10.1. Методы радиоиндикации с целью изучения структурно-функциональной организации растений и животных

Мечеными атомами (МА) или изотопными индикаторами называют изотопы, которые используют в качестве индикаторов (меток), применяемых при изучении различных процессов, характеризующих структуру и функцию живых организмов.

Чувствительность метода меченых атомов, особенно радиоактивных, на несколько порядков превышает чувствительность всех других физических и химических методов.

Метод изотопных индикаторов широко применяется в исследованиях физиологических, биофизических и биохимических процессов как в целом организме, так и его структурах, включая клетки и молекулы. Этот метод предложили в 1913 году химики венгр Д. Хевеши и немец Ф. Панет.

В настоящее время метод меченых атомов используется в медицине и медицинской промышленности, химии и химической промышленности, геологии, физике, металлургии, материаловедении, археологии и др. отраслях науки и производства.

В сельском хозяйстве получил широкое применение в следующих основных направлениях при исследованиях:

А. В почвоведении и растениеводстве:

• Физико-химических свойств почв и запасов в них элементов питания.

• Взаимодействия почв и удобрений.

• Процессов усвоения растениями из почв и питательных растворов и смесей элементов питания.

• Некорневого поступления в растения элементов питания.

• Особенностей обмена веществ в с/х растениях.

• Важнейших свойств полевых и плодовых культур: урожайность, скороспелость, устойчивость к различным неблагоприятным факторам, заболеваемость.

• Действия на растения пестицидов.

Б. В животноводстве:

• Структурно-функциональной организации животных в норме в возрастном аспекте и её изменений при патологических состояниях в качестве диагностического метода.

• Анализа кормов на содержание токсинов.

• Изучения миграции насекомых-вредителей с/х растений и переносчиков болезней с/х животных.

• Поведения пчёл.

• Оценки рыбных запасов в водоёмах.

В физиологических, био- и агрохимических исследованиях применяют чаще всего изотопы:

Стабильные: ²H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁸O.

Радиоактивные: ³H, ¹⁴C, ²²Na, ³²P, ³⁵S, ⁴²K, ⁴⁵Ca, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn.

Требования к изотопным индикаторам:

• Химические свойства различных изотопов одного химического элемента должны быть одинаковыми, чтобы их поведение в изучаемых процессах не отличалось от поведения других атомов того же элемента.

• Радиоактивные изотопы в используемых количествах по величине дозы ионизирующих излучений не должны оказывать такого биологического действия на исследуемые живые организмы, которое бы изменило их структурно-функциональные характеристики – т.н. «интервал индикаторных доз».

• При этом время достоверной его оценки в организме, органах и тканях с помощью современного оборудования не должно превышать 10 периодов полураспада с момента поступления радионуклида в организм и в этот интервал времени совершаются все его метаболические превращения.

• С другой стороны период полураспада радионуклида не должен быть слишком большим, чтобы после экспериментов выделившиеся радионуклиды не заражали окружающую среду.

С помощью метода меченых атомов в агрохимии и физиологии растений решаются в основном две задачи:

• Исследование поступления, транспортировки и распределения в растениях различных химических элементов.

• Изучение роли отдельных химических веществ в метаболизме растений.

Метод меченых атомов, применяемый в растениеводстве, состоит из следующих этапов:

1. Выращивание растений.

2. Приготовление питательных растворов с мечеными атомами.

3. Введение меченых атомов в растения.

4. Отбор проб растительного материала и подготовка их к радиометрическому анализу.

5. Радиометрия.

6. Анализ результатов радиометрии.

7. Основные методические направления: динамическая и статическая сцинтиграфия.

Для целей сцинтиграфии в настоящее время применяют эмиссионные компьютерные системы, дающие цветную информацию в виде сцинтиграмм, графиков, кривых и таблиц как отдельных органов, так и отдельных структур последних при различных увеличениях.

Динамическая сцинтиграфия – метод исследования функционального состояния живых организмов, их органов и тканей. Оценка производится по изменению активности радионуклидов во времени при перемещении их по структурам организмов в связи с теми или иными обменными и репродуктивными процессами.

Ярким примером этого метода является радиоиммунный анализ по определению содержания гормонов, ферментов, рецепторных белков, антител, различных органических соединений, а также лекарственных препаратов в биологических жидкостях и тканевых экстрактах, для диагностики вирусных заболеваний и др.

Статическая сцинтиграфия – метод исследования структурной организации тканей органов и систем. Оценка производится по характеру распределения радионуклидов в структурах. Для этих целей применяют сканеры и эмиссионные компьютерные томографы.

Авторадиография - способ изучения распределения радиоактивных веществ в исследуемых объектах методом контактной радиографии, т.е. экспозиции фотоплёнок, наложенных на обследуемый объект, содержащий РВ, и с последующей их фотообработкой.

Различают:

• Макроавторадиографию, когда получают изображение с крупного объекта (растение, лист, стебель, цветок, кость, толстый срез биологической ткани и др.) в виде участков разной степени почернения, которые и сравнивают, например методами фотометрии, денситометрии и др.

• Микроавторадиографию, когда получают изображение микрообъектов. Оценка проводится путём подсчётов треков и точек, образующихся в фотоэмульсии под воздействием ионизирующих (фотонных и корпускулярных) излучений распадающихся радионуклидов, распределившихся селективно или диффузно в микроструктурах биологического объекта.

Обычно для микроавторадиографии применяют низкоэнергетические изотопы: ³H, ¹⁴C, ³⁵S.

Микроавторадиографию применяют с целью таких цитометрических исследований как определение следующих характеристик:

• Интенсивность синтеза ДНК.

• Скорость деления клеток.

• Количество делящихся клеток.

• Закономерности кинетики клеток.

• Нарушения метаболизма при патологических состояниях.

• Механизмы действия модификаторов.

• Процессы восстановления, в т.ч. и послерадиационного и др.