Лекции по радиобиологии

Подождите немного. Документ загружается.

Физическая величина Название и обозначение единиц Соотношение между

единицами

Внесистемная Система СИ

Активность источника

ионизирующих

излучений

Кюри ( Ки, Ci) Беккерель

(Бk, Bq)

1 Ки = 3,7 10

-10

Бк

1 Бк = 2,7 10

-11

Ки

Экспозиционная доза Рентген ( Р, R) Кулон на кило-

грам (Клкг

-1

Ckg

-1

)

1 Р = 2,58 10

-4

Кл/кг

1 Клкг

-1

= 3876 Р

Мощность

экспозиционной дозы

Рентген в секунду

(Рс

-1

, Rc

-1

)

Кулон на

килограмм в

секунду

(Клкгс

-1

)

1Рс= 2,5810

-4

Клкг

-1

1 Клкг с

= 3876 Рс

-1

Поглощенная доза Рад (рад, rad) Грей (Гр, Gr) 1 рад =10

-2

Гр

1 Гр = 100 рад

Мощность

поглощенной дозы

Рад в секунду

(радс

-1

, radс

-1

)

Грей в секунду

(Грс

-1

, Grс

-1

)

1 рад/с =10

-2

Гр/с

1 Гр/с = 100 рад/с

Эквивалентная доза Бэр (бэр, rem) Зиверт

(Зв, Sv)

1 бэр=10

-2

Зв

1 Зв = 100 бэр

Мощность эквива-

лентной дозы

Бэр в секунду

(бэрс

-1

, remс

-1

)

Зиверт в секунду

(Звс

-1

, Svс

-1

)

1 бэр/с=10

-2

Звс

-1

1 Зв/с = 100 бэрс

-1

Контрольные вопросы и задания:

1. Как Вы понимаете термин «относительная биологическая эффективность ионизирующих

излучений»?

2. Что означает термин «стандартное ионизирующее излучение» и каковы ее параметры?

3. Как вы понимаете термины «поле излучения», «облучаемый объект»?

4. Какие единицы используются для измерения экспозиционной дозы излучения?

5. Существует ли зависимость между мощностью экспозиционной дозы и эквивалентной

дозой? Объясните.

6. Какая зависимость существует между начальной энергией ионизирующей частицы и

ЛПЭ в веществе?

7. Как зависит ОБЭ от ЛПЭ ионизирующего излучения?

8. Какие параметры (характеристики) излучения необходимо знать для подсчета

эквивалентной дозы, эффективной дозы?

9. Объясните значение терминов «источник излучения», «поле излучения», «облучаемый

объект».

10. Опишите процесс «избыточного» поражения в биологических объектах?

Задачи

1. Поглощенная доза -излучений составила 5 Гр. Чему равна эквивалентная доза?

2. Мощность поглощения дозы -излучения составляет 0,1 рад/с. Какова эквивалентная

доза, получаемая живым объектом за 1 час?

3. Чему равна энергия -излучения с ЛПЭ=10 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину

1 см?

4. Поглощенная доза рентгеновского излучения составила 1 Гр. Чему равна эквивалентная

доза?

5. Мощность поглощенной дозы -излучения составляет 0,01 рад/с. Чему равна

эквивалентная доза за 1 час?

6. Активность источника составляет 10 мКи. Выразите активность этого источника в

единицах системы СИ.

7. Мощность поглощенной дозы составила 10 мрад/с. Какова эквивалентная доза за 1 ч в

системе СИ?

8. Мощность экспозиционной дозы составила 100 мР/с. Выразите эту дозу в единицах

системы СИ.

9. Рассчитайте эффективную дозу для пациента, если мощность поглощенной дозы при

рентгенотерапии желудка составила 10

-3

мГр/мин. Было проведено 5 сеансов терапии

продолжительностью каждой по 10 мин.

10. Человек облучался γ-излучением в течение 30 мин при мощности экспозиционной дозы

2 мкР/ч. Рассчитайте велечину эквивалентной дозы ( в зивертах) для этого человека.

Лекция 5а. Теоретические представления о механизмах действия

ионизирующего излучения на биологические объекты. Теория мишеней. Зависимость

биологического эффекта от поглощенной дозы.

Количественные эксперименты в радиобиологии начали проводиться с 20 годов 20

века. Представители различных групп организмов подвергались действию рентгеновского

излучения и излучению радия. Интенсивным радиобиологическим исследованиям в этот

период способствовало бурное развитие ядерной физики и биологической науки. К этому

времени, в физике начинается широкое использование методов дозиметрии и радиометрии,

соответственно, у радиобиологов появляется возможность регламентации доз облучения.

Для проведения количественных экспериментов исследователи начали использовать

гомогенные растворы макромолекул, клоны генетически однородных вирусов, клеток , т.е.

такие системы, в которых возможно определить реакцию единичного объекта на

соответствующую дозу облучения. Очень важным для развития радиобиологической накуки

явилось то, что зависимость биологического эффекта от дозы облучения исследователи

начали выражать графически, в так называемых «дозовых кривых». Для построения таких

графиков необходимо облучать большое количество живых объектов в определенном

интервале доз, и определить число обьектов, сохранивших свои первоначальные свойства по

отношению к общему их числу до облучения. На рис.1 представлены результаты некоторых

классических опытов.

Рис. 1. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы рентгеновского

излучения

а) доля выживших особей инфузорий через два часа после облучения (Кроутер, 1926)

б) доля неинактивированных молекул рибонуклеазы после облучения (Ли, 1944)

ось.абцисс – поглощенначя доза, рад, ось оординат - выживших клеток или активных

молекул, %

Как видно, при облучения рентгеновскими лучами суспензии инфузорий уже при

небольших дозах ( » 0,1 – 1рад) обнаруживаются погибшие клетки. Повышение дозы

приводит к увеличению количества погибших клеток. Однако, даже при высоких дозах (4 -5

рад) сохраняется отдельные живые клетки. Аналогичная закономерность выявляется и при

облучении раствора фермента рибонуклеазы: при небольших дозах определенное количество

молекул фермента инактивируется, в то же время, и при очень высоких дозах сохраняются

некоторое количество нативных макромолекул.

Анализ «дозовых кривых», построенных на основании экспериментов с различными

биологическими объектами позволяет выявить следующую закономерность: при самых

малых дозах облучения обнаруживаются инактивированные молекулы, вирусы, клетки, т.е.

все кривые четко экстраполируются к нулю. В то же время, и при больших дозах облучения,

в дозах сотни и тысячи разпревышающих минимальные, определенное количество живых

объектов сохраняют свои первоначальные свойства. По-другому, даже при очень высоких

дозах облучения часть облученных живых объектов поражается ионизирующим

излучением. Обнаруженную закономерность невозможно объяснить, исходя только из

биологических особенностей объектов. Так, отсутствие нижнего порога на кривой «доза-

эффект» означает, что в пределах генетически однородной популяции организмов

существуют особи, которые гибнут при очень малых дозах радиации. В то же время, в этой

популяции, есть и особи, выживающие при действии более высоких доз. Только

естественная вариабельность признака радиоустойчивости не может быть причиной

обнаруженного эффекта. Также невозможно предположить, что среди молекул фермента,

характеризующихся одинаковыми физико-химическими свойствами, одни молекулы

инактивируются при малых дозах, а другие сохраняют ферментативную активность при

действии тысячекратно превосходящих доз лишь в силу особенностей отдельных молекул

рибонуклеазы.

Объяснения этих фактов следует, видимо, искать в особенностях воздействия

ионизирующих излучений на живые системы.

Представим, что биологическая система (суспензия клеток, вирусов, раствор

макромолекул) получают энергию путем облучения не ионизирующим излучением, а другим

путем, например, облучением инфракрасным излучением (нагреванием). В этом случае

дозовая кривая (зависимость между количеством инактивированных макромолекул фермента

и величиной поглощенной энергии) будет выглядеть по иному, чем на рис 1. До

определенной температуры ( 40° С) нагревания абсолютно все молекулы системы будут

сохранять свою активность. При дальнейшем повышении температуры начинается

инактивация молекул и при 80° С не останется ни одной непораженной молекулы (Рис.2).

Как видно из этого рисунка, при нагревании в узком интервале температур (40 -80 °С)

абсолютно все молекулы фермента инактивируются. Анализ рис. 1б рис. 2

свидетельствует о том, что решающее влияние на характер дозовой кривой оказывает не

особенности облучаемых объектов, а способ сообщения энергии.

Рис.4. Инактивация рибонуклеазы при нагревании раствора

В опытах по термоинактивации, энергия от источника тепла сообщается всем

объектам более равномерно и одинаково за счет теплопроводности среды. В случае действия

ионизирующего облучения, энергия сообщается дискретными порциями, и процесс передачи

энергии носит статистический характер. В соответствии с теорией вероятности, отдельные

компоненты облучаемой системы с определенной вероятностью поглощают энергию

излучения, тогда как на определенные компоненты системы эта энергия не попадает.

Представления о вероятностном характере попадания и распределения энергии на отдельные

компоненты облучаемой системы, в совокупности с представлениями о механизмах

взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, позволяют объяснить

количественные закономерности, наблюдаемые в радиобиологических экспериментах.

Впервые гипотезу, объясняющую характер зависимости радиобиологических

эффектов от получаемых доз, предложил Ф. Дессауэр. Он предположил, что большой

радиобиологический эффект при ничтожном суммарном количестве поглощенной энергии

обуславливается концентрацией энергии в малых объемах системы, приводя их к

микролокальному разогреву. Вследствие этого гипотеза Ф. Дессауэра получила название

гипотеза «точечного разогрева» или «точечного тепла».

Основные положения гипотезы Дессауэра:

 Кванты и частицы ионизирующей радиации обладают огромной энергией, величина

которой значительно превосходит энергию химических связей.

 Облучаемая живая система ( например, клетка, организм) состоит, с одной стороны, из

менее важных (относительно безразличных) для жизнедеятельности, с другой, - весьма

существенных для жизни этой системы микрообъемов и структур.

 В облучаемой системе при поглощении относительно небольшого количества общей

энергии, в отдельных случайных и редкорасположенных микрообъемах концентрируется

настолько большие порции энергии, которые могут привести к локальным изменениям в

структуре системы. Эти изменения вызванные концентрацией энергии ионизирующих

излучений можно сравнить с изменениями при локальном разогреве этих микрообъемов.

 Распределение «точечного тепла» является статистическим процессом. Конечный

радиобиологический эффект зависит от случайных попаданий дискретных порций

энергии в жизненно важные микрообъемы внутри живой системы.

При облучении живых систем невысокими дозами, вероятность попадания энергии в

жизненно важные объемы низкая, и наоборот, с повышением дозы, эта вероятность

повышается. Из этого следует, что даже самые маленькая доза радиации может вызвать,

соответственно, с малой вероятностью и малой частотой, биологический эффект, но и при

очень высоких дозах есть вероятность сохранения неповрежденных объектов.

Основные положения гипотезы Дессауэра были использованы и получили

дальнейшее развитие в работах Дж. Кроутера, Д.Ли, К. Уиммера, Н.В. Тимофеева-

Ресовского. Гипотеза «точечного разогрева» впоследствии получила название «теория

мишени». В соответствии с этой теорией, при интерпретации результатов

радиобиологических экспериментов необходимо учитывать следующие физические

принципы:

 транспортировка энергии ионизирующих излучений и поглощение ее облучаемыми

объектами происходит дискретно

 акты взаимодействия квантов и частиц с молекулами, атомами (попадание) не зависят

друг от друга и подчиняются Пуассоновскому распределению.

 радиобиологический эффект наступает, если число попаданий в некоторую

чувствительный объем системы (мишень), равно определенному числу n.

Рассмотрим гипотетическую систему, состоящую из определенного количества N

объектов. Каждый объект обладает мишенью с сечением S и объемом V. Предположим, что

для инактивации объекта достаточно, чтобы трек ионизирующей частицы или кванта прошел

через сечение мишени. Такое событие будем называть попаданием в мишень. Если

траектории частиц или квантов распределяются по поперечному сечению объекта случайным

образом и не зависят друг от друга, то вероятность одного, двух и .... n попаданий в мишень

описывается соотношением

P(n) = X

-x

/n! (1)

где X - среднее число попаданий в мишень (X = SD, где D - среднее число частиц,

пролетающих через единицу площади сечения S).

При любой малой дозе излучения существует вероятность прохождения хотя бы одной

частицы через одну из мишеней.

Если обозначим через N число объектов, сохранивших после облучения исходные свойства

т.е. «выживших», то величине N/ N

соответствует вероятность непопадания (n = 0 ) и

учитывая что X = SD, получим,

P = N/ N

= (SD)

-SD

/0! = e

-SD

(2)

Теоретически, при определенной дозе излучения выполняется условие SD =1, в случае,

когда в среднем число попаданий равно числу мишеней. В действительности же часть

попаданий происходит в уже однажды пораженные мишени, а некоторые мишени остаются

не пораженными. В соответствии с распределением Пуассона, при SD =1 поражается около

63 % мишеней и соответственно, 37 % их остается непораженными. Действительно, если

подставим в уравнение (2) SD =1, то получим:

N/ N

= e

-SD

= e

-1

= 0,37 (3)

Отношение N/ N

легко определит экспериментально: оно является долей вышивших

объектов в системе по отношению к их общему количеству до облучения. Поглощенная доза,

при которой выживает 37 % облученных объектов называется среднелетальной или

инактивирующей дозой и обозначается символом D

. Графически зависимость доли

выживших компонентов облученной живой системы от величины поглощенной дозы

выражается экспонентой (рис. 5).

N/ N

= e

-D/

(4)

где D

- величина поглощенной дозы.

Рис.5. Зависимость доли выживших объектов облученной живой системы от

величины поглощенной дозы.

Аналогичные рассуждения можно использовать для анализа «одноударных»

процессов и при действии электромагнитного ионизирующего излучения. Так как

электромагнитные излучения являются редкоионизирующими по всему объему мишени, то в

этом случае важным параметром является объем мишени, и вместо площади сечения

используется объем мишени. Как было сказано выше, все приведенные рассуждения

справедливы только для «одноударных» процессов, т.е. когда одно попадание в мишень

инактивирует один объект. Если же для инактивации объекта необходимо больше чем одно

попадание в мишень, то кривые выживания отличаются от «одноударных». Чем большее

число попаданий необходимо для инактивации объекта, тем заметнее «плечо» (начальный,

более горизонтальный участок) кривой. На рисунке 6 показаны теоретически возможные

дозовые кривые для различного количества попаданий в мишень, необходимых для

инактивации объекта.

Рис. 6. Теоретически возможные кривые выживания для биологических объектов,

инактивируемых в результате нескольких попаданий в мишень.

Кривые выживания, полученные экспериментальным путем, не соответствуют

теоретически ожидаемым в силу ряда причин. Поэтому при использовании дозовых кривых

для анализа сложных радиобиологических процессов необходимо учитывать следующие

соображения:

 При облучении растворенных молекул попадание ионизирующей частицы в мишень

вносит меньший вклад в поражающее действие излучения, чем активные продукты,

появляющиеся в растворителе вследствие его облучения (косвенное действие

ионизирующего излучения).

 При облучении живых систем биологический эффект обуславливается попаданием в

различные мишени, параметры которых зависят от физиологического состояния объекта

(например, молодые делящиеся клетки и взрослые дифференцированные клетки).

 В живых системах (клетках и организмах) существуют системы репаративных и

компенсаторных реакций, обеспечивающих пострадиационное восстановление клеток и

повышающих число выживших особей.

Вследствие названных и других причин вид кривых «доза-эффект» может быть самым

разнообразным и может изменяться в зависимости от физиологических особенностей

объекта, условий и параметров облучения.

В настоящее время существуют еще несколько гипотез (моделей) рассматривающих

механизмы биологического действия ионизирующих излучений.

1. Стохастическая теория О.Хуга и А, Келлера (60-ые годы 20 века), описывающая

радиобиологические эффекты с позиций динамической биохимии. Она предполагает, что

радиобиологический эффект возникает в результате поражения множества случайных

событий, индуцированных облучением. Эта теория предлагает более «биологическую

интерпретацию» дозовых кривых.

2. Вероятностная модель радиационного поражения клетки предложена Ю.Г.

Капульцевичом в 1978 году. Согласно этой модели, разные клетки, облученные

одинаковой доз поражаются в различной степени вследствие неодинакового попадания

энергии излучений в мишени и вследствие того, что у разных клеток появляются

потенциальные повреждения, которые реализуются позднее или вообще не реализуются.

3. Гипотеза липидных радиотоксинов и цепных реакций основана на экспериментах Ю.Б

Кудряшова, Б.Н. Тарусова в 50-ых годах 20 века. В соответствии с ней, решающую роль в

радиационном поражении клетки играют цепные реакции окисления молекул липидов с

участием высокореакционных свободных радикалов. Цепные реакции инициируются

нарушениями структуры молекул при облучении, и их интенсивному протеканию

способствует ингибирование антиоксидантных систем клетки.

4. Структурно-метаболическая теория разработана А.М.Кузиным в 70-ых годах 20 века. Она

предполагает, что под влиянием ионизирующих излучений в клетках возникают не только

радиационно-химические повреждения, но и синтезируются высокореакционные

продукты, приводящие к дополнительному повреждению биологически важных

макромолекул и образованию высокотоксичных низкомолекулярных метаболитов. Особая

роль в гипотезе Кузина отводится к так называемым «первичным радиотоксинам».

Нужно отметить, что, несмотря на различные подходы авторов этих гипотез для

объяснения радиобиологических эффектов и даже критику теории мишеней, все они не

отвергают эту теорию. Более того, изложенные выше гипотезы опираются на основные

принципы теории мишеней: дискретность действия ионизирующего излучения, структурно-

функциональная негомогенность биологического объекта.

Контрольные вопросы и задания.

1. Какие экспериментальные данные необходимы для построения графика «доза-эффект»?

2. Опишите процессы, происходящие при нагревании суспензии бактерий и при облучении

такой суспензии ионизирующим излучением.

3. Каковы основные положения гипотезы Ф. Дессауэра, объясняющего особенности

воздействия ионизирующих излучений на живые объекты?

4. Объясните с позиций современной биологии предположения Ф. Дессауэра о наличии в

живых объектах «относительно безразличных» и «более важных» микробъемов,

структуры. Приведите примеры.

5. На каких основных физических принципах основана теория мишеней?

6. Что означает величина D

и как можно вычислить ее значение?

7. Объясните значение термина «инактивация мишени». Приведите примеры.

8. От какого свойства облучаемого объекта зависит длина «плеча» дозовой кривой?

9. Почему экспериментальные кривые выживания не соответствуют теоретически

ожидаемым кривым «доза-эффект»?

10. Мышей одной чистой линии разделили на 2 равные группы. Первую группу облучили в

определенном интервале доз и построили кривую выживания, определили значения D

37,

. Через 2 месяца повторили опыт со второй группой мышей в совершенно

идентичных условиях. Однако, полученная дозовая кривая значительно отличалась от

первой и соответственно, значения D

37,

тоже оказались другими. Приведите Ваши

соображения для объяснения этого факта.

11. Опишите основные гипотезы, объясняющие механизмы действия ионизирующих

излучений биологические объекты.

Лекция 6 а

Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы.

Ионизация молекул при действии на них ионизирующих излучений приводит к

инактивации или говоря иначе, полной или частичной утрате функциональной активности

биологических молекул. Инактивация органических молекул, в т.ч. макромолекул, может

происходить в результвате прямого или косвенного (опосредованного) воздействия на них

ионизирующих излучений. Если инактивация молекулы произошла в результате

непосредственного поглощения ею энергии кванта или частицы, то говорят о прямом

действии ионизирующего излучения. Если инактивация макромолекулы происходит в

результате химического взаимодействия ее с высокореакционными продуктами, возникшими

в ее окружении при действии радиации, говорят о непрямом действии ионизирующего

излучения.

Прямое действие ионизирующих излучений на макромолекулы заключается в

сложной последовательности событий, происходящих от момента поглощения энергии

молекулой и до появления стойких изменений в ее структуре и функционировании. Условно

этот процесс можно разделить на 3 стадии. На первой, физической стадии происходит

поглощение энергии кванта или частицы молекулой, появление возбужденных и

ионизированных молекул, неравномерно распределенных в пространстве. Эти процессы

протекают очень быстрои завершаются за 10

-16

- 10

-13

с. Вторая, физико-химическая стадия,

включает различные реакции трансформации и перераспределения избыточной энергии

молекул. На этой стадии появляются высокореакционные продукты радиолиза различных

соединений: ионы, радикалы. Время протекания второй стадии составляет за 10

-13

- 10

-10

с. В

течение третьей, химической стадии, ионы и радикалы взаимодействуют друг с другом и с

окружающими молекулами, образуя различные типы структурных повреждений. Эти

реакции протекают в течение 10

-6

- 10

-3

с.

Повреждения структуры молекул приводят к изменениям функциональных свойств

соответствующих макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Например,

повреждение структуры нуклеотида в молекуле ДНК, может остановить процесс

репликации, аминокислоты в молекуле белка- потере ферментативной активности. Конечно,

к настоящему этапу развития биологии мы пока не в состоянии описать весь круг

функциональных признаков, определяющих роль всех макромолекул в жизнедеятельности

клетки и организма. Однако, в любом классе макромолекул (белках, НК, липидах,

полисахаридах) есть четко охарактеризованные представители, обладающие четко

определенными функциями. В качестве примера среди белков можно привести ферменты

трипсин, химотрипсин, рибонуклеаза А, для которых известны мельчайшие детали

структурной организации и четко определены выполняемые функции.

Анализируя инактивирующее влияние ионизирующих излучений на ферменты,

прежде всего, определяются такие их свойства, как активность, субстратная специфичность,

чувствительность к модификаторам активности. Изменение этих и некоторых других

показателей в результате облучения означает инактивацию фермента. В опытах с

молекулами нуклеиновых кислот критерием инактивации служит изменение

инфекционности этих молекул, их трансформирующей активности и способности служить

матрицей для синтеза полинуклеотидов.

Рассмотрим некоторые классические эксперименты, исследующие прямое действие

облучения на ферменты.

Прямое действие ионизирующего излучения на ферменты исследуют на

кристаллических или лиофильно высушенных препаратах белков. В этом случае большая

часть молекул инактивируется в результате поглощения энергии излучения. Сухой препарат

молекул облучают различными дозами и затем сравнивают активность облученных и

необлученных молекул. На рис. 1 представлен график зависимости активности рибонуклеазы

от поглощенной дозы рентгеновского излучения. Расщепление молекулы РНК

рибонуклеазой осуществляется 2 этапа. Вначале гидролизуется фосфорнодиэфирная связь в

молекуле и образуется циклический диэфир, и затем пиримидин 2¢,3¢-циклическая

фосфатная связь гидролизуется с образованием нуклеотид 3-фосфата.

Рис.1. Активность РНК-азы в зависимости от поглощенной дозы при облучении

кристаллического препарата фермента рентгеновскими лучами

1 - субстрат: раствор РНК

2 - субстрат: раствор цитидин 2¢,3¢-циклофосфата

Как видно из рисунка при использовании обоих субстратов наблюдается одинаковая

степень инактивации фермента, что свидетельствует о том, что в равной мере поражаются

обе функциональные единицы молекулы. Зависимость инактивации молекул от дозы

облучения носит экспоненциальный характер. При малых дозах обнаруживается небольшое

число инактивированных молекул, с ростом дозы число инактивированных молекул

возрастает, сначала резко, почти линейно. В интервале доз от 2 до 710

Гр большое

увеличение дозы приводит к незначительному повышению доли инактивированных молекул.

Экспоненциальный характер кривой зависимости выражен более четко, если по оси ординат

долю инактивированных молекул выразить в полулогарифмическом масштабе (Рис. 2). Как

видно, все экспериментальные точки укладываются на прямую линию, проходящую под

углом к оси ординат. Эта прямая описывает зависимость

ln N/ N

= - kD или N/ N

= e

-kD

где k - количество мишеней, D-поглощенная доза излучения