Современные проблемы науки и образования. Способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом "днк-комет" Изменения познаются в сравнении

Генотоксичность, то есть повреждающее воздействие того или иного соединения на геном, и канцерогенность - связанные явления. Метод ДНК-комет позволяет оценить степень повреждения геномной ДНК как в эксперименте, в научных целях, так и при решении практических задач: оценке влияния окружающей среды или условий труда, контроле трансплантационного материала при размораживании, в тканевой инженерии. Повреждение ДНК, выявленное тестом ДНК-комет, может свидетельствовать и о предрасположенности к онкологии, и об изменениях, связанных с ней. Увеличение выявляемых ДНК-комет повреждений ДНК характерно для опухолевых клеток . И, хотя за десятилетия с момента разработки, метод получил распространение только в специализированных областях, он может найти применение в диагностике и мониторинге лечения различных заболеваний . Преимуществами ДНК-комет является чувствительность, невысокие требования к количеству материала, быстрый в исполнении протокол работы, относительная простота и невысокая стоимость .

Метод ДНК-комет применяется для исследования различных типов клеток, как в культуре, так и в образцах биологических жидкостей и тканей . Главным требованием для проведения анализа ДНК-комет является перевод клеток ткани суспензию, поэтому при вскрытии лабораторных животных изъятые фрагменты органов должны пройти соответствующую обработку, а клетки, содержащиеся в крови или сперме можно исследовать напрямую . 80% злокачественных новообразований имеют эпителиальное происхождение. Эпителии, подвергающиеся и внешнему воздействию, и воздействию со стороны внутренней среды организма наиболее подходят для оценки генотоксичности методом ДНК-комет . Неинвазивным способом получения эпителиальных клеток человека является мазок эпителия ротовой полости и отбор эксфолиативного материала эпителия слёзного канала. Клетки эпителия ротовой полости живут 10-14 дней, присутствие в них повреждённой ДНК свидетельствует о недавнем воздействии генотоксического соединения. Исследования целостности ДНК эпителия ротовой полости могут помочь при мониторинге воздействий веществ, связанных с профессиональной деятельностью и пищевых продуктов .

Клетки, помещённые в агарозу на стекле, обрабатываются лизирующим раствором, и, если необходимо, ферментами, специфичными к определённым нарушениям. Разделение проводится в щелочном буфере. ДНК выходит из клетки и движется на анод, образуя шлейф, который можно увидеть, используя флуоресцентный микроскоп. Чем больше разрывов происходит в ДНК, тем более выражено движение её фрагментов. После процедуры стёкла нейтрализуются и окрашиваются интеркалирующими красителями для визуализации ДНК. Оценка электрофоретической подвижности ДНК проводится с помощью флуоресцентного микроскопа . Когда практически вся ДНК клетки фрагментирована, это, как правило, погибшая клетка. Если единичные клетки имеют такую степень повреждения генома, они исключаются из анализа .

Наиболее часто используемый щелочной протокол ДНК-комет (разделение при pH > 13) позволяет выявить одноцепочечные разрывы, сшивки в ДНК и между ДНК и белками . Использование в ходе пробоподготовки обработки щёлочью повышает восприимчивость метода, поскольку большинство генотоксических агентов не вносят двуцепочечного разрыва в цепи ДНК, а формируют одноцепочечные разрывы или участки с повышенной чувствительностью к щелочам . Дополнительно применяются ферменты, вносящие разрывы в области ДНК со специфическими поврежденими. Формамидопиримидин ДНК-гликозилаза разрезает цепи ДНК в области окисленных нуклеотидов, формамидпиримидинов (аденина и гуанина с открытым кольцом) и других производных гуанина; OGG1 выявляет окисленные пурины и формамидопиримидины, эндонуклеаза III выявляет окисленные пиримидины, T4 эндонуклеаза V распознаеё димеры пиримидинов, 3-метиладенин ДНК гликозилаза II (AlkA) специфична к 3-метиладенину; а урацил ДНК гликозилаза выявляет ошибочно встроенный в ДНК урацил . Такие протоколы обработки материала могут понадобится для решения специфических задач, например в замороженных тканях возрастает содержание окисленных пиримидинов и сайтов T4 эндонуклеазы V, а других нарушений не наблюдается. Метод ДНК-комет с обработкой соответствующим ферментом, может применяться для оценки состояния трансплантата перед пересадкой.

Одна из сфер клинической диагностики, в которой применяется технология ДНК-комет - диагностика мужского бесплодия. В силу устройства сперматозоида, риск нарушений структуры ДНК в этих клетках повышен, а системы репарации полностью не компенсируют происходящие нарушения. При мужском бесплодии наблюдают повышенную степень повреждения ДНК сперматозоидов. Количество разрывов ДНК в сперматозоидах в норме достигает ∼10 6 - 10 7 на геном, как у человека, так и у лабораторных мышей, что гораздо выше количества разрывов генома в лимфоцитах или клетках красного костного мозга. Оплодотворение сперматозоидом, содержащим повреждения ДНК, активирует в ооците процессы репарации, восстанавливающие эти повреждения, но риск мутаций и врождённых заболеваний у ребёнка при этом повышается. Частота невынашивания беременности коррелирует со степенью повреждения ДНК сперматозоидов. С этим связана повышенная частота врождённых заболеваний и нарушений развития у детей при ИКСИ .

Метод ДНК-комет применяется не только для оценки состояния ДНК, но и для исследования процессов репарации в клетках. При этом исследуемые клетки разрушаются, а полученным гомогенатом обрабатывается ДНК, в которую предварительно вносятся повреждения определённого типа, в смесь добавляются нуклеотиды и АТФ, необходимые для репарации. По способности гомогената восстанавливать те или иные повреждения судят об активности систем репарации в клетках. Тип повреждения, который вносится в ДНК, зависит от того, какой механизм репарации исследуется. Например, для оценки эксцизионной репарации оснований применяют повреждённую светом ДНК, содержащую 8-оксогуанин, а эксцизионной репарации нуклеотидов - облучённую ультрафиолетовым светом ДНК, содержащую димеры пиримидинов. Одноцепочечные разрывы вносятся обработкой перекисью водорода, облучением рентгеновскими или гамма лучами, алкилирование ДНК проводится путём обработки метил-метансульфонатом. Для исследования эксцизионной репарации нуклеотидов используют оценку накопления разрывов ДНК при блокировании полимераз, участвующих в этом процессе с помощью афидоколина, или цитозин арабинозида в сочетании с гидроксимочевиной .

Анализ экспрессии генов, ассоциированных с репарацией, не всегда может быть объективным показателем состояния ДНК в клетках, поэтому метод ДНК-комет позволяет получить ценную дополнительную информацию. Повышенная активность систем репарации свидетельствует не только о том, что клетки более устойчивы к повреждениям генома, но и о том, что они подвергаются воздействию генотоксичного агента, в результате чего синтез белков, участвующих в репарации, активирован. Внесение в рацион Q10, витамина С в медленно растворяющихся капсулах, повышает активность эксцизионной репарации оснований. Сходный эффект наблюдается, если вместо препаратов использовать богатые антиоксидантами фрукты и овощи. При этом снижается активность системы эксцизионной репарации нуклеотидов, поскольку в ней отпадает необходимость .

Тест микронуклеусов является прямым показателем канцерогенности, руководство ICH рекомендует использовать его в сочетании с ДНК-комет . Метод ДНК-комет можно сочетать с флуоресцентной гибридизацией FISH, чтобы определить, затрагивают ли изменения определённые участки генома . Для анализа большого количества шлейфов ДНК, полученных в результате процедуры ДНК-комет. рекомендуется применять автоматизированные решения. Это позволит снизить субъективность оценки и более точно оценить размер и форму образовавшихся шлейфов, что особенно важно с учётом необходимости сбора данных по большому количеству шлейфов в каждом препарате. ДНК-комет может применяться в качестве метода для клинической диагностики и в исследовательских целях - для оценки генотоксичности того или иного соединения.

Kang SH, Kwon JY, Lee JK, Seo YR. Recent advances in in vivo genotoxicity testing: prediction of carcinogenic potential using comet and micronucleus assay in animal models / J Cancer Prev. - 2013. V.18, N.4. - P. 277-88.
Rojas E, Lorenzo Y, Haug K, Nicolaissen B, Valverde M. Epithelial cells as alternative human biomatrices for comet assay / Front Genet. - 2014. V5. N. 386.
Azqueta A, Slyskova J, Langie SA, O"Neill Gaivão I, Collins A. Comet assay to measure DNA repair: approach and applications / Front Genet. - 2014. - V.5, N.288.
Aitken RJ, Bronson R, Smith TB, De Iuliis GN. The source and significance of DNA damage in human spermatozoa; a commentary on diagnostic strategies and straw man fallacies / Mol Hum Reprod. - 2013. - V.19. N.8. - P. 475-85.

Оценка воздействия гамма-лучей на ДНК лимфоцита с помощью метода ДНК-комет. Микрофотографии (А) и обработанные изображения (В).

Wang Y, Xu C, Du LQ, Cao J, Liu JX, Su X, Zhao H, Fan F-Y, Wang B, Katsube T, Fan SJ, Liu Q. Evaluation of the Comet Assay for Assessing the Dose-Response Relationship of DNA Damage Induced by Ionizing Radiation / Int. J. Mol. Sci. - 2013. - V.14. N.11. - P.22449-22461.

Воздействие перекиси водорода на ДНК сперматозоидов моллюска Choromytilus chorus

Lafarga-De la Cruz F., Valenzuela-Bustamante M., Del Río-Portilla M., Gallardo-Escárate C. Genomic Integrity evaluation in sperm of Choromytilus chorus (Molina, 1782) by comet assay / Gayana. - 2008. - V.72. N.1. - P.36-44.

Проведено изучение показателей фрагментации ДНК методом ДНК-комет в щелочной модификации в условиях разного уровня воздействия радиационного фактора в бытовых условиях. Проведен учет объемной активности (ОА) радона, мощности амбиентной эквивалентной дозы (МАЭД) гамма-излучения и плотности потока бета-излучения. Среднее значение ОА радона в воздухе помещений составило 89,4 Бк/м3, значение МАЭД гамма-фона составило 0,12 мкЗв/ч, плотность потока бета-излучения 0,6 с-1. Средний уровень фрагментации ДНК составил 3,48%. Уровень фрагментации ДНК по 3 показателям (доля ДНК в хвосте кометы, длина хвоста кометы, момент хвоста кометы) был повышен у мужчин, но данная тенденция не достигала статистической значимости. Показатели ДНК-комет не отличались значимо в зависимости от изменения уровня радона. Была обнаружена положительная корреляция показателей ДНК-комет с увеличением мощности гамма-излучения. При этом МАЭД гамма-излучения находилась в пределах допустимых норм во всех обследованных помещениях.

ионизирующее излучение

днк-кометы

щелочная модификация днк-комет

эффекты низких доз облучения

1. Robertson A., Allen J., Laney R., Curnow A. The cellular and molecular carcinogenic effects of radon exposure: a review // Int. J. Mol. Sci., 2013, vol. 14, no. 7, pp. 14024-14063.

2. Druzhinin V.G., Sinitsky M.Y., Larionov A.V. et al. Assessing the level of chromosome aberrations in peripheral blood lymphocytes in long-term resident children under conditions of high exposure to radon and its decay products // Mutagenesis, 2015, vol. 30, pp. 677–683.

3. Singh N.P., McCoy M.T., Tice R.R., Schneider E.L. A simple technique for quantitation of low levels of DNA damage in individual cells // Exp. Cell Res., 1988, vol. 175, pp. 184–191.

4. Azqueta A., Gutzkow K.B., Brunborg G., Collins A.R. Towards a more reliable comet assay: optimising agarose concentration, unwinding time and electrophoresis conditions // Mutat. Res., 2011, vol. 724, no. 1–2, pp. 41-45.

5. Konca K., Lankoff A., Banasik A. et al. A cross platform public domain PC image analysis program for the comet assay // Mutation Research, 2003, vol. 534, pp. 15-20.

6. Glantz S.A. Primer of Biostatistics / S.A. Glantz. – McGraw-Hill Medical, 7 edition, 2011. – 320 p.

7. Georgakilas A.G., O’Neill P., Stewart R.D. Induction and repair of clustered DNA lesions: what do we know so far? // Radiat. Res., 2013, vol. 180, pp. 100–109.

8. Kaur S., Sangeeta, Galhna K.K., Gautam N. Assessment of radiation induced DNA damage in human peripheral blood lymphocytes using COMET assay // Int. J. Life Sci. Scientifi. Res., 2017, vol. 3, no. 4, pp. 1208-1214.

9. Miklos M., Gajski G., Garaj-Vrhovac V. Usage of the standard and modified comet assay in assessment of DNA damage in human lymphocytes after exposure to ionizing radiation // Radiology and Oncology, 2009, vol. 43, no. 2, pp. 97-107.

10. Batar B., Guven M., Baris S. et al. DNA repair gene XPD and XRCC1 polymorphisms and the risk of childhood acute lymphoblastic leukemia // Leuk. Res., 2009, vol. 33. pp. 759–763.

11. Jiang J., Zhang X., Yang H., Wang W. Polymorphisms of DNA repair genes: ADPRT, XRCC1, and XPD and cancer risk in genetic epidemiology // Meth. Mol. Biol., 2009, vol. 471. pp. 305–333.

12. Larionov A.V., Sinitsky M.Yu., Druzhinin V.G. et al. DNA excision repair and double-strand break repair gene polymorphisms and the level of chromosome aberration in children with long-term exposure to radon // Int. J. Radiat. Biol., 2016, vol. 92, no. 8, pp. 466-474.

13. Wojewodzka M., Kruszewski M., Iwanenko T. et al. Lack of adverse effect of smoking habit on DNA strand breakage and base damage, as revealed by the alkaline comet assay // Mutat. Res., 1999, vol. 440, pp. 19–25.

14. Geric M., Gajski G., Orescanin V., Garaj-Vrhovac V. Seasonal variations as predictive factors of the comet assay parameters: a retrospective study // Mutagenesis, 2017, doi:10.1093/mutage/gex023.

Воздействие радона хорошо изучено в диапазоне высоких концентраций. Установленные гигиенические нормативы предусматривают уровень эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) в 200 Бк/м3 как границу допустимой объемной активности радона в воздухе жилых помещений. В то же время в ряде стран допустимый уровень увеличен до 400 Бк/м3, что объясняется, прежде всего, геологическими особенностями территории. С другой стороны, существует точка зрения о необходимости снижения допустимого уровня до 2 пКю/л, что соответствует 74 Бк/м3. В рамках современной парадигмы ВОЗ и принципа линейного беспорогового увеличения радиационных эффектов даже небольшое радиационное воздействие приводит к увеличению риска возникновения стохастических эффектов (прежде всего онкозаболеваний).

Очевидно, что небольшие радиационные эффекты, воздействующие на большие группы людей, могут приводить к социально значимому увеличению частоты онкологической заболеваемости . Вследствие этого представляется крайне актуальным накопление информации об эффектах действия различных типов ионизирующего излучения в малых дозах, которому подвержено в той или иной степени все население планеты. Увеличение ЭРОА радона выше 200 Бк/м3 признается нежелательным для большинства принятых нормативов в области радиационной гигиены. В то же время лишь 5-10% жилых помещений можно отнести к помещениям с таким уровнем воздействия. Уровень объемной активности (ОА) радона в 2 пКю/л (74 Бк/м3) и выше может отмечаться в 20-50% жилых помещений в зависимости от типа застройки и географического расположения. Очевидно, что даже малоинтенсивное воздействие радона может приводить к значимому увеличению заболеваемости, учитывая глобальные масштабы проблемы. Представляется актуальным исследование влияния низкодозовых нагрузок плотноионизирующего излучения на организм человека.

Радон признается в настоящее время одним из наиболее опасных канцерогенов, действующих на человека. В природе радиационный радоновый фактор не играет существенной роли, поскольку газ радон рассеивается в большом объеме воздуха и достаточно быстро распадается (период полураспад Rn222=3,82 суток). В то же время жилые и технические постройки представляют собой своеобразные ловушки, накапливающие радон (до 10 крат в сравнении с открытым воздухом). Очаги выделения радона часто располагаются спорадически, радон рассматривается в качестве ведущей причины повышения частоты хромосомных аберраций в схожих экспонированных группах .

Одним из эффективных методов биомониторинга является прямая оценка степени повреждения ДНК в клетках крови методом «ДНК-комет» (гель-электрофорез отдельных клеток). Данный метод предусматривает лизис клеток, помещенных в агарозный гель, при этом ДНК мигрирует в электрическом поле. Клетки с увеличенной частотой двойных разрывов характеризуются увеличением миграции ДНК к аноду. В 1988 году в работе Singh и коллег была предложена щелочная модификация метода, включающая этап лизиса при рН>13 . Данная версия значительно повышает чувствительность метода, позволяя выявлять одиночные разрывы, щелочелабильные сайты, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, а также сайты незавершенной репарации . Поскольку для большинства генотоксикантов преобладают эффекты одиночных разрывов ДНК, щелочная модификация метода позволила существенно увеличить информативность и чувствительность теста. Одно из главных преимуществ - возможность выявить генотоксическое воздействие в условиях одновременного действия цитотоксических факторов, которые приводят к формированию хромосомных нарушений, но не обладают генотоксическим действием. В условиях рН>12 ДНК денатурирует, и нити расплетаются вследствие разрушения водородных связей между 2 спиралями. При достижении рН 12,6 щелочелабильные сайты, например апуриновые/апиримидиновые сайты, трансформируются в одиночные разрывы ДНК. При рН>13 достигается максимальная степень трансформации щелочелабильных сайтов.

Материалы и методы

Характеристика выборки

Каждый обследованный заполнял персональную анкету, включавшую информацию о возрасте, состоянии здоровья, употреблении табака и алкоголя, производственных вредностях, рентгенодиагностических процедурах, авиаперелетах, прививках и приемах лекарственных препаратов в течение 3 месяцев, предшествующих обследованию. Была отобрана группа из 39 обследованных, не подвергавшихся потенциально генотоксическим факторам. Все обследованные были не старше 40 лет. Всего было обследовано 18 мужчин (средний возраст 29 лет) и 21 женщина (средний возраст 31 год).

Исследование проводили в соответствии с требованиями Комиссии по этике Кемеровского государственного университета, протокол исследования утвержден на заседании Комиссии № 4 от 10.10.2016 г. Каждый участник подписывал форму информированного согласия, содержащую информацию о целях исследования.

Образцы биоматериала

Образцы венозной крови собирались в вакуумные пробирки емкостью 4 мл, содержащие натрий-ЭДТА в качестве антикоагулянта. Сбор материала происходил в период с ноября 2016 г. по апрель 2017 г. В течение 1-2 часов образцы переправлялись лабораторию. Все образцы кодировались и обрабатывались. Выполнение метода «ДНК-комет» начиналось немедленно после поступления образцов.

Гель-электрофорез отдельных клеток (метод «ДНК-комет»)

Метод «ДНК-комет» выполнялся в щелочной модификации, разработанной Singh с коллегами . Первый слой геля представлял собой 1% раствор стандартной агарозы (Applichem, США). Для нанесения клеток использовали 1% агарозу с низкой температурой плавления (low melting point agarose, Applichem, США) при 39 °С. 70 мкл взвеси клеток крови в легкоплавкой агарозе вносили на стекло со стандартной агарозой и помещали на лед до полного застывания геля. После застывания стекла помещали в лизирующий буфер при температуре 4 °С на 12 часов. Состав лизирующего буфера: 2,5 моль/л NaCl («Вектон», Россия), 0,1 моль/л Nа2ЭДТА («Вектон», Россия), 1% Тriton Х-100 (Amresco, США), 10% ДМSO («Вектон», Россия). После лизиса проводился горизонтальный электрофорез (300 мА, 25 В, 30 мин.) в щелочном буфере (pH>13). Электрофорезу предшествовала 20-мин. обработка щелочным буфером (300 мМ NaOH («Вектон», Россия), 1 мМ Nа2ЭДТА («Вектон», Россия). Лизис и электрофорез проводился при 4 °С при отсутствии прямых солнечных лучей. После электрофореза стекла троекратно нейтрализовали в фосфатно-солевом буфере PBS рН 7,5 (Amresco, США). После этого стекла обрабатывались 70% этанолом в течение 5 минут. Препараты высушивались и окрашивались 50 мкл однократного SYBR GREEN («Биотех-Индустрия», Россия).

Анализ «комет»

Оценка параметров фрагментации проводилась путем микрофотографирования препаратов, окрашенных SYBR GREEN, с помощью микроскопа Zeiss Axio Imager 2. Всего фотографировалось 100 случайно отобранных комет от каждого исследованного образца при увеличении х400. Последующая обработка фотографий проведена с помощью комплекта ПО CASP . Рассчитывались параметры длины хвоста кометы, момента хвоста, а также доля ДНК в хвосте кометы.

Статистические методы

Статистический анализ данных проводили с использованием пакета Statistica 10.0. Для количественных показателей рассчитывались средние значения и пределы 95% доверительного интервала (CI 95). Сравнение групп выполняли с использованием U-теста Манна-Уитни. Степень значимости была принята на уровне 5%. Корреляцию между показателями для случая непараметрических данных рассчитывали с использованием коэффициента корреляции Пирсона для рангов. При этом для выборок более 50 человек также рассчитывали значение критерия Стьюдента, основанное на значении коэффициента корреляции Пирсона .

Результаты

Доля ДНК в хвосте кометы не превышала 15%. Среднее значение объемной активности (ОА) радона в воздухе помещений составило 89,4 Бк/м3, значение МАЭД гамма-фона составило 0,12 мкЗв/ч, плотность потока бета-излучения 0,6 с-1. Уровень фрагментации ДНК по 3 показателям был повышен у мужчин, но данная тенденция не достигала статистической значимости (табл. 1).

Таблица 1

Показатели фрагментации ДНК у обследованных мужчин и женщин

В качестве граничного уровня ОА радона в воздухе был выбран уровень 74 Бк/м3, соответствующий 2 пКю/л воздуха. Средняя ОА радона составила 47 Бк/м3 в первой группе и 143 Бк/м3 во второй группе. Наибольшая информативность была установлена для показателя момента хвоста комет. Момент хвоста был повышен в группе с более высоким уровнем радона, но эта тенденция не достигла уровня статистической достоверности (табл. 2). Данная тенденция характерна только для обследованных мужчин.

Таблица 2

Показатели фрагментации ДНК в группах, дифференцированных по полу и ОА радона

ОА радона в воздухе помещений, Бк/м3	% ДНК в хвосте кометы	Длина хвоста, мкм	Момент хвоста кометы

	3,65	13,73	0,94
	3,97	14,52	1,43

	3,30	13,21	0,88
	3,00	11,95	0,72

	3,43	13,42	0,90
	3,51	13,30	1,09

Также была исследована возможная зависимость показателей ДНК от величины МАЭД гамма-излучения в жилых помещениях. Для проверки был рассчитан коэффициент корреляции между показателями повреждений ДНК и МАЭД гамма-излучения. Была обнаружена положительная корреляция показателей ДНК-комет с увеличением мощности гамма-излучения (рисунок). При этом МАЭД гамма-излучения находилась в пределах допустимых норм во всех обследованных помещениях.

Зависимость показателей фрагментации ДНК от МАЭД гамма-излучения в жилых помещениях (r - коэффициент корреляции Спирмена, p - вероятность «нулевой» гипотезы)

Обсуждение

Радиационное воздействие

Ионизирующее излучение способно индуцировать образование кластеров повреждения ДНК, что реализуется в форме двухцепочечных разрывов и другими повреждениями, расположенными компактно. Редко- и плотноионизирующее излучение вызывает примерно одинаковое количество отдельных ДНК-поражений на единицу поглощенной дозы, но в случае с плотноионизирующим излучением (альфа-частицы) эти поражения распределены в меньшем количестве участков ДНК, что подразумевает увеличение числа повреждений в кластере; например, среднее число повреждений по кластеру, как правило, увеличивается с увеличением линейной передачи энергии . Гамма-излучение, зафиксированное в местах проживания всех обследованных, не превышает регламентированных фоновых значений. Изменения гамма-фона, скорее всего, были вызваны особенностями строений и строительными материалами.

Анализ «комет»

Метод «ДНК-комет» представляет простой и быстрый тест, позволяющий эффективно измерять уровень повреждений ДНК и репарации повреждений, следующей после экспонирования. В данном исследовании не было обнаружено значительной гетерогенности в отношении уровня повреждения ДНК в исследованной популяции. В ряде работ, посвященных биологической дозиметрии, ранее отмечались трудности выявления эффекта малых доз облучения . В то же время в большинстве работ исследовались группы лиц, облученных внешним искусственным источником, например персонал радиологических и рентгенологических установок.

Измерения показателей фрагментации ДНК могут отражать как индивидуальный уровень повреждений ДНК, так и способность к репарации радиационных повреждений. Ранее в ряде работ установлена способность генов репарации модулировать частоту нарушений наследственного материала . Наблюдаемая картина повреждений ДНК является результатом равновесия между нарушениями и репарацией ДНК, и низкий уровень повреждений или отсутствие выраженных корреляций может быть результатом как низкого числа повреждений, так и высокой индивидуальной эффективности репарации .

По некоторым оценкам, наибольший вклад в увеличение показателей ДНК комет для непроизводственных факторов вносят сезон года (параметры увеличены летом) и медицинское облучение . В нашей работе эти факторы не могут оказывать значимого влияния, поскольку сбор биологического материала проводился в зимний период года, а все лица, проходившие рентгеновские обследования в течение 3 месяцев, предшествующих исследованию, были исключены из выборки. Отсутствие корреляций с объемной концентрацией радона, возможно, объясняется небольшим размером выборки. В дальнейшем планируется продолжение данной линии исследования с увеличением размера выборки.

Заключение

Исследование эффектов длительного воздействия малых доз облучения представляется сложной задачей, необходимость подбора выборок и контроля сопутствующих факторов способна исказить картину. В представленном исследовании не удалось выявить статистически значимых корреляций с показателями объемной активности радона, но в то же время обнаруженные корреляции с показателями гамма-фона указывают на перспективы данного исследования. Очевидна необходимость оценки фактора эффективности репарации обследованных для исследования такого типа, это позволило бы провести дифференцировку и сравнить людей с близкими характеристиками репарации.

Конфликты интересов, связанные с данным исследованием, отсутствуют.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (№ 16-34-60069\15 мол_а_дк).

Библиографическая ссылка

Ларионов А.В., Волобаев В.П., Сердюкова Е.С. ИЗУЧЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДНК-КОМЕТ У ЗДОРОВЫХ ДОНОРОВ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ РАДИАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=27215 (дата обращения: 01.02.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Способ заключается в том, что в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, вводят изображение с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости. Затем выполняют поиск этих «комет» на изображении, выделяют их контур с определением границы «головы» и «хвоста» и проводят микроскопическую морфометрию. Перед поиском «комет» на изображении выполняют оптимизацию уровней яркости изображения и низкочастотную фильтрацию с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области. Затем выполняют сегментацию полученного изображения на основе порога яркости, определяемого как смещение от фона, нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», где под затравкой понимается произвольная точка, принадлежащая «комете», нахождение центра головы каждой «кометы», путем определения центра тяжести точек с интенсивностью свечения, близкой к максимальной. Определение виртуальной границы «головы» и «хвоста» проводят путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части головы кометы, затем проводят микроскопическую морфометрию «комет», путем измерения: длины «кометы», «хвоста», диаметра «головы». Затем вычисляют процентное содержание ДНК во всей «комете», в «хвосте» и меры поврежденности ДНК. Перечисленные операции осуществляют автоматически, одновременно над всеми «кометами» на серии изображений. Технический результат заключается в повышении точности и скорости обработки и анализа изображений «комет».

Способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом «ДНК-комет» (comet assay или single cell gel electrophoresis - SCGE), в биологических препаратах, относится к области обработки и анализа изображений объектов - «комет», и предназначен для компьютеризации (автоматизации) процессов морфометрических исследований в области биомедицины, проводимых для определения степени повреждений молекул ДНК, вызванных различными агентами окружающей среды, для изучения репарации молекул ДНК на уровне одиночных клеток, для оценки интегральной целостности генома, для определения индивидуальной радиочувствительности онкологических больных, проходящих курс лучевой терапии, для биоиндикации прибрежных морских вод, иными словами для мониторинга широкого спектра повреждений ДНК, вызванных мутагенными факторами окружающей среды.

Изображения «комет» представляют собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости, полученных методом гельэлектрофореза лизированных единичных клеток (метод «ДНК-комет»), поэтому обрабатывать и анализировать их способами, предназначенными для изображений обычных (сплошных) объектов, нет возможности.

В настоящее время изображения «ДНК-комет» анализируют либо путем визуального наблюдения под флуоресцентным микроскопом и дифференциации их по степени поврежденности ДНК, либо с использованием компьютерных средств обработки изображений.

При визуальном анализе (Struwe М, Greulich K, Suter W, Plappert-Helbig U. The photo comet assay - A fast screening assay for the determination of photogenotoxicity in vitro. // Mutation Research / Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2007, 632 (1-2), p.44-57) «ДНК-кометы» ранжируют на пять условных типов с соответствующим числовым значением от 0 до 4. Степень поврежденности ДНК при этом выражается как индекс «ДНК-комет» (И днк), определяемый по формуле

И днк =(0n 0 +1n 1 +2n 2 +3n 3 +4n 4)/ ,

где n 0 -n 4 - число «ДНК-комет» каждого типа, - сумма подсчитанных «ДНК-комет».

Данный способ обработки и анализа очень трудоемок, субъективен, имеет только пять уровней градации дифференциации «ДНК-комет» и поэтому имеет невысокую точность, а отсюда и низкую достоверность результатов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ компьютерного анализа изображений «ДНК-комет», реализованный в программном обеспечении SCGE-Pro (см. Chaubery R.С. Computerized Image analysis software for the comet assay. Methods In Molecular Biology 2005; 291:97-106), принятый за прототип. Данный способ анализа «комет» менее трудоемок и особенно необходим для объективной оценки их параметров (например, длины «кометы», длины «хвоста», диаметра «головы», процентного содержания ДНК в «голове» или в «хвосте» и т.д.), которые используются в качестве показателей, характеризующих уровень повреждений ДНК в изучаемых клетках. Способ позволяет находить «кометы» на изображении и вычислять их параметры как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Недостатком известного способа является способ определения границ «кометы» с помощью прямоугольной области, который снижает точность вычисления параметров, необходимых для оценки повреждений (особенно, если повреждения слабо выражены) ДНК, так как в этом случае к комете могут быть отнесены и помехи, находящиеся рядом. Кроме того, при данном способе анализа граница «головы» и «хвоста» определяется как прямая, перпендикулярная оси «кометы» и разделяющая комету на «голову» и «хвост», что сильно снижает точность вычисления длины «хвоста кометы» и процентного содержания ДНК в «голове» и в «хвосте».

Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости обработки и анализа изображений «комет», полученных методом «ДНК-комет», включая фильтрацию, сегментацию «комет», выделение их контура с определением границы «головы» и «хвоста», что позволяет повысить достоверность результатов при микроскопической морфометрии, необходимой для компьютеризации процессов биометрических исследований, проводимых при мониторинге широкого спектра повреждений ДНК, вызванных различными мутагенными факторами окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом «ДНК-комет», заключающий в том, что в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, вводят изображение с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости, выполняют поиск этих «комет» на изображении, выделяют их контур с определением границы «головы» и «хвоста», проводят микроскопическую морфометрию, при этом перед поиском «комет» на изображении выполняют оптимизацию уровней яркости изображения и низкочастотную фильтрацию с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области, затем выполняют сегментацию полученного изображения на основе порога яркости, определяемого как смещение от фона, нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», нахождение центра «головы» каждой «кометы», путем определения центра тяжести точек с интенсивностью свечения, близкой к максимальной, определение виртуальной границы «головы» и «хвоста», путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части «головы кометы», затем проводят микроскопическую морфометрию «комет», путем измерения: длины «кометы», «хвоста», диаметра «головы» и вычисления процентного содержания ДНК во всей «комете», «в хвосте», меры поврежденности ДНК и многие другие параметры, характеризующие степень поврежденности ДНК в зависимости от решаемой задачи, причем перечисленные операции осуществляются автоматически, одновременно над всеми «кометам» на изображении или серии изображений.

Способ осуществляется путем выполнения последовательности следующих процедур:

1. Ввод в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, изображения с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости.

2. Оптимизация уровней яркости изображения. Нулевая яркость - фон, максимальная яркость - центр головы «кометы».

3. Низкочастотная фильтрация по Гауссу (размытие) с большим радиусом, равным 1/10 радиуса средней «кометы», выполняется с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области. Для предотвращения слияния «комет», расположенных близко друг к другу, в интерактивном режиме используется корректировка радиуса размытия.

4. Сегментация полученных размытых областей выполняется на основе порога яркости. Порог определяется автоматически как смещение от фона (в изображении нет посторонних включений и других объектов кроме «комет»), но возможна коррекция порога в интерактивном режиме.

5. Нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», где под затравкой понимается произвольная точка, принадлежащая «комете».

Нахождение центра «головы кометы». Для определения могут использоваться два метода: по максимуму распределения интенсивности свечения точек «кометы» вдоль горизонтальной оси или по центру тяжести точек с интенсивностью свечения, превышающей 80% от максимума.

Определение виртуальной границы «головы» и «хвоста», путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части «головы кометы» (передняя часть - это часть до передней границы головы «кометы»).

Выполнение микроскопической морфометрии «комет», путем измерения: длины «кометы», длины «хвоста», диаметра «головы» и вычисления процентного содержания ДНК во всей «комете», «в хвосте», меры поврежденности ДНК и многие другие параметры, характеризующие степень поврежденности ДНК в зависимости от решаемой задачи.

9. Вывод значений полученных параметров каждой кометы выполняется в таблицу MS EXCEL для реализации постановки задачи пользователя, например для дальнейшего статистического анализа либо классификации «комет» по степени повреждения структуры ДНК.

Таким образом, в предлагаемом способе каждая область кометы определяется их сложным контуром, что повышает точность вычисления параметров, в отличие от известного способа, где границы «комет» определяются с помощью прямоугольной области, которая снижает точность вычисления параметров, необходимых для оценки повреждений (особенно, если повреждения слабо выражены) «ДНК-комет», так как в этом случае к «комете» могут быть отнесены и помехи, находящиеся рядом. Кроме того, в известном способе граница «головы» и «хвоста» определяется как прямая, перпендикулярная оси кометы и разделяющая комету на «голову» и «хвост». В предлагаемом способе применяется виртуальная граница, определяемая путем вычисления центра «головы кометы» и зеркального отражения распределения интенсивности свечения точек передней части «головы кометы». Это существенно повышает точность вычисления длины хвоста кометы и процентного содержания ДНК в «голове и в хвосте».

Следует отметить, что все перечисленные операции выполняются автоматически одновременно над всеми «кометами» на изображении или серии изображений.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом «ДНК-комет», заключающийся в том, что в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, вводят изображение с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости, выполняют поиск этих «комет» на изображении, выделяют их контур с определением границы «головы» и «хвоста», проводят микроскопическую морфометрию, отличающийся тем, что перед поиском «комет» на изображении выполняют оптимизацию уровней яркости изображения и низкочастотную фильтрацию с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области, затем выполняют сегментацию полученного изображения на основе порога яркости, определяемого как смещение от фона, нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», где под затравкой понимается произвольная точка, принадлежащая «комете», нахождение центра головы каждой «кометы» путем определения центра тяжести точек с интенсивностью свечения, близкой к максимальной, определение виртуальной границы «головы» и «хвоста» путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части головы кометы, затем проводят микроскопическую морфометрию «комет» путем измерения длины «кометы», «хвоста», диаметра «головы» и вычисления процентного содержания ДНК во всей «комете», в «хвосте» и меры поврежденности ДНК, причем перечисленные операции осуществляют автоматически, одновременно над всеми «кометами» на серии изображений.