Общая характеристика работы - Биологический факультет МГУ
advertisement
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Ломоносова На правах рукописи Козлов Александр Павлович ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ДОЗ И УСКОРЕННЫХ ИОНОВ БОРА НА МЕМБРАНЫ ЭРИТРОЦИТОВ 01.04.16 – физика атомного ядра и элементарных частиц Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва-2007 Работа выполнена на кафедре физики ускорителей высоких энергий Физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор доктор физико-математических наук, профессор Черняев Александр Петрович Василенко Олег Иванович Рууге Энно Куставич Ведущая организация: Международный Университет природы, общества и человека «Дубна» Защита состоится 24 мая 2007 года в ____ на заседании Диссертационного совета Д.501.001.65 на Биологическом факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, Биологический факультет, аудитория _________. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ. Автореферат разослан « » апреля 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Т. В. Веселова 2 Общая характеристика работы Актуальность работы. Одной из актуальных задач современной прикладной ядерной физики является исследование особенностей воздействия различных видов излучения, в частности γ-излучения и пучков тяжелых заряженных частиц, на биологические структуры. При этом в качестве исследуемой биологической модели довольно часто используются безъядерные красные клетки крови человека. Эритроциты являются удобной биологической моделью, эти клетки рассматриваются в качестве эффективного естественного биодатчика состояний и изменений организма при воздействии различных внешних факторов (в частности, ионизирующего излучения) и экологического состояния окружающей среды. Выявлено, что воздействие γ-излучения и пучков ускоренных альфа-частиц на эритроциты человека в диапазоне доз выше величины ~ 1 кГр приводит к гибели облученных клеток непосредственно сразу после облучения (Puchala, 2004). Другие авторы изучали действие ионов Li (6,4 МэВ) в летальных дозах на эритроциты кролика (Choudhary, 1998)Показано, что липофильная часть мембраны становится более текучей после действия γ-излучения (Benderitter, 2003); также действие тяжелых ионов приводило к изменению жесткости мембраны (Schon, 1994). Известно, что под воздействием ионизирующих излучений в биологических мембранах появляются скрытые повреждения, которые могут не привести к гибели клеток даже в течение длительного времени после облучения. Скрытое повреждение может проявиться при дополнительных воздействиях. Дополнительное воздействие определенного физического или химического фактора является как бы индикатором, с помощью которого можно установить и определить степень скрытых повреждений, возникающих в результате облучения, что особенно важно при облучении в малых дозах. Например, дополнительное воздействие ультрафиолетового излучения позволило выявить скрытые радиационные повреждения кристаллинов в хрусталике глаза (Островский, Красавин, 2003). Комбинированное действие γ-излучения в диапазоне сверхмалых доз (до 10 сГр) и импульсного электрического поля высокой напряженности также позволило проявить скрытые радиационные повреждения мембран эритроцитов (Черняев, 2004, 2005). В ряде работ рассматриваются механизмы повреждения мембран под воздействием ионизирующих излучений (Бурлакова 2001; Эйдус, 2001). Экспериментального материала накоплено недостаточно (особенно по облучению пучками тяжелых заряженных частиц) для установления всех закономерностей и особенностей изменений, происходящих в биомембранах при облучении. Также различны условия проводимых экспериментов и методы исследования, что вносит 3 некоторую несогласованность в полученные результаты. Отсутствуют исследования, в которых используется один и тот же физический метод для установления характера биологических эффектов, возникающих при облучении биомембран в широком диапазоне доз. Целью работы является экспериментальное исследование воздействия γизлучения в широком диапазоне доз и пучка ускоренных ионов бора на мембраны эритроцитов человека. Задачи исследования: 1. Усовершенствовать метод калиброванной электропорации, используемый для регистрации скрытых повреждений мембран эритроцитов при облучении их гаммаизлучением 60Co и ускоренными ионами бора. 2. Измерить константу скорости гемолиза эритроцитов в зависимости от поглощенной дозы гамма-излучения. 3. Измерить константу скорости гемолиза эритроцитов в зависимости от флюенса пучка ускоренных ионов бора. 4. Рассчитать характеристики взаимодействия пучка ускоренных ионов бора с мембраной эритроцитов. 5. Разработать математическую модель, описывающую результаты экспериментов по воздействию гамма-излучения. Научная новизна работы. 1. Впервые экспериментально показано, что гаммаизлучение 60Cо в диапазоне доз 1-600 Гр (мощность дозы 2,75 Гр/мин) вызывает скрытые повреждения мембран эритроцитов, выявляемые методом электропорации. 2. Показано, что гамма-излучение 60Cо в диапазоне доз 1-350 Гр вызывает малые скрытые повреждения мембран эритроцитов, практически не изменяющие порога электропорации мембран и не зависящие от величины поглощенной дозы. 3. Методом электропорации показано, что гамма-излучение 60Cо в диапазоне доз 350 – 600 Гр при взаимодействии с мембранами эритроцитов вызывает в них скрытые повреждения, которые пропорциональны величине дозы. 4. Экспериментально установлено, что через сутки после облучения границы диапазонов доз, вызывающих характерные повреждения мембран, сдвигаются в область более низких доз по сравнению с начальными (сразу после облучения). 5. Впервые проведены исследования по воздействию пучка ускоренных ионов бора на мембраны эритроцитов. Экспериментально методом электропорации показано, что ускоренные ионы бора с энергией 32 МэВ/нуклон в диапазоне доз 50 – 750 Гр (ЛПЭ в среднем – 70 КэВ/мкм; мощность облучения - 1,4 - 10,7 Гр/с) вызывали скрытые повреждения мембран эритроцитов сразу после облучения. 6. Взаимодей4 ствие ускоренных ионов бора с биологической мембраной приводило к непосредственному гемолизу эритроцитов только через несколько суток. При этом константа скорости гемолиза нелинейно зависела от величины дозы. 7. Предложена математическая модель, которая удовлетворительно описывает процессы взаимодействия гамма-излучения с мембраной эритроцита. Рассчитана кривая Брэгга ионизационных потерь ионов бора для условий поставленного эксперимента. Достоверность научных результатов обеспечена использованием хорошо апробированных методик, хорошей воспроизводимостью опытных данных и строгим соблюдением условий эксперимента. Выводы научно обоснованы и убедительны. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Для гамма-излучения 60Co при взаимодействии с мембраной эритроцита существуют три диапазона доз, отличающиеся характером биологических эффектов: дозы от 1 до 350 Гр вызывают малые скрытые повреждения мембран эритроцитов, практически не зависимые от величины дозы; степень скрытых повреждений мембран для диапазона поглощенных доз от 350 до 600 Гр пропорциональна величине дозы; дозы гамма-излучения выше 600 Гр вызывают тотальное повреждение мембран эритроцитов сразу после облучения. 2. Ускоренные пучки ионов бора (энергия 32 МэВ/нуклон) в зоне плато кривой Брэгга вызывают скрытые повреждения мембран эритроцитов в диапазоне поглощенных доз от 50 до 750 Гр, слабо зависящие от величины дозы. Практическая ценность работы. Выявленные три диапазона доз, отличающиеся характером биологических эффектов, могут быть приняты во внимание при выборе оптимальных условий облучения при лучевой терапии. Результаты, полученные в диссертации, могут быть включены в программу обучения студентов ВУЗов, специализирующихся в области ядерной физики и радиобиологии. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: 4th International Workshop on Space Radiation Research and 17th Annual NASA Space Radiation Health Investigators’ Workshop (Москва, 2006); III Международный симпозиум под эгидой ЮНЕСКО, посвященного 100летию со дня рождения акад. Н.М. Сисакяна «Проблемы биохимии, радиационной 5 и космической биологии» (Дубна, 2006); Международная конференция, посвященная 70-летию НИИ общей реаниматологии РАМН (Москва, 2006); The investigation of erythrocyte membrane under the action of ionizing radiation, 16 Meeting EARCR (Оксфорд, 2007). Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ. Из них 5 в рецензируемых журналах, 5в сборниках трудов и тезисах конференций. Личный вклад автора. Все эксперименты и методические исследования были проведены при непосредственном участии автора в Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ г. Дубна, на физическом факультете МГУ и на кафедре медицинской и биологической физики ММА им. И.М. Сеченова. Теоретические оценки и расчеты сделаны лично автором. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, выводов и списка литературы, всего на 92 страницах, включая 37 рисунков. Список цитируемой литературы включает 74 наименования. Содержание работы Методика экспериментов Эксперименты по воздействию ионизирующего излучения на эритроциты проводились в ОИЯИ г. Дубна. В качестве источника γ-излучения использовали радиоактивный изотоп кобальта 60Co с периодом полураспада 5,2 года и активностью около 5000 Ки. Спектральные линии излучения 1,17 МэВ и 1,33 МэВ. В процессе радиоактивного распада 60Co превращается в 60Ni, и возбужденное ядро 60Ni переходит в стабильное состояние с последовательным испусканием двух квантов. Источником ускоренных ионов 11B служил циклотрон U400M. Значение энергии иона бора на входе в суспензию составляло 32 МэВ/нуклон. Диаметр коллиматора равнялся 14 мм. В проведенных облучениях дозе 1 Гр соответствовало 1,4×107 ядер бора на см2 . В экспериментах использовали воздействие γ-излучения и пучков ускоренных ионов бора на мембраны эритроцитов как по отдельности, так и в сочетании с импульсным электрическим полем высокой напряженности для выявления скрытых повреждений мембран. Исследуемым явлением был гемолиз эритроцитов вызываемый воздействием выше указанных физических факторов. 6 Общая схема проведения опытов по комбинированному действию ионизирующего излучения и импульсного электрического поля (ИЭП) на суспензию эритроцитов представлена на рис. 1. В качестве исследуемой модели используются клетки крови человека – эритроциты. Приготавливались четыре образца суспензии эритроцитов в 0,9% растворе хлористого натрия (гематокрит 0,2%). Первый образец служил контролем (без облучения и без электрпорации); второй подвергали действию ионизирующего излучения, третий – воздействию импульсного электрического поля. Четвертый образец подвергали комбинированному воздействию – сначала облучению, а затем - импульсному электрическому полю. Сравнивали кинетику гемолиза эритроцитов во всех случаях. Излучение, действуя на мембраны эритроцитов и разбавленную плазму крови, вызывало неявные, скрытые повреждения мембран либо гибель клеток после облучения. Действие импульсного электрического поля после облучения проявляет скрытые повреждения, изменяя кинетику гемолиза эритроцитов. Степень воздействия оценивали по скорости уменьшения числа эритроцитов в суспензии в результате гемолиза. Рис. 1. Общая схема проведения опытов по комбинированному действию ионизирующего излучения (ИИ) и импульсного электрического поля (ИЭП) на суспензию эритроцитов (СЭ) 7 Для измерения числа эритроцитов в суспензии использовался спектрофотометрический метод. Ослабление света при прохождении его через суспензию эритроцитов обусловлено двумя процессами: истинным поглощением и рассеянием. Для разбавленной суспензии оптическая плотность D пропорциональна концентрации эритроцитов. Оптическая плотность суспензии на длине волны λ=760 нм определяется именно рассеянием на эритроцитах, вклад других компонент не более 2,5-3%. Поэтому, измеряя оптическую плотность раствора после воздействия различных физических факторов, можно получить информацию о изменении концентрации эритроцитов в суспензии со временем. Исходная суспензия с гематокритом 0,2% в опытах имела оптическую плотность 1,0 при толщине слоя 5 мм. Это был мутный, непрозрачный раствор. Кинетическая кривая (кривая изменения оптической плотности суспензии со временем) уменьшения числа эритроцитов после воздействия на суспензию импульсного электрического поля (электропорации), хорошо описывается экспоненциальной функцией: D(t ) = D1 exp(− β t ) + D2 , где β – константа скорости гемолиза; D1, D2 – параметры кинетической кривой. Источником импульсного электрического поля служил клинический дефибриллятор “Lifepak” 7, с помощью которого получали однополярные электрические импульсы с энергией от 5 до 400 Дж. Длительность импульса ~ 10 мс. Электрический импульс подводили к титановым электродам, которые помещались в кварцевую кювету. В неё наливали 1 - 5 мл суспензии. Расстояние между силовыми электродами 15мм. Для создания трансмембранного потенциала 0,3 - 0,5 В (пороговый потенциал электрического пробоя мембраны) необходимо формировать электрическое поле в растворе 1000 – 2000 В/см. Измерение характеристик импульса электрического поля в растворе и степени однородности их по объёму, особенно при таких высоких значениях напряженности, в биологическом эксперименте является важной и актуальной задачей. В серии методических экспериментов были установлены характеристики электрического импульса непосредственно в растворе. Для регистрации импульса в растворе, в него помещались две металлические иголки на расстоянии 1,3 мм друг от друга, разность потенциалов с которых подавалась через схему делителя напряжения на вход звуковой карты компьютера, который служил в качестве электронного осциллографа. С помощью специальной программы на экране компьютера наблюдался в реальном времени исследуемый импульс (рис. 2). 8 Рис. 2. Эпюра регистрируемого импульса в растворе. Калибровка: ось х, время 1кл = 5 мс, ось у, напряжение на входе звуковой карты - 1кл = 34 мВ Экспериментально показано, что электрическое поле по всему объему было практически однородно (различия амплитуды не превышали значения ~ 10%) и падение напряжения происходит на 85% именно в объеме растворе, а не в приповерхностных к электродам слоям. Измерена величина порога электрического пробоя. На рис. 3 представлены экспериментальная зависимость константы скорости гемолиза от амплитуды импульса напряжения U в растворе между электродами. Как подтверждают полученные кривые, эффект воздействия электрического поля на мембраны клеток является пороговым. При достижении определенного (пробойного) значения напряженности поля на мембране, происходит пробой мембраны (электропорация) в местах ее дефектов и, как следствие, гемолиз эритроцитов. Трансмембранная разность потенциалов для клетки радиуса r равна Um=1,5Epr, Ep – напряженность электрического поля в растворе. Полученные данные из экспериментов хорошо согласуются с известными значениями пробойного трансмембранного потенциала (300-500 мВ). Все эксперименты по облучению суспензии эритроцитов с последующей калиброванной электропорацией проводились при энергии импульса 180 Дж, объем наливаемой суспензии равнялся 2,4 мл, температура суспензии 20 оС. При этих параметрах наведенный трансмембранный потенциал превышал пороговое значение и происходила необратимая электропорация мембран эритроцитов. 9 Рис. 3. Экспериментальная зависимость константы скорости гемолиза от амплитуды импульса напряжения в растворе между электродами Результаты экспериментов по воздействию γ-излучения в широком диапазоне доз и импульсного электрического поля на мембраны эритроцитов Приготовленные образцы суспензии эритроцитов человека подвергались воздействию γ-излучения в широком диапазоне доз от 2 до 1000 Гр. Мощности облучения равнялась 2,75 Гр/мин. Дозу облучения устанавливали путем варьирования времени облучения (от нескольких минут до нескольких часов). Суспензию выдерживали некоторое время (от нескольких часов до суток) для того, чтобы проследить эволюцию повреждений во времени. Образцы, получившие различные дозы, подвергали воздействию импульсного электрического поля для выявления скрытых повреждений мембран. На рис. 4 (а,б) представлены примеры нормированных кинетических кривых гемолиза после электропорации образцов, облученных в дозах от 2 до 500 Гр (2, 20, 100, 180, 260, 340, 420, 500 Гр): а) электропорация через несколько часов после облучения; б) электропорация через сутки после облучения. При этом облученные образцы для этого диапазона доз сохраняли исходное значение оптической плотности (исходная суспензия имела оптическую плотность 1,0 при толщине слоя 5 мм), то есть гемолиза эритроцитов не происходило после воздействия γизлучения. Облученные образцы имели немного повышенное значение начальной (до электропорации) оптической плотности на 5-15 % в отличие от контрольной (необлученной) суспензии. 10 а) б) Рис. 4. Нормированные кинетические кривые гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии на суспензию γ-излучения (в диапазоне доз от 2 до 500 Гр) и импульсного электрического поля (электропорация). а - электропорация через несколько часов после облучения; б - электропорация через сутки после облучения 11 На рис. 5 в качестве примера приведены кинетические кривые для трех различных случаев: 1) облученной суспензии (420 Гр) без электропорации – значение оптической плотности суспензии в течение суток после облучения не изменялось, константа скорости гемолиза βγ ; 2) не облученной суспензии, после электропорации, βэл; 3) облученной суспензии (420 Гр), после электропорации, βγ+эл. Наблюдается неаддитивность скоростей гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии: βγ + эл > βγ + β эл Этот факт и лежит в основе возможности экспериментально детектирования скрытых повреждений мембран после воздействия ионизирующего излучения. Рис. 5. Регистрация скрытых повреждений мембран эритроцитов после воздействия на суспензию ионизирующего излучения с помощью дополнительного воздействия импульсного электрического поля: 1 – облученная (420 Гр) суспензия без электропорации 2 – без облучения, после электропорации 3 – после облучения (420 Гр) и электропорации (комбинированное воздействие) Для анализа полученных результатов были построены кривые зависимости относительных (относительно контроля) констант скорости гемолиза облученных образцов в зависимости от полученной ими дозы γ-излучения (рис. 6 а,б). Отметим, 12 что вследствие зависимости развития повреждений биологических систем с течением времени после облучения, скорость гемолиза облученных образцов после электропорации тоже изменялась и зависела от того через какое время после облучения воздействовали импульсным электрическим полем. а) б) Рис. 6. Кривые зависимости относительных констант скорости гемолиза (βγ+ИЭП/ βИЭП) при комбинированном воздействии на суспензию γ-излучения и импульсного электрического поля (ИЭП) от полученной ими дозы излучения (в диапазоне доз от 2 до 500 Гр). а - электропорация через несколько часов после облучения; б - электропорация через сутки после облучения 13 Образцы, получившие дозы 700-1000 Гр сразу же после облучения имели значение оптической плотности существенно ниже исходной, что свидетельствует о частичном гемолизе эритроцитов. В образце получившем дозу 600 Гр наблюдалось снижение оптической плотности только через несколько часов после облучения. Таким образом, из полученных зависимостей видно, что воздействие γизлучением на суспензию в дозах вплоть до величины порядка 500-600 Гр не привело к гемолизу эритроцитов. Также видно, что в широком диапазоне доз (до величины ~ 350 Гр), даже после дополнительного воздействия импульсного электрического поля с целью выявления скрытых повреждений мембран после их облучения, не наблюдалось явного увеличения скорости гемолиза эритроцитов по сравнению с необлученной суспензией. Это свидетельствовало о том, что даже такие большие дозы γ-излучения не приводили к существенным дефектам мембран, которые могли бы заметно снизить порог электропорации. Небольшие изменения скорости гемолиза после электропорации (лежащие практически для всех этих доз в пределах ошибки эксперимента), носящие не монотонный характер колебаний возле контроля в этом диапазоне, указывают на то, что в мембранах происходят сложные биологические процессы после облучения, носящие отчасти флуктуационный характер. И только образцы получившие дозы порядка 350-550 Гр, проявили заметное увеличение константы скорости гемолиза после электропорации (в 1,5-3 раза) относительно контроля и увеличение ее с ростом поглощенной дозы. Это свидетельствовало о наличии значительных скрытых дефектов мембран, которые проявились при электропорации, и степень которых пропорциональна величине поглощенной дозы γ-излучения. При этом гемолиз эритроцитов после облучения не происходил, и облученные образцы в течение длительного времени поддерживали значение оптической плотности близкое к исходному. На рис. 7 представлено изменение оптической плотности облученных образцов и контроля в течение длительного времени после приготовления суспензии без воздействия импульсного электрического поля. Из этих зависимостей видно, что образцы, получившие дозы до ~ 350 Гр вели себя в течение нескольких суток практически как контроль. Образцы, получившие дозы порядка 350-500 Гр в течение многих часов после облучения также трудно было отличить от контроля и тем более дифференцировать по величине поглощенной дозы. И только начиная с доз ~ 550 Гр происходили явные повреждения мембран эритроцитов, приводящие через несколько часов после облучения или сразу к гемолизу без электропорации. На рис. 8 представлена зависимость относительной константы скорости гемолиза (без 14 электропорации) от величины поглощенной дозы (и указаны диапазоны доз для выше описанных эффектов). Рис. 7. Зависимость оптической плотности суспензии от времени после воздействия γ-излучения (в диапазоне доз от 2 до 1000 Гр) и в контрольной суспензии без облучения Рис. 8. Зависимость относительной константы скорости гемолиза (без электропорации) от величины поглощенной дозы, за единицу принята константа скорости гемолиза контрольной (необлученной) суспензии 15 Результаты экспериментов по воздействию пучка ускоренных ионов бора на мембраны эритроцитов Специально для проведения данных экспериментов была рассчитана кривая Брэгга ионизационных потерь ионов бора (с энергией 32 МэВ/нуклон) в суспензии. Пик Брэгга находился на глубине 4,4 мм. Поэтому для облучения было необходимо использовать кюветы малой глубины (3 мм). Диаметр кювет равнялся диаметру коллиматора (14 мм). Кюветы заклеивались сверху тонкой пленкой (для проходящих ионов она была почти прозрачна) и через специальное отверстие сбоку кюветы туда заливалась суспензия крови. После этого кюветы размещались в специальном барабане (по 10 штук) и их подвергали воздействию пучка ускоренных ионов бора 11B (ядра бора с зарядом Z=5). При этом линейные потери энергии частицы вдоль облучаемого образца составляли от 50 до 90 кэВ/мкм. Облучение образцов происходило в широком диапазоне поглощенных доз от 50 до 750 Гр. Мощности облучения варьировались от 1,4 до 10,7 Гр/с. Поглощенные дозы в исследуемых образцах суспензии составляли значения 50, 200, 400, 550, 750 Гр. Непосредственно сразу после облучения гемолиза эритроцитов не происходило (для всех значений доз). Электропорация проводилась через несколько часов после облучения. На рис. 9 представлены примеры кинетических кривых гемолиза эритроцитов после электропорации. Рис. 9. Кинетические кривые гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии на суспензию пучка ускоренных ионов бора (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) и импульсного электрического поля (электропорация) 16 Для анализа полученных результатов была построена кривая зависимости относительных констант скорости гемолиза в зависимости от дозы (рис. 10). Рис. 10. Кривая зависимости относительных констант скорости гемолиза (βбор+ИЭП/ βИЭП) при комбинированном воздействии на суспензию пучка ускоренных ионов бора и импульсного электрического поля (ИЭП) от полученной ими дозы облучения (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) Из полученных зависимостей следует видно, что облучение суспензии пучком ионов бора привело к увеличению скорости гемолиза эритроцитов после электропорации в 2-3 раза по сравнению с необлученной суспензией (контролем). Это свидетельствовало о том, что облучение в указанном диапазоне доз приводит к существенным дефектам мембран, которые проявляются при электропорации. Небольшие различия значений скоростей гемолиза в зависимости от полученной дозы носят немонотонный характер и почти лежат в пределах ошибки эксперимента. Это, как и в случае γ-облучения, указывает на то, что в мембранах 17 после облучения происходили сложные процессы на биологическом уровне и носящие отчасти флуктуационный характер. На рис. 11 представлено изменение оптической плотности облученных образцов и контроля в течение длительного времени после приготовления суспензии без воздействия импульсного электрического поля. Из этих зависимостей видно, что облученные образцы ведут себя практически как контроль в течении суток (а для большинства доз даже более). И только через несколько суток можно явно сказать о наличии повреждений мембран и дифференцировать повреждения по величине дозы. При этом скорость гемолиза (а следовательно и повреждения мембран) растет с ростом величины поглощенной дозы (рис. 12). Рис. 11. Зависимость оптической плотности суспензии от времени после облучения пучком ускоренных ионов бора (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) и в контрольной суспензии без облучения 18 Рис. 12. Зависимость относительной константы скорости гемолиза (без электропорации) от величины поглощенной дозы Обсуждение результатов экспериментов В работе обсуждаются основные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом биомембран и приводятся теоретические оценки числа ионизаций, приходящихся на мембрану эритроцита при действии γ-излучения и пучков ионов бора для условий поставленного эксперимента. Предложена математическая модель, которая удовлетворительно описывает процессы взаимодействия гамма-излучения с мембраной эритроцита, учитывающая развитие перекисного окисления липидов мембраны во времени. Сечение полного поглощения γ-квантов атомами вещества складывается из сечений фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования электроннопозитронных пар и фотоядерных реакций . Cечение фотоэффекта при малых энергиях γ –квантов hν<<mec2 описывается выражением: σ ô = 1, 25 ⋅1, 09 ⋅10 −16 ⎛ 13, 61 ⎞ Z ⎜ ⎟ ⎝ hν ⎠ 7/2 5 , 19 Z – заряд атомов среды, hν – в эВ, сечение в см2 ; а при больших энергиях: σ ô = 1,25 ⋅ 1,34 ⋅ 10 −33 Z5 , hν hν – в МэВ. Полное сечение комптоновского рассеяния описывается выражением: ⎧1 + ε ⎡ 2(1 + ε ) 1 1 + 3ε ⎫ ⎤ 1 ln (1 + 2ε ) − − ln (1 + 2ε ) ⎥ + ⎬ , 2 ⎢ (1 + 2ε ) 2 ⎭ ⎦ 2ε ⎩ ε ⎣ 1 + 2ε ε σ ê = 2π re2 ⎨ где ε = hν / me c 2 , re = e2 / me c 2 - классический радиус электрона. В проведенных экспериментах энергии квантов равнялись 1,17 и 1,33 МэВ. Для этих энергий σф ~ 10-5 б (для атомов кислорода), а σк ~ 0,1 б. Для атомов железа сечение фотоэффекта становится сравнимо с величиной сечения комптоновского рассеяния. Но концентрация атомов железа в молекуле гемоглобина составляет величину порядка 10-4 по сравнению с более легкими атомами. Поэтому основную роль при взаимодействии γ –квантов с суспензией играет комптоновское рассеяние. Процесс образования электронно-позитронных пар для таких энергий также несущественен по сравнению комптоновским рассеянием. Электроны отдачи, высвобождаемые в результате комптоновского взаимодействия γ –квантов с энергией около 1 МэВ, теряют около 0,2 кэВ на 1 мкм пути в суспензии и образуют ~10 пар ионов/мкм. На толщину мембраны эритроцита будет приходиться 0,1 первичных ионизаций. Средняя же ЛПЭ ионов бора в облучаемом образце для поставленных условий эксперимента составляет величину ~ 70 кэВ/мкм, что соответствует величине около 1000 первичных ионизаций на 1 мкм пути вдоль трека частицы. На толщине мембраны будет около 10 первичных ионизаций. При такой высокой плотности ионизации в мембране по сравнению γ-излучением, прямое действие ионов бора оказывается более эффективным, что особенно проявляется при регистрации скрытых повреждений с помощью электропорации и находится в согласии с проведенными экспериментами. На основе композиционного закона Брэгга для удельных тормозных способностей: ⎛ 1 ⎜ ⎜− ⎜ ρ ⎝ ⎛ 1 dE ⎞ ⎤ dE ⎞⎟ 1 ⎡ ⎛ 1 dE ⎞ + = − 2 16 ⎟⎟ O ⎥ ⎟ ⎜⎜ − ⎜ ⎟ H ⎢ dx ⎟⎠ H 2O 18 ⎣⎢ ⎜⎝ ρ dx ⎟⎠ ρ dx ⎠ ⎦⎥ ⎝ 20 и формулы Бете-Блоха: ⎛ 1 ⎜ ⎜− ⎜ ρ ⎝ Zz 2 dE ⎞⎟ 5 ⎟ = 3,05 ⋅10 dx ⎟⎠ Aβ 2 ⎛ ⎜ ⎜ ⎜11.2 + ln ⎜ ⎜⎜ ⎝ β2 ⎛ ⎞ ⎝ ⎠ Z ⎜⎜1− β 2 ⎟⎟ ⎞ ⎟ ⎟ 2 −β ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎠ [эВ/см], (где E(x) – энергия частицы, Z – заряд атомов среды, z=5 – заряд ядра бора, A – массовое число ядер вещества среды, ρ – плотность среды), численно с помощью системы Matlab рассчитана кривая Брэгга ионизационных потерь ионов бора в суспензии (рис. 13). Рис. 13. Кривая Брэгга ионизационных потерь ионов бора 11 5 B в суспензии. Пик Брэгга находится на глубине 4,4 мм; cреднее значение dE/dx в облучаемом образце толщиной 3 мм – 70 кэВ/ мкм 21 Выводы: 1. Для гамма-излучения 60Co (спектральные линии излучения 1,17 МэВ и 1,33 МэВ) при взаимодействии с мембраной эритроцита существуют три диапазона доз, отличающиеся характером биологических эффектов. 2. Гамма-излучение в дозах от 1 до 350 Гр вызывает малые скрытые повреждения мембран эритроцитов, практически не зависимые от величины дозы. 3. Степень скрытых повреждений мембран в результате действия гаммаизлучения в дозах 350-600 Гр линейно зависит от величины дозы. Дозы гаммаизлучения выше 600 Гр вызывают тотальное повреждение мембран эритроцитов сразу после облучения. 4. Ускоренные пучки ионов бора (энергия 32 МэВ/нуклон) в зоне плато кривой Брэгга вызывают скрытые повреждения мембран эритроцитов. 5. Измерены параметры электрического импульса непосредственно в суспензии, используемого для калиброванной электропорации мембран эритроцитов. 6. Показано, что пик Брэгга кривой ионизационных потерь ядер бора находится на глубине 4,4 мм в суспензии, а в области плато кривой Брэгга ЛПЭ ядер бора в среднем составляют 70 кэВ/мкм. Список печатных работ 1. Черняев А.П., Близнюк У.А., Алексеева П.Ю., , Черныш А.М., Козлов А.П. Потенциальные повреждения мембран эритроцитов при действии больших доз ионизирующего излучения. Альманах Клинической медицины. Том ХII. Москва. 2006. С. 85. 2. A.P. Chernyaev, A.M. Chernysh, P.Yu. Alexeeva, U.A. Bliznuk, A.P. Kozlov. Masked damage diagnostics of human erythrocyte membrane after the action of small dose gamma-radiation. 4th International Workshop on Space Radiation Research and 17th Annual NASA Space Radiation Health Investigators’ Workshop. Moscow-St. Petersburg. 2006. Book of Abstracts. P. 68 – 69. 3. В.В. Мороз, А.М.Черныш, М.С. Богушевич, Е.К. Козлова, У.А. Близнюк, П.Ю. Алексеева, А.П. Козлов. Скрытые повреждения эритроцитарных мембран при физических и фарамакологических воздействиях. Общая реаниматология. 2006. Том II, № 5. С. 55-60. 22 4. В.В. Мороз, Е.К.Козлова, М.С. Богушевич, , А.М.Черныш, У.А. Близнюк, А.П. Козлов, П.Ю. Алексеева. Состояние мембран эритроцитов у доноров различных возрастных групп. Общая реаниматология. 2006. Том II, № 3. С. 9- 12. 5. Е.К.Козлова, А.П. Черняев, У.А. Близнюк, П.Ю. Алексеева, А.П. Козлов. Воздействие пучка ускоренных электронов на мембраны эритроцитов. Аннотации докладов III Международного симпозиума под эгидой ЮНЕСКО, посвященного 100-летию со дня рождения акад. Н.М. Сисакяна «Проблемы биохимии, радиационной и космической биологии» 2006. Дубна. С. 118-119. 6. Аносов А.А., Шаракшанэ А.С., Козлов А.П. «Акустическая эмиссия в модельных объектах в мегагерцовом диапазоне». Сборник трудов XVIII сессии Российского акустического общества. 2006. Таганрог. С. 122-125. 7. А.П. Козлов, У.А. Близнюк, В.М. Елагина, А.П. Черняев, Е.К.Козлова, А.М.Черныш. Измерение параметров электрического поля в суспензии эритроцитов человека при электропорации мембран. Медицинская физика. 2006. № 2. С.56 – 59. 8. Козлов А.П., Красавин Е.А., Борейко А.В., Черняев А.П., Козлова Е.К., Черныш А.М. Исследование повреждений мембран эритроцитов при облучении пучком ускоренных ионов бора с помощью электропорации. Медицинская физика. 2007. № 1. С. 19 –21. 9. Bliznuk U.A., Chernyaev A.P., Kozlov A.P. The combined action of charged particles and pulse electrical field on erythrocytes. 16 Meeting of the European Association for Red Cell Research. Oxford. 2007. PC2. 10. А.П. Черняев, А.М.Черныш, Алексеева П.Ю., Козлов А.П., Близнюк У.А., Е.К. Козлова, Диагностика скрытых повреждений мембран эритроцитов в результате воздействия физико-химических факторов. Технологии живых систем. 2007.Т. 4. № 1. С. 28-37. 23
