основы радиационной биофизики

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Е. М. ВЕЧКАНОВ, В. В. ВНУКОВ
ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БИОФИЗИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Ростов-на-Дону
2009
1
Рецензент:
д.б.н., профессор кафедры биохимии и микробиологии биолого-
почвенного факультета ЮФУ
Лукаш А. И.
ст. преп. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, к.б.н. Вечканов Е.М
зав. каф. биохимии и микробиологии ЮФУ, д.б.н., профессор Внуков. В. В.
Основы радиационной биофизики. Учебное пособие.  Ростов-на-Дону, 2009.  50 с.
Издание подготовлено при финансовой поддержке Министерства науки и
образования РФ (грант «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010
годы)» № 2.1.1/5628).
Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки студентов по
общему курсу биофизике, теме «Радиационная биофизика». Для студентов
дневной, очно-заочной и заочной форм обучения специальности биология и
биоэкология.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1
Ионизирующее излучение и радионуклиды----------------------------------
5
2
Радиоактивность. Радиоизотопы--------------------------------------------------
5
3
Единицы дозы излучения и единицы радиоактивности------------------
7
4
Закон радиоактивного распада----------------------------------------------------
7
5
Типы радиоактивного распада (α- и β-распад)--------------------------------
8
6
Естественный радиационный фон и его составляющие-------------------
10
7
Характеристика ионизирующих электромагнитных излучений:
рентгеновское, γ-излучение и тормозное---------------------------------------
8
10
Взаимодействие электромагнитных ионизирующих излучений с
веществом: фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и
образование электрон-позитронных пар----------------------------------------
13
9
Корпускулярные ионизирующие излучения----------------------------------
14
10
Способы измерения радиоактивности-------------------------------------------
16
11
Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения---------------
20
12
Радиолиз воды----------------------------------------------------------------------------
20
13
Линейная передача энергии и относительная биологическая
эффективность----------------------------------------------------------------------------
21
14
Основной парадокс радиобиологии-----------------------------------------------
22
15
Концепция мишени. Современные стохастические модели-------------
22
16
Взаимодействие ионизирующих излучений с липидами, белками,
нуклеиновыми кислотами-----------------------------------------------------------
17
24
Механизм лучевого повреждения мембран, его роль в усилении
радиационных нарушений метаболизма---------------------------------------
26
18
Основные реакции клеток на облучение---------------------------------------
28
19
Репродуктивная и интерфазная гибель клеток, их причины-----------
30
20
Видовая и индивидуальная радиочувствительность----------------------
30
21
Принцип Бергонье-Трибондо-------------------------------------------------------
31
22
Продолжительность жизни млекопитающих в зависимости от дозы
облучения. Лучевая болезнь, ее стадии-----------------------------------------
23
33
Радиационные синдромы: костномозговой, желудочно-кишечный,
церебральный---------------------------------------------------------------------------3
34
24
Генетический эффект облучения--------------------------------------------------
36
25
Репарационные процессы в облученном организме------------------------
36
26
Кислородный эффект------------------------------------------------------------------
36
27
Радиопротекторы и механизмы их действия----------------------------------
37
28
Биологическое
действие
инкорпорированных
радиоактивных
веществ--------------------------------------------------------------------------------------
38
29
Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации--------
40
30
Отдалѐнные последствия облучения-------------------------------------------
40
31
Использование радиоактивных изотопов в биологии и медицине----
41
Тесты, вопросы и задания по курсу--------------------------------------------------------
44
Список литературы------------------------------------------------------------------------------
47
4
1. Ионизирующее излучение и радионуклиды
Под ионизирующим излучением понимают излучение, способное вызывать
ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. При взаимодействии
излучения с веществом происходит поглощение энергии атомом или молекулой,
при этом электрон покидает электронную орбиту, происходит ионизация.
Свойством испускать ионизирующее излучение обладают радиоактивные
атомы или радионуклиды. Радиоактивные изотопы (радионуклиды) – одна из
форм существования элементов, различающихся по атомному весу и содержащих
нестабильное ядро, испускающее ионизирующее излучение. Радиоактивные
атомы являются нестабильными и подвергаются распаду с течением времени. Для
характеристики атомов применяют понятие массового числа (М) и заряда
ядра.
Массовое число (М) - это число нуклонов в ядре, т. е. сумма протонов и
нейтронов. Отсюда М = Np + Nn (1)
Заряд ядра (Z) складывается из числа протонов. Отсюда Z = Np (2)
Часть химических элементов таблицы Менделеева является практически
устойчивыми. Таковыми являются элементы от водорода 1Н до висмута 83Bi, за
исключением технеция 43Tc и прометия 61Pm.
Все далее идущие элементы
являются радиоактивными.
2. Радиоактивность. Радиоизотопы.
Радиоакти́вность (от лат. radio — «излучаю», radius — «луч» и activus —
«действенный»), радиоакти́вный распа́д — явление спонтанного превращения
атомного ядра в другое ядро или ядра. Радиоактивный распад сопровождается
испусканием одной или нескольких частиц (например, электронов, нейтрино,
альфа-частиц, фотонов). Радиоактивностью называют также свойство вещества,
содержащего
радиоактивные
ядра.
Установлено,
что
радиоактивны
все
химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть, начиная с
висмута), и многие более лѐгкие элементы (прометий и технеций не имеют
стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или
кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).
Естественная
радиоактивность —
самопроизвольный
распад
ядер
элементов, встречающихся в природе. Искусственная радиоактивность —
5
самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем
через соответствующие ядерные реакции.
Радиоактивность была открыта в 1896 г. А. Беккерелем, который обнаружил
проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель
установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана
в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. То
есть это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу — урану. В
1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее
ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий. Э. Резерфорд
экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трѐх типов,
которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

лучи
первого
типа
отклоняются
так
же,
как
поток
положительно
заряженных частиц; их назвали α-лучами;

лучи второго типа отклоняются в магнитном поле так же, как поток
отрицательно заряженных частиц (в противоположную сторону), их назвали
β-лучами;

лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γизлучением.
Радиоактивные семейства.
Радионуклиды связаны друг с другом «генетическим» родством и образуют так
называемые ряды или семейства. Радиоактивные ряды (семейства) - цепочка
радиоактивных превращений.
Выделяют 3 естественных радиоактивных ряда и 1 искусственный.
Естественные ряды:

ряд тория (4n Th-232)

ряд радия (4n+2 U-238)

ряд актиния (4n+3 U-235)
Искусственный ряд:

ряд нептуния (4n + 1 Np-237)
После альфа- и бета-радиоактивных превращений ряды заканчиваются
образованием стабильных изотопов.
6
3. Единицы дозы излучения и единицы радиоактивности
Единицы радиоактивности
Единицей радиоактивности в системе СИ – Бк (Беккерель)
Беккерель определяется как активность такого количества вещества, в котором, в
среднем, за одну секунду происходит один радиоактивный распад.
А = 1 распад /1 с (3)
Внесистемная единица измерения радиоактивности – Ku (Кюри); 1 Ки = 3,7·1010
Бк
Единицы дозы излучения
Экспозиционная доза (Х) – количество падающей на объект энергии
излучения за некоторое время облучения.
X = da/dm (4)
где: da – полный заряд ионов одного знака, возникающих в воздухе при торможении всех
вторичных электронов, образованных фотонами в малом объеме воздуха, dm – масса воздуха в этом
объѐме.
Единицей экспозиционной дозы в системе СИ Кл/кг
Внесистемная единица измерения экспозиционной дозы – P (Рентген);
1 Рентген = 2,58•10-4 Кл/кг
Поглощѐнная доза (D) – средняя энергия (dЕ), переданная излучением
веществу в некотором элементарном объѐме, делѐнную на массу вещества (dm) в
этом объѐме.
D = dE/dm (5)
Единицей поглощѐнной дозы в системе СИ является Грэй (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг
Внесистемная единица измерения поглощѐнной дозы – Рад; 1 Рад = 0,01 Гр
Эквивалентная доза – средняя величина поглощѐнной дозы в том или ином
органе или ткани с учѐтом фактора качества излучения, отражает биологический
эффект
облучения.
Фактор
качества
излучения
или
коэффициент
качества характеризует опасность данного вида излучения (по сравнению с γизлучением). Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение. В
качестве примера можно привести следующие коэффициенты качества:
Фотоны (γ-излучение и рентгеновские лучи) –1
Нейтроны от 10 кэВ до 100 кэВ – 10
Нейтроны от 100 кэВ до 2 МэВ – 20
7
Протоны, 5…10 МэВ
– 10
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ– Зиверт (Зв)
Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы – Б (Бэр); 1 Бэр – 0,01 Зв
4. Закон радиоактивного распада.
Каждый радиоактивный элемент характеризуется промежутком времени Т, в
течение которого распадается половина ядер, имевшихся в момент начала отсчѐта
времени.
N = N0 • 2-t/T (6)
δN = N0 – N = (N0 - N0 • 2-t/T) = N0(1-2-t/T) (7)
где N0 – начальное количество радиоактивных ядер в момент начала отсчта
N - количество радиоактивных ядер спустя время t
T – период полураспада
Графическое представление закона радиоактивного распада представлено
Количество частиц N
ниже на рисунке 1.
t
t=T
t=2T
t=3T
Рис. 1 График радиоактивного распада
5. Типы радиоактивного распада (α- и β-распад).
Радиоактивные изотопы способны подвергаться радиоактивным превращениям.
α – распад
При α – распад происходит образование α – частиц или ядер He (рисунок 2).
М Э
Z
=
М-4
Z-2Э1
8
+ 42He (6)
Рис. 2 Иллюстрация к α – распаду
+β
При
– распад (позитронный распад)
+β
– распад происходит
нейтрино
(рисунок
3).
образование
Позитроном
+β
– частиц
является
частица
(позитронов) и
«зеркальная»
к
электрону, имеющая положительный заряд и массу равную массе электрона.
Является античастице к электрону.
М Э
Z
-β
=
М
Z-1Э1
+ +1e + ν (7)
– распад (электронный распад)
При -β – распаде происходит
образование -β – частиц
антинейтрино (рисунок 3).
МZЭ
=
М Z+1Э1
+ -1e + ν~ (8)
Рис. 3 Иллюстрация к β – распадам
9
(электронов) и
6. Естественный радиационный фон и его составляющие.
Радиационный фон – ионизирующее излучение земного и космического
происхождения, постоянно воздействующее на живые объекты, в т. ч. на человека.
Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и
развивается в условиях постоянного облучения. Радиационный фон Земли складывается
из следующих компонентов:
1. космическое излучение;
2. излучение от находящихся в земной коре, воздухе и других объектах
внешней среды природных радионуклидов;
3. излучение от искусственных (техногенных) радионуклидов.
Облучение
может
быть
внешним
и
внутренним.
Внешнее
облучение
обусловлено источниками, расположенными вне тела человека (космическое
излучение,
наземные
источники).
Внутреннее
облучение
осуществляют
радионуклиды, находящиеся в теле человека. За счѐт космического излучения
большинство населения получает дозу 35 мбэр в год. Такую же дозу (35 мбэр/год)
человек получает от внешних земных источников естественного происхождения.
Доза внутреннего облучения от естественных источников составляет в среднем
135 мбэр/год (3/4 этой дозы даѐт не имеющий вкуса и запаха тяжѐлый
радиоактивный газ радон и продукты его распада). Таким образом, суммарная
доза внешнего и внутреннего облучения человека от естественных источников
радиации
в
среднем
равна
около
200 мбэр/год.
В результате деятельности человека в непосредственно окружающей его среде
появились дополнительные источники радиации, в том числе естественные
радионуклиды, извлекаемые в больших количествах из недр Земли вместе с
углѐм, газом, нефтью, минеральными удобрениями, сырьѐм для строительных
материалов.
Мерой
радиационного
фона
служит
мощность
экспозиционной
дозы.
Нормальный радиационный фон составляет 5-25 мкРентген/час.
7. Характеристика ионизирующих электромагнитных
излучений: рентгеновское, γ-излучение и тормозное.
Ионизирующие
происхождению,
электромагнитные
энергии
и
излучения
частотным
10
различаются
характеристикам.
по
своему
Положение
рентгеновского γ-излучения на шкале электромагнитных колебаний приведено на
рисунке 4.
Рис. 4 Шкала электромагнитных колебаний
Рентге́новское излуче́ние - электромагнитные волны, энергия фотонов
которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и
гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10 −4 до 10² Å (от 10−14 до 10−8
м). Рентгеновское излучение связано с возбуждением у вещества анода электронов
внутренних электронных оболочек, потенциал ионизации которых гораздо
больше, чем у валентных электронов. При возврате возбужденных атомов в
исходное,
невозбужденное
состояние
высвечиваются
фотоны
определенной
энергии, обычно не превышающей 250 кэВ (рисунок 5).
Рис. 5 Схематическое изображение рентгеновской трубки.
Схематическое изображение рентгеновской трубки. X — рентгеновские лучи, K — катод, А —
анод, С — теплоотвод, Uh — напряжение накала катода, Ua — ускоряющее напряжение.
11
γ-излуче́ние - вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой
длиной
волны -
<
5×10−3 нм
и,
вследствие
этого,
ярко
выраженными
корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами
являются фотоны высокой энергии. Обычно считается, что энергии квантов гаммаизлучения превышают 10 5 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским
излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение
граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и
энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение
различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то
его принято относить к гамма-излучению; если при взаимодействиях электронов
или при переходах в атомной электронной оболочке — к рентгеновскому
излучению. Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждѐнными
состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1
кэВ до десятков МэВ), при ядерных реакциях (например, при аннигиляции
электрона и позитрона).
Тормозное
излучение —
электромагнитное
излучение,
испускаемое
заряженной частицей при еѐ рассеянии (торможении) в электрическом поле.
Иногда
в
понятие
«тормозное
излучение»
включают
также
излучение
релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных
полях (в ускорителях, в космическом пространстве) (рисунок 6).
Рис. 6 Тормозные излучение электронов высоких энергий отклоняющихся в
электрическом поле атомного ядра.
12
8. Взаимодействие электромагнитных ионизирующих
излучений с веществом: фотоэлектрический эффект,
эффект Комптона и образование электрон-позитронных
пар.
Фотоэффект
Энергия падающего кванта полностью поглощается веществом, появляются
свободные электроны, обладающие кинетической энергией. Свободные электроны
ассоциируются с нейтральными атомами, порождая ионы (рисунок 7). Фотоэффект
характерен для длинноволнового рентгеновского излучения.
Энергия излучения E < 1 Мэв
Рис. 7 Иллюстрация фотоэффекта
Эффект Комптона
Падающий фотон выбивает орбитальный электрон атома облучаемого вещества.
Часть энергии фотона передаѐтся в виде кинетической энергии
электрону.
Образующийся вторичный фотон имеет меньшую энергию и другое направление
(рисунок 8).
Энергия излучения E > 1 Мэв
13
Рис. 8 Иллюстрация эффекта Комптона
Размен энергии кванта (как правило гамма кванта) высокой энергии
происходит при его взаимодействии с каким-либо атомным ядром, в поле которого
происходит образование электрон-позитронной пары (рисунок 9).
такого процесса пропорциональна Z2
Вероятность
и поэтому для тяжѐлых элементов она
больше, чем для лѐгких.
Энергия кванта E >> 1 МэВ
Рис. 9 Иллюстрация превращения γ- кванта.
9. Корпускулярные ионизирующие излучения.
К корпускулярным ионизирующим излучениям относятся:
1. β- - частицы. Являются потоком электронов.
2. β+ - частицы. Являются потоком позитронов.
14
3. Поток Н+ (протоны), D+ (дейтроны).
4. α- излучение (поток ядер гелия)
5. Тяжѐлые ионы
6. Поток нейтронов n0
7. Пи-мезоны. (Отрицательно заряженные частицы с массой в 273 раза
больше массы электрона)
Механизмы размена энергии корпускулярного излучения.
Механизм передачи энергии в объекте от всех заряженных частиц один и тот
же: заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение
атомов (рисунок 10). Дальнейшие события зависят от массы и энергии, которыми
обладает частица. Чем тяжелее частица, траектория прямолинейнее, чем легче,
тем изломаннее, вследствие рассеяния.
Упругое рассеяние – изменение направления движения, но не энергии частиц.
Торможение – неупругое рассеяние в случае тяжѐлой частицы, происходит
образование электромагнитного излучения.
Рис. 10 Механизмы размена энергии корпускулярного излучения
Нейтронное излучение.
Особенности нейтронного излучения связано с особыми свойствами нейтронов,
ядерных частиц, не обладающих зарядом. Вследствие этого нейтроны не
испытывают электростатического отталкивания электронными оболочками и
вследствие этого обладают высокой проникающей способностью.
15
Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала.
Часть энергии нейтрона передается протону отдачи в качестве кинетической.
Нейтрон рассеяния отклоняется от прежнего направления и обладает меньшей
энергией (рисунок 11).
Рис. 11 Механизм действия нейтронного излучения
В зависимости от обладающей энергии нейтроны подразделяются:
1. Быстрые Е > 100 кЭВ.
2. Промежуточные Е = 1-100 кЭв
3. Медленные Е < 1 кЭВ
4. Тепловые E = 0.025 ЭВ
10. Способы измерения радиоактивности.
Биологические методы дозиметрии.
Основаны на изучении тех реакций, которые возникают в организме человека,
животных
или
растений
при
применении
определенных
доз
излучения.
Биологические методы измерения излучений, имевшие в свое время большое
значение, теперь практически не применяются.
Физические (ионизационные) методы дозиметрии.
Ионизационная камера
В процессе ионизации вещества наступает изменение его электропроводности.
Газы в обычных условиях практически не обладающие электропроводностью, в
момент
ионизации
становятся
хорошими
проводниками
электричества.
Ионизационные методы дозиметрии основаны на том, что число образованных пар
16
ионов в каком-либо определенном объеме вещества находится в прямой
зависимости от количества поглощенного в нем излучения.
Простейшим
ионизационным
представляющая
собой
детектором
цилиндрический
является
ионизационная
конденсатор,
между
камера,
электродами
которого находится воздух или другой газ. С помощью источника постоянного
напряжения между электродами камеры создается электрическое поле. При
облучении рабочего объема ионизационной камеры радиацией происходит
ионизация
молекул
воздуха.
Возникающие
при
этом
положительные
и
отрицательные ионы под действием электрического поля приходят в движение,
возникает ионизационный ток. Его величина составляет тысячные или даже
миллионные доли микроампера, поэтому для измерения тока применяют
специальные усилители. С помощью ионизационных камер можно регистрировать
любые виды излучений. Для регистрации  - или  - излучений радиоактивный
препарат помещается внутри рабочего объема камеры. Для измерения  излучения препарат помещается снаружи.
Газоразрядные счетчики
Газоразрядный счетчик был впервые построен Гейгером и усовершенствован
Мюллером,
поэтому
счетчик
называют
Гейгера-Мюллера.
Рабочий
объем
счетчика, представляющего собой цилиндрическую трубку с натянутой по оси
тонкой металлической нитью, заполнен смесью газов. На электроды счетчика
подается высокое напряжение (от 300-400 до 1500-2000 В). В отсутствие
заряженных частиц ток в рабочем объеме не протекает. Пролетающая же частица
производит на своем пути ионизацию атомов наполняющего газа, и свободные
электроны начинают двигаться к аноду (нить), а положительные ионы – к катоду
(корпус счетчика). Электроны по мере движения к аноду ионизируют встречные
атомы газа – возникает вторичная ионизация, вторичные ионы, двигаясь в том же
направлении, ионизируют новые атомы. Процесс нарастает лавинообразно, пока
все электроны не достигнут анода. Возбужденные атомы, в свою очередь, при
возвращении в стационарное состояние испускают фотоны. При достижении
катода фотоны могут выбивать путем фотоэффекта новые электроны, которые
также будут двигаться по направлению к аноду, ионизируя и возбуждая
встречные атомы. Процессы ионизации будут продолжаться до тех пор, пока не
17
будут прекращены каким-либо специальным способом (специальная электронная
схема гашения разряда).
Сцинтилляционные (люминесцентные) методы дозиметрии.
Сцинтилляционные или люминесцентные методы дозиметрии ионизирующих
излучений основаны на измерении интенсивности эффекта люминесценции,
возникающей
Общеизвестным
при
облучении
приемом
некоторых
использования
этого
флуоресцирующих
эффекта
для
веществ.
обнаружения
излучения является рентгеноскопия, которая также основана на принципе
свечения экрана под действием рентгеновых лучей. Эти методы особенно
эффективны в исследованиях, в которых требуется высокая точность определения
дозы - излучения.
Счетчики Черенкова.
Счетчики Вавилова-Черенкова применяют С 1951 года для счета  - квантов и 
- и  - частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую
скорость света в среде. В этом случае при движении каждой заряженной частицы
возникает излучение Вавилова-Черенкова, фиксируя которое можно сосчитать
пролетающие частицы.
Камера Вильсона
Камера представляет собой замкнутый объем, заполненный влажным воздухом
с помощью поршня до давления в несколько атмосфер. При быстром выдвижении
поршня
влажный
воздух
охлаждается
и
пар
переходит
в
неустойчивое
пересыщенное состояние. Заряженная частица, пролетающая через камеру,
ионизирует молекулы воздуха и на ионах конденсируется пар в виде маленьких
капелек.
При
освещении
камеры
сбоку
виден
сверкающий
след
(трек)
пролетевшей частицы.
Пузырьковая камера
Процесс вскипания развивается взрывообразно, если через жидкость пролетает
заряженная частица. Образующиеся вдоль траектории ионы становятся центрами
парообразования, и цепочка пузырьков образует след частицы.
Фотохимические методы дозиметрии.
Ионизирующие излучения при воздействии на фотографическую эмульсию
подобно лучам видимого света вызывают фотохимическую реакцию разложения
бромистого серебра с выделением металлического серебра и свободного брома.
18
После проявления на пластинке в местах облучения выявляются участки
почернения
фотографической
эмульсии.
Это
действие
излучения
на
фотографическую пластинку впервые послужило способом, с помощью которого
была открыта естественная радиоактивность. Фотографический метод дозиметрии
основан на том принципе, что плотность почернения фотографической эмульсии
находится в прямой зависимости от величины дозы излучения, падающего на
фотопластинку.
Химические методы
Химические
методы
основаны
на
протекании
необратимых
химических
превращений в ряде веществ под действием радиации. В результате этих
превращений облучаемая среда может изменить оптическую плотность вещества,
его цвет, выход химических реакций и т. д.
Полупроводниковые приборы, реагирующие на излучения.
При воздействии
возникает
избыточная
радиационного
излучения
концентрация
на
носителей
объем полупроводника
заряда,
и,
следовательно,
изменяется проводимость проводника. Прибор, в котором используется это
явление, называется фоторезистором. Основным недостатком этих датчиков
является их большая инерционность, особенно при малых интенсивностях
облучениях.
Применение
ограничивается
довольно
высокой
стоимостью.
Преимущество – высокая эффективность регистрации, малые размеры.
Приборы для регистрацииионизирующего излучения.
По своему назначению приборы для радиационного контроля подразделяются
на
индикаторы,
рентгенметры,
дозиметры,
радиометры,
спектрометры
и
комбинационные приборы для измерения ионизирующего излучения.
Индикаторы – простейшие приборы радиационной разведки, при их помощи
решается задача обнаружения, главным образом,  - и - излучений. Эти приборы
снабжены световой или звуковой сигнализацией. Датчиком служат счетчики
Гейгера-Мюллера.
Рентгенметры
предназначены
для
измерения
мощности
дозы

-
и
рентгеновского излучений. В качестве датчиков в этих приборах применяют
ионизационные камеры или газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера.
Дозиметры служат для измерения
дозы (экспозиционной, поглощенной,
эквивалентной) и мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения.
19
Индивидуальные дозиметры представляют собой малогабаритные ионизационные
камеры или фотокассеты с пленкой. Почти все современные дозиметрические
приборы работают на основе ионизационного метода. Датчиками служат
ионизационные камеры, газоразрядные или сцинтилляционные счетчики и.т.д.
По измерению вида излучения можно разделить приборы для измерения  излучения,  -,  - частиц и нейтронного потока.
Радиометры предназначены для измерения плотности потока ионизирующих
излучений
и
активности
радионуклидов.
Датчиками
радиометров
служат
газоразрядные и сцинтилляционные счетчики.
11. Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения.
Прямое действие ионизирующего излучения заключается в поглощении
энергии молекулой или атомом, в результате чего происходит ионизация молекул
и, как следствие, изменения структуры макромолекул: белков и ДНК.
Косвенное
действие
ионизирующего
излучения
заключается
в
образовании нескольких высокореакционных продуктов из молекулы воды
(радиолиз) и растворѐнных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергий
излучения, поглощѐнной самими исследуемыми молекулами (рисунок 12).
Рис. 12 Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения
12. Радиолиз воды.
Радиолиз воды – явление образования нескольких высокореакционных
продуктов из молекул воды, в т. ч. свободных радикалов, которая составляет 80-90
20
% вещества массы клетки. Продукты радиолиза воды реагируют между собой и с
органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекулы.
Процессы радиолиза:
1. Ионизация молекулы воды с потерей электрона
H2O → H2O+ + -1e
2. Образование высокореактивного радикала гидроксила
H2O+ + H2O → H3O+ + OH.
3. Электрон взаимодействует с молекулами воды, образуя возбуждѐнные
молекулы воды, которые распадаются на два радикала Н, и ОН.
(гидроксильный радикал).
H2O+ + -1e → H3O• → Н, + OH.
4. В присутствии кислорода образуется гидропероксидный радикал НО2,
Н, + O2 → H3O• → HO2.
5. Образуются также перекись водорода H2O2 и атомарный кислород О
HO2. + HO2. → H2O2 + 2О
6. Кроме окислительных продуктов, в процессе радиолиза воды возникает
стабилизированная форма электрона – гидратированный электрон (-1e
aq), который обладает высокой реакционной способностью, но в качестве
восстановителя.
13. Линейная передача энергии и относительная
биологическая эффективность.
Линейная передача энергии
(ЛПЭ/LET) — физическая характеристика
качества ионизирующего излучения; величина ионизационных потерь энергии на
единице пути в веществе. Равна отношению полной энергии dE, переданной
веществу заряженной частицей вследствие столкновений на пути dl, к длине этого
пути:
L= dE / dl
[L] = эВ/нм
Для незаряженных частиц ЛПЭ не применяется, но используются значения ЛПЭ
их вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе. Значения ЛПЭ
21
варьируются от 0,2 для высокоэнергетических фотонов до 104 эВ/нм для осколков
деления ядер урана
Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) оценивается
сравнением дозы излучения, вызывающей определѐнный биологический эффект, с
дозой стандартного излучения, обусловливающей тот же эффект. В качестве
стандартного излучения можно использовать γ-излучение. широко используется в
радиобиологии при оценке радиобиологических эффектов от различных типов
излучений
ОБЭ = Dγ / Dx
где Dγ – доза гамма излучения, Dx – доза изучаемого излучения.
14. Основной парадокс радиобиологии
Под основным парадоксом радиобиологии понимают тот удивительный
факт, что ничтожная энергия ионизирующего излучения вызывает драматический
биологический эффект.
15. Концепция мишени. Современные стохастические
модели.
Для объяснения радиобиологического парадокса было выдвинуто ряд гипотез:
1) Теория точечного тепла (Ф. Дессауэр-1922)
2) Теория мишени
3) Стохастическая (вероятностная теория)
4) Эффект свидетеля
(1)
В основе теории точечного тепла лежит ряд фактов:
a. Ионизирующее излучение обладает очень малой объемной плотностью по
сравнению с другими излучениями.
b. Излучение обладает большой энергией, величина которой значительно
превосходит энергию любой химической связи.
c. Облученный биологический объект состоит из относительно безразличных и
весьма существенных для жизни микрообъемов и структур.
22
d. В облучаемом объекте при поглощении относительно небольшой общей
энергии в отдельных, случайных и редкорасположенных микрообъемах
оставляются настолько большие порции энергии, что их можно сравнить с
микролокальным нагреванием.
Таким образом так как
распределение «точечного тепла» является чисто
статистическим, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных
"попаданий" дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы
внутри клетки; с увеличением дозы увеличивается вероятность таких попаданий и
наоборот.
(2)
Теория "мишени или попаданий", поставила во главу угла представления о
прямом действии ионизирующего излучения на клетки. Мишень в радиобиологии
(на молекулярном и клеточном уровнях) — формальное обозначение того
микрообъема, в котором должны произойти одна или несколько ионизаций
(попаданий), приводящих к изучаемой реакции. Распределение по клеткам
отдельных элементарных повреждений происходит случайно и, следовательно,
подчиняется
статистическим
закономерностям.
Таким
образом,
количество
попаданий прямо пропорционально дозе облучения.
(3)
Взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности
(случайности). Зависимость "доза-эффект" обуславливается не только прямым
попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического
объекта как динамической системы.
(4)
Эффект «свидетеля» (коммунальный или абскопальный эффект) — поражение
клеток, находящихся вне зоны действия радиации, но контактирующих (любым
образом)
с
облучаемыми
клетками.
При
этом
имеется
в
виду
как
непосредственный контакт облучѐнных и необлучѐнных клеток, так и их
нахождение в одном и том же культуральном сосуде, а в ряде случаев — и контакт
необлучѐнных клеток со средой, в которой другие клетки подвергались облучению.
Механизм
явления
малоизучен
и
относится
облучения.
23
к
"немишенным
эффектам"
16. Взаимодействие ионизирующих излучений с белками и
нуклеиновыми кислотами.
Радиационные повреждения ДНК.
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК и еѐ атаки радикалами
ОН• происходят следующие процессы (рисунок 9):
1. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете с нарушением непрерывности
нити ДНК. Существуют однонитевые и двунитиевые разрывы. Разрыв
межатомных связей в сахаро-фосфатном скелете препятствует считыванию с
неѐ информации, а также нормальной еѐ репликации.
2. Разрыв
связей
Повреждѐнные
в
молекуле
основания
и
дезоксирибозы
нуклеотиды
и
азотистого
подвергаются
основания.
дальнейшим
химическим изменениям.
а. Гуанин окисляется до 8-оксогуанина.
б. Присоединение радикала ОН к тимину превращает его в
тимингликол.
в. Дезаминирование азотистого основания.
г. Метилирование азотистого основания.
д. Окисление азотистого основания.
3. Образование связи между свободными концами двух противоположных
нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах разных
разрывов одной и той же нити ДНК. Неправильное воссоединение разрывов
приводит к возникновению хромосомных перестроек (аберраций).
4. Образование ДНК-белковых сшивок.
5. Неверная репарация оснований, а также их химических модификаций
ведѐт к появлению неспаренных оснований (mismatch).
6. Отщепление азотистого основания с образованием так называемого АРсайта.
7. Образование
тиминовых
димеров,
транскрипции ДНК. (рисунок 13).
24
препятствующих
репликации
и
Рис. 13 Повреждения в азотистых основаниях, вызванных
ионизирующим излучением. (1) Дезаминирование (2) Апуринизация
(3) Метилирование (4) Размыкание кольца (5) Окисление (6)
Образование тиминовых димеров.
Радиационные повреждения белков (рисунок 14).
1. Ионизирующее воздействие на триптофановые и цистиновые остатки в
молекуле белка с образованием радикалов
триптофана
и цистина.
Происходит дальнейший разрыв S-S связей с разрушением активного
центра фермента или изменение конформации белка.
2. Образование межмолекулярных ковалентных сшивок.
3. Разрыв пептидной связи, как под действием прямого ионизирующего
излучения, так и опосредованно через свободные радикалы.
а. Окисление боковой части остатка пролина.
25
б. Окисление боковых частей глутамильных и аспартильных остатков.
в. Расщепление алкоксильных производных пептидов через диамидный и аамидный путь.
1
2
Рис. 14 Радиационные повреждения белков. (1) Окисление боковой
части остатка пролина. (2) Окисление боковых частей глутамильных
и аспартильных остатков.
Радиационные повреждения липидов.
1. Окисление ненасыщенных жирных кислот и фенолов, с образованием
липидных
перекисей,
эпоксидов,
альдегидов,
кетонов
и
хиноновых
радиотоксинов (ПОЛ перекисное окисление липидов).
17.
Механизм лучевого повреждения мембран, его роль в
усилении радиационных нарушений метаболизма.
Под действием ионизирующего излучения происходит прямое воздействие на
фосфолипиды мембран и косвенное воздействие через свободные радикалы
кислорода, образующиеся в частности при радиолизе воды. Прямое воздействие
ионизирующего излучения на мембрану опосредует неферментативное окисление
ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав фосфолипидов мембран.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ) мембран представляет собой цепную
26
реакцию (рисунок 15). Она инициируется свободным радикалом, например
гидроксильным
радикалом
–ОН
или
прямым
действием
ионизирующего
излучения. В результате развития цепи происходит перекисное окисление цепей
ненасыщенных жирных кислот в фосфолипидах мембран с образованием
гидроперекисей LOOH. В присутствии ионов железа цепи разветвляются,
поскольку протекает реакция ионов железа с гидроперекисями, и суммарная
скорость реакции перекисного окисления липидов многократно возрастает.
Рис. 15 Реакции цепного окисления липидов
Воздействие
свободных
радикалов
липидов
приводит
к
появлению
гидрофильной пероксидной группировки полиненасыщенных жирных кислот,
нарушается гидрофобность фосфолипидного бислоя. Образуется диальдегид типа
малонового, обладающий свойствами поперечно-сшивающих бифункциональных
реагентов,
которые
способны
приводить
к
полимеризации
и
агрегации
биомолекул. Перекисные радикалы осуществляют окисление аминокислотных
остатков мембранных белков, изменяя их конформацию и каталитическую
активность.
Снижением
активность
Na,К-АТФазы.
Свободно-радикальное
окисление приводит к модификации липидного бислоя клеточных мембран, что
проявляется
значительным
снижением
27
содержания
фракции
фосфатидилэтаноламина
и
возрастает
фракция
лизофосфатидилхолина.
Изменяются транспортные функции мембраны, изменяется заряд мембраны, с
возможностью еѐ дальнейшего пробоя.
18. Основные реакции клеток на облучение.
Радиационные нарушения ДНК многообразны по своей природе и на клеточном
уровне проявляются в разные сроки.
1. Радиационная задержка клеточного деления. Существенная роль в
задержке клеточного деления принадлежит системе обнаружения дефектов
ДНК в сверочных точках цикла во время прохождения клеткой периодов G1
и G2. Задержка в продвижении клетки по циклу даѐт клетке больше
времени для репарации ДНК перед S-фазой или митозом.
2. Хромосомные
аберрации
и
микроядра.
Хромосомные
аберрации
являются классическим проявлением лучевого поражения клетки. Их
количество соответствует дозе облучения. Появление аберраций отражает
образование разрывов молекулы ДНК и дефектов еѐ репарации. Под
фрагментом понимают часть хромосомы, не связанной с центромерой.
Фрагменты не притягиваются к полюсу деления и распределяются между
дочерними клетками случайным образом. После завершения деления
клетки (в интерфазе) фрагменты появляются как микроядра, участки
конденсированной ДНК. Возникающие в клетке аберрации подразделяют
на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в
случае облучения клетки в предсинтетической стадии цикла или S-периоде.
Итогом является образование дицентриков и реципрокных транслокаций.
Хроматидные аберрации возникают в клетке, облученной после завершения
репликации всей ДНК. Итогом является образование ацентрического
фрагмента, кольцевых хромосом (рисунок 16).
28
а
б
в
Рис. 16 Аберрации, определяемые при анализе метафазной
пластинки
а – нормальная хромосома, б – дицентрические хромосомы, в – кольцевая
хромосома
3. Утеря клеткой клоногенного потенциала. Кривая выживаемости.
Подсчет хромосомных аберраций или микроядер позволяет довольно точно
оценить
радиочувствительность
клеток,
однако
оба
метода
весьма
трудоемки. Основные данные о радиочувствительности получены путем
изучения выживаемости клеток, с помощью оценки их клоногенной
способности (потенциала), под которой понимается способность
клетки образовывать видимую невооруженным глазом колонию.
Согласно договоренности исследователей, клетка после облучения считается
«выжившей», если она образует колонию, состоящую из более чем 50 клеток.
Учет выживаемости проводится в сроки, достаточные для образования
крупных колоний всеми интактными клетками. Для образования видимой
глазом колонии облученная клетка должна совершить не менее 5 полностью
успешных делений. Обычно для клеток грызунов после их облучения
достаточно 5—8 дней роста, учет выживаемости клеток человека проводят
через две недели после облучения.
4. Коммунальный эффект.
29
19. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток, их
причины. Апоптоз и некроз.
Среди многих проявлений действия излучения на жизнедеятельность клетки
подавление способности к делению является наиболее важным. В связи с этим под
клеточной гибелью, или летальным эффектом облучения, в радиобиологии
понимают утрату клеткой способности к пролиферации. Наоборот, выжившими
клетками считают те, которые сохранили способность к неограниченному
размножению, т. е. к клонообразованию. Таким образом, речь идет здесь о
репродуктивной гибели клеток.
Одна из форм радиационной инактивации клетки – интерфазная гибель –
наступает до вступления клетки в митоз. Ранее интерфазную гибель клетки
связывали с особо высокой радиочувствительностью клеток. В настоящее время
интерфазную гибель клетки связывают с определѐнным механизмом гибели –
апоптозом.
Апоптоз – гибель клетки в результате запуска специальной программы
последовательной активации ряда ферментов, последние из которых разрезают
ДНК на участки длиной в 185 пар оснований; одним из сигналов к запуску
апоптоза является обнаружение повреждений ДНК во время прохождения
клеткой сверочных точек
генерационного цикла; эти повреждения, однако не
столь велики, чтобы вызвать некроз.
Некроз – форма клеточной гибели, реализуемая в случае накопления в
ДНКнесовместимого с жизнью количества повреждений, а также вследствие
повреждения мембран.
20. Видовая и индивидуальная радиочувствительность,
Под радиочувствительностью понимают степень реакции клеток, тканей,
органов
и
организмов
на
воздействие
ионизирующего
излучения.
Мерой
количественной оценки радиочувствительности является доза облучения (Грэй),
при которой наблюдается радиобиологический эффект.
Степень радиочувствительности сильно варьирует от вида к виду – видовая
радиочувствительность, и даже в пределах одного вида – индивидуальная
радиочувствительность.
При сравнении радиочувствительности различных биологических систем
удобно использовать величину ЛД50 – дозу, приводящую к гибели 50%
30
подвергнутых радиационному воздействию особей. Ниже в таблице 1 в качестве
примера приведена ЛД50 для различных биологических видов, при γ-излучении.
Таблица 1.
ЛД50 для различных биологических видов, при γ-излучении.
Биологический вид
ЛД50 (Грэй)
Микроорганизм Micrococcus radiodurens
> 2000
(канал ядерного
реактора)
Растения
10 - 1500
Насекомые
10 - 100
Змеи
80 - 200
Рыбы
8 - 20
Птицы
8 - 20
Мыши разных линий
6 - 15
Крысы разных линий
7-9
Кролик
9 - 10
Собака
2,5 - 3
Обезьяна
2,5 - 6
Человек
2,5 - 4
21. Принцип Бергонье-Трибондо. Радиочувствительность и
лучевые реакции отдельных органов и тканей.
Принцип Бергонье—Трибондо — правило в радиобиологии, которое в
первоначальной формулировке утверждало, что клетки тем чувствительнее к
облучению, чем быстрее они размножаются, чем продолжительнее у них фаза
митоза и чем менее они дифференцированы (1906). Позднее в правило
Ж.Бергонье и Л.Трибондо были внесены существенные коррективы. Таким
образом, ткани с малодифференцированными и активно делящимися клетками
относятся к радиочувствительным, а ткани с дифференцированными и слабо
или вообще не делящимися клетками - к радиорезистентным. По этой классификации
кроветворные
клетки
костного
мозга,
зародышевые
клетки
семенников, кишечный и кожный эпителий являются радиочувствительными, а
мозг, мышцы, печень, почки, кости, хрящи и связки - радиорезистентными. Ис31
ключение
составляют
небольшие
лимфоциты,
которые
(хотя
они
дифференцированы и не делятся) обладают высокой чувствительностью к
ионизирующему излучению. Следует учитывать стадию клеточного цикла, так как
клетки, находясь в момент облучения в разных стадиях цикла, обладают
различной радиочувствительностью. Очень большие дозы вызывают гибель
клеток независимо от фазы клеточного цикла. При меньших дозах цитолиз не
происходит, но репродуктивная способность клеток снижается в зависимости от
полученной ими дозы. Часть клеток остается неповрежденной либо может
полностью восстановиться.
Таблица 2.
Радиочувствительность и лучевые реакции отдельных органов и тканей
Орган или ткань
Кожа и еѐ
производные
Доза,
Гр
10
0,5-1
Семенники
2-4
Яичники, яйцеклетка
2,5-6
Органы зрения
3-6
Органы пищеварения
1-3
Печень
15-90
Сердечнососудистая
система
3-4
Органы дыхания
От 20
Органы выделения.
Почки
Максимально переносимая кожей доза при
однократном
внешнем
воздействии.
Радиочувствительная. Сублетальная доза 5
Гр.
Высоко радиочувствительны. Значительное
опустошение.
Полная стерильность
Стерильность
Катарактогенная доза, воспалительные
процессы и конъюнктивит.
Наиболее чувствителен тонкий кишечник.
Развитие кишечного синдрома.
Радиорезистентный орган
Наиболее радиочувствителен наружный
слой сосудистой стенки и эндотелий.
Начальные изменения на уровне клеток
Радиорезистентны во взрослом состоянии
Кости и сухожилия
Мышцы
Эффект
60
5001000
От 13
Высокорадиорезистентные ткани
Слабая атрофия
Микроскопические
и
гистологические
изменения
Высокорезистентны, развитие необратимого
нефрита
32
22. Лучевая болезнь человека и еѐ стадии.
Лучевая
болезнь
человека
это
определѐнный
комплекс
проявлений
поражающего действия ионизирующих излучений на организм. Проявления
острой лучевой болезни (ОЛБ) зависит от разнообразного действия факторов: вида
облучения, времени облучения, пространственного фактора облучения и т. д.
ОЛБ при относительном равномерном облучении имеет три периода
протекания:
1. Период формирования
2. Период восстановления
3. Период исходов и последствий
Период формирования разделяется на 4 фазы:
I.
Общая первичная реакция.
(Проявляется в первые минуты - часы после облучения в дозе больше 2 Гр в
виде тошноты, рвоты, исчезновения аппетита, общей слабости и
тошноты, гиперемии кожи и др. Продолжительность фазы 1-3 дня.
Причиной
появления
общей
первичной
реакции
является
прямое
повреждение радиочувствительных систем и преходящих вторичных
сдвигов в нервно-регуляторных и гуморальных взаимоотношениях).
II.
Кажущееся клиническое благополучие (латентная фаза).
(Через 2-4 дня симптомы первичной реакции исчезают и состояние
нормализуется. Благополучие является лишь клиническим понятием, в
этот период протекают скрытые патологические процессы.)
III.
Выраженные клинические проявления (фаза разгара заболевания).
(Клиническая
картина:
инфекционные
осложнения,
на
фоне
агранулоцитоза, относительный лимфоцитоз, абсолютная лимфопения,
тромбоцитопения,
геморрагический
синдром,
гипопротеинемия,
гипоальбуминемия).
IV.
Раннее восстановление.
(Нормализация
температуры,
улучшение
самочувствия,
появление
аппетита, восстановление сна, нормализация морфологического состава
крови)
33
Развернутый симптомокомплекс ОЛБ возникает при облучении в дозе свыше 3
Гр. В диапазоне 1-6 Гр различают три тяжести ОЛБ: лѐгкой степени (1-2 Гр),
средней степени (2-4 Гр), тяжѐлой степени (4-6 Гр).
23. Радиационные синдромы: костномозговой, желудочнокишечный, церебральный.
В 40-х годах 20 века исследованиями Б. Раевского и Г. Квастлера было
обнаружено, что в определѐнных диапазонах, несмотря на увеличение дозы,
средние
сроки
гибели
животных
не меняются.
Соответствующая
кривая,
описывающая зависимость средней продолжительности жизни мышей от дозы
излучения состоит из трѐх участков и приведена ниже на рисунке 17.
Рассмотренные участки кривой отражают три основных радиационных
синдрома:
1. Костномозговой (кроветворный)
2. Желудочно-кишечный
3. Церебральный.
Такого рода ступенчатый характер отмирания связан с выходом из строя
критических систем, обнаружен для млекопитающих разных видов. Разрыв между
дозами, начинающими вызывать определѐнные формы гибели, указывает на
разницу в радиочувствительности отдельных систем по критерию поражения,
несовместимого с жизнью.
Рис. 17 Зависимость средней продолжительности жизни человека
и обезьян от дозы излучения (в логарифмическом масштабе по основанию 2)
(по Р. Аллену и др., 1960)
34
(1)
При облучении в дозах до 10 Гр в организме развивается типичный
костномозговой синдром. Происходит катастрофическое опустошение
клеток
костного мозга, происходящего в самые ранние сроки после облучения. Основная
причина состоит в резком торможении процессов клеточного деления при
продолжающемся с неизменной скоростью поступлении зрелых элементов на
периферию. По времени проявляется в среднем от 4-7 суток и продолжается до 2025 суток.
Происходит резкая гранулоцитопения, с позднее присоединяющейся
тромбоцитопенией.
Основной
стремительно развивающиеся
причиной
летальных
исходов
являются
инфекционные процессы, сопровождающиеся
геморрагиями.
(2)
У млекопитающих наиболее важные изменения после облучения происходят в
тонком кишечнике. При этом наблюдается клеточное опустошение ворсинок и
крипт кишечника. Дегенеративная и регенеративная фаза более кратковременна,
что связано с более ускоренным прохождением клеток кишечных крипт процессов
дифференцировки. Кроме того, в радиационном поражении стволовых клеток
эпителия кишечника большую роль играет апоптоз, в который они входят вскоре
после облучения. Кишечный синдром включает такие определяющие летальный
исход механизмы, как оголение ворсинок, инфекционные процессы, поражение
кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов.
(3)
Ответ ЦНС на облучение принципиально отличается от реакций костного
мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это связано с тем, что зрелая
нервная
ткань
–
непролиферирующая
система,
состоящая
из
высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение жизни не
происходит. Гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит
при огромных дозах, порядка сотен грэй, причѐм до сих пор не выяснено, является
ли причиной гибели нервных клеток их непосредственное повреждение или она
вызвана опосредованно повреждениями других систем, прежде всего кровеносных
сосудов.
35
24. Генетический эффект облучения
Одним из проявлений лучевого поражения клетки является «генетическая
нестабильность», под которой понимается длительное сохранение отклонений в
строении и функционировании генетического аппарата, в конечном счѐте, ДНКбелкового комплекса. В опытах наблюдается высокая частота хромосомных
перестроек примерно до 30 генераций у 10% клеток (облучение клеток китайского
хомячка), также наблюдаются хромосомные сдвиги и при исследовании клетокr in
vivo. Механизмы индукции и поддержания генетической нестабильности не
вполне ясны. Имеются данные, как о роли прямого поражения ДНК, так и о
влиянии на генетическую нестабильность изменѐнного клеточного метаболизма, в
частности увеличения продукции свободных радикалов. Введение в среду
перехватчиков радикалов и угнетение синтеза внутриклеточного глутатиона резко
снижает частоту мутаций.
25. Репарационные процессы в облученном организме.
Возникающие в молекуле ДНК разнообразные повреждения частично могут
быть устранены с участием систем репарации. В настоящее время о работе этих
систем известно довольно много, включая строение многих генов, кодирующих
белки, осуществляющих репарацию.
К основным системам репарации относятся:
1. Прямая репарация (наиболее простой путь устранения повреждения, в
ней задействованы специфические ферменты, устраняющие повреждения в
одну
стадию.
К
ферментам
относятся:
О6-метилгуанин-ДНК-
метилтрансфераза, ДНК-инсертаза, фотолиазы) (рисунок 18).
2. Эксцизионная репарация (Для репарации необходима комплементарная
цепь ДНК, удаляет повреждѐнные азотистые основания, принимают
участие несколько ферментов).
3. Репарация
однонитевых
и
двунитевых
разрывов.
Репарация
рекомбинацией.
26. Кислородный эффект.
Явление зависимости тяжести лучевого поражения от содержания кислорода
в
окружающей клетки
среде называют
36
кислородным
эффектом.
При
повышении концентрации О2 в среде (увеличение парциального давления О 2)
происходит усиление поражения клетки и наоборот.
Данное явление было замечено в 1912 г. Г. Шварцем, после рентгенотерапии
опухолей. На гиперемированной коже больных, облучѐнных ионизирующим
излучением, оставалась светлая область, повторяющая форму окна тубуса
рентгеновской трубки., которую плотно прижимали к коже. Соответственно
уменьшение кровотока и появление локальной ишемии в области давления
трубки приводило к уменьшению лучевого поражения.
Механизмы кислородного эффекта:
1. Кислород обладает электроноакцепторными свойствами, благодаря которым
он присоединяется к радикалам ДНК, образующимся при прямом и
косвенном действии излучений. При ионизации атомов на одном из
участков макромолекулы образуется неспаренный электрон, который и
захватывается О2 на свою орбиту. Таким образом О2 присоединяется к
молекуле ДНК в месте разрыва химической связи, что приводит к
снижению эффективности еѐ репарации.
2. О2 также способствует формированию более активных продуктов радиолиза
воды, увеличивая число первичных повреждений макромолекул.
27. Радиопротекторы
Радиопротекторы — это вещества, повышающие устойчивость организма к
воздействию
ионизирующих
излучений.
К
ним
относятся
соединения,
оказывающие противолучевое действие при введении за несколько минут или
часов до облучения. Наиболее эффективные радиопротекторы — меркаптоамины,
индолилалкиламины,
синтетические
полимеры,
полинуклеотиды,
мукополисахариды, цианиды, нитрилы и др. (рисунок 18). Наиболее эффективны
смеси из нескольких радиопротекторов.
37
Рис. 18 Структурные формулы некоторых радиопротекторов.
Механизмы действия радиопротекторов:
1. Перехват и инактивация свободных радикалов.
2. Изменение окислительно-восстановительного потенциала.
3. Повышение уровня эндогенных SH – групп (сульфгидрильная гипотеза).
4. Функция
повышения
«биологического
фона
радиорезистентности».
Примером является увеличение фона эндогенных аминов (серотонина,
дофамина, гистамина) с одной стороны, и уменьшение содержания
продуктов окисления липидов.
5. Изменение
напряжения
О2
в
клетках
и
как
следствие
развитие
кислородного эффекта.
6. Ряд радипротекторов влияют на увеличение объѐма репарации ДНК.
7. Замедление
клеточного
метаболизма
и
как
следствие
снижение
повреждающего действия ионизирующего излучения.
К табельным радиопротекторам относятся: цистамина гидрохлорид, индралин
Б190, препарат С — нафтизин.
28. Биологическое действие инкорпорированных
радиоактивных веществ.
Животный объект может подвергаться не только внешнему облучению, но и
воздействию
поступающих
в
организм
инкорпорированных
радиоактивных
веществ (радионуклидов). Количественной оценкой биологических эффектов, под
влиянием
поступивших
в
организм
радиотоксикология.
38
радионуклидов,
занимается
Особенности инкорпорированного радиоактивного воздействия:
1. Тропность конкретных радионуклидов к определѐнным органам и тканям,
которые подвергаются наибольшему облучению.
2. Неравномерность облучения вследствие различий в органотропности
радионуклидов.
3. Протяжѐнный характер облучения. Даже при однократном поступлении
радионуклида облучение происходит длительно, иногда в течение всей
жизни с постоянной или постепенно уменьшающейся мощностью дозы.
Радиоактивные вещества могут поступать в организм тремя путями: с пищей и
водой
в
желудочно-кишечный
тракт
(оральный
путь),
через
лѐгкие
(ингаляционный путь) и кожу (транскутальный путь)
Судьба поступивших в организм радионуклидов зависит от их свойств и
химической
природы.
Существуют
три
основных
типа
распределения
радионуклидов в организме:
1. Скелетный (Радионуклиды щелочноземельной группы элементов – Ca, Sr,
Ba, Ra)
2. Ретикулоэндотелиальный (Нуклиды редкоземельных элементов – Ce,
Pr, Pm, Zn, Th, Am)
3. Диффузный (Нуклиды щелочных элементов – K, Na, Cs, Rb и нуклиды H,
N, C, Po)
Наибольшей опасностью обладают продукты ядерного деления (ПЯД). ПЯД
представляют собой смесь более 200 радиоактивных изотопов 36 элементов
средней части от Zn до Gd. Попадая в организм, они в процессе обмена заменяют
стабильные элементы и при распаде образуют нуклиды соседних групп. По
способности
накапливать
радионуклиды
основные
органы
располагаются следующим образом: щитовидная железа (максимум),
печень, кишечник, почки, скелет, мышцы.
Лечение при поражении ПЯД направлено на возможно быстрое их выведение
из организма, предотвращение их сорбции в желудочно-кишечном тракте.
39
29. Биологические эффекты малых доз ионизирующей
радиации.
Диапазон малых доз находится выше природного фона и превышает его в
десять раз. Верхний предел малых доз ограничен «сверху» величиной, которая в
100 раз меньше чем ЛД50\30
(доза радиации, при которой гибнет 50% особей
данного вида на протяжении 30-60 дней) По отношению к человеку доза
составляет 0,04 – 0,05 Гр в условиях разового облучения.
В настоящее время существуют две концепции относительно малых доз
ионизирующей радиации:
1. Концепция
безпорогового
действия
радиации
гласит
что,
с
увеличением дозы радиации, даже в пределах малых доз, увеличивается
вероятность попадания ионизирующей частицы в чувствительную мишень
(участок молекулы ДНК) с развитием необратимого повреждения (мутации).
Здесь применима стохастическая теория мишени.
2. Концепция стимулирующего действия радиации, в пределах малых
доз ионизирующего излучения. Согласно данной концепции действие
малых доз излучения
проявляется в увеличении частоты клеточных
делений, ускоренное прорастание и улучшение схожести семян, и даже в
увеличении
урожайности
гормезиса).
Также
сельскохозяйственных
считается,
что
малые
культур
доза
(эффект
излучения
«поставляют» мутации ДНК в популяцию живых организмов,
являясь источником эволюции вида.
30. Отдалѐнные последствия облучения
Отдалѐнными
последствиями
облучения
называют
различные
изменения в организме, возникающие спустя месяцы, годы и даже десятки лет.
Принято различать два типа отдалѐнных последствий: соматические
(развиваются у самих облучѐнных индивидов) и генетические (наследственные
заболевания, развивающиеся в потомстве облученных родителей).
К
соматическим последствиям относят:
сокращение продолжительности
жизни, злокачественные новообразования и катаракту. Отмечаются изменения в
коже, соединительной ткани, кровеносных сосудах почек и лѐгких в виде
40
уплотнений и атрофии облучѐнных участков, потери эластичности и других
морфофункциональных нарушениях, приводящих к фиброзам и склерозу.
К генетическим последствиям относятся доминантные и рецессивные
мутации.
Доминантные
мутации
характеризуются
возникновением в
зародышевых клетках и приводят к снижению вероятности зачатия или
рождаемости, либо проявляются в первом поколении, не переходя в последующие.
В активно пролиферирующих клетках такие мутации приводят к гибели самих
клеток и их потомков. В покоящихся клетках те же мутации являются причиной
возникновения
новообразований.
Рецессивные
мутации
вызывают
повреждения отдельных генов в виде точковых мутаций. Если они возникают в
половых клетках, то эффект облучения проявляется в последующих поколениях,
подчиняясь законам расщепления признаков.
31. Использование ионизирующих излучений и
радиоактивных изотопов в биологии и медицине.
Основной задачей использования ионизирующих излучений и радиоактивных
изотопов
в
медицине
является
лучевая
терапия
опухолей.
С
позиций
радиобиологии она может быть оптимально решена путем стерилизации раковой
ткани, производимой без угрожающих жизни пациента повреждений окружающих
нормальных тканей.
Лучевая
терапия
последствиями:
балансирует
между
двумя
наиболее
опасными
возможностью рецидива опухоли при недостаточной дозе
излучения и тяжелым повреждением нормальных тканей при превышении этой
дозы.
Под
стерилизацией
опухоли
понимают
подавление
способности
составляющих ее клеток к неограниченному размножению.
Для лечения опухолей применяют следующие виды тяжѐлых ядерных частиц:
1. Протоны
2. Тяжѐлые ионы
3. Отрицательные π-мезоны
4. Нейтроны
Заряженные
ядерные
частицы,
ускоренные
до
больших
скоростей
в
ускорителе, после определѐнного пробега в ткани тормозятся и теряют максимум
энергии в конце пробега, образуя так называемый пик Брэгга. Ниже на рисунке
41
представлена кривая Брэгга (рисунок 19). Локализуя пик Брэгга в зоне опухоли,
можно резко снизить лучевую нагрузку на окружающие ткани по ходу пучка и
почти полностью исключить облучение тканей находящихся позади опухоли.
Рис. 19 Увеличение поглощенной дозы в конце пробега протонов с энергией
100 МэВ (пик Брэгга).
При радиотерапии опухолей необходимо учитывать ряд факторов:
1. Радиочувствительность клеток различных новообразований у человека, а
также клеток опухолей одного гистогенеза у индивидуальных больных
варьирует в широких пределах.
2. Фактором, значительно увеличивающим радиорезистентность опухолевых
клеток, является гипоксия, возникающая вследствие дисбаланса в скоростях
размножения клеток и роста сосудистой сети.
3. Для
сенсибилизации
гипоксических
опухолевых
клеток
используют
кислород, подаваемый больному во время сеанса лучевой терапии, а также
электронакцепторные соединения, обладающие большей по сравнению с
кислородом диффузией в отдаленные от капилляров зоны новообразований,
так как в отличие от кислорода они не расходуются на метаболические
процессы.
4. Для
преодоления
разработан
метод
неблагоприятного
действия
гипоксирадиотерапии,
при
опухолевой
котором
гипоксии
избирательная
защита нормальных тканей достигается переводом больных на дыхание
смесями,
содержащими
8—10%
кислорода.
Радиорезистентность
нормальных тканей при этом повышается в большей мере, чем опухолей,
42
уже
исходно
имеющих
гипоксические
радиорезистентные
клетки.
Гипертермия — нагрев (обычно в течение одного часа) опухоли до
температуры в 41—43,5°С. Гипертермия сама по себе вызывает гибель части
опухолевых клеток, а в сочетании с облучением (терморадиотерапия) резко
усиливает их лучевое поражение.
5. Неполноценность опухолевой сосудистой сети уменьшает отвод тепла от
опухоли по сравнению с находящимися в зоне прогрева нормальными
тканями. Благодаря этому температура опухоли превышает температуру
здоровых
тканей
на
1
—
1,5°С,
что
противоопухолевого действия гипертермии.
43
определяет
избирательность
Вопросы и задания по курсу
1. Ионизирующее излучение и радионуклиды.
2. Радиоактивность. Изотопы.
3. Единицы радиоактивности.
4. Закон радиоактивного распада.
5. Типы радиоактивного распада (α- и β-распад).
6. Естественный радиационный фон и его составляющие.
7. Характеристика
ионизирующих
электромагнитных
излучений:
рентгеновское, γ-излучение и тормозное.
8. Взаимодействие электромагнитных ионизирующих излучений с веществом:
фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и образование электронпозитронных пар.
9. Корпускулярные ионизирующие излучения.
10. Способы измерения радиоактивности.
11. Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения.
12. Радиолиз воды.
13. Линейная
передача
энергии
и
относительная
биологическая
эффективность.
14. Стадии действия ионизирующих излучений на биологические объекты:
физическая, физико-химическая, химическая и биологическая.
15. Основной парадокс радиобиологии.
16. Концепция мишени. Современные стохастические модели.
17. Взаимодействие
ионизирующих
излучений
с
липидами,
белками,
нуклеиновыми кислотами.
18. Механизм
лучевого
повреждения
мембран,
его
роль
в
усилении
радиационных нарушений метаболизма.
19. Основные реакции клеток на облучение.
20. Репродуктивная и интерфазная гибель клеток, их причины.
21. Видовая и индивидуальная радиочувствительность.
22. Принцип Бергонье-Трибондо.
23. Продолжительность
жизни
млекопитающих
облучения. Лучевая болезнь, ее стадии.
44
в
зависимости
от
дозы
24. Радиационные
синдромы:
костномозговой,
желудочно-кишечный,
церебральный.
25. Генетический эффект облучения.
26. Репарационные процессы в облученном организме.
27. Кислородный эффект.
28. Радиопротекторы и механизмы их действия.
29. Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации.
30. Использование радиоактивных изотопов в биологии и медицине.
Вопросы для самостоятельной работы
1. Какая наука занимается измерением рассеяния и поглощения энергии
ионизирующего излучения в определѐнном материале?
2. Что оказывает влияние на степень биологического действия радионуклидов
при внутреннем поступлении?
3. Когда были открыты Х-лучи?
4. В чѐм заключается мутагенное действие рентгеновских лучей?
5. Какие органы чувствительны к радиации?
6. Как повышенная концентрация кислорода в среде влияет на степень
поражения?
7. Какие гормоны оказывают радиозащитное действие на самок и самцов?
8. Какие органы
являются
резистентными
к
действию ионизирующего
излучения?
9. Как влияют радиоизотопы при попадании в организм?
10. Какой фактор является определяющим на течение и исход лучевого
заболевания?
11. Как распределяются органы и ткани животных по степени накопления
радионуклидов?
12. Какое явление имеет место при бомбардировке гамма-кванта >1МэВ?
13. Что такое Пи-мезоном?
14. Что является единицей поглощѐнной дозы излучения?
15. Полный заряд ионов одного знака, возникающих в воздухе при торможении
всех вторичных электронов, образованных фотонами в малом объѐме носит
название?
45
16. Что такое радионуклиды?
17. Как записывается математически закон радиоактивного распада?
18. Естественные радионуклиды связаны друг с другом генетическим родством
и образуют так называемые ряды или семейства. Какое из семейств в
настоящее время не существует?
19. На сколько уменьшается число нуклонов при каждом α – распаде?
20. Что будет являться продуктом реакции при электронном β – распаде?
21. Как называется процесс поражения клеток, находящихся вне зоны
воздействия радиации, но контактирующих с облучѐнными клетками?
22. В чѐм проявляется
эффект ионизирующего излучения на клеточном
уровне?
23. В
какой
фазе
клеточного
цикла
клетки
оказываются
наиболее
радиочувствительными?
24. В чѐм заключается драматический биологический эффект при облучении
ничтожными энергиями ионизирующего излучения?
25. Сколько составляет «нормальный радиационный фон»?
26. Феномен
драматического
биологического эффекта при облучении
ничтожными энергиями ионизирующего излучения, носит название:
27. Что такое кислородный эффект?
28. Какое
понятие
используется
для
количественной
оценки
качества
излучения?
29. Какие основные радиационные синдромы возникают при общем облучении?
30. Что относится к генетическим последствиям излучения?
46
Список литературы
Основная
1. Радиобиология человека и животных: Учеб. Пособие/ С. П. Ярмоненко, А. А.
Вайнсон; Под. Ред. С. П. Ярмоненко.-М.:Высш.шк., 2004.-549 с.: ил.
2. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). Кудряшов Ю.Б.- М.,
2004.-448 с.
3. Владимиров Ю. А., Проскурнина Е. В. Лекции по медицинской биофизике:
Учебное пособие.-М.: Изд-во МГУ; ИКЦ «Академкнига», 2007.-432 с., илл.
Дополнительная
1. Радиобиология человека и животных: Учеб. для биол. спец. вузов / С. П.
Ярмоненко -3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш.шк., 1988.- 424 с.: ил.
2. Александров С. И, Патогенез сокращения продолжительности жизни //
Современные
проблемы
радиобиологии.
Проблемы
современной
геронтологии. М., 1978. С. 192—204.
3. Алексахин Р. М. Ядерная энергетика и атмосфера. М., 1982.
4. Бак 3., Александер П. Основы радиобиологии. М., 1963.
5. Биохимические основы действия радиопротекторов / Е. Ф. Романцев, В. Д.
Блохина, 3. И. Жуланова и др. М., 1980.
6. Бонд В., Флиднер Г., Аршамбо Д. Радиационная гибель млекопитающих.
М., 1971.
7. Владимиров В. Г., Джаракян Т. К. Радиозащитные эффекты у животных и
человека. М., 1983.
8. Гуськова А. К, Байсоголов Г. Д. Лучевая болезнь человека. М., 1970.
9. Жизнеспособность клеток, облученных в малых дозах / Под ред. Т. Альпер.
М., 1980.
10. Капульцевич Ю. Г. Количественные закономерности лучевого поражения
клеток и радиочувствительность. М., 1978.
11. Кендыш Я. Н. Биохимические механизмы радиобиологического эффекта на
уровне организма // Итоги науки и техники. Радиационная биология. Т. 2.
М., 1974.
12. Коггл Дж. Биологические эффекты радиации. М., 1986.
13. Комар В. Е., Хансон К- П. Информационные макромолекулы при лучевом
поражении клеток. М., 1980.
47
14. Коноплянников А. Г. Радиобиология стволовых клеток. М., 1984.
15. Корогодин В. И, Проблемы пострадиационного восстановления. М., 1964.
16. Кузин А. М. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на
биологические процессы. М.т 1977.
17. Моисеев А. А., Иванов В. И. Справочник по дозиметрии и радиационной
гигиене. М., 1984.
18. Неотложная помощь при острых радиационных воздействиях / Под ред. Л.
А. Ильина. М., 1976.
19. Осанов Д. П., Лихтарев И. А. Дозиметрия излучения инкорпорированных
радиоактивных веществ. М., 1977.
20. Радиационная защита. Рекомендации МКРЗ / Публикация 26. М., 1978.
21. Руководство по организации медицинской помощи при радиационных
авариях / А. К. Гуськова, А. В. Баранова, Р. Д. Друтман и др. М., 1985.
22. Сравнительная клеточная и видовая радиочувствительность. М., 1974.
23. Эйдус Л. X. Физико-химические основы радиобиологических процессов и
защиты от излучений. М., 1979.
24. Эйдус Л. X,, Корыстов Ю. К. Кислород в радиобиологии. М., 1984.
25. Ярмоненко С. П., Вайнсон А. А., Магдон Э. Кислородный эффект и лучевая
терапия опухолей. М., 1980.
48