Особенности радиобиологии

1

ВВЕДЕНИЕ 

      Всякая научная дисциплина или предмет наряду со специальными или частными содержит определенный круг вопросов, имеющих отношение к любому аспекту изучаемой проблемы.

      В наибольшей степени это относится к пограничным дисциплинам, находящимся на стыке наук, ибо постигающему основной предмет неизбежно приходится осваивать определенный объем знаний из смежных дисциплин.

      Типичным пример такого рода - радиобиология, где изучению закономерностей главного феномена - биологического действия ионизирующего излучения на разных уровнях организации живых систем - предшествует необходимость овладения основными сведениями из общей и ядерной физики, цитологии, генетики, биохимии и др.

      Двадцатому веку последовательно приписывали три наименования -  атомный, космический и век биологии. Согласно ряду ученых, первое  определение наиболее емко. Так, есть все основания полагать, что успехи в познании тайн атомного ядра и управлении его энергией окажут решающее влияние на все проблемы жизни. Однако это не единственная точка зрения. Мы предполагаем, что в данном случае - это век тесного слияния научных открытий в области ядерной физики и биологии.

      В данном курсе лекций мы не будем излагать подробно сведения о строении атомного ядра, радиоактивности, других элементах ядерной физики, известных Вам из предыдущих курсов лекций, включая и радиационную биофизику.

      Итак, радиобиология - молодая наука, изучающая действие на организм (человека, животных, растений, бактерий) излучений высокой энергии.

      Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма.

      Задача эта невероятно трудна прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н.В.Тимофеева-Рессовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакции биологического объекта вплоть до летального эффекта.

      Несмотря на существующие в природе колоссальные различия в чувствительности к ионизирующим излучениям отдельных объектов, облучение в дозе 10 Гр убивает всех млекопитающих. Что же представляет собой такая доза по суммарной энергии, поглощенной в организме при облучении? Если условно перевести эту энергию без потерь в тепловую энергию, то окажется, что организм человека нагреется лишь на 0,001°, т.е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая. В то же время человек переносит без очевидного вреда для себя воздействие видимого им инфракрасного излучения в гораздо большем энергетическом выражении.

      Этот радиобиологический парадокс может быть объяснен лишь тем, что каждая частица или квант ионизирующего излучения при взаимодействии с тканями организма порождает в них качественно новые, более глубокие изменения, чем многочисленные кванты оптического излучения. И ключевую роль в этом взаимодействии играет первая, физическая стадия процесса, приводящая к эффекту ионизации.

      Сколько атомов подвергается ионизации при облучении в той же смертельной дозе  10Гр?  Косвенное представление об этом может быть получено из рассмотрения следующего примера. Оказывается, что  если подвергать воздействию непрерывного излучения какое-либо вещество, по плотности соответствующее живым тканям, с интенсивностью, создающей смертельную дозу в течение 1 часа, то половина его атомов превратилась бы в ионы  лишь через 1000 лет.

      Наконец небезынтересно знать, что в 1 мкм³ ткани доза 10 Гр, исходя из расчетов Д.Ли, создает около 200 ионизаций, т.е. примерно такое же количество, как и число реагирующих молекул, а так как в  1 мкм³ ткани содержится около 10 атомов, то смертельная доза 10 Гр приведет к изменению ничтожно малой доли молекул в данном объеме.

      Причина того, почему ничтожное количество поглощенной в организме энергии приводит к катастрофе, составляет загадку радиобиологического парадокса, раскрытие ее могло бы решить основную задачу радиобиологии. Для этого необходимо привлечение сведений и методов из ряда смежных дисциплин - физики, химии, биохимии, физиологии, патологии, генетики и цитологии (рис.1). 
 

 

                                                                                             

                                                                                     

                                       

                                                                                                     
 
 

Рис.1. Связь радиобиологии с другими дисциплинами 
 

      В процессе изучения многочисленных радиобиологических эффектов сформировались специфические экспериментальные методы решения соответствующих проблем в модельных системах, на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.

      Отметим еще одну важнейшую особенность биологического действия ионизирующей радиации: ее незримость, неощутимость.  В отличие от лучей оптического диапазона (ультрафиолет, инфракрасные и видимой области 400-700 нм) и даже радиоволн, вызывающих в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующая радиация даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируется. 
 

            Особенности радиобиологии 

      1) Одной из особенностей радиобиологии является то, что это  экспериментальная дисциплина. Ни одно утверждение в радиобиологии не может быть воспринято серьезно, если оно не имеет путей экспериментальной проверки. При этом наиболее ценны экспериментальные результаты, позволяющие охарактеризовать изучаемое явление количественно.

      2) Другой особенностью радиобиологии является необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации - от молекулярного до популяционного.

      3) И, наконец, еще одна особенность радиобиологии, определяемая ее прикладными аспектами -  овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.

      В  поле зрения радиобиолога должны находиться и опосредованные эффекты облучения, особенно при анализе сложных интегральных лучевых реакций организма, где их влияние проявляется наиболее значительно в связи с неизбежным вовлечением в процесс регулирующих систем и нейрогормональных механизмов.

      Далеко не совершенное понимание первичных механизмов радиобиологических процессов, и как будет показано далее в лекциях, отсутствие единой теории радиобиологического эффекта еще и сегодня затрудняют распространение этих представлений на последующие уровни биологической организации.

      Современная радиобиология представляет не только самостоятельную комплексную дисциплину, но имеет четко выделенные отдельные направления (такие, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и радиобиология опухолей). 
 

                  История развития радиобиологии 

      Возникновение радиобиологии обязано трем велики открытиям, увенчавшим окончание предыдущего столетия

      1895г. - открытие х- лучей В.К. Рентгеном.

      1896г. - открытие Анри Беккерелем естественной радиоактивности урана;

      1898г. - открытие четой Кюри радиоактивных свойств полония и радия. 

                  Три этапа развития радиобиологии 

      1. Первый этап развития радиобиологии характеризуется работами описательного характера. Но уже в этом периоде установлено два кардинальных факта - вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления (И.Корникс,1905г.) и различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено французскими исследователями И.Бергонье и Л.Трибондо. Они показали, что наиболее чувствительными к излучению являются сперматогонии, а наиболее резистентными - сперматозоиды, облучение которых вообще не вызывало морфологических изменений.

      На основании этих экспериментов в 1906 году было сформулировано правило Бергонье и Трибондо. Суть этого положения состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем они менее дифференцированы. Это правило не утратило значения и до сих пор.

      Очень рано - в 1903г. - была выявлена роль поражения ядра в клеточной радиочувствительности (Д.Бун).

      2. Второй этап развития радиобиологии связан со становлением ее количественных принципов, имевших целью связать биологический эффект с дозой  излучения. Одна из знаменательных дат этапа - 1922г. когда Ф.Дессауэр преложил первую теорию, объяснявшую радиобиологический эффект дискретностью событий - актов ионизации в чувствительном объеме.

      Эти взгляды в последующем получили развитие в виде принципа попаданий и теории мишеней в трудах Тимофеева-Рессовского, Циммера Д.Ли и др. 
 
 
 
 

Общие парадигмы радиобиологии

Радиобиологические концепции 
 

      1. Принципиальной мишенью для радиационно-индуцированной гибели клеток является ДНК. Для рентгеновских и g-лучей  около 2/3 биологических эффектов обусловлено непрямым воздействием за счет радикалов воды.

      2. Зависимость доза-эффект при малых передачах энергии аппроксимируется линейно-квадратичной зависимостью:

R =  aD + bD²

      Отношение  a/b - доза при которой линейный и квадратичный  вклад в биологический эффект равны и варьирует от 1 до10 Гр. 

      3. Биологический эффект данной дозы радиации изменяется в зависимости от качества излучения.

      4. Клеточная радиочувствительность зависит от клеточного цикла (наиболее радиочувствит. - G₂)

      5. Эффект действия радиации зависит от мощности дозы.

      6. Различные химические соединения могут модифицировать клеточную гибель под действием радиации.

      7. Существуют модификаторы которые не значительно влияют на клеточную гибель, но сильно модифицируют процесс онкотрансформации. 
 
 

            Литература 
 

1. Когл Дж. Биологические эффекты радиации. М,1986.

2.  Жизнеспособность клеток, облученных в малых дозах (Под ред. Т.Альнер).  М., 1980.

3. Кузин А.М. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. М.,1986.

4. Гончаренко Е.Н., Кудряшов Ю.Б. Гипотеза эндогенного фона  радиорезистентности. 

            М.,1980.

5. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и  животных. М., “Высшая  школа”, 1988.