИД=0.95, то есть не выявлено влияния анестезии на радиочувствительность мышей.

Влияние анестезии на 30-ти суточную выживаемость мышей при облучении ионами углерода в дозе 6.5 Гр оказалось значимым, как в положении до пика, так и в пике Брэгга. После облучения мышей без анестезии в пике Брэгга к 7 сут наблюдалась 100% гибель, а при использовании анестезии 30% животных доживало до 30 сут, основная гибель наблюдалась в течении 10 сут. При облучении мышей ионами углерода до пика Брэгга 30-ти суточная выживаемость в экспериментальных группах резко различалась: без анестезии составляла 30%, а с анестезией – 76%. СПЖ погибших животных не зависела от использования анестезии.

Таким образом, при облучении мышей РИ влияние ксилазин-золетиловой анестезии на радиочувствительность мышей была не значительна и не зависела от дозы. Наличие анестезии при облучении протонами как в пике Брэгга, так и до пика в дозах 6.5 Гр и 7.5 Гр не влияло на радиочувствительность животных, но при облучении в пике Брэгга дозой 8.5 Гр выживаемость возрастала в 1.7 раза. Этот эффект еще значительнее был выражен для ионов углерода, которые обладают более высокой ЛПЭ по сравнению с РИ и протонами, и он возрастал в 3.3 раза при облучении мышей в пике Брэгга, где была максимальная ЛПЭ, а при облучении до пика влияние анестезии уменьшалось до 1.2. Полученные результаты показывают, что для объяснения наблюдаемых эффектов при использовании данной анестезии, обладающей гипоксическим действием, недостаточно классических представлений, согласно которым плотноионизирующее излучение в отличие от рентгеновского имеет слабую зависимость от кислородного эффекта. Представленные данные имеют практическое значение при внедрении новых методов радиотерапии в ветеринарии, разработке адекватных моделей для биомедицины, доклинических испытаний новых источников излучения, а также исследования механизмов сочетанного действия фармакологических веществ и радиации.

Introduction. Recently, in connection with the use of accelerated charged particles for cancer therapy, which requires high-precision control of patient positioning, it becomes necessary to use anesthesia, especially for children and the elderly. Anesthesia affects many physiological parameters that influence both the outcome of treatment and the radiosensitivity of the organism. The observed effects depend on the composition of the anesthetic mixture, concentration, mode of administration, species and age of animals, the criterion for registration of lesions, and the range of doses for total or local irradiation. It is also relevant to search for new experimental animal models for studying the effect of charged particle sources, which require convenient and safe methods of animal immobilization for precise positioning of the target in certain coordinates when irradiated with protons or carbon ions, as well as adjusting the target irradiation taking into account movements, related to breath.

Purpose. Study of the effect of anesthesia on the radiosensitivity of mice by a 30-day survival test with total irradiation of mice with beams of protons and carbon ions in vivo before and at the Bragg peak, as well as with X-rays.

Materials and methods. The experiments were carried on 2-month-old male mice of the SHK colony. A total of 405 mice were used in the work. Animals were divided into two groups for irradiation with and without anesthesia. Each of the groups was divided into subgroups (n=10–15) for exposure to different types of radiation and doses. For individual experimental points, two or three independent experiments were performed. Animals were irradiated totally in individual well ventilated containers. Mice were anesthetized 10 min before irradiation with a combination of selective drugs Xylazine - 0.7 mg/kg and Zoletil 100 - 3.4 mg/kg. The depth of anesthesia was assessed visually by the absence of uncoordinated movements in the mouse and a negative response to a painful stimulus (pinching the tail with tweezers). The selected scheme of anesthesia ensured the immobilization of mice during their laying and irradiation, as well as 100% recovery of mice from anesthesia without the administration of additional antagonistic drugs and the absence of animal death. Animals were irradiated with protons at the proton therapy complex at the PTC LPI RAS (Protvino) with a pencil scanning beam at an interval of doses of 6.5–8.5 Gy before the Bragg peak (LET=0.7 ± 0.04 keV/μm) and at the Bragg peak (LET=2.5 ± 0.7 keV/μm), and carbon ions with an energy of 450 MeV/nucleon at a dose of 6.5 Gy before the Bragg peak (LET=15 keV/μm) and at the Bragg peak (LET=39 keV/μm) using the U-70 Carbon Beam Radiobiological Stand of the National Research Center Kurchatov Institute–IHEP (Protvino). As a positive control, mice were irradiated with X-ray radiation in the dose range of 6.0–8.5 Gy using a RUT device (LET=2 keV/μm) at the Shared Core Facilities of the Pushchino Scientific Center for Biological Research.

Results and discussion. Irradiation of mice with X-rays in the presence of anesthesia resulted in a significant increase in the 30-day survival (p≤0.01) at all doses. The average life span (AL) of dead mice did not depend on the use of anesthesia in the studied dose range.

Anesthesia had no effect on the dynamics of mortality of mice, the course of radiation sickness and the AL of dead animals after irradiated with protons at the Bragg peak at doses of 6.5 and 7.5 Gy, as well as before the Bragg peak at all doses, but after irradiation at the Bragg peak with a dose of 8.5 Gy, a significant increase in survival was observed: by day 30, as many as 43% of animals survived compared to the unanaesthetized mice, where 7% survived.

The dose modification factor (DMF) was calculated under the action of anesthesia for X-rays and protons. For X-rays, DMF=1.13, which indicates a weak protective effect of anesthesia in the dose range studied. For protons, DMF=0.94 at the Bragg peak and DMF=0.95 before the peak; that is, no effect of anesthesia on the radiosensitivity of mice was detected.

The effect of anesthesia on the 30-day survival of mice irradiated with carbon ions at a dose of 6.5 Gy was significant, both in the position before the peak and at the Bragg peak. After irradiation of mice without anesthesia, 100% death was observed at the Bragg peak by day 7, and when anesthesia was used, 30% of the animals survived to 30 days, the main mortality was observed within 10 days. When mice were irradiated with carbon ions before the Bragg peak, the 30-day survival rate in the experimental groups drastically differed: 30% without anesthesia and 76% with anesthesia. The AL of the dead animals did not depend on the use of anesthesia.

Thus, when mice were irradiated with X-Ray, the effect of xylazine-zoletyl anesthesia on the radiosensitivity of mice was insignificant and did not depend on the dose. The presence of anesthesia during proton irradiation both at the Bragg peak and before the peak at doses of 6.5 Gy and 7.5 Gy did not affect the radiosensitivity of animals, but when mice were irradiated at the Bragg peak at a dose of 8.5 Gy, survival increased by 1.7 times. This effect was even more pronounced for carbon ions, which have a higher LET compared to X-Ray and protons, and it increased by a factor of 3.3 after mice were irradiated at the Bragg peak, at the maximum LET, and when irradiated to the peak, the effect of anesthesia decreased to 1.2. The results show that the classical ideas are not sufficient to explain the effects observed when using this anesthesia, which has a hypoxic effect. The data obtained are primarily of practical importance in the introduction of new methods of radiotherapy in veterinary medicine, the development of adequate models for biomedicine, preclinical trials of new radiation sources, as well as studies of the mechanisms of the combined action of pharmaceuticals and radiation.