1

Билет № 1.

1: Предмет радиобиологии, этапы развития, краткая хронология, радиационная биохимия, радиационная биофизика, основные достижения.

Радиобиология — это комплексная, экспериментальная, фундаментальная наука, изучающая действие различных излучений на биологические объекты и их системы. Задача радиобиологии - вскрытие закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений

Основные разделы радиобиологии:

Общая (фундаментальная) радиобиология

Медицинская радиобиология

Прикладная радиобиология

Радиобиология неионизирующих излучений

Подразделы :

радиационная биохимия

радиационная цитология

радиационная генетика

радиационная экология

космическая радиобиология

радиационная иммунология

клиническая радиобиология

радиационная гигиена

защита от лучевых поражений и их лечение

Радиационная биохимия (биохимия радиационных поражений) — одно из направлений радиобиологии, изучающее влияние излучений на входящие в состав организмов химические вещества, их структуру, распределение, превращения и функции. В основном радиационная биохимия изучает изменение обмена веществ после облучения, то есть различные нарушения метаболизма.

Радиационная биофизика - раздел радиобиологии, изучающий молекулярные механизмы биологического действия излучений, выясняющий последовательную картину изменений с позиции биофизики.

Этапы развития:

Первый - с 1895 по 1922 гг. - описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение. И. П. Пулюй • В. К. Рентген • А. Беккерель • М. Склодовская • П. Кюри • И. Р. Тарханов • Е. С. Лондон • Г. Е. АльберсШонберг • Л. Хальберштадтер • П. Броун • Дж. Осгоуд • Г. Хейнеке • Ж. Бергонье • Л. Трибондо

1889 - Пулюй Иван Павлович (1845-1918) открыл Х-лучи. К 1890 году Пулюй получил фотографии скелета лягушки и детской руки, называемые теперь рентгенограммами.

1895 - о т к р ы т и е Х - лучей . В.К.Рентген выступил с первым сообщением о своем открытии перед Вюрцбургским физико -медицинским обществом. Оно было незамедлительно напечатано под заголовком "Новый род лучей"

1898 - М.Склодовская-Кюри и П.Кюри-открытие радиоактивных свойств полония и радия.

1903 - А. Беккерель - Нобелевская премия по физике за открытие естественной радиоактивности; П.Кюри и М.Кюри -Нобелевская премия за исследование радиационного феномена.

Второй - с 1922 по 1945 гг. - становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, характеризующийся стремлением связи эффектов с величиной поглощенной дозы.

-открытие мутагенного действия ионизирующих излучений, развитие радиационной генетики ( 30 - 50 -е годы ХХ века). Ф. Дессауэр • Л. Грэй • Н. В. ТимофеевРесовский • М. Кузин •

Б. Н. Тарусов • Н .М. Эмануэль • Д. Э. Ли • К.Циммер • Г. А. Надсон • Г. С. Филиппов • Г. Мёллер • Л. Стадлер

1927 - Г.Мёллер на V Международном генетическом конгрессе в Берлине доложил о мутагенном действии ионизирующего излучения на дрозофилу; начало радиационной генетики.

Л.Стедлервозникновение хромосомных аберраций в клетках облученных растений. Открытие радиотоксинов.

Третий - с 1945—1985 гг. - дальнейшее развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации - от молекулярного до организма человека, что необходимо для ее использования в медицинской практике.

-молекулярная и клеточная радиобиология ( 40 - 60 -е годы ХХ века)

-разработка биологических способов противолучевой защиты и лечения лучевых поражений ( 50 - 60-е годы ХХ века)

-создание ускорителей ядерных частиц и радиосенсибилизирующих агентов, развитие радиобиологических принципов лучевой терапии опухолей ( 60 - 70-е годы ХХ века). Дубинин Н. П. • Н. В. Лучник • Б. Л. Астауров • К. П. Хансон • В. И. Корогодин • В. Д. Жестяников • Л. Х. Эйдус •С. П. Ярмоненко • Р. В. Петров • А. А. Ярилин •Ю. Б. Кудряшов • Е. Б. Бурлакова •

1949 -Кельнер А. И. Дульбекко Р. -Впервые показали способность клеток восстанавливать первичные повреждения, индуцированные в ДНК радиацией.

1971 - А.К. Гуськова, Г.Д. Байсоголовописание всех основных форм лучевой болезни.

1981 - А.А. Ярилинклеточные механизмы действия радиации на иммунитет.

Четвертый - с 1986 года по настоящее время. – выяснение механизмов рад.апоптоза, адаптивного ответа, гормезиса и информационной роли вторичного излучения. Исслед. Тонкого взаимодейстчия излучения с биомакромолекулами, нестабильность генома после облучения, внедрение новых биомаркеров и цитокинов в качестве радиозащитных агентов, выяснение механизма действия неионизирующего излучения.

1986 - Авария на четвертом блоке Чернобыльской АЭС.

Достижения радиобиологии

В области фундаментальных исследований - вскрыты основные молекулярные механизмы биологического действия ионизирующих излучений, включая различные типы клеточной гибели и репарацию ДНК.

В области биологической противолучевой защиты - разработаны физические,

биологические и фармакологические средства - протекторы, способные существенно ослабить поражающий эффект ионизирующих излучений, особенно характеризующихся низкой ЛПЭ.

В области лечения лучевых поражений — существуют схемы комплексного лечения острой лучевой болезни, включая трансплантацию костного мозга, способные обеспечить выживание пострадавших, подвергшихся облучению в дозах, вызывающих смертельный костномозговой синдром.

В области лечебного использования ионизирующих излучений - созданы научные основы применения различных видов радиации (фотонов и электронов высоких энергий, протонов, нейтронов и отрицательных пи-мезонов) для лечения злокачественных новообразований в обычных условиях и в сочетании с радиомодифицирующими агентами: протекторами и сенсибилизаторами.

В области гигиенической регламентации воздействия ионизирующих излучений -

международной (МКРЗ) и национальными (НКРЗ) комиссиями радиологической защиты разработаны и периодически уточняются нормативы для профессионалов атомных производств и разных категорий населения, гарантирующие радиационную безопасность исходя из принципа разумного риска.

В области радиационной техники - созданы сложнейшие безопасные установки, генерирующие любые виды ионизирующих излучений для лечения рака, а также для экспериментальных работ, разработаны различные варианты дозиметрической и

радиометрической аппаратуры.(по С.П.Ярмоненко).

2. Прямое и непрямое действие ИИ. Радиолиз воды. Эффект Дейла. Кислородный эффект.

Прямое действие излучения в широком смысле слова - возникновение повреждения в той же молекуле, на которой произошла адсорбция энергии излучения. Это сложная последовательность событий, происходящих в макромолекуле от момента передачи энергии излучения до появления стойких структурных и функциональных изменений. Прямое действие включает в себя поглощение энергии (ионизацию, возбуждение и сверхвозбуждение), процессы переноса энергии и образование стабильных пораженных молекул.

При косвенном (непрямом) действии излучения поглощение энергии и ответная реакция наблюдаются в разных молекулах. Непрямое действие считают обусловленным влиянием свободных радикалов, индуцируемых излучением в непосредственной близости от рассматриваемой молекулы.

Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Непрямое действие включает себя радиолиз, реакции продуктов радиолиза с растворенными веществами и реакции возникших биорадикалов с образованием стабильных конечных продуктов. Непрямое действие в растворах обусловлено действием продуктов радиолиза воды, которой в живых клетках до 90% .

Радиационно-химический выход (G)- количество образовавшихся или измененных продуктов на 100 эВ поглощенной энергии.

Радиолиз воды. Эффект Дейла.

Процесс взаимодействия излучения с водой можно разделить на три стадии:

Физическая, продолжительность 10-13 сек. На этой стадии образуются главным образом Н2О+ и вторичные электроны, кроме того, образуются возбужденные молекулы воды в местах, находящихся дальше от пути заряженной частицы.

Физико-химическая: продолжительность 10-11 сек. На этой стадии возбужденные молекулы, электроны, ионы претерпевают превращения, в результате возникают радикалы

Н·, ОН·, е - aq

Химическая: продолжительность 10-9 - 10-3 сек. Радикальные продукты вступают в различные химические реакции. В местах их высокой концентрации («шпурах») происходит рекомбинация с образованием молекулярных продуктов Н2 и Н2О2. Радикалы, избежавшие рекомбинации, реагируют в объеме раствора с растворенными веществами или рекомбинируют.

Радиолиз в присутствии кислорода.

Кислород -эффективный акцептор атомов водорода. Поэтому в присутствии кислорода не происходят некоторые обратные реакции. Реагируя с Н· кислород образует гидроперекисные радикалы НО2·

Эта реакция происходит всегда, когда в растворе присутствуют хотя бы следы кислорода. Радикалы НО2·, реагируя между собой дают дополнительное количество перекиси водорода.

Кроме того, e -aq + O2 =(супероксиданион радикал) ·OO- или O2·-.

Общее уравнение радиолиза воды - уравнение Харта:

Н2О = aH2 + bH2O2 + cH· + dOH· + eHO2· + fe-aq +…

Затем происходят реакции первичных реакционно-способных продуктов с растворенными молекулами(отрыв водорода, реакции диссоциации и реакции присоединения). Во всех случаях образуются радикалы биомолекул.

Биорадикалы ведут к образованию конечных стабильных продуктов(реакции димеризации и присоединения, диспропорционирования и реакции присоединения кислорода).

Супероксидный радикал и продукты его метаболизма (H2O2, HO·, ·OO–, ClO–) называют активными формами кислорода. Относительная реакционная способность активных форм кислорода выглядит следующим образом (в порядке повышения):

О2-· < 1О2 < ОН·

Активные формы кислорода реагируют с критическими компонентами клетки, являются потенциальными токсическими веществами и вовлечены в процессы биологической инактивации и канцерогенеза.

Критерием косвенного действия является эффект Дейла: независимо от разведения раствора абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным,а изменяется лишь их отношение к числу неповрежденных молекул.

Кислородный эффект в радиобиологии — свойство молекулярного кислорода,

присутствующего в клетках и тканях, усиливать биологическое действие ионизирующих излучений. Впервые изучен Л.Грэем.

Изменение содержания кислорода перед облучением — один из способов модификации радиочувствительности.

Количественной характеристикой оценки радиомодифицирующего эффекта кислорода является коэффициент кислородного усиления (ККУ / Oxygen Enhancement Ratio – OER) - частный случай ФИД.

ККУ = D0 в условиях аноксии (или гипоксии) / D0 в нормальных условиях или ККУ = ЛД50 в условиях гипоксии / ЛД50 в нормальных условиях. ККУ = 1/D0 в присутствии кислорода / 1/D0 в аноксии = m[O2] + k / [O2] + k , где m - максимальное значение ККУ, наблюдаемое при облучении клеток в условиях полной оксигенации; k – константа, зависящая от типа клеток.

3. Костномозговая форма ОЛБ.

Костномозговая форма ОЛБ (КМ ОЛБ)

КМ ОЛБ — единственная форма ОЛБ, которая имеет периоды и степени тяжести.

Степени тяжести КМ ОЛБ (в зависимости от дозы облучения):

1.лёгкая (1-2 Гр)

2.среднетяжёлая (2-4 Гр)

3.тяжёлая (4-6 Гр)

4.крайне тяжёлая (более 6 Гр)

Периоды КМ ОЛБ:

1.начальный (первичной реакции)

2.мнимого благополучия

3.разгара

4.восстановления

Начальный период (период первичной реакции) КМ ОЛБ

Начинается с момента действия радиации и длится от 1 до 5 дней, длительность зависит от дозы и высчитывается по формуле:

степень тяжести + (1) = … суток

Патогенетическая основа — радиационная токсемия. Основное клиническое проявление — интоксикация. Выделяют 5 опорных симптомов начального периода,

являющихся клиническими критериями определения степени тяжести (так как они коррелируют с дозой):

Скрытый период (мнимого благополучия) КМ ОЛБ

Субъективная симптоматика отсутствует.

Объективно — бессимптомные изменения в крови, по некоторым из которых можно определить степень тяжести ОЛБ:

Период разгара КМ ОЛБ

Выражается в 8 клинических синдромах:

1.агранулоцитоз

2.геморрагический синдром

3.анемический синдром

4.оральный синдром

5.кишечный синдром

6.поздний радиационный гепатит

7.синдром радиационной кахексии

8.синдром инфекционных осложнений

9.синдром сердечно-сосудистых осложнений

Лечение.

Судьба облучённого организма при костномозговом синдроме определяется, прежде всего, длительностью панцитопении.

Больные ОЛБ I степени после купирования симптомов первичной реакции на облучение на протяжении скрытого периода должны находиться на амбулаторном врачебном наблюдении.

Больные ОЛБ-II в скрытом периоде общий режим, лечебное питание, поливитамины, антигистаминные вещества, симптома-тические средства, санация очагов инфекции.

Разгар болезни - постельный режим, асептические условия, полная комплексная терапия ОЛБ.

При ОЛБ III-IVдобавляется дезинтоксикационная терапия (поливинилпирролидон, плазма, глюкоза, хлорид натрия, форсирование диуреза, гемосорбция), ингибиторы протеаз, для улучшения микроциркуляции - гепарин.

При ОЛБ-IV через 3-5 суток после облучения проводят процедуру трансплантации аллогенного костного мозга (ТАКМ).

Лечение инфекционных осложнений.

Антибиотики: Имипенем или цефалоспорины 3-го поколения ОЛБ-IV на 1-ой, ОЛБ-III на 2 - 3-ей, ОЛБ-II на 4 - 5-ой неделе + Амфотерицин и Зовиракс.

Лечение геморрагического синдрома.

Переливание при тромбоцитах менее 30,0*109/л при ОЛБ II, 40,0 - ОЛБ III, 50,0 - ОЛБ IV Минимальное количество 4,0*1011 клеток, от четырёхкратного тромбоцитофереза, или от 4 - 5 доноров.

При ОЛБ-III, ОЛБ-IV в течение дня делают ежедневные и повторные вливания до 10,0 - 12,0*1011 донорских свежих тромбоцитов в день.

Средства, ингибирующие фибринолиз: Эпсилон-аминокапроновая кислота до 30 г в сутки NB!, Амбен.

Влияние на состояние сосудистой стенки: Аскорутин, Дицинон.

4. Радиоиндикаторные методы анализа - методы качественного и количественного анализа с использованием радионуклидов в качестве маркера химического соединения. Физические явления:

-«Меченые атомы»

-Ионизация

-Рассеяние и поглощение в веществе

-Наведенная радиоактивность

Соединения, меченые радионуклидами

1.Соединения с замененным атомом

1Н → 3Н, 12С → 14С

-[6-3H] тимидин-5' трифосфат

-[метил-3H] тимидин-5' трифосфат

-[U-3H] тимидин-5' трифосфат

-[6,2',3'-3H] тимидин-5' трифосфат

-[2-14С] тимидин-5' трифосфат

-[U-14С] тимидин-5' трифосфат

-тимидин -5' [α-32P] трифосфат

2.Соединения модифицированные радиоизотопом или радиоактивным фрагментом

1Н → 131I, 1Н → метил 3Н

-[125I] – альбумин

-[метил-3H] - альбумин

Требования, предъявляемые к радионуклидам, для биологического эксперимента:

-Элемент должен входить в состав всех органических молекул

-Период полураспада должен составлять 10-100 дней.

-Чистый β-излучатель с энергией излучения не более 0,4 МэВ

Технические характеристики меченых соединений

Радионуклидная чистота [%]х-ка препарата,содер рн метку

●Радихимическая чистота [%]содерж осн в-ва в препарате

●Объемная активность [МБк/мл, мКи/мл]

●Молярная активность [Бк/моль, Ки/моль]

Способы получения меченых соединений

- Химический синтез

-Ферментативный синтез

-Биосинтез

Регистрация излучения:

-Спектрометрия

-Дозиметрия

-Радиометрия

-Абсолютные измерения (расп./с)

-Относительные измерения (имп./с)

Методы:

●АВТОРАДИОГРАФИЯ прямая авторадиография непрямая авторадиография флюорография электронная авторадиография

Техника исследования

Пленка (фотоматериал) с чувствительной к радиоактивному излучению фотоэмульсией накладывается на поверхность или срез объекта. Для получения распределения тех или иных веществ в объекте используют маркирование нужных молекул изотопным индикатором. Радиоактивные вещества, содержащиеся в объекте, как бы сами себя фотографируют (отсюда название). После проявления места затемнения на пленке соответствуют локализации радиоактивных частиц.

Метод используется в медицине, технике, а также в биологии, например, для изучения процессов фотосинтеза, где просдеживается след радиоактивного диоксида углерода, проходящего через различные химические стадии.

Фотографическое изображение распределения радиоактивных веществ, полученное методом авторадиографии, называется авторадиограммой, или радиоавтографом

●СЦИНТИЛЛЯЦИОННАЯ РАДИОМЕТРИЯ

РИА метод двойной метки

Чистые бета изл-ли.

Состав:растворитель(ксилол,тулулол), солюбизатор, втоичн сцинтиллятор,сместитель спектра.

Регистр активности(количество распадов в каждой пробе),имп/сек.