Радиобиология

К содержанию

1. Введение

Основная цель занятия: ознакомиться с этапами становления радиобиологии как науки и ролью радиобиологии в сохранении жизни и здоровья человека и биосферы.

Учебные вопросы:

● Предмет и задачи ветеринарной радиологии.

● Основные этапы ее развития.

● Ветеринарная радиобиология и ее роль в защите населения при масштабных радиационных загрязнениях среды.

● Приложение

● Тесты

Радиационная биология или радиобиология – это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний: биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой,ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.

Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:

● вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, в том числе и объяснение радиобиологического парадокса;

● управление радиобиологическими эффектами.

История открытия радиоактивности и основные этапы развития науки радиобиология

«Случай помогает лишь умам, подготовленным к открытиям». Луи Пастер.

Открытие Иваном Павловичем Пулюем (1880) и Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1895) Х-лучей, Анри Беккерелем - естественной радиоактивности (1896), Марией Склодовской и Пьером Кюри - радиоактивных свойств элементов полония и радия (1898) явилось основой рождения радиобиологии.

1. Открытие рентгеновских лучей

Термин «рентген», ставший производным для таких слов как «рентген-кабинет», «рентгенодиагностика», «рентгенизлучение», «рентгенотехника» и др. был введен физиком А.Ф. Иоффе (1880 , который был одним из учеников В.К. Рентгена и, таким образом, как бы воздавал признание заслугам своего учителя. А ведь все могло быть иначе, и икс-лучи, которые мы называем «рентгеновскими» могли быть названы «пулюевскими». Иван Павлович Пулюй стажировался в Страсбургском университете под руководством профессора Августа Кундта. Там впервые и произошла его встреча с Вильгельмом Конрадом Рентгеном, который был в то время ассистентом профессора Кундта. Там же Пулюй познакомился с молодым Николой Тесла, который также стажировался у Кундта. Вдвоем они начинали интересоваться явлениями, порождаемыми электрическим током в вакууме. После стажировки он возвратился в Вену, где продолжил работу по изучению явлений в трубках.

Результаты своих опытов с лампой Пулюя ученый опубликовал в статье «Сияющая материя и четвертое состояние вещества». Кроме того, в 1890–1895 гг. в нескольких европейских журналах были опубликованы снимки, полученные Пулюем во время экспериментов с лампой: снимок мыши, руки дочери ученого, под которой ясно видна была булавка.

Но тем не менее 11 января 1896 г. пражская газета «Воhеmiа» опубликовала материал под названием «Открытие Рентгеном новых свойств так называемых катодных лучей». (подробно см. в приложении)

8 ноября 1895 г. профессор физики Вюрнбургского университета Вильям Конрад Рентген заметил свечение кристаллов платино-синеродистого бария, лежащих возле катодной трубки, обернутой черной бумагой. Катодные лучи не проходили через бумагу, и Рентген понял, что открыл неизвестное ранее излучение, названное им Х-лучами (теперь это рентгеновские лучи). Рентген - Нобелевский лауреат 1901 г. (подробно см. в приложении).

2. Открытие естественной радиоактивности.

1 марта 1896 г. Профессор физики Парижского музея Анри Беккерель, изучавший явление люминесценции, проявил фотопластинку, на которую поверх черной бумаги была наложена соль урана в форме креста, и обнаружил, что, несмотря на отсутствие светового воздействия, на фотоэмульсии оказались точные очертания креста. А. Беккерель понял, что соль урана испускает какие-то невидимые глазу «урановые лучи». Беккерель Нобелевский лауреат 1903 г.

3. Открытие и выделение нескольких радиоактивных элементов.

Июль и декабрь 1898 г. Работы супругов М. Склодовской и П. Кюри в области радиохимии увенчались открытием и выделением полония и радия – естественных радиоактивных элементов. Нобелевские лауреаты 1903 г., в 1911 г. М. Склодовская-Кюри награждена второй Нобелевской премией.

Этапы развития радиобиологии

Первый этап – феноменологический

1. Начало изучения биологического действия рентгеновских лучей (обнаружена способность Х-лучей вызывать эритему, эпиляцию, незаживающие язвы и развитие рака кожи – 1896 г.).

2. Обнаружена способность рентгеновских лучей воздействовать на глубоко расположенные органы (1903 г., Г. Е. Альберс- Шонберг, Е.С. Лондон, Г. Хейнеке).

3. Стала известна роль ядра в радиационном поражении клетки (1903 г.).

4. Обнаружена способность Х-лучей тормозить клеточное деление (1905 г.,М. Корнике).

5. Начало изучения действия ионизирующей радиации на эмбриогенез (1905 г. Л. Хальберштадтер, П. Броун | Дж. Осгоуд).

Изучение биологического действия ионизирующих излучений началось сразу же после открытия рентгеновских лучей. Уже в1896 г. И.Р. Тарханов установил в опытах на лягушках и насекомых реакции на облучение во многих системах организма, на основании чего им было высказано предположение о возможности лечебного применения рентгеновского излучения, а через год после этого было издано 49 книг и более 1000 статей об использовании Х-лучей в медицине.). В начале ХХ в. в России влияние ионизирующих излучений на живые организмы изучал Е.С. Лондон, опубликовавший в 1911 г. монографию «Радий в биологии и медицине». В Германии в 1904 г. Петерс обнаружил нарушение деления в облученных клетках, а П. Линзер и Э. Хельбер в 1905г. – появление токсических веществ в крови облученных животных.

Кравченко Владимир Семенович (1873–1927) - судовой врач крейсера «Аврора» – впервые применил в судовых условиях после Цусимского сражения (1905 г.) рентгеновский аппарат (трубку Крукса), с помощью которого удалось обнаружить массу осколков, переломов, причем там, «где их вовсе не ожидали..., это страшно облегчило работу, а раненых избавило от лишних страданий – мучительного отыскивания осколков зондом» для последующего извлечения. После прихода в Манилу рентгеновскому обследованию на борту «Авроры» подверглись и раненые с кораблей «Олег» и «Жемчуг».

В 1903 г. Г. Альберт-Шонберг обнаружил дегенеративные изменения семяродного эпителия и азооспермию у морских свинок и кроликов, а в 1905 г. Л. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облучённых животных. Вскоре П. Броун и Дж. Осгоуд выявили азооспермию, явившуюся причиной бесплодия у людей – молодых рабочих завода рентгеновских трубок, проработавших на производстве более 3 лет.

П. Броун подметил примерно одинаково выраженное губительное действие на развивающихся головастиков облучения сперматозоидов лягушек или неоплодворённых икринок, резко отличающихся между собой по количеству цитоплазмы, и пришёл к заключению, что облучение последней не играет особой роли в развитии зародыша.

В первом периоде становления радиобиологии как науки были установлены два кардинальных факта: 1) радиационное торможение клеточного деления (М. Кронике, 1905 г.); 2) различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение (Бергонье и Трибондо, 1903 г.).

Эти авторы изучали чувствительность к радиационному воздействию разных видов семяродных клеток. Наиболее чувствительными оказались сперматогонии, а наиболее резистентными – сперматозоиды, облучение которых вообще не вызывало морфологических изменений.

Правило Бергонье-Трибондо: клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем они менее дифференцированы. Это одно из первых правил в радиобиологии, которое дошло до сегодняшнего дня почти неизменным.

В XXI в. оно звучит так: чувствительность клеток к облучению (радиочувствительность) прямо пропорциональна интенсивности клеточного деления (митотической активности) и обратно пропорциональна степени их дифференцировки (исключение составляют высокодифференцированные, но не делящиеся нервные клетки и лимфоциты крови).

В 1914 г. М. Фейгина собрала из литературных источников данные о 114 случаях рентгеновского рака, обнаруженных у медицинского и технического персонала. К 1959 г. было известно уже о 359 специалистах-рентгенологах, погибших от лучевого рака кожи и лейкозов.

В 1916 г. прошел I Всероссийский съезд рентгенологов.

В 1918 г. в Петрограде основан 1-й в мире Институт рентгенологии и радиологии по инициативе профессоров Михаила Исаевича Неменова и Абрама Федоровича Иоффе при поддержке наркомов Анатолия Васильевича Луначарского и Николая Александровича Семашко.

В начале 1920-х возникла ветеринарная рентгенология, занимающаяся диагностикой заболеваний домашних животных (Г. Дормачев, А. Вишняков, Г. Воккен).

Второй этап – теоретический

1. Становление количественных принципов радиобиологии (связь эффекта с дозой излучения).

2. Поиски теоретических основ биологического действия радиоактивности (Дессауэр – 1922 г. – дискретность событий ионизации).

3. Развитие принципа попадания и теории мишеней (Тимофеев-Ресовский, Циммер, Ли и другие исследователи).

4. Открытие действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки и наследственной передачи приобретенных признаков.

Второй этап характеризуется разработкой различных методов исследований для установлений связи дозы поглощенной энергии ионизирующего излучения и ответной реакции организма (эффекта). Одним из первых методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта.

Основой второго этапа являются попытки найти теоретические предпосылки, объясняющие биологическое действие ионизирующих излучений на живые организмы, а также решение фундаментальной задачи радиобиологии – вскрытие общих закономерностей биологического ответа живых организмов на ионизирующие излучение, на основе которых разрабатываются пути и методы управления лучевыми реакциями организма.

Второй этап развития радиобиологии совпадает со становлением новой науки – генетики. Исследуя влияние радия и рентгеновских лучей на половой процесс у низших грибов (дрожжей), Георгий Адамович Надсон (1867-1939) и его ученик Григорий Семенович Филиппов выявили появление новых форм грибов (радиорас), при этом приобретенные признаки сохранились и в следующих поколениях (1918–1925 гг.). В 1920 г. в первом номере «Вестника рентгенологии и радиологии» (основанного М.И. Неменовым) была опубликована статья (100 с.) «О действии радия на дрожжевые грибы в связи с общей проблемой влияния радия на живое вещество». Ученые твердо установили и описали в статье «О влиянии ренгеновых лучей на половой процесс и образование мутантов у низших грибов» (1925), что рентгеновское излучение обладает мутагенным действием. В 1927 г. это подтвердили американские генетики Г. Меллер и Л. Стадлер, проводя исследования на дрозофиле и кукурузе.

В 1928 г. российский генетик Николай Петрович Дубинин (ученик Александра Сергеевича Серебровского) облучая дрозофилу рентгеновскими лучами, обнаружил, что гены могут мутировать «по частям»; предложил модель сложного гена как цепочку центров. Он установил, что отдельные центры чаще мутируют, чем другие. Результаты исследований были представлены в статье «Получение мутаций рентгеновскими лучами у дрозофилы» и опубликованы в российском «Журнале экспериментальной биологии» и британском «Наследственность».

В дальнейшем изучение данной проблемы дало толчок для развития новой науки – радиационной генетики и радиационной селекции, основателями которых считают соответственно Германа Меллера (Нобелевская премия 1946 г.) и Лео Стадлера. Работы Надсона и Филиппова, опубликованные на русском языке, к сожалению, не получили своевременной мировой известности, а судьба исследователей была трагична: Григорий Семенович Филиппов умер в голодном 1933 г. от туберкулеза, а Георгий Адамович Надсон в 1937 г. был арестован, а 15 апреля 1939 г. – расстрелян.

С 1928 г. Андрей Афанасьевич Сапегин (1883–1946) в Одессе и Лев Николаевич Делоне (1891–1969) в Харькове стали успешно применять рентгеновские лучи для улучшения сортов пшеницы и ячменя. Они создали сотни различных радиомутантов. Ряд мутантных форм получили А.Н. Лутков у ячменя и гороха, М.Ф. Терновский у табака. Радиомутантные сорта созданы почти у всех видов культурных растений. Радиация находит практическое применение и в работе с животными.

В 1936 г. советский генетик А.С. Серебровский выдвинул предложение с помощью ионизирующих излучений бороться с вредными насекомыми. Облучение взрослых особей приводило к серьезным нарушениям наследственного материала в половых клетках. Их участие в оплодотворении вызывало гибель потомства. Эту идею использовали американские ученые. На юге США развелось огромное количество мух, переносивших от одного животного к другому возбудителей язвы. Химические отравляющие вещества не могли уничтожить насекомых. На помощь пришли генетики. Их действия были, на первый взгляд, несколько странными. Вместо уничтожения мух их интенсивно размножали. Затем облучили отобранных самцов. Половые клетки были жизнеспособны, но зародыши гибли на ранних стадиях развития из-за мутаций. Стерильных самцов разбросали с самолёта на большой площади. Их количество превышало количество нормальных самцов в природе. После спаривания самки откладывали яйца, но из них ничего не могло развиваться, и мухи не размножались.

В 1920 г. Г.А. Надсон и в 1925 г. П. Анцель и П. Винтембергер (Франция) пришли к выводу, что наблюдаемые радиационные повреждения клетки – результат двух противоположных процессов: развития повреждения и одновременно идущего процесса восстановления. Работами Ф. Дессауэра в Германии (1922), Дж. Кроутера в Великобритании (1924, 1927), Ф. Хольвека во Франции (1928–1938) и др. были развиты представления о дискретности ионизирующих излучений, о процессе поглощения энергии как сумме единичных актов взаимодействия фотона или частицы с отдельными молекулами или структурами клетки.

В конце 20 – начале 30-х гг. Дж. Кроутер, а также Ф. Хольвек и А. Лакассань, анализируя кривые зависимости эффекта (гибель клеток) от дозы облучения, для объяснения его вероятностного характера ввели представление о наличии в клетке особого чувствительного объёма – «мишени»; попадание ионизирующей частицы в «мишень» и вызывает наблюдаемый эффект. Мишени теория как формальное обобщение многих наблюдаемых явлений была окончательно сформулирована английским учёным Д. Ли (1946), Н.В. Тимофеевым-Ресовским и немецким учёным К. Циммером (1947). В 1953 г. Джеймсом Уотсоном, Френсисом Криком, Морисом Уилкинсом и Розалинд Франклин была открыта структура ДНК, предвосхищенная радиобиологами в форме понятия «мишень».

Подробно эти вопросы рассматриваются в лекции 4.

Третий этап – практический

1. Военное применение поражающего действия радиоактивного излучения.

2. Разработка способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений.

3. Изучение механизмов радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой болезни.

В 40-е – начале 50-х гг. благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники, а также в результате радиоактивного загрязнения окружающей среды вследствие испытаний ядерного оружия резко возрос интерес к последствиям биологического действия ионизирующих излучений. Именно в эти годы радиобиология  сформировалась как самостоятельная область науки. Перед радиобиологией возникали новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для  радиобиологии стали такие практические задачи, как изыскание различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося природного радиационного фона (ПРФ), уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.

Глубоким проникновением в радиобиологии биофизических и биохимических методов исследования характеризуются в 50–60-е гг.. К этому времени становится ясно, что в поражении клеточных структур и макромолекул, помимо прямого попадания в них квантов и частиц, участвуют радикалы воды и других низкомолекулярных веществ, перекиси, гидроперекиси, семихиноны, хиноны и другие вещества, образующиеся в клетке при облучении в присутствии кислорода (косвенное действие радиации; см. также Кислородный эффект).

Вслед за работами, показавшими ведущее значение для ряда радиационных эффектов поражения клеточного ядра (Р. Циркл, П. Хеншоу в США; Б.Л. Астауров в СССР и др.), последовали многочисленные исследования возникающих в результате облучения нарушений структуры и метаболизма дезоксирибонуклеиновой кислоты, радиационное поражение которой (прямое и косвенное) лежит в основе генетического действия излучений. В эти годы были открыты радиозащитные средства (т.н. радиопротекторы) – вещества, защищающие животный организм от действия радиации, разработаны теоретические предпосылки для эффективных методов лечения лучевой болезни.

В связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия и повсеместным загрязнением Земли радионуклидами, в первую очередь долгоживущими нуклидами 90Sr и 137Cs, перед радиобиологией встали новые задачи изучения особенностей действия проникших внутрь организма (инкорпорированных) излучателей с их специфическим распределением по тканям, различной длительностью выведения из организма и хроническим облучением клеток. Проблемы хронического действия малых доз радиации приобретают большую актуальность и в связи со всё убыстряющимися темпами развития ядерной энергетики.

Конец 50-х–60-е гг. ознаменовались в Р. открытием явлений восстановления (репарации) облученных клеток, осуществляемых специальными ферментными системами, которые быстро ликвидируют радиационные повреждения молекул ДНК. Эти открытия побудили пересмотреть прежние представления о формировании радиационных эффектов, об опасностях поражения при хронических облучениях в малых дозах, а также по-новому оценить причины устойчивости генетического аппарата клетки. Значительно расширились представления о причинах различной радиочувствительности разных видов клеток, значении для радиочувствительности объёма хромосом, числа сульфгидрильных групп, активности репарирующих ферментов и других факторов. Формальные обобщения новых фактов и представлений нашли отражение в стохастической (вероятностной) концепции биологического действия излучений. Исследования биохимических сдвигов в облученных клетках и тканях, радиационных повреждений ядра, митохондрий, биологических мембран и других органелл клетки позволили обосновать структурно-метаболическую гипотезу действия радиации. Согласно этой гипотезе, вероятностный характер радиационных эффектов является результатом взаимодействия процессов, возникающих в молекулярных и надмолекулярных структурах клеточных органелл, обмене веществ в регуляторных системах облученного организма, что извращает нормальный метаболизм и ведет к необратимой структурной (морфологической) деградации тканей, органов и систем.

Прикладная радиобиология. Ветеринарная (сельскохозяйственная) радиобиология и ее роль в защите населения при масштабных радиационных загрязнениях среды

Сельскохозяйственная радиобиология - одно из направлений радиобиологии в виде радиационно-биологической технологии (РБТ) в животноводстве, ветеринарии и других отраслях сельского хозяйства : стимуляции хозяйственно полезных качеств у сельскохозяйственных животных и птиц под действием малых доз внешнего облучения, стерилизации ветеринарных биологических и лекарственных препаратов, биологических тканей, полимерных изделий, шовных и перевязочных материалов, консервирования пищевых продуктов, обеззараживания сырья животного происхождения и отходов сельскохозяйственного производства (навозные стоки) и т.д. Наряду с этим ведется разработка и использование методов радиоактивных изотопов в животноводстве и ветеринарии для изучения физиологии и биохимии животных, диагностики болезней и с лечебной целью, в селекционно-генетических исследованиях и т.д.

Ветеринарная радиобиология – одно из направлений радиобиологии, изучающее влияние ионизирующих излучений на сельскохозяйственных животных, организацию животноводства на загрязненных радиоактивными веществами территориях, использование радионуклидов и ИИ в животноводстве и ветеринарии, радиометрическую и радиохимическую экспертизу объектов ветеринарного надзора.

Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию радиоэкологии, радиационной генетики и других разделов радиобиологии. Исследования в области радиобиологии лежат в основе практического применения ионизирующих излучений в лучевой терапии злокачественных новообразований; на их базе разработаны эффективные методы лечения лучевой болезни, они послужили теоретическим фундаментом для использования ионизирующих излучений в борьбе с сельскохозяйственными вредителями, для выведения новых сортов сельскохозяйственных растений (радиационная селекция), повышения урожая путём предпосевного облучения семян, продления сроков хранения сельскохозяйственного сырья, для лучевой стерилизации медицинских препаратов. Данные космической Р. необходимы для прогнозирования и обеспечения безопасности полётов человека в космос. Многие открытия в Р. (например, открытия радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК и др.) способствовали существенному развитию знаний об общих законах жизни.

Специалисты сельскохозяйственного производства должны знать характер биологического действия ионизирующих излучений, оценивать радиационную обстановку, организовывать ведение сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения местности, диагностировать болезни лучевых поражений, организовывать и проводить лечебно-профилактические мероприятия. Все это позволит предотвратить заражение радиоактивными веществами продукции животноводства и растениеводства

В 1955 г. Генеральная Ассамблея ООН учредила специальный Научный комитет по действию атомной радиации (участвуют 20 стран), который собирает всю информацию о радиационной обстановке на Земле и возможных биологических последствиях облучения человека и сообщает её в регулярно представляемых ООН докладах.

Основные периодические издания по радиобиологии.: журналы «Радиобиология» (с 1961 г.), «Radiation Research» (N. Y., с 1954 г.), «International Journal of Radiation Biology ...» (L., с 1959 г.), «Radiation Botany» (L. – N. Y., с 1961 г.) и др. Международная ассоциация радиационных исследований, Европейское общество радиобиологов, Научный совет по проблемам радиобиологии РАН и др. регулярно созывают национальные и международные симпозиумы (первый в Дании, 1953), конференции, конгрессы (первый в США, 1958).