Rus | Eng 
Меню
Новости
Технологии
О нас
Устав АТА
Порядок приема
Конференции
Семинары
E-Обучение
Полезные ссылки
Контакты
Поиск



Top
Рейтинг@Mail.ru
Основы медицинской радиобиологии.
Категория: Здоровье | Новость от: admin | 01-03-2017

Баджинян С.А.
Основы медицинской радиобиологии.
Действие ионизирующих и неионизирующих излучений на живые организмы

Учебник по медицинской радиобиологии для студентов медицинских факультетов

Аннотация
В книге рассмотрены основные вопросы медицинской радиобиологии с учетом накопленных в последние десятилетия знаний в области радиологии, радиационной медицины и в смежных научных дисциплинах – молекулярнной биологии, биофизике, иммунологии , физиологии, генетике и т.д. В книге представлены сведения о действии ионизирующих и неионизирующих излучений.
Книга состоит из 2-х частей:
В первой части рассмотрено действие ионизирующих излучений на живые организмы, касающееся начальных этапов развития лучевого поражения, основных принципов радиобиологии. Описаны эффекты облучения на уровне клеток, проведен анализ механизмов действия ионизирующих излучений на критические органы, ткани и системы oрганизма. Особое внимание уделено следующим разделам: классификация последствий облучения, управление радиобиологическими эффектами, радиопротекторы, и комбинированные /сочетанные/ радиационные поражения. В специальном разделе расмотрены отдаленные последствия облучения, космическая радиация, радиационная экология и контроль радиационной обстановки, экология населения и атомная энергетика.

Во втором разделе учебника рассмотрены вопросы радиобиологии неионизирующих излучений, где впервые описано воздействие электромагнитных полей на организм человека. В учебнике представлены: классификация электромагнитных полей, диапазоны
электромагнитного излучения и их распространение, воздействие на биологические объекты; влияние на организм человека электромагнитного поля Земли, солнечных лучей и геомагнитных изменений. Особое внимание уделено влиянию на организм человека современных техногенных излучений; компьютеров, мобильных телефонов, линий электропередач, бытовой техники, электромагнитная безопасность человека.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов биологических и медицинских факультетов.

Оглавление
Предисловие……………………………………………………………………...1
Введение…………………………………………………………………………..2
Часть первая. Действие ионизирующих излучений на живые организмы
Глава 1. Основные принципы радиобиологии…..........……………………4
1.1 Научные направления в радиобиологии ………………………….…..4
1.2 Принципы попадание и мишени в радиобиологии …………….……5
1.3 Этапы развития радиобиологии и основные достижения………..…8
1.4 Некоторые понятия и термины………………………………………..21
1.5 Прикладное значение радиобиологических исследований…...……23
Глава 2. Ионизирующие излучения.................................................................25
2.1 Природа ионизирующего излучения……......................………………...25
2.2 Источники ионизирующего излучения.....................................................26
2.3 Физические свойства ионизирующих излучений...................................26
2.4 Механическое воздействие ионизирующего излучения на живой организм................................................................................................................27
2.5 Дозы излучения и единицы измерения.....................................................31
2.6 Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения...................32
2.7 Свободные радикалы и повреждение клетки..........................................35
Глава 3. Лучевые поражения…………………....................…………………38
3.1 Молекулярный уровень воздействия........................................................40
3.2 Клеточный уровень воздействия...............................................................42
3.3 Организменный уровень воздействия......................................................43
3.4 Классификация последствий облучения..................................................45
Глава 4. Лучевая болезнь.................................................……………………..45
Глава 5. Онкология ………................................................................................47
Глава 6. Радиационная генетика……………………….................………….48
Глава 7. Радиационный гормезис……………..............…………......……....50
Глава 8. Радиочувствительность …………………………….....................…52
Глава 9. Радиочувствительность различных биологических видов.........54
Глава 10. Управление радиобиологическим эффектом……...................…57
10.1 Радиопротекторы........................................................................................58
10.2 Радиопротекторы и человек.....................................................................61
10.3 Изменение эндогенного фона радиорезистентности............................63
Глава 11. Профилактика радиационных поражений...................................64
Глава 12. Комбинированные и сочетанные радиационные поражения...66
Глава 13. Космическая радиация.....................................................................68
Глава 14. Отдаленные последствия облучения ...……………………….....72
Глава 15. Введение в радиационную защиту.................................................73
15.1 Радиационная защита и риск……………………………………………73
Глава 16. Экология населения и атомная энергетика............…………....75
Список использованной литературы……………………………...………...76
Часть вторая. Радиобиология неионизирующих излучений..……..…..80
Глава 1. ЭМ полей, виды и классификация ….………...............................81
1.1 Диапазоны электромагнитного излучения………..............................84
1.2 Характеристики электромагнитных волн.......................................... 86
Глава 2. Электромагнитные излучения радиочастот и сверхвысоких частот ....……………………………..…………………………………..………96
2.1 Как распространяются радиоволны .........................................................98
2.2 Основные источники электрических излучений радиочастот и сверхвысоких частот в повседневной жизни человека.............................101
Глава 3. Действие ЭМП на биологические объекты .................................109
Глава 4. Воздействия ЭМ полей Земли на организм человека ...............111
4.1 Влияние Солнечной активности на человека.......................................114
Глава 5. Влияние магнитных бурь на жизнь и здоровье человека.........119
5.1 Магнитная буря...........................................................................................121
5.2 Воздействие магнитных бурь на человека.............................................121
Глава 6. Вредное воздействие компьютеров ..........................…………….123
6.1 В чем состоит негативное влияние ПК...................................................125
6.2 От чего исходит электромагнитное излучение компьютера?............125
6.3 К чему приводит вредное воздействие ПК?...........................................126
Глава 7. Влияние электромагнитных полей ЛЭП на здоровье……...…129
Глава 8. Бытовая электротехника……………………..…………………....133
Глава 9. Электромагнитная безопасность человека………………….….137
9.1 Возможные биологические эффекты…………………………………..138
Глава 10. Электромагнитная безопасность человека...............................138
10.1 Защита от электромагнитных полей и излучений..............................138
Список использованной литературы……………………………………....139

ПРЕДИСЛОВИЕ

Актуальность знаний основ радиобиологии для врача любого профиля обусловлена вероятностью исполнения им своих функциональных обязанностей в чрезвычайных ситуациях мирного и военного времени. Радиационная опасность военного времени обусловлена следующими факторами:
- наличием больших запасов ядерного оружия у официальных его обладателей (США, Россия, Великобритания, Франция, Китай, Индия, Пакистан), что не исключает его боевое применение, несмотря на заключенные международные и межправительственные договоры о недопущении этого;
- совершенствование и производство новых типов ядерного оружия, что неизбежно ведет к снижению «ядерного порога», т.е. к возможности применения ядерного оружия на ранней стадии вооруженного конфликта;
- прогноз, согласно которому еще 10-12 государств, не включенных в систему коллективной «ядерной» безопасности, способны создать собственное ядерное оружие;
- широкое развитие ядерной энергетики, в частности более 40 стран мира имеют собственную атомную промышленность, атомные электростанции, подвижные, судовые, научно-исследовательские и другие энергетические установки, что обусловливает возможность формирования очагов массовых санитарных потерь при случайном или преднамеренном разрушении данных объектов.
Радиационная опасность мирного времени в свою очередь определяется факторами:
1. Широкое использование во всех сферах человеческой деятельности, в том числе в практике военного труда, источников ионизирующих излучений. Вследствие этого наблюдается значительный рост дозовой нагрузки на население, контактирующее с радиационными факторами. По оценкам специалистов, в развитых странах профессиональные контингенты, работающие с источниками ионизирующих излучений, составляют до 3,8 – 4,6% от численности населения, а к концу века прогнозируется их удвоение, что сопоставимо с численностью личного состава вооруженных сил ведущих государств мира.
2. Наличие радиационно дестабилизированных территорий. В СНГ радиационное неблагополучие отмечается на 10% территории.
3. В условиях повседневной деятельности радиационное воздействие на человека осуществляется в малых дозах, не приводящих к развитию острых поражений, но потенциально более опасных из-за высокой вероятности развития стохастических эффектов и хронической патологии (за счет иммунносупрессивного влияния биологически значимых радионуклидов).
4. До настоящего времени остается нерешенной проблема утилизации радиоактивных отходов.
5. Обострившаяся в последнее время проблема терроризма. При этом основные усилия террористов могут быть направлены именно против объектов ядерной энергетики.

Введение

Часть первая. Действие ионизирующих излучений на живые организмы
Глава 1. Основные принципы радиобиологии
Вековой опыт радиобиологических исследований позволяет сделать вывод о том, что в целом при изучении биологического действия ионизирующего излучения следует исходить из четырех основных принципов, касающихся особенностей взаимодействия ионизирующих излучений с живой системой и характера ее ответа на облучение:
1. принципа попаданий (дискретности ионизирующих излучений),
2. принципа мишени (структурной и функциональной гетерогенности клетки),
3. принципа усиления первичных радиационных повреждений в критических структурах-мишенях и
4. принципа системного ответа клетки на повреждение радиационных мишеней (регуляции клеточного гомеостаза).
Эти принципы в совокупности впервые изложены Ю.Б. Кудряшовым в 2001 2004 гг. Рассмотрение упомянутых принципов с позиции современной радиобиологии показывает, что достигнутый уже к началу нашего столетия уровень знаний в этой области может служить основой для построения общей теории механизмов действия ионизирующих излучений на живые системы и объекты. В радиобиологии используют специфические методы, используемые в различных ее разделах. Важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта.
1.1.Научные направления в радиобиологии.
Современная радиобиология состоит из многих научных направлений, основными из которых являются: радиационная биофизика, радиационная биохимия, радиационная цитология, радиационная генетика, радиационная иммунология, радиационная патофизиология, противолучевая защита, терапия радиационных поражений, радиационная гигиена, радиобиология опухолей, космическая радиобиология, радиационная экология, сельскохозяйственная радиобиология, радиобиология неионизирующих излучений.
Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний — биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами. Радиобиология граничит с научными дисциплинами, исследующими биологическое действие электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов и радиоволн миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Специфика радиобиологии обусловлена большой энергией квантов и частиц (a-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др.), значительно превосходящей энергию ионизации атомов, и способностью частиц проникать вглубь облучаемого объекта, воздействуя на все его структуры, составляющие их молекулы и атомы. В радиобиологии используют специфические методы, используемые в различных ее разделах. Важной чертой радиобиологических-методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта. Радиобиология является комплексной фундаментальной наукой, изучающей (в классическом понимании термина) действие электромагнитных и корпускулярных ионизирующих излучений на биологические системы и объекты разных уровней организации – от биомакромолекул, субклеточных структур, отдельных клеток и целостного организма до сложных экологических сообществ.
Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, в том числе и объяснение радиобиологического парадокса, управление радиобиологическими эффектами. В соответствии с объектами радиобиологических-исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:
- Радиобиология сложных систем (экологические системы, популяции, многоклеточные организмы, органы и ткани).
- Клеточная радиобиология (клетки, клеточные органеллы, биологические мембраны).
- Молекулярная радиобиология (макромолекулы, "малые" молекулы).
. В последние десятилетия к сфере радиобиологии стали относить также исследования биологических эффектов электромагнитных излучений неионизирующих диапазонов.

1.2. Принципы попадания и мишени в радиобиологии
На развитие радиобиологии как научной дисциплины существенно влияло появление гипотез и представлений о природе радиобиологических эффектов ионизирующих излучений. Многие из них, не получив дальнейшего развития, имеют сегодня лишь историческое значение. Но некоторые, сформировавшись еще на заре количественной радиобиологии в 20-30 годах, оказались совершенными и плодотворными и сохранились до настоящего времени, претерпев некоторые доработки. Это было связано с бурным прогрессом ядерной физики, молекулярной биологии и генетики. В первую очередь к ним относятся представления о прямом и непрямом действии радиации и принципы попадания и мишени. Большой вклад в развитие этих принципов в радиобиологической науке внес известный русский ученый Н.В. Тимофеев- Ресовский. Под его руководством в 40-х годах на Южном Урале возникла школа радиационной генетики.Рассмотрим основные положения принципов попадания и мишени, применяемые и сейчас в радиобиологии. В основе изменений, вызываемых ионизирующими излучениями в биологических системах, лежат два основных механизма:
- прямое действие, при котором молекула испытывает изменения непосредственно от излучения при прохождении через него фотона или заряженной частицы, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул;
- непрямое или косвенное, когда молекула получает энергию, приводящую к ее изменениям, вызванные продуктами радиолиза воды или растворенных веществ, а не энергией излучения поглощенной самими молекулами. Первичный этап действия ионизирующих излучений на организм представляет собой цепь последовательных событий, происходящих в его клетках, среди которых можно выделить следующие стадии. На первой - физической стадии, длящейся 10-15-10-13 с, происходит поглощение энергии излучения и взаимодействие ее с веществом. На второй - физико- химической стадии, завершающейся в течение первых 10-13с, возникают первичные свободные радикалы. На третьей - химической стадии, завершающейся в течение первых 10 с после облучения, происходит взаимодействие ионов и радикалов, появляются вторичные свободные радикалы и перекиси, а также осуществляется взаимодействие всех этих продуктов с веществами и структурами клетки организма. Ученые еще в 30-х годах столкнулись с таким парадоксом биологического действия ионизирующего излучения: несоответствие между ничтожным количеством поглощенной клеткой энергии излучения и вызываемым большим биологическим эффектом. При объяснении этого парадокса в количественной биологии были сформулированы принципы попадания и мишени. Одним из первых шагов в развитии этих принципов было сделано Ф. Дессауэром (1922). Он подошел к рассмотрению проблемы биологического действия ионизирующей радиации, исходя из физической природы излучения. Выдвинутая им гипотеза "точечного тепла" предполагала, что большой биологический эффект при относительно небольшой общей энергии объясняется тем, что она концентрируется в малых объемах, приводя их к микролокальному разогреву. Так как распределение "точечного тепла" является случайным, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки - мишени. На основе проведенных количественных опытов, раскрывающих закономерности радиобиологических реакций, Ф. Дессауэр предположил, что они осуществляются в том случае, если в клетке произошло определенное число " попаданий" в мишень. Применение принципа попадания или гипотезы "точечного тепла" было доказано лишь в отношении первичных физических " пусковых" механизмов любых возникающих далее в облученном веществе цепей реакции. Однако эта гипотеза не учитывала те физико-химические реакции, происходящие в клетках в результате поглощения ничтожно малого количества энергии, в результате которых возникали глубокие биохимические процессы. В дальнейшем его ученики Блау и Альтенбургер (1922) путем математических расчетов вывели общую формулу, лежащую в основе расчета кривых " доза-эффект", в которую входило число попаданий в определенный "чувствительный объем", необходимое для одной единицы реакции, например, гибели одной клетки . В последующих работах, выполненных Дж. Кроузером, Д.Е. Ли, К.Г. Циммером, Н.В. Тимофеевым-Ресовским и другими исследователями, были предложены и успешно использованы для анализа радиобиологических эффектов принципы попадания и мишени. В общем виде количественный анализ, основанный на принципе попадания, состоит в том, что полученные в эксперименте кривые "доза-эффект" интерпретируют на основании следующих физических принципов:
- ионизирующие излучения переносят энергию в дискретном виде;
- акты взаимодействия (попадания) не зависят друг от друга и подчиняются пуассоновскому распределения;
- исследуемый эффект наступает, если число попаданий в некоторую чувствительную область, так называемую мишень.
Оказалось, что при воздействии излучений на биологические объекты не всякая передача энергии ионизирующей частицей приводит к лучевому повреждению. Живая клетка и ее органеллы оказались гетерогенными в отношении чувствительности к облучению. Воздействие излучений на одни участки объема клетки приводит к повреждению, такое же воздействие на другие участки не сказывается на той функции, по которой судят о повреждении. Радиационный эффект в клетке возникает по принципу "все или ничего" в зависимости попадания или непопадания ионизирующих частиц в уникальную структуру. Это утверждение, основанное на экспериментальных фактах, получило название принципа мишени, согласно которому объем живых клеток гетерогенен по своей радиочувствительности: в нем имеются определенные участки (мишени), попадание в которые и только в них приводит к поражению . Радиационный эффект обусловлен одним или несколькими попаданиями ионизирующих частиц в клетку. В зависимости от того, сколько случаев попадания в мишень необходимо для поражения (один, два и т.д.), различают объекты одно-, двухударные и т.д. Отсюда по теории Пуассона легко получить кривые зависимости эффекта принципа дозы. Экспоненциальные кривые указывают на то, что одного попадания в чувствительный объем клетки достаточно для проявления радиационного эффекта. В реальных условиях эксперимента такую зависимость наблюдали при облучении макромолекул, бактериальных спор, некоторых одноклеточных организмов. На основании принципов попадания и мишени можно анализировать кривые "доза-эффект", полученные в эксперименте. В зависимости от вида объекта и характера излучения получают различные дозные кривые - от простых экспоненциальных до сигмоидальных с различной величиной "плеча" . Наиболее строго принцип попаданий применим к анализу поражения одноударных объектов. В этом случае можно рассчитать размеры и число мишеней. Применение этих принципов позволило впервые определить размеры некоторых макромолекул, вирусов, бактерий, генов, получить сведения о строении и функциях этих объектов. Наиболее значительным результатом теории мишени было установление того факта, что инактивация многих ферментов и вирусов является одноударной реакцией, а размер чувствительного объема часто близок к объему всей молекулы.По мнению Н.В. Тимофеева-Ресовского, действительно, принцип попадания не является теорией; это общее установление дискретной природы физических взаимодействий излучений с облученным веществом. Таким же общим принципом является принцип мишеней; в радиобиологии он отображает общее положение о крайней разнородности (с физической, химической и биологической точек зрения) облучаемого живого вещества (организм, ткани, клетки). Иначе говоря, принципы попадания и мишеней характеризуют основу первичных физических процессов, ведущих к возникновению радиационно-химических и радиобиологических реакций в облученных клетках. Интерпретация конкретных многоударных кривых с позиций теории мишени затруднительна. Пределы применимости принципов попадания и мишени не очень широки. Применение принципов попадания и мишеней наиболее эффективно в тех случаях, когда строятся гипотезы и теории механизмов таких радиобиологических реакций, которые являются результатом изменений определенных, известных внутриклеточных структур (таких, например, как мутации, хромосомные аберрации, гены и т.п.),. Многие радиационные эффекты, обусловленные изменением химического состава клетки в результате радиолиза ее компонентов или метаболическими процессами взаимодействия различных клеточных органелл, не подлежат интерпретации на основании этих принципов .

1.3. Этапы развития радиобиологии и основные достижения.
Первый этап развития радиобиологии (1896 г. – начало 20-х годов XX века)
Рождение радиобиологии было предопределено открытием Х- (рентгеновских) лучей, радиоактивности и первыми упоминаниями об их действии на живой организм. В декабре 1895 г. в Германии профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген передал физико-медицинскому обществу рукопись на 17 страницах с изложением открытия проникающих Х-лучей, которые вскоре стали называть именем их открывателя. Уже в январе 1896 г. брошюра Рентгена под названием «Новый род лучей» вышла в свет на русском, английском, французском и итальянском языках – открытие быстро стало достоянием мировой общественности. Далее последовали и другие фундаментальные открытия в физике. В марте 1896 г. профессор физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерель обнаружил новое явление – самопроизвольное испускание невидимых глазу проникающих излучений, исходящих от солей урана. Через два года Мария и Пьер Кюри выделили ранее неизвестные элементы (получившие названия радий и полоний), так же, подобно урану, испускающие излучения. Для обозначения подобных явлений был предложен термин «радиоактивность». Открытия в физике нашли очень быстрый отклик в биологических исследованиях. Дата рождения радиобиологии – начало 1896 г. – почти совпадает с датой открытия X-лучей. Уже в марте 1996 г., т.е. спустя всего четыре месяца после открытия X-лучей петербургский физиолог Иван Рамазович Тарханов (Тархнишвили, Тархан-Моурави) провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций». Первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу была опубликована в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, в которой авторы сообщили, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи. Очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Вполне понятно, что к необходимости дозировать излучения пришли в первую очередь рентгенологи, вынужденные эмпирически устанавливать хотя бы условные единицы биологических доз рентгеновских лучей. Так появилась первая единица измерения дозы – «кожно-эритемная доза» (нем. Haut Erythem Dosis, HED) – минимальная доза рентгеновского излучения, вызывающая при однократном облучении участка кожи определенного размера появление через неделю легкого покраснения, через 3 недели – коричневого окрашивания и через 6 недель – выраженной бурой пигментации. Дозиметрия, как раздел физики, задачей которого является количественная оценка испускаемой (экспозиционной) и поглощенной энергий излучения появилась значительно позднее. Невозможность количественно оценивать дозы облучения, а также незнание (или часто пренебрежение опасностью) было причиной гибели первых рентгенологов от лучевой болезни, вызванной их интенсивным облучением. В 1901 и в последующие годы появилось множество зарубежных и отечественных работ о лучевом поражении кожи (дерматиты, эритемы, лучевые ожоги и язвы, выпадение волос), а в 1902 г. описан первый случай лучевого рака кожи. Постепенно стало выясняться, что проникающая радиация, будучи невидимой и неощутимой, не только воздействует на кожу, но и вызывает лучевое поражение внутренних органов и тканей, а также гибель живых организмов ( эксперименты Е.С. Лондона в России, Г. Хейнеке в Германии и др.). Е.С. Лондон в 1903 г. впервые установил, что излучение радия при определенных сроках воздействия может оказывать летальное действие на мышей. Он был первым исследователем, показавшим, что под влиянием излучения радия наиболее ранние и выраженные изменения происходят в кроветворных, лимфоидных и половых органах. Сведения о высокой биологической эффективности нового вида излучений стимулировали настоящий бум исследовательских работ в области радиобиологии, характеризующий начальный, описательный период в истории этой науки. Постепенно накапливаются данные о различии в устойчивости отдельных биологических объектов и систем к летальному облучению и о высокой радиочувствительности процессов клеточного деления. В 1906 г. французские радиобиологи Ж. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали фундаментальный закон (правило) клеточной радиочувствительности: ионизирующее излучение оказывает тем большее повреждающее действие на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее они дифференцированы. По мере накопления фактов становилось ясным, что ионизирующие излучения, в зависимости от интенсивности и длительности облучения, способны вызывать повреждения и гибель любого биологического объекта, любой биологической системы. В 1918 г. в Петрограде был открыт первый в стране научный центр в области рентгенологии, радиологии и радиобиологии – Государственный институт рентгенологии и радиологии, организатором и директором которого стал известный рентгенолог М.И. Неменов. С первых лет существования важное место в деятельности Института занимали фундаментальные исследования в области радиационной генетики, радиационной биохимии и других радиобиологических направлений. Многочисленные исследования позволили радиобиологам придти к выводу о том, что лучевое поражение представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных изменений в организме, появление которых зависит от величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия, биологических особенностей организма, интенсивности метаболических процессов. Было обнаружено, что в облученном организме происходят изменения различных биохимических процессов: нарушения активности ферментов в различных органах и тканях, появление токсических веществ в крови (лейкотоксинов). Изучение динамики и механизмов формирования биохимических нарушений при лучевых поражениях стало одним из важнейших компонентов радиобиологических исследований и позволило собрать ценнейший материал для характеристики и классификации клинических проявлений радиационного эффекта. Однако, попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, так и не увенчались успехом. Поиски в облученном организме радиационно-индуцированных токсических веществ (радиотоксинов) показали, что последние представляют собой не что иное, как результат избыточного накопления продуктов нормально протекающих процессов, усиленного действием облучения. К началу 1920-х годов первый этап развития радиобиологии, характеризующийся в основном первоначальным накоплением описательных, качественных сведений об основных биологических эффектах ионизирующего излучения, заканчивается.
Второй этап развития радиобиологии (начало 20-х годов XX века – 1945 г.)
Изучение ионизирующего действия проникающей радиации на элементарные единицы вещества, создание количественной дозиметрии привело исследователей к установлению количественных принципов, связывающих радиобиологические эффекты с дозой облучения. Этим в 20-е годы XX в. начинается второй этап в развитии радиобиологии – этап «количественной радиобиологии», когда на первый план выходят исследования механизмов действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Начались интенсивные поиски критических биологических молекулярных и клеточных структур, а также органов и тканей облучаемых организмов, ответственных за развитие лучевого поражения, ведущего к смертельному исходу. Одновременно шло изучение и анализ количественных закономерностей зависимости биологических эффектов от величины доз облучения.Середина двадцатых годов ознаменовалась крупным открытием в радиобиологии – обнаружением в 1925-1927 гг. Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в экспериментах на дрожжевых клетках, а позднее Г. Мёллером (США) на дрозофиле эффекта радиационного мутагенеза, проявляющегося не только в повреждении «вещества наследственности», но и в образовании стойких необратимых изменений в нем, передающихся по наследству. Были получены строгие доказательства возникновения мутаций под влиянием облучения. Впервые биологи получили возможность экспериментально воспроизвести наследственную изменчивость. В это же время значительно совершенствуются методы дозиметрии излучений, вводится ионизационная единица дозы – рентген (1928 г.). Появляется возможность количественного анализа биологического действия излучений, основанного на выяснении зависимости между наблюдаемым биологическим эффектом и дозой радиации. Такие эксперименты проводились на колониях клеток, вирусах, препаратах ферментов. В этот период произошло осознание одной из важнейших особенностей биологического действия ионизирующих излучений – существования так называемого радиобиологического парадокса, состоящего в том, что энергия ионизирующих излучений при ее выражении в тепловом эквиваленте оказывается несопоставимо малой по сравнению с тем биологическим эффектом, который она вызывает. Попытки объяснить радиобиологический парадокс связаны с количественным анализом зависимости «доза-эффект» на одиночных клетках. Одним из первых это сделал в 1922 г. Ф. Дессауэр, предложив теорию «точечного тепла», объясняющую поражение клетки, исходя из дискретной природы излучений: в результате «порционных» актов взаимодействия излучения с веществом происходит сильный «точечный» нагрев в некоторых чувствительных микрообъемах, составляющих небольшую часть клетки. В результате «точечного нагрева» вещество в этих микрообъемах претерпевает значительные локальные изменения, обусловленные разрывом химических связей или активацией химических реакций. Поэтому даже очень небольшая общая энергия ионизирующего излучения способна вызвать поражение клетки и ее гибель. Основные идеи, сформулированные Ф. Дессауэром в теории «точечного тепла», получили дальнейшее развитие в виде «теории мишени», базирующейся на двух принципах – «принципе попадания» и «принципе мишени» (Дж. Кроутер, Д. Ли, Н.В. Тимофеев-Ресовский, К.Г. Циммер и др.). В соответствии с «принципом попадания» поглощение энергии в облучаемом объеме происходит в результате дискретных актов взаимодействия квантов излучения с веществом – т.н. «попаданий», пространственное распределение которых в облучаемом объекте имеет случайный характер. Таким образом, «принцип попадания» отмечает дискретность и вероятностный (случайный) характер актов взаимодействия излучения с веществом. Фактически попаданием считается возникновение акта ионизации каких-либо молекул в облучаемом объеме. В соответствии с «принципом мишени» клетка имеет в своем составе как исключительно важные для выживания области – т.н. «мишени», радиационное поражение которых приводит клетку к гибели, так и области, поражение которых относительно несущественно для выживания клетки. Таким образом, «принцип мишени» отмечает биологическую гетерогенность различных областей (микрообъемов) внутри клетки в отношении чувствительности к облучению. Вероятностный характер гибели клеток происходит в результате случайного распределения элементарных актов взаимодействия ионизирующего излучения с «мишенями». Теоретические представления о поражающем действии ионизирующего излучения на клетку, сформулированные в «принципе попадания» и «принципе мишени» дали большой поступательный импульс для дальнейшего развития количественной радиобиологии, превратив ее в одну из самых точных биологических дисциплин. Математический аппарат, развитый в этих работах, позволил с достаточной надежностью судить о «пусковых событиях», приводящих к регистрируемым в эксперименте биологическим реакциям (мутации, гибели клетки и др.) и оценивать параметры «мишени», ответственной за наблюдаемый радиобиологический эффект. Оказалось, что размер клеточной мишени примерно совпадает с размером клеточного ядра. В дальнейших исследованиях было показано, что основной критической структурой (т.е. «мишенью»), ответственной за поражение клетки ионизирующим излучением, является уникальная макромолекула ДНК, несущая генетическую информацию и расположенная в клеточном ядре. Сейчас хорошо известно, что лучевые нарушения генетических структур могут проявляться как сразу после облучения, так и отдаленно, у потомков, даже спустя нескольких поколений, становясь в организме причиной возникновения злокачественных опухолей, а также различных уродств развития. К середине 1940-х годов, однако, стало ясно, что количественная интерпретация зависимости эффекта от дозы с позиций теории мишени возможна лишь для очень ограниченного числа объектов, а именно для таких простых, элементарных объектов как вирусы или изолированные биомолекулы (например, ферменты). Выяснилось, что конечная ответная реакция на облучение сложной системы (например, гибель клетки) зависит не только от событий попадания в ДНК. Она зависит от системного ответа клетки и целостного организма на облучение, т.е. от ряда свойств самого биологического объекта, например от способности устранять или восстанавливать повреждения. Системный ответ также носит стохастический (т.е. вероятностный) характер, определяющий меру нестабильности биологической системы, усиливаемой действием излучения. Отсюда следует вывод, что количественная оценка системного ответа в зависимости от дозы облучения должна учитывать множественные стохастические взаимоотношения.
Третий этап развития радиобиологии (1945 – 1986 гг.)
Август 1945 года принес трагические последствия для жителей японских городов Хиросимы и Нагасаки, подвергшихся атомным бомбардировкам, сопровождавшимися помимо прочего высокими дозами облучения. Это событие стало рубежной вехой для вступления радиобиологии в третий этап своего развития. Как писал академик Н.П. Дубинин, «... в 1945 году были взорваны атомные бомбы в Хиросиме и Нагасаки. Стало ясно, какую угрозу таит в себе радиация, если ее обрушить на ... человека». Возникшую ситуацию в науке довольно точно охарактеризовал А.М. Кузин: «На первое место выдвигается проблема изучения тотального облучения высших организмов, проблема защиты организмов от вредного действия ионизирующей радиации, создание теоретических основ профилактики и лечения лучевой болезни. Возникает необходимость установления точных количественных закономерностей зависимости между биологическими проявлениями действия ионизирующей радиации и дозой, мощностью облучения, энергией элементарных частиц и видом радиации». Среди перечисленных проблем особое внимание радиобиологов привлекает изучение первичных и начальных физико-химических процессов в облученном организме и, в связи с расширением масштабов испытания ядерного оружия, радиоэкологическая проблема глобального изменения радиационного фона.Действительно, вскоре создаются мощные арсеналы ядерного оружия, расширяются масштабы его испытания. В атмосферу выбрасывается большое количество искусственных радионуклидов, выпадающих с осадками на поверхность Земли и распространяющихся на значительные расстояния, создавая обширные очаги радиоактивного загрязнения. В 1955 г. создается специальный Научный комитет по изучению действия атомной радиации при ООН (НКДАР). В результате своей деятельности НКДАР собрал и обобщил огромный фактический материал по поражающему действию атомной радиации на человека. На основе этого материала в радиобиологии сложилась « парадигма», согласно которой в любых дозах «атомная радиация вредна и только вредна для живых организмов». В этот период был накоплен огромный материал по общей картине лучевого поражения у млекопитающих и патогенезу лучевой болезни человека (Б. Раевский, А.К. Гуськова, Г.Д. Байсоголов и др.). Получают также новый импульс исследования молекулярных механизмов действия излучений. Этому предшествовал ряд достижений в области биофизики и молекулярной биологии, в частности, получение доказательства биологической роли ДНК как главного вещества наследственности и расшифровка ее структуры. Еще в начале 40-х гг. XX столетия при анализе физико-химической природы процессов, происходящих в период между первичным поглощением энергии излучения и конечным биологическим эффектом, было обнаружено появление высокоактивных продуктов радиолиза воды – свободных радикалов, способных диффундировать на значительные расстояния и поражать биологические структуры. Радиационная биофизика начинает оперировать представлениями о «непрямом действии» («косвенном действии») излучения, опосредованном активными продуктами радиолиза воды. Были изучены физико-химические свойства первичных продуктов радиолиза воды и характер их взаимодействия с макромолекулами клетки. В 1942 г. У. Дейлу удается снизить поражающее действие радиации на ферменты введением в раствор ряда веществ – перехватчиков радикалов. В 1948 г. был получен защитный эффект в опытах с бактериофагами. Эти работы логически привели радиобиологов к открытию, практическую важность которого трудно переоценить: в 1949 г. была доказана способность ряда веществ защищать млекопитающих от лучевого поражения. В опытах Г. Патта с соавторами введение цистеина за 10 мин до облучения защищало крыс от неминуемой гибели (т.е. от действия радиации в «минимальной абсолютно летальной дозе»). 3. Бак и А. Эрв обнаружили аналогичное действие цианида на мышах. В условиях, когда человечеству реально грозила гибель от ядерного оружия, исследования в области химической защиты организма от ионизирующих излучений стали весьма востребованы и актуальны. Во многих лабораториях мира начинается интенсивный поиск эффективных радиозащитных препаратов. Формируется самостоятельное направление радиобиологии – выяснение механизмов модифицированной радиочувствительности биологических объектов. Помимо практической значимости, эти работы представляли теоретический интерес, поскольку параллельно были детально исследованы многие физико-химические процессы как возможные точки приложения радиозащитного действия химических препаратов. Именно в этот период времени в радиобиологии интенсивно исследуется т.н. «кислородный эффект» (способность кислорода усиливать действие ионизирующих излучений) и его механизмы (Л. Грей и др.). Выдвигается гипотеза необратимой «пероксидации» (или «кислородной фиксации») первичных радиационных повреждений (П. Говард-Фландерс, Т. Альпер), сыгравшая исключительно важную роль в развитии представлений о начальных механизмах радиационных повреждений. Наблюдения, согласно которым многие эффективные радиозащитные препараты понижают содержание кислорода в тканях животных, стимулировали углубленное изучение ряда новых противолучевых средств ( работы Н.Н. Суворова, П.Г. Жеребченко, С.П. Ярмоненко). Первоначально были высказаны гипотезы, связывающие защиту исключительно с инактивацией свободных радикалов и торможением свободнорадикальных окислительных процессов. Эти гипотезы находили хорошее подтверждение в модельных экспериментах на простых молекулярных системах. Однако для сложных биологических систем такого объяснения было явно недостаточно. Анализ физиологических и биохимических изменений, возникающих в тканях животных после введения радиозащитных соединений, привел в середине 60-х гг. 3. Бака и П. Александера к формулированию гипотезы «биохимического шока», согласно которой различные радиопротекторы однотипно изменяют метаболические процессы, переводя клетки в состояние повышенной устойчивости к действию ионизирующей радиации.В дальнейшем появился ряд обширных исследований, посвященных анализу конкретных биохимических изменений, возникающих под влиянием радиозащитных агентов и модифицирующих радиорезистентность организма. Возникли гипотезы «комплексного биохимического механизма действия радиозащитных средств». Несмотря на стремление некоторых исследователей придать исключительное значение какому-то одному фактору, экспериментальные данные указывали на существование альтернативных путей реализации защитного эффекта даже для одного и того же радиопротектора.В 70-е гг. Е.Н. Гончаренко и Ю.Б. Кудряшов установили, что различные радиозащитные агенты к моменту своей максимальной эффективности снижают в тканях животных уровень продуктов перекисного окисления липидов – природных сенсибилизаторов лучевого поражения – и увеличивают содержание биогенных аминов, которые, наряду с тиолами и другими антиокислителями, относятся к эндогенным противолучевым веществам. На основании этих данных была выдвинута гипотеза «эндогенного фона радиорезистентности» (1980). Анализируется модифицирующее действие кислорода, температуры и других агентов, влияющих на развитие лучевого поражения биологических объектов. Большое число работ посвящается проблеме миграции энергии и заряда в облученной системе. Проводится также изучение роли свободных радикалов, относительного вклада прямого и непрямого действия ионизирующей радиации, накопления радиотоксинов в формировании радиобиологического эффекта.Значительный вклад в расшифровку первичных молекулярных механизмов лучевого поражения внесли пионерские работы Б.Н. Тарусова и его школы. В середине 50-х гг. в лаборатории Б.Н. Тарусова было обнаружено, что высшие ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав клеточных липидов, обладают значительной уязвимостью к радиационному воздействию, а продукты перекисного окисления липидов во многом имитируют действие излучения на разнообразных биологических объектах и системах: например, продукты окисления высших ненасыщенных жирных кислот обладают радиомиметическими и радиосенсибилизирующими свойствами. Согласно выдвинутой Б.Н. Тарусовым теории, ионизирующее излучение инициируют цепные процессы перекисного окисления липидов, в которые вовлекаются множественные субклеточные структуры. Эта теория физико-химического механизма радиационного повреждения и его усиления позволили объяснить многие радиобиологические феномены: развитие лучевого поражения во времени, влияние на этот процесс температуры, газового состава атмосферы и т. д.Для развития этих представлений большое значение имели классические исследования механизмов окислительных реакций, проведенные Н.Н. Семеновым и его школой. Появилось значительное количество работ Н.М. Эмануэля, Е.Б. Бурлаковой и ряда других авторов, посвященных выяснению механизмов окисления липидов, индуцированного ионизирующей радиацией, и антиокислительных защитно-восстановительных процессов в биологических мембранах клетки. Открытие и изучение биохимической системы антиокислительной защиты, состоящей из ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов, играющей важную роль в формировании радиорезистентности клетки и организма, явилось значительным вкладом радиобиологии в биологическую науку. Было установлено, что активные формы кислорода (содержащие кислород радикалы и другие нестабильные соединения) возникают не только после облучения, но продуцируются и метаболически, вызывая повреждения клеточных структур и патологические состояния организма. Предложенная защита от таких повреждений стала важным способом лечения, используемым при многих заболеваниях. Радиобиологи и биофизики (Н.М. Эммануэль и Б.Н. Тарусов – руководители коллектива) за цикл работ « Физико-химические механизмы свободно-радикального перекисного окисления липидов в биологических мембранах», опубликованных в 1954-1981 гг., стали в 1984 г. лауреатами Государственной премии.Углубленные исследования лучевого поражения привели также к исключительно важному в радиобиологии выводу о наличии в клетке репарационных (восстановительных) процессов, устраняющих первоначальные радиационные повреждения. Феномен клеточного восстановления от радиационного поражения, описанный в 1960-е годы благодаря развитию методов культивирования клеток, начинает приобретать объяснение на молекулярном уровне: открыты и детально проанализированы механизмы восстановления ДНК от радиационных повреждений. Это стало крупнейшим вкладом радиобиологии в науку о живом. Оказалось, что в клетках функционирует сложнейший комплекс ферментных систем, поддерживающих структурную целостность генома. К одной из них относят разнообразные ферменты репарации ДНК, распознающие дефекты ее структуры, «ремонтирующие» ее при лучевых повреждениях путем специфического устранения различных повреждений и восстановления структуры и функций ДНК, а вместе с тем и нормального клеточного деления. Было обнаружено несколько механизмов восстановления ДНК от повреждений: фотореактивация; эксцизионная репарация нуклеотидов и оснований; рекомбинационная репарация и репарация путем некомплементарного сшивания концов ДНК. Показано, что функционирование систем восстановления ДНК зависит от состояния внутриклеточного метаболизма, интенсивности энергетических процессов клетки. Таким образом, стал понятным молекулярный механизм известных радиобиологических эффектов, таких как зависимость лучевого поражения от условий пострадиационного культивирования клеток, состояния метаболических систем и других физиологических факторов. В зависимости от величины дозы облучения, восстановление ДНК может оказаться полным или частичным, и от этого зависит выживаемость пораженной клетки. Становится общепринятым рассмотрение конечного радиобиологического эффекта как результата интерференции двух противоположно направленных процессов: реализации первичного поражения и его устранения при помощи систем репарации. Важную роль в развитии радиобиологии сыграла структурно-метаболическая теория лучевого поражения, сформулированная и развивавшаяся А.М. Кузиным. Эта теория предполагает, что множественные структурные повреждения клеточных органелл приводят к дезорганизации метаболизма в клетке. Результатом этого может быть не только гибель облученной клетки, но и нарушение жизнедеятельности и гибель соседних и даже находящихся на удалении от нее клеток (так называемый дистанционный эффект радиации).На фоне исследований механизмов повреждения и восстановления критических структур периодически, начиная с работ 3. Бака и П. Александера (1955 г.), обсуждался вопрос о том, являются ли эти механизмы специфичными только для ионизирующих излучений или данный системный ответ является общебиологическим явлением, свойственным любой клетке, реагирующей на любые внешние воздействия?В 60-е гг. В.П. Парибок высказал предположение, согласно которому известная способность репаративных систем устранять радиационные повреждения ДНК – это лишь одно из проявлений неспецифической реакции живой системы на повреждающее воздействие. Иначе говоря, отмечается, что в клетках «заложены» системы, поддерживающие нормальную, стационарную динамику состояния ее структур и стандартно реагирующие изменением на любое повреждающее воздействие. Имеющийся в настоящее время большой фактический материал отечественных и зарубежных школ позволяет говорить о конкретных механизмах стрессовой реакции, развивающейся в результате изменений окислительно-восстановительного гомеостаза в клетке при радиационном воздействии. Облучение, так же, как и любой раздражитель, вызывает в клетке «оксидативный стресс», проявления которого зависят от величины дозы и продолжительности воздействия. Он состоит из двух основных взаимосвязанных процессов: оксидативного, развивающегося в результате накопления прооксидантов, и сдерживающего его процесса, осуществляемого посредством мобилизации запасов защитных ресурсов клетки – системы ферментных и низкомолекулярных антиоксидантов. Соотношение скоростей конкурирующих между собой процессов окисления и восстановления в уникальных клеточных структурах в конечном итоге и определяет вероятность развития радиационно-обусловленного патологического процесса.К середине 1980-х годов, в основном, завершился исследовательский бум в отношении поиска новых синтезированных химических радиопротекторов. Эйфория, имевшая место в 1950-1960-е годы, когда казалось, что вот-вот будут получены препараты, способные обезопасить человека от больших доз ионизирующего излучения, прошла. Наиболее эффективные из химических радиопротекторов, разработанные в 1960-1970 гг., действительно проявляли довольно высокие защитные свойства в экспериментах на лабораторных животных. Однако, в отношении человека эти препараты были слишком токсичными и имели опасные побочные эффекты, что практически исключало их использование на практике. Кроме того, высокая токсичность химических радиопротекторов, эффективных при однократном облучении, не допускала их многократного использования при хроническом облучении. Поэтому исследовательские предпочтения в этой области стали постепенно отдаваться изучению не таких эффективных, но зато менее токсичных препаратов природного происхождения, обладающих противолучевыми свойствами.К этому же времени у радиобиологов значительно возрос интерес к эффектам и механизмам действия малых доз ионизирующих излучений.
Четвертый этап развития радиобиологии (с 1986 г. по настоящее время)
Казалось бы, в почти вековой истории радиобиологии фундаментальные исследования в основном завершились. Однако, как это бывало и ранее, социальные проблемы внезапно поставили перед радиобиологами принципиально новые задачи. Так, можно считать, что авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г., снятие секретов с информации о ее последствиях, а также последствиях других радиационных аварий и ядерных испытаний, открыли новый, четвертый этап в истории радиобиологических исследований. Как известно, на ЧАЭС произошла крупнейшая техногенная катастрофа глобального масштаба: следы ее фиксировались от Филиппин до Канады и Южной Америки. Миллионы кюри искусственных радионуклидов, поступивших в биосферу за короткое время, практически впервые после запрета, введенного в начале 1960-х гг. на проведения ядерных испытаний в атмосфере, явились тем фактором, с которым нельзя не считаться и в настоящее время. Формы поступления, характер миграции, пути накопления и рассеивания чернобыльских радионуклидов, особенности их хронического действия в малых дозах на живые организмы и человека – все это потребовало незамедлительного и тщательного изучения. Стало очевидно, что для решения проблем, возникших после Чернобыльской катастрофы, накопленные знания и имеющийся опыт традиционной радиобиологии и медицины оказываются явно недостаточными, и поэтому в современной радиобиологии стали быстро развиваться новые направления, к которым, в первую очередь, следует отнести:
1. изучение биологического действия малых доз ионизирующих излучений и отдаленных последствий облучения;
2. исследование комбинированных эффектов различных радионуклидов с химическими загрязнителями среды;
3. поиск принципиально новых средств защиты от хронического облучения.
Наиболее важными оказались фундаментальные исследования механизмов радиобиологических эффектов, вызываемых слабыми воздействиями, поскольку оказалось, что эффекты, вызываемые ионизирующими излучениями в малых дозах, нельзя оценивать путем простой экстраполяции данных, полученных при больших дозах, в область малых доз. Действительно, открылись принципиально новые явления при изучении эффектов малых доз. Это и повышенная чувствительность биообъектов к воздействию радиации в сверхмалых дозах, переходящая к повышенной радиорезистентности – адаптивному ответу – при более высоких нелетальных дозах. Это и стимулирующее действие излучений на рост, развитие и другие физиологические показатели (эффект гормезиса). Вместо априорно принятой ранее концепции линейной зависимости «доза-эффект», радиобиологи пришли к выводу о том, что в диапазоне малых доз эта зависимость имеет немонотонный, синусоидальный характер. При этом в качестве мишени при действии малых доз ионизирующего излучения некоторые исследователи стали рассматривать не только ДНК, но и биологические мембраны. На рубеже двух столетий внимание радиобиологов привлекло еще одно принципиально важное радиобиологическое явление – способность облученной клетки передавать сигналы (путем контактов или секреции в межклеточное пространство цито- и генотоксических веществ), действующие на соседние необлученные клетки подобно облучению. Это явление, получившее название «эффекта свидетеля», давно было замечено при исследовании радиотоксинов, экстрагированных из органов и тканей тотально или локально облученных животных и растений, а также из одиночных клеток. В настоящее время ведутся интенсивные исследования химической природы секретируемых веществ и механизма их действия. Новый импульс получили исследования в области разработки биологических препаратов, обладающих противолучевыми свойствами. Появилась необходимость в препаратах природного происхождения (в частности, в виде пищевых добавок), способных, не оказывая побочного токсического действия на организм, снижать или предотвращать эффекты хронического низкоинтенсивного облучения. Исследуются также средства, способствующие выведению радионуклидов из организма. Не менее актуальны и остры задачи проведения программ медицинской реабилитации облученного населения. Огромное внимание уделяется вопросам совершенствования гигиенического нормирования ионизирующих излучений. Современный период, связанный с проблемами радиоэкологического кризиса, диктует также необходимость осуществления постоянного мониторинга и широкомасштабных исследований в области радиоэкологии.В настоящее время неуклонно растет использование ионизирующего излучения в медицине для лечения опухолевых заболеваний. Поэтому радиобиология опухолей постоянно развивается и является очень важной областью применения основных экспериментальных подходов и принципов, сформулированных общей радиобиологией. Разрабатываются средства и способы как усиления поражающего действия излучения на опухолевые клетки, так и его ослабления в отношении нормальных клеток.
1.4. Некоторые понятия и термины
Ионизирующее воздействие фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) на биологический материал опосредованно; сами по себе они не могут химически или биологически повредить клетку. Фотоны взаимодействуют с атомами или молекулами, например, с молекулами воды, что приводит к образованию высокоактивных короткоживущих свободных радикалов, которые проникают в критические структуры клетки, такие как ДНК и, возможно, мембраны, и разрушают химические связи. Чувствительность разного биологических материалов к действию ионизирующего излучения существенно различно.Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характеризующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ионизирующих излучений. Чем больше возникает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувствительна, и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать патологических изменений при действии ионизирующих излучений характеризует степень их радиорезистентности, т.е. устойчивости к радиации. В онкологии под радиочувствительностью (радиорезистентностью), понимают скорость и степень реакции опухоли в ходе лечения. Радиокурабельность отражает степень реализации предположения об уничтожении опухоли, с учетом ограничений, таких как устойчивость нормальной ткани. Эти два свойства не обязательно коррелируют: опухоль может быть высоко чувствительной, но радиоинкурабельной (лейкемия и миелома) или относительно радиорезистентной и радиокурабельной (т.е. плоскоклеточные ороговевающие карциномы головы, шеи и шейки матки). Примером опухоли, одновременно проявляющей свойства радиочувствительности и радиокурабельности, может служить лимфогранулематоз. Почечно-клеточные карциномы и злокачественные меланомы являются радиорезистентными и радиоинкурабельными. Различные организмы, а также различные органы и ткани всех растительных и животных организмов также обладают разной радиочувствительностью. Наибольшей радиочувствительностью у человека обладают половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки) и белые кровяные тельца (лейкоциты). Очень чувствительны к действию ионизирующей радиации костный мозг, селезенка и лимфатические узлы, т.е. органы кроветворения. Весьма чувствителен также эпителий желудочно-кишечного тракта. Изучение деятельности физиологических систем, в частности, нервной, показало высокую чувствительность центральной нервной системы к действию даже малых доз радиации на организм. Костная и мышечная ткани являются наименее чувствительными к действию ионизирующей радиации, т.е. они наиболее радиорезистентны. Клеточная радиочувствительность - интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. Синонимом радиочувствительности является радиопоражаемость. Термин радиочувствительность применяется также и по отношению к тканям, органам, организму в целом, биологическим видам и др. При равной радиочувствительности биологических объектов степень их поражения определяется, прежде всего, дозой излучения. Уже в период ранних радиобиологических наблюдений, имевших преимущественно описательный характер, стало очевидно, что повреждающее действие ионизирующих излучений на биообъекты носит дозозависимый характер. Построение графиков типа «доза-эффект» позволило сравнивать радиочувствительность биообъектов, сопоставляя дозы излучения, вызывающие в них равные по величине эффекты, а также оценить способности некоторых веществ («радиомодификаторов») изменять радиочувствительность биологических объектов. В качестве основного показателя радиомодифицирующей эффективности вещества используют отношение доз излучения, вызывающих один и тот же эффект в биообъекте в присутствии и в отсутствии радиомодификатора. Такой показатель получил название фактора изменения дозы (сокращенно – ФИД).
ФИД = СД50 с радиопротектором / СД50 без радиопротектора
Радиочувствительность клеток зависит от их физиологического состояния; при усилении функциональной активности повышается радиочувствительность. Быстро размножающиеся клетки млекопитающих проходят четыре стадии цикла: митоз, 1 промежуточный период (GI), синтез ДНК и II промежуточный период (G2). Наиболее чувствительны к облучению клетки в фазах митоза и G2 (которая непосредственно предшествует митозу). У клеток, находящихся в начальной стадии усиленного деления, радиочувствительность резко возрастает. На этом основан принцип лучевого лечения злокачественных опухолей. Незрелые формы клеточных элементов (зародышевые и молодые ткани, а также органы в период их формирования) более чувствительны к действию радиации. Максимальная резистентность к радиации наблюдается в период синтеза ДНК. Среди зрелых форм клеточных элементов радиочувствительность тем меньше, чем больше срок жизни клеточного элемента (т.е. чем он старее). Важными определяющими факторами острой или поздней реакции тканей являются кинетические характеристики дифференциации и пролиферации, некоторые ткани могут демонстрировать оба типа токсичности. Острая реакция развивается в ходе лечения или спустя несколько недель. К остро-реагирующим тканям относятся: кожа (десквамация), слизистая оболочка кишечника, тромбоциты и лейкоциты. Развитие поздней реакции наблюдается в период от нескольких месяцев до года, такая реакция свойственна костям, костному и спинному мозгу, таким внутренним органам, как легкие, печень, почки, молочная железа и половые железы. В коже возникает фиброз. Для прогнозирования реакции опухоли на облучение разработаны специальные клинико-лабораторные критерии. Например, клинико-иммунологические критерии применяются для прогнозирования реакции опухоли на облучение у больных раком молочной железы.
1.5. Прикладное значение радиобиологических исследований
Закономерности биологического действия ионизирующих излучений используются для обоснования мероприятий по обеспечению радиационной безопасности и разработки средств медицинской защиты при лучевых поражениях. Радиобиологические данные - основа для регламентации радиационных воздействий при использовании источников ионизирующих излучений в науке, в медицине, технике, сельском хозяйстве и т.п. Эти аспекты входят в компетенцию смежной научной дисциплины – радиационной гигиены. В послевоенный период были апробированы тысячи препаратов в поисках эффективных модификаторов лучевого поражения. Некоторые из них ослабляли поражение при однократном введении в организм до облучения, но были неэффективны в пострадиационный период. Такие препараты получили общее название радиопротекторов. Относясь к веществам разных химических классов и обладая различными механизмами противолучевого действия, они имеют сходство в характере влияния на клеточный метаболизм: введенные в радиозащитных дозах, эти препараты всегда отклоняют его параметры за пределы физиологической нормы. «Биохимический шок», обусловливает сравнительно высокую токсичность радиопротекторов при введении в радиозащитных дозах, особенно при многократном введении. В случаях внезапности или продолжительности возможного облучения, когда радиозащитные средства необходимо вводить многократно и длительно, радиопротекторы не применимы. В ходе поиска менее токсичных препаратов, пригодных для систематического приема, были получены препараты, дающие небольшой, но зато не сопряженный с неблагоприятным побочным действием радиозащитный эффект. Такие противолучевые средства выделены в самостоятельную группу средств повышения радиорезистентности организма. Препараты, влияющие на развитие начальных этапов лучевого поражения и тем самым ослабляющие его тяжесть при введении в ранние сроки после облучения, называются: «средства ранней патогенетической терапии лучевых поражений». В отдельную группу выделяют средства борьбы с проявлениями первичной реакции на облучение. Изучение механизмов действия ионизирующих излучений позволило обосновать принципы применения средств терапии в период разгара лучевых поражений. В профилактике и лечении лучевых поражений большое значение имеют также средства дезактивации, предназначенные для удаления радиоактивных веществ из объектов внешней среды и с поверхности тела, и средства профилактики внутреннего облучения - препараты, препятствующие инкорпорации радионуклидов и способствующие выведению их из организма. Способность ионизирующих излучений вызывать повреждение и гибель клеток представляют практический интерес и как основа лучевой терапии при злокачественных новообразованиях, получающей все большее распространение. Раскрытие радиобиологических закономерностей необходимы для использования новых видов излучений, выбора рациональных режимов облучения, применения радиосенсибилизирующих средств, сочетания с другими способами воздействия на опухоль (химиотерапия, гипертермия). Здесь тоже снижение степени повреждения здоровых тканей оказывается существенным аспектом оптимизации лучевой терапии. Для радиобиологических исследований характерен подход, заключающийся в последовательном изучении процессов на всех уровнях биологической организации от молекулярного до организменного, строгом количественном анализе полученных материалов. Исследователь имеет возможность воздействовать излучением как на всю глубину биологического объекта, так и строго локально. Все это определяет высокую надежность и информативность сведений, получаемых радиобиологическими методами. Благодаря этим особенностям именно радиобиологические данные позволили раскрыть возможности ферментативной репарации повреждений ДНК, обнаружить и уточнить содержание кооперативных межклеточных взаимодействий в иммунных реакциях, установить основные закономерности дифференцировки клеток крови, решить важнейшие проблемы молекулярной биологии, мутагенеза, онкогенеза, геронтологии и т.п.
Таким образом, можно назвать следующие три основные области применения радиобиологии :
1. защита от вредных эффектов облучения;
2. совершенствование методов лучевой терапии;
3. радиобиологические методы как инструмент познания общебиологических закономерностей.


Продолжение

Банеры
Наши партнёры

The 2nd International Congress on Naturopathic Medicine

NewPOL Network
ՆյուՊոլ ցանց

ЦЕНТР "ИКАР"
EU 7TH FRAMEWORK PROGRAMME
PARADIGMA ARMENIA
GIS.am
АРМЕНМОТОР
ГУ-ВШЭ
ЕРЕВАК
Проекты АТА
Центр Здоровья и Долголетия
Путеводитель по Армении
Негорючая электропроводка. Эластичные чулки из быстро высыхающей гели с лечебными свойствами.
Создание на основе природных компонентов эффективного антикаогулянта, дешевого и без побочных явлений.
Инновационные проекты в области возобнавляемой энергетике.
Сигареты с лечебными свойствами.
Бизнес планы
Разведение форели
Разведение сомов
Разведение осетровых
Разведение собак
Амарант
Молочная ферма
Производство сыра
Топинамбур, новые сорта и комплексная переработка.
Получение фруктозы
Сахарный завод
Конячный завод
Винный завод
Биогумус
Armenian Innovation Center