Реферат на тему «Молекулярное моделирование в радиобиологии»

Московский государственный университет им.
М.В. Ломоносова
Биологический факультет
Кафедра биофизики
Реферат на тему
«Молекулярное
моделирование в
радиобиологии»
Выполнил:
Студент 4-ого курса
кафедры Биофизика
Федоров В.А.
Преподаватель:
Байжуманов А.А.
Москва, 2013 г.
Радиобиология – наука о действии всех видов
ионизирующих излучений на живые организмы и
их сообщества. Исследование биологического
действия ионизирующих излучений началось
почти тотчас за открытием этих излучений В.К.
Рентгеном (1895), А.Беккерелем (1896) и радия
М.Складовской-Кюри и П.Кюри (1898). Однако как
самостоятельная наука радиобиология
сформировалась в первой половине ХХ века
благодаря быстрому развитию ядерной физики и
техники.
Основные проблемы радиобиологии:
исследование радиационного поражения
организмов при их тотальном облучении,
познание причин различной
радиочувствительности организмов, изыскание
различных средства защиты организмов от
излучений и путей его пострадиационного
восстановления от повреждений,
прогнозирование опасности для человечества
повышающегося уровня радиации окружающей
среды, изыскание новых путей использования
ионизирующих излучений в медицине, сельском
хозяйстве, пищевой и микробиологической
промышленности. Многогранность задач, стоящих
перед современной радиобиологией, привела к
развитию радиационной микробиологии,
радиационной генетики, космической
радиобиологии, радиоэкологии и других
направлений. Многие открытия радиобиологии
(например, изучение радиационного мутагенеза,
а также ферментов, репарирующих радиационные
повреждения ДНК) способствовали
существенному развитию знаний об общих
закономерностях жизни.
Биологическое действие излучений –
постоянное воздействие на биосферу Земли
электромагнитных и корпускулярных излучений
внеземного и земного происхождения,
приводящее к биохимическим, физиологическим,
генетическим и другим изменениям, возникающим
в живых клетках и организмах. Наиболее мощный
источник излучений – Солнце. Энергия
электромагнитного излучения Солнца видимой
части спектра улавливается растениями, и в
процессе фотосинтеза трансформируется в
энергию химических связей органических
веществ, за счёт которой существует и
развивается жизнь на Земле. С действием света
связаны информационные и регуляторные
реакции организмов (зрение животных,
фототаксис, фотопризм, фотопериодизм и др.).
Поглощаясь в тканях окрашенными веществами –
фотосенсибилизаторами, видимое излучение
может быть опосредованно воздействовать на
нуклеиновые кислоты и белки (фотодинамическое
действие) Ультрафиолетовое излучение Солнца
Частично проникает через атмосферу и в
умеренных дозах оказывает благотворное
воздействие на рост и развитие растений и
животных (усиливает обмен веществ, вызывает
образование витамина D, повышает
сопротивляемость организма). В больших дозах
коротковолновое УФ-излучение инактивирует
нуклеиновые кислоты и белки, оказывает
бактерицидное, эритемное, мутагенное и
канцерогенное действие. Вспышки на Солнце, как
и гораздо более мощные вспышки на других
звёздах, являются источниками
высокоэнергетических космических лучей,
часть космических лучей отклоняется
магнитным полем Земли, другая – поглощается
верхними слоями атмосферы и только небольшое
их количество достигает поверхности Земли,
составляя около 30% естественного фона
ионизирующих излучений. Остальные 70%
обусловлены альфа-, бета- и гамма-излучениями
радиоактивных элементов – тория, урана, радия и
продуктов их распада (радон и др.), находящихся в
рассеянном виде в земных породах, почве,
атмосфере, воде. Определённый вклад в
естественный фон вносят и таки радиоактивные
изотопы, как К40, Н3, С14, входящие в состав живых
клеток. Высокоэнергетические ионизирующие
излучения глубоко проникают в организм,
достигая наиболее радиочувствительных
органов – кроветворных, генеративных и др. В
основе биологического действия ионизирующих
излучений лежат процессы ионизации и
возбуждения молекул, радиационно-химические
реакции, нарушающие или изменяющие функции
биополимеров, главным образом нуклеиновых
кислот и ферментов. Воздействуя на ДНК
соматических и генеративных клеток, они
способны вызвать мутации, злокачественное
перерождение клетки. Поэтому ионизирующие
излучения играют определённую роль в
естественной изменчивости организмов, и
вместе с тем повышают уровень спонтанно
возникающих уродств, генетических
заболеваний, канцерогенеза. В середине ХХ века
были открыты способы расщепления атомных
ядер, сопровождающиеся мощным ионизирующим
излучением и образованием большого
количества искусственных радиоактивных
веществ. Технические средства использования
ядерной энергии в военных и мирных целях
ощутимо увеличивают количество источников
ионизирующих излучений, а следовательно и
вероятность возникновения различных
нарушений у организмов. Большую опасность для
человечества представляет использование
ионизирующих излучений в военных целях. При
тотальном гамма-нейтронном облучении
животных и человека (сопровождающем взрывы
атомных и ядерных бомб) в дозах 100 ГР и выше
вследствие поражения ЦНС наступает
коматозное состояние и смерть в первые 24-48
часов,при дозах 5-10 Гр возникает тяжёлая
лучевая болезнь. При более низких дозах после
острого периода наступает восстановление
поражённых тканей и выздоровление. Однако в
дальнейшем возрастает вероятность появления
отдалённых последствий облучения (рак,
лейкемия, катаракта, рождение генетически
неполноценного потомства и т.п.) Вследствие
развития техники всё более актуальной
становится проблема биологического действия
неионизирующих магнитных излучений с
большими длинами волн, таких как УВЧ,
миллиметровые,. сантиметровые и дециметровые
радиоволны, воздействие которых связано с
локальным, неравномерным нагревом
ультраструктур тканей и зависит от мощности и
модуляции облучения. Радиоизлучения
метрового и большего диапазонов, по-видимому,
биологическим действием не обладают.
Регулируемое биологическое действие
излучений широко используется в медицине
(радиотерапия, рентгенодиагностика,
фототерапия, лазеры и др.), микробиологической
промышленности, сельском хозяйстве
(радиационный мутагенез и др.)
Воздействие ионизирующего излучения на
клетки и ткани млекопитающих вызывает
разнообразные повреждения ДНК и
окислительный стресс в связи с накоплением
энергии в биомолекулах, что может привести к
старению, апоптозу, мутациям, генетической
нестабильности и канцерогенезу (National Council of Radiation
Protection and Measurements 2006). В связи с вышеописанным,
моделирование структуры треков
радиационного излучения для изучения
процесса накопления энергии в биомолекулах
было проведено несколькими группами ученых
(Goodhead and Nikjoo 1989; Nikjoo et al. 1997; Ballarini et al. 2008; Dingfelder 2006; Cucinotta et
al. 2000). Эти исследования очень важны для
планирования лечения лучевой терапией
тежелыми ионами (Nikjoo et al. 2008; Elsasser et al. 2008) и оценки
риска космического излучения (Cucinotta and Durante 2006;
Durante and Cucinotta 2008). Одним из важнейших аспектов
модели структуры трека является так
называемый «сердечник», цилиндрическая
область с наибольшей плотностью
распределения энергии вдоль пути движения
основного иона, окруженная треком намного
большего размера, «полутенью», образованной
так называемыми δ-лучами, то есть
высокоэнергетическими электронами, которые
способны преодолеть расстояние до нескольких
миллиметров в биологических средах (Magee and
Chatterjee 1980). Радиационные треки тежелых ионов
могут быть промоделированы как с применением
детерминистической модели (аморфные трек
коды), так и методом Монте-Карло (Nikjoo et al. 2006).
Численные эксперименты (Glass and Roesch 1972; Schmollack et al.
2000; Varma et al. 1975) позволили исследовать
характеристики трека. Одним из наиболее
значимых этой области является эксперимент,
проведенный Шмоллаком с соавторами, в котором
проведены измерения повреждающей
способности δ-лучей, значение удельной
энергии в расчете на целевое повреждение и на
одельный ион, и распределение дозы в объеме
цилиндрической мишени, расположенной на
различном расстоянии от треков 4Hе2+, 12С6+ и 16О8+. Их
эксперимент основан на методике ,
разработанной Росси и Розенцвейгом (1955), в
которой используется равномерный счетчик в
большом объеме, заполненным
тканеэквивалентной газовой смесью для
имитации мишени субклеточного размера,
окруженной тканью. Мишень представлена в виде
радиально подвижного цилиндрического
равномерного счетчика 5 мм в диаметре.
Измерительный детектор, регулируя плотность
газа, эвивалентно изменяет размер сайта на 150,
300 и 600 нм. Это сравнимо с размерами небольшого
фрагмента ДНК (~2 нм), нуклеосомы или белка (~10 нм),
хромотинового волокна (~25 нм) и клеточного ядра
млекопитающих (~10 мкм). Шмоллак с соавторами
затем используют модель структуры аморфного
трека, разработанную Кифером и Стаатен (1986) для
анализа их собственных результатов. Эта
модель структуры трека подходит для описания
таких экспериментальных данных.
Моделирование частоты повреждений ν(r) и
радиальная доза D(r) происходит по формулам:
ν ( r)= a ν r b
D(r )= aD r b
и
, где параметры aν, bν, aD и bD
определяются подбором значений,
соответствующих радиальному расстоянию
больше чем заданный, методом наименьших
квадратов. Эта модель способна получать
данные, сравнимые с экспериментальными
значениями, полученными Шмоллаком с
соавторами. Однако модель не способна
объяснить снижение средней удельной энергии в
расчете на заданное повреждение и на ион, когда
радиальное расстояние соответствует краю
цилиндра. Модель также прогнозирует
увеличение средней удельной энергии на одно
попадание в мишень в непосредственной
близости от полутеневого радиуса, что не
соответствует экспериментальным данным.
Кроме того, модель не расчитывала
распределение дозы, измеряемое в мишени. В
дальнейшем в работе Планта и Куцинотта было
проведены расчеты структуры треков методом
Монте-Карло
и получили значение распределения дозы,
частоту повреждений и среднюю энергию на
повреждение мишени и на ион. На рисунке 1
показаны типичные структуры радиационных
треков в воде. На рисунке так же изображена
цилиндрическая мишень, диаметром 600 нм, чтобы
проиллюстрировать экспериментальные
условия. На рисунке отчетливо видны сердечник
трека и полутень.
ν
D
Рис. 1 Типичные структуры радиационных треков
в воде.
Радиальный профиль распределения дозы в
работе Планта и Куцинотта (2008) вычисляется
путем расчета энергии, приходящейся на
дифференциальный элемент объема,
распределения объема по массе
диференциального элемента и таким образом
приводя его к еденицам исчисления Дж/кг, что
соответствует Гр. Результаты показаны на рис. 1.
Три иона имеют одинаковые профили
распределения дозы, отличающиеся только
масштабным коэффициентом, который меняет
соотношение (Z1/Z2)2. Поскольку ионы в их расчетах
имеют примерно одинаковое значение энергии на
кулон, то максимальная энергия, которая может
быть передана при столкновении с электроном,
одинакова для всех исследованных ими ионов.
Рис. 2. Радиальное распределение дозы для 16O8+, 12C6+
и 4He2+.
Частота поражения мишени расчитывается путем
моделирования определенного количества
треков ионов и фиксирования количества
объемов мишеней имеющих внутри себя энергию.
На рисунке 3 показано сравнение результатов,
полученных экспериментально Шмоллаком с
соавторами (2000) и результатов, полученных с
помощью модели.
Рис. 3. Частота поражения мишени, как функция
радиального расстояния. Черная линия —
расчетные данные (1986). Черная линия с
квадратными точками — расчетные данные (2009).
На рисунке 4 показана зависимость целевого
размера от частоты поражений для ионов 16О8+.
Убывание начинается примерно при 75, 150 и 300 нм
соответственно, что составляет половину
диаметра цилиндра. Снижение не такое
значительное, как в случае ионов 4Hе2+и 12С6+, потому
что там гораздо больше δ-лучей в полутени (см.
Рис. 1), так что вероятность поражения
уменьшается медленнее.
Рис. 4. Зависимость целевого размера от частоты
поражений для ионов 16О8+
при 75, 150 и 300 нм соответственно.
Средняя удельная энергия на одно повреждение
мишени рассчитывается путем расчета дозы,
преходящейся на цилиндр и распределением по
количеству повреждений мишени. Результаты
расчетов, проведенных для ионов 4Hе2+, 12С6+ и 16О8+ при
150 нм мишени показаны на рисунке 5. Расчетные
данные хорошо согласуются с
экспериментальными данными для ионов 16О8+,
показано резкое снижение при 75 нм, что
соответствует краю цилиндра. Для ионов 12С6+ была
произведена коррекция значения величины
радиального расстояния, оно было увеличено на
30 нм. Расчетные данные при радиальном
расстоянии > 100 нм великолепно согласуются с
экспериментальными данными. Давольно
запутанными получились результаты расчетов
для ионов 4Hе2+ , данные свидетельствуют о
уменьшении значений при расстоянии 75 нм, но к 100
нм згачение почти полностью возрастает к
исходному. Данные полученные для инов 4Hе2+ не
согласуются с экспериментальными данными, но
довольно близки к предсказанным моделью
Кифера и Штаатена (1986).
В непосредственной близости от радиуса
полутени, модель Кифера и Штаатена
прогнозирует увеличение z1(r), а затем резкое
снижение до нуля. Такое поведение не нашло
экспериментального подтверждения и скорее
всего связано с упрощениями, присущеми
детерминистическим расчетам. Этот эффект
более актуален для крупных атомов мишеней, то
есть 300 и 600 нм. Плант и Куцинотт расчитали z1(r) для
ионов 16О8+ и мишеней размером 150, 300 и 600 нм.
Результаты их расчетов представлены на
рисунке 6. Показана хорошая сходимость с
экспериментальными данными, и также резкое
падение значения z1(r) в близи края цилиндра. При
больших радиальных расстояниях
энерговыделение в объеме мишени является
редким событием, что может означать
непоказательность представленных данных
ввиду малой статистики. Тем не менее не нашло
подтверждения увеличение в непосредственной
близости от радиуса полутени, которое было
предсказано детерминистическими моделями.
Рис. 5. Средняя удельная энергия на одно
повреждение мишени.
Рис. 6. Результаты расчетов z1(r) для ионов 16О8+ и
мишеней размером 150, 300 и 600 нм.
Значение средней удельной энергии на ион
получают путем расчета дозы приходящейся на
объем мишени и деленный на общее число
падающих ионов. Были проведены расчеты для
ионов 4Hе2+, 12С6+ и 16О8+ при мишени в 150 нм (рис. 7).
Расчеты показывают резкий спад на границе
цилиндра, что соответствует
экспериментальным данным. Для всех ионов
расчеты были повторены при размерах мишени 150,
300 и 600 нм (рис. 8). Для мишени размером в 150 нм
расчеты Планта и Куцинотта удовлетворяют
экспериментальным, но для мишени размером в 600
нм лучше подходят результаты полученные
Кифером и Штаатеном.
Рис. 7.Значение средней удельной энергии на ион
для ионов4Hе2+, 12С6+ и 16О8+при мишени 150 нм
Рис. 8. Значение средней удельной энергии на ион
для ионов16О8+при мишени 150, 300 и 600 нм
Расчеты методом Монте-Карло находят все
большее применение для решения
радиобиологических проблем. Существует
необходимость доработки моделей и для
получения более согласованных с
экспериментальными данных, но тем не менее
расчетные методы уже сейчас позволяют с
большой точностью описывать процессы
происходящие в экспериментах, что
предоставляет возможность прогнозирования
результатов, которые еще не имеют
экспериментальных аналогов.
Использованная литература:
Ianik Plante, Francis A. Cucinotta Energy deposition and relative frequency of hits of cylindrical
nanovolume in medium irradiated by ions: Monte Carlo
simulation of tracks structure.
Radiat Environ Biophys (2010) 49:5–13
Autsavapromporn N, Meesungnoen J, Plante I, Jay-Gerin J-P (2007)
Monte Carlo study of the effects of acidity and LET on the
primary free-radical and molecular yields of water radiolysis—
application to the Fricke Dosimeter. Can J Chem 85:214–229
Badhwar GD, Cucinotta FA (2000) A comparison on depth dependence of dose and linear energy
transfer spectra in aluminum and polyethylene. Radiat Res 153:1–8
Ballarini F, Alloni D, Facoetti A, Ottolenghi A (2008) Heavy-ion effects: from track structure to
DNA and chromosome damage.
New J Phys 10:075008
Cobut V, Frongillo Y, Patau JP, Goulet T, Fraser M-J, Jay-Gerin J-P (1998) Monte-Carlo
simulation of fast electron and proton tracks
in liquid water—I. Physical and physicochemical aspects. Radiat
Phys chem 51:229–243