Зарегистрироваться

Радиобиология

Категории Радиобиология | Под редакцией сообщества: Биология

Эта версия статьи от 08 Ноябрь 2010 16:56, редактировал Кудряшов Юрий Борисович
Список всех версий Перейти к списку версий
Перейти к последней версии

Радиобиология (радиационная биология) – наука о биологическом действии ионизирующих и неионизирующих излучений.

Радиобиология является комплексной фундаментальной наукой, изучающей (в классическом понимании термина) действие электромагнитных и корпускулярных ионизирующих излучений на биологические системы и объекты разных уровней организации – от биомакромолекул, субклеточных структур, отдельных клеток и целостного организма до сложных экологических сообществ. В последние десятилетия к сфере радиобиологии стали относить также исследования биологических эффектов электромагнитных излучений неионизирующих диапазонов.

 

 

Фундаментальная задача радиобиологии

Фундаментальной задачей радиобиологии является выявление общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений и разработка эффективных средств и способов управления радиобиологическими эффектами.

 

Научные направления в радиобиологии

Современная радиобиология состоит из многих научных направлений, основными из которых являются: радиационная биофизика, радиационная биохимия, радиационная цитология, радиационная генетика, радиационная иммунология, радиационная патофизиология, противолучевая защита, терапия радиационных поражений, радиационная гигиена, радиобиология опухолей, космическая радиобиология, радиационная экология, сельскохозяйственная радиобиология, радиобиология неионизирующих излучений.

Среди этих направлений особое место принадлежит радиационной биофизике, изучающей физико-химические и молекулярные механизмы первичных и начальных процессов лучевых нарушений, протекающих с момента возникновения ионизированных и возбужденных атомов и молекул до появления структурных и функциональных изменений в организме. Для решения такой задачи необходим углубленный анализ процессов, происходящих на каждом этапе «размена энергии» излучения в живой системе, описание этих этапов в терминах молекулярных изменений и создание единой картины, отражающей всю последовательность реакций, приводящих, в зависимости от дозы облучения, к лучевым изменениям или лучевому поражению.

 

тапы развития радиобиологии и основные достижения 

Первый этап развития радиобиологии (1896 г. – начало 20-х годов XX века)

Рождение радиобиологии было предопределено открытием Х- (рентгеновских) лучей, радиоактивности и первыми упоминаниями об их действии на живой организм. В декабре 1895 г. в Германии профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген передал физико-медицинскому обществу рукопись на 17 страницах с изложением открытия проникающих Х-лучей, которые вскоре стали называть именем их открывателя. Уже в январе 1896 г. брошюра Рентгена под названием «Новый род лучей» вышла в свет на русском, английском, французском и итальянском языках – открытие быстро стало достоянием мировой общественности.

Далее последовали и другие фундаментальные открытия в физике. В марте 1896 г. профессор физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерель обнаружил новое явление – самопроизвольное испускание невидимых глазу проникающих излучений, исходящих от солей урана. Через два года Мария и Пьер Кюри выделили ранее неизвестные элементы (получившие названия радий и полоний), так же, подобно урану, испускающие излучения. Для обозначения подобных явлений был предложен термин «радиоактивность».

Открытия в физике нашли очень быстрый отклик в биологических исследованиях. Дата рождения радиобиологии – начало 1896 г. – почти совпадает с датой открытия X-лучей. И Россия в этой области науки с самого начала занимала передовые позиции. Уже в марте 1996 г., т.е. спустя всего четыре месяца после открытия X-лучей петербургский физиолог Иван Рамазович Тарханов (Тархнишвили, Тархан-Моурави) провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

Другим пионером в радиобиологии был также наш соотечественник Ефим Семенович Лондон, который начал в 1896 г. широкие исследования по рентгенорадиологии и экспериментальной радиобиологии.

Первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу была опубликована в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, в которой авторы сообщили, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи.

Очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Вполне понятно, что к необходимости дозировать излучения пришли в первую очередь рентгенологи, вынужденные эмпирически устанавливать хотя бы условные единицы биологических доз рентгеновских лучей. Так появилась первая единица измерения дозы – «кожно-эритемная доза» (нем. Haut Erythem Dosis, HED) – минимальная доза рентгеновского излучения, вызывающая при однократном облучении участка кожи определенного размера появление через неделю легкого покраснения, через 3 недели – коричневого окрашивания и через 6 недель – выраженной бурой пигментации. Дозиметрия, как раздел физики, задачей которого является количественная оценка испускаемой (экспозиционной) и поглощенной энергий излучения появилась значительно позднее. Невозможность количественно оценивать дозы облучения, а также незнание (или часто пренебрежение опасностью) было причиной гибели первых рентгенологов от лучевой болезни, вызванной их интенсивным облучением.

В 1901 и в последующие годы появилось множество зарубежных и отечественных работ о лучевом поражении кожи (дерматиты, эритемы, лучевые ожоги и язвы, выпадение волос), а в 1902 г. описан первый случай лучевого рака кожи. Постепенно стало выясняться, что проникающая радиация, будучи невидимой и неощутимой, не только воздействует на кожу, но и вызывает лучевое поражение внутренних органов и тканей, а также гибель живых организмов (эксперименты Е.С. Лондона в России, Г. Хейнеке в Германии и др.). Е.С. Лондон в 1903 г. впервые установил, что излучение радия при определенных сроках воздействия может оказывать летальное действие на мышей. Он был первым исследователем, показавшим, что под влиянием излучения радия наиболее ранние и выраженные изменения происходят в кроветворных, лимфоидных и половых органах.

Сведения о высокой биологической эффективности нового вида излучений стимулировали настоящий бум исследовательских работ в области радиобиологии, характеризующий начальный, описательный период в истории этой науки. Постепенно накапливаются данные о различии в устойчивости отдельных биологических объектов и систем к летальному облучению и о высокой радиочувствительности процессов клеточного деления. В 1906 г. французские радиобиологи Ж. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали фундаментальный закон (правило) клеточной радиочувствительности: ионизирующее излучение оказывает тем большее повреждающее действие на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее они дифференцированы. По мере накопления фактов становилось ясным, что ионизирующие излучения, в зависимости от интенсивности и длительности облучения, способны вызывать повреждения и гибель любого биологического объекта, любой биологической системы.

Первая в мире монография по радиобиологии, обобщающая накопившиеся к тому времени данные о биологических и медицинских эффектах излучения радия, была написана по заказу лейпцигского издательства нашим соотечественником Е.С. Лондоном и вышла в свет в 1911 г. на немецком языке (Е.С. Лондон. «Радий в биологии и медицине»).

В 1918 г. в Петрограде был открыт первый в стране научный центр в области рентгенологии, радиологии и радиобиологии – Государственный институт рентгенологии и радиологии, организатором и директором которого стал известный рентгенолог М.И. Неменов. С первых лет существования важное место в деятельности Института занимали фундаментальные исследования в области радиационной генетики, радиационной биохимии и других радиобиологических направлений.

Многочисленные исследования позволили радиобиологам придти к выводу о том, что лучевое поражение представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных изменений в организме, появление которых зависит от величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия, биологических особенностей организма, интенсивности метаболических процессов. Было обнаружено, что в облученном организме происходят изменения различных биохимических процессов: нарушения активности ферментов в различных органах и тканях, появление токсических веществ в крови (лейкотоксинов). Изучение динамики и механизмов формирования биохимических нарушений при лучевых поражениях стало одним из важнейших компонентов радиобиологических исследований и позволило собрать ценнейший материал для характеристики и классификации клинических проявлений радиационного эффекта.

Однако, попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, так и не увенчались успехом. Поиски в облученном организме радиационно-индуцированных токсических веществ (радиотоксинов) показали, что последние представляют собой не что иное, как результат избыточного накопления продуктов нормально протекающих процессов, усиленного действием облучения.

К началу 1920-х годов первый этап развития радиобиологии, характеризующийся в основном первоначальным накоплением описательных, качественных сведений об основных биологических эффектах ионизирующего излучения, заканчивается.


Второй этап развития радиобиологии (начало 20-х годов XX века – 1945 г.)

Изучение ионизирующего действия проникающей радиации на элементарные единицы вещества, создание количественной дозиметрии привело исследователей к установлению количественных принципов, связывающих радиобиологические эффекты с дозой облучения. Этим в 20-е годы XX в. начинается второй этап в развитии радиобиологии – этап «количественной радиобиологии», когда на первый план выходят исследования механизмов действия ионизирующих излучений на биологические объекты.

Начались интенсивные поиски критических биологических молекулярных и клеточных структур, а также органов и тканей облучаемых организмов, ответственных за развитие лучевого поражения, ведущего к смертельному исходу. Одновременно шло изучение и анализ количественных закономерностей зависимости биологических эффектов от величины доз облучения.

Середина двадцатых годов ознаменовалась крупным открытием в радиобиологии – обнаружением в 1925-1927 гг. отечественными учеными Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в экспериментах на дрожжевых клетках, а позднее Г. Мёллером (США) на дрозофиле эффекта радиационного мутагенеза, проявляющегося не только в повреждении «вещества наследственности», но и в образовании стойких необратимых изменений в нем, передающихся по наследству. Были получены строгие доказательства возникновения мутаций под влиянием облучения. Впервые биологи получили возможность экспериментально воспроизвести наследственную изменчивость.

В это же время значительно совершенствуются методы дозиметрии излучений, вводится ионизационная единица дозы – рентген (1928 г.). Появляется возможность количественного анализа биологического действия излучений, основанного на выяснении зависимости между наблюдаемым биологическим эффектом и дозой радиации. Такие эксперименты проводились на колониях клеток, вирусах, препаратах ферментов.

В этот период произошло осознание одной из важнейших особенностей биологического действия ионизирующих излучений – существования так называемого радиобиологического парадокса, состоящего в том, что энергия ионизирующих излучений при ее выражении в тепловом эквиваленте оказывается несопоставимо малой по сравнению с тем биологическим эффектом, который она вызывает. Попытки объяснить радиобиологический парадокс связаны с количественным анализом зависимости «доза-эффект» на одиночных клетках.

Одним из первых это сделал в 1922 г. Ф. Дессауэр, предложив теорию «точечного тепла», объясняющую поражение клетки, исходя из дискретной природы излучений: в результате «порционных» актов взаимодействия излучения с веществом происходит сильный «точечный» нагрев в некоторых чувствительных микрообъемах, составляющих небольшую часть клетки. В результате «точечного нагрева» вещество в этих микрообъемах претерпевает значительные локальные изменения, обусловленные разрывом химических связей или активацией химических реакций. Поэтому даже очень небольшая общая энергия ионизирующего излучения способна вызвать поражение клетки и ее гибель.

Основные идеи, сформулированные Ф. Дессауэром в теории «точечного тепла», получили дальнейшее развитие в виде «теории мишени», базирующейся на двух принципах – «принципе попадания» и «принципе мишени» (Дж. Кроутер, Д. Ли, Н.В. Тимофеев-Ресовский, К.Г. Циммер и др.). В соответствии с «принципом попадания» поглощение энергии в облучаемом объеме происходит в результате дискретных актов взаимодействия квантов излучения с веществом – т.н. «попаданий», пространственное распределение которых в облучаемом объекте имеет случайный характер. Таким образом, «принцип попадания» отмечает дискретность и вероятностный (случайный) характер актов взаимодействия излучения с веществом. Фактически попаданием считается возникновение акта ионизации каких-либо молекул в облучаемом объеме. В соответствии с «принципом мишени» клетка имеет в своем составе как исключительно важные для выживания области – т.н. «мишени», радиационное поражение которых приводит клетку к гибели, так и области, поражение которых относительно несущественно для выживания клетки. Таким образом, «принцип мишени» отмечает биологическую гетерогенность различных областей (микрообъемов) внутри клетки в отношении чувствительности к облучению. Вероятностный характер гибели клеток происходит в результате случайного распределения элементарных актов взаимодействия ионизирующего излучения с «мишенями».

Теоретические представления о поражающем действии ионизирующего излучения на клетку, сформулированные в «принципе попадания» и «принципе мишени» дали большой поступательный импульс для дальнейшего развития количественной радиобиологии, превратив ее в одну из самых точных биологических дисциплин. Математический аппарат, развитый в этих работах, позволил с достаточной надежностью судить о «пусковых событиях», приводящих к регистрируемым в эксперименте биологическим реакциям (мутации, гибели клетки и др.) и оценивать параметры «мишени», ответственной за наблюдаемый радиобиологический эффект. Оказалось, что размер клеточной мишени примерно совпадает с размером клеточного ядра. В дальнейших исследованиях было показано, что основной критической структурой (т.е. «мишенью»), ответственной за поражение клетки ионизирующим излучением, является уникальная макромолекула ДНК, несущая генетическую информацию и расположенная в клеточном ядре. Сейчас хорошо известно, что лучевые нарушения генетических структур могут проявляться как сразу после облучения, так и отдаленно, у потомков, даже спустя нескольких поколений, становясь в организме причиной возникновения злокачественных опухолей, а также различных уродств развития.

К середине 1940-х годов, однако, стало ясно, что количественная интерпретация зависимости эффекта от дозы с позиций теории мишени возможна лишь для очень ограниченного числа объектов, а именно для таких простых, элементарных объектов как вирусы или изолированные биомолекулы (например, ферменты). Выяснилось, что конечная ответная реакция на облучение сложной системы (например, гибель клетки) зависит не только от событий попадания в ДНК. Она зависит от системного ответа клетки и целостного организма на облучение, т.е. от ряда свойств самого биологического объекта, например от способности устранять или восстанавливать повреждения. Системный ответ также носит стохастический (т.е. вероятностный) характер, определяющий меру нестабильности биологической системы, усиливаемой действием излучения. Отсюда следует вывод, что количественная оценка системного ответа в зависимости от дозы облучения должна учитывать множественные стохастические взаимоотношения.


Третий этап развития радиобиологии (1945 – 1986 гг.)

Август 1945 года принес трагические последствия для жителей японских городов Хиросимы и Нагасаки, подвергшихся атомным бомбардировкам, сопровождавшимися помимо прочего высокими дозами облучения. Это событие стало рубежной вехой для вступления радиобиологии в третий этап своего развития.

Как писал академик Н.П. Дубинин, «... в 1945 году были взорваны атомные бомбы в Хиросиме и Нагасаки. Стало ясно, какую угрозу таит в себе радиация, если ее обрушить на ... человека». Возникшую ситуацию в науке довольно точно охарактеризовал А.М. Кузин: «На первое место выдвигается проблема изучения тотального облучения высших организмов, проблема защиты организмов от вредного действия ионизирующей радиации, создание теоретических основ профилактики и лечения лучевой болезни. Возникает необходимость установления точных количественных закономерностей зависимости между биологическими проявлениями действия ионизирующей радиации и дозой, мощностью облучения, энергией элементарных частиц и видом радиации». Среди перечисленных проблем особое внимание радиобиологов привлекает изучение первичных и начальных физико-химических процессов в облученном организме и, в связи с расширением масштабов испытания ядерного оружия, радиоэкологическая проблема глобального изменения радиационного фона.

Действительно, вскоре создаются мощные арсеналы ядерного оружия, расширяются масштабы его испытания. В атмосферу выбрасывается большое количество искусственных радионуклидов, выпадающих с осадками на поверхность Земли и распространяющихся на значительные расстояния, создавая обширные очаги радиоактивного загрязнения. В 1955 г. создается специальный Научный комитет по изучению действия атомной радиации при ООН (НКДАР). В результате своей деятельности НКДАР собрал и обобщил огромный фактический материал по поражающему действию атомной радиации на человека. На основе этого материала в радиобиологии сложилась «парадигма», согласно которой в любых дозах «атомная радиация вредна и только вредна для живых организмов».

В этот период был накоплен огромный материал по общей картине лучевого поражения у млекопитающих и патогенезу лучевой болезни человека (Б. Раевский, А.К. Гуськова, Г.Д. Байсоголов и др.).

Получают также новый импульс исследования молекулярных механизмов действия излучений. Этому предшествовал ряд достижений в области биофизики и молекулярной биологии, в частности, получение доказательства биологической роли ДНК как главного вещества наследственности и расшифровка ее структуры.

Еще в начале 40-х гг. XX столетия при анализе физико-химической природы процессов, происходящих в период между первичным поглощением энергии излучения и конечным биологическим эффектом, было обнаружено появление высокоактивных продуктов радиолиза воды – свободных радикалов, способных диффундировать на значительные расстояния и поражать биологические структуры. Радиационная биофизика начинает оперировать представлениями о «непрямом действии» («косвенном действии») излучения, опосредованном активными продуктами радиолиза воды. Были изучены физико-химические свойства первичных продуктов радиолиза воды и характер их взаимодействия с макромолекулами клетки.

В 1942 г. У. Дейлу удается снизить поражающее действие радиации на ферменты введением в раствор ряда веществ – перехватчиков радикалов. В 1948 г. был получен защитный эффект в опытах с бактериофагами. Эти работы логически привели радиобиологов к открытию, практическую важность которого трудно переоценить: в 1949 г. была доказана способность ряда веществ защищать млекопитающих от лучевого поражения. В опытах Г. Патта с соавторами введение цистеина за 10 мин до облучения защищало крыс от неминуемой гибели (т.е. от действия радиации в «минимальной абсолютно летальной дозе»). 3. Бак и А. Эрв обнаружили аналогичное действие цианида на мышах.

В условиях, когда человечеству реально грозила гибель от ядерного оружия, исследования в области химической защиты организма от ионизирующих излучений стали весьма востребованы и актуальны. Во многих лабораториях мира начинается интенсивный поиск эффективных радиозащитных препаратов. Формируется самостоятельное направление радиобиологии – выяснение механизмов модифицированной радиочувствительности биологических объектов. Помимо практической значимости, эти работы представляли теоретический интерес, поскольку параллельно были детально исследованы многие физико-химические процессы как возможные точки приложения радиозащитного действия химических препаратов.

Именно в этот период времени в радиобиологии интенсивно исследуется т.н. «кислородный эффект» (способность кислорода усиливать действие ионизирующих излучений) и его механизмы (Л. Грей и др.). Выдвигается гипотеза необратимой «пероксидации» (или «кислородной фиксации») первичных радиационных повреждений (П. Говард-Фландерс, Т. Альпер), сыгравшая исключительно важную роль в развитии представлений о начальных механизмах радиационных повреждений. Наблюдения, согласно которым многие эффективные радиозащитные препараты понижают содержание кислорода в тканях животных, стимулировали углубленное изучение ряда новых противолучевых средств (работы Н.Н. Суворова, П.Г. Жеребченко, С.П. Ярмоненко в нашей стране; Л. Грея, Д. Кейтера, X. Лангендорфа и других исследователей за рубежом).

Первоначально были высказаны гипотезы, связывающие защиту исключительно с инактивацией свободных радикалов и торможением свободнорадикальных окислительных процессов. Эти гипотезы находили хорошее подтверждение в модельных экспериментах на простых молекулярных системах. Однако для сложных биологических систем такого объяснения было явно недостаточно.

Анализ физиологических и биохимических изменений, возникающих в тканях животных после введения радиозащитных соединений, привел в середине 60-х гг. 3. Бака и П. Александера к формулированию гипотезы «биохимического шока», согласно которой различные радиопротекторы однотипно изменяют метаболические процессы, переводя клетки в состояние повышенной устойчивости к действию ионизирующей радиации.

В дальнейшем появился ряд обширных исследований, посвященных анализу конкретных биохимических изменений, возникающих под влиянием радиозащитных агентов и модифицирующих радиорезистентность организма. Возникли гипотезы «комплексного биохимического механизма действия радиозащитных средств» (Е.Ф. Романцев, 1968), «сульфгидрильная гипотеза» (Э.Я. Граевский, 1969) и др. Несмотря на стремление некоторых исследователей придать исключительное значение какому-то одному фактору, экспериментальные данные указывали на существование альтернативных путей реализации защитного эффекта даже для одного и того же радиопротектора.

В 70-е гг. Е.Н. Гончаренко и Ю.Б. Кудряшов установили, что различные радиозащитные агенты к моменту своей максимальной эффективности снижают в тканях животных уровень продуктов перекисного окисления липидов – природных сенсибилизаторов лучевого поражения – и увеличивают содержание биогенных аминов, которые, наряду с тиолами и другими антиокислителями, относятся к эндогенным противолучевым веществам. На основании этих данных была выдвинута гипотеза «эндогенного фона радиорезистентности» (1980).

Эти исследования привели к накоплению обширного фактического материала по общей картине лучевого поражения и его модификации, позволили наметить пути к выяснению основных закономерностей зарождения «пусковых», «запальных» физико-химических процессов, механизмов ослабления или усиления первичных лучевых реакций. В результате на первый план вышли исследования, посвященные анализу физико-химических процессов, протекающих в клетке от момента возникновения начальных структурных повреждений до проявления выраженных биохимических и морфологических изменений.

Анализируется модифицирующее действие кислорода, температуры и других агентов, влияющих на развитие лучевого поражения биологических объектов. Большое число работ посвящается проблеме миграции энергии и заряда в облученной системе. Проводится также изучение роли свободных радикалов, относительного вклада прямого и непрямого действия ионизирующей радиации, накопления радиотоксинов в формировании радиобиологического эффекта.

Значительный вклад в расшифровку первичных молекулярных механизмов лучевого поражения внесли пионерские работы Б.Н. Тарусова и его школы. В середине 50-х гг. в лаборатории Б.Н. Тарусова было обнаружено, что высшие ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав клеточных липидов, обладают значительной уязвимостью к радиационному воздействию, а продукты перекисного окисления липидов во многом имитируют действие излучения на разнообразных биологических объектах и системах: например, продукты окисления высших ненасыщенных жирных кислот обладают радиомиметическими и радиосенсибилизирующими свойствами. Согласно выдвинутой Б.Н. Тарусовым теории, ионизирующее излучение инициируют цепные процессы перекисного окисления липидов, в которые вовлекаются множественные субклеточные структуры. Эта теория физико-химического механизма радиационного повреждения и его усиления позволили объяснить многие радиобиологические феномены: развитие лучевого поражения во времени, влияние на этот процесс температуры, газового состава атмосферы и т. д.

Для развития этих представлений большое значение имели классические исследования механизмов окислительных реакций, проведенные Н.Н. Семеновым и его школой. Появилось значительное количество работ Н.М. Эмануэля, Е.Б. Бурлаковой и ряда других авторов, посвященных выяснению механизмов окисления липидов, индуцированного ионизирующей радиацией, и антиокислительных защитно-восстановительных процессов в биологических мембранах клетки.

Открытие и изучение биохимической системы антиокислительной защиты, состоящей из ферментов и низкомолекулярных антиоксидантов, играющей важную роль в формировании радиорезистентности клетки и организма, явилось значительным вкладом радиобиологии в биологическую науку. Было установлено, что активные формы кислорода (содержащие кислород радикалы и другие нестабильные соединения) возникают не только после облучения, но продуцируются и метаболически, вызывая повреждения клеточных структур и патологические состояния организма. Предложенная защита от таких повреждений стала важным способом лечения, используемым при многих заболеваниях. Радиобиологи и биофизики (Н.М. Эммануэль и Б.Н. Тарусов – руководители коллектива) за цикл работ «Физико-химические механизмы свободно-радикального перекисного окисления липидов в биологических мембранах», опубликованных в 1954-1981 гг., стали в 1984 г. лауреатами Государственной премии.

Углубленные исследования лучевого поражения привели также к исключительно важному в радиобиологии выводу о наличии в клетке репарационных (восстановительных) процессов, устраняющих первоначальные радиационные повреждения. Феномен клеточного восстановления от радиационного поражения, описанный в 1960-е годы благодаря развитию методов культивирования клеток, начинает приобретать объяснение на молекулярном уровне: открыты и детально проанализированы механизмы восстановления ДНК от радиационных повреждений. Это стало крупнейшим вкладом радиобиологии в науку о живом. Оказалось, что в клетках функционирует сложнейший комплекс ферментных систем, поддерживающих структурную целостность генома. К одной из них относят разнообразные ферменты репарации ДНК, распознающие дефекты ее структуры, «ремонтирующие» ее при лучевых повреждениях путем специфического устранения различных повреждений и восстановления структуры и функций ДНК, а вместе с тем и нормального клеточного деления.

Было обнаружено несколько механизмов восстановления ДНК от повреждений: фотореактивация; эксцизионная репарация нуклеотидов и оснований; рекомбинационная репарация и репарация путем некомплементарного сшивания концов ДНК. Показано, что функционирование систем восстановления ДНК зависит от состояния внутриклеточного метаболизма, интенсивности энергетических процессов клетки. Таким образом, стал понятным молекулярный механизм известных радиобиологических эффектов, таких как зависимость лучевого поражения от условий пострадиационного культивирования клеток, состояния метаболических систем и других физиологических факторов. В зависимости от величины дозы облучения, восстановление ДНК может оказаться полным или частичным, и от этого зависит выживаемость пораженной клетки. Становится общепринятым рассмотрение конечного радиобиологического эффекта как результата интерференции двух противоположно направленных процессов: реализации первичного поражения и его устранения при помощи систем репарации.

Важную роль в развитии радиобиологии сыграла структурно-метаболическая теория лучевого поражения, сформулированная и развивавшаяся А.М. Кузиным. Эта теория предполагает, что множественные структурные повреждения клеточных органелл приводят к дезорганизации метаболизма в клетке. Результатом этого может быть не только гибель облученной клетки, но и нарушение жизнедеятельности и гибель соседних и даже находящихся на удалении от нее клеток (так называемый дистанционный эффект радиации).

На фоне исследований механизмов повреждения и восстановления критических структур периодически, начиная с работ 3. Бака и П. Александера (1955 г.), обсуждался вопрос о том, являются ли эти механизмы специфичными только для ионизирующих излучений или данный системный ответ является общебиологическим явлением, свойственным любой клетке, реагирующей на любые внешние воздействия?

В 60-е гг. В.П. Парибок высказал предположение, согласно которому известная способность репаративных систем устранять радиационные повреждения ДНК – это лишь одно из проявлений неспецифической реакции живой системы на повреждающее воздействие. Иначе говоря, отмечается, что в клетках «заложены» системы, поддерживающие нормальную, стационарную динамику состояния ее структур и стандартно реагирующие изменением на любое повреждающее воздействие. Имеющийся в настоящее время большой фактический материал отечественных и зарубежных школ позволяет говорить о конкретных механизмах стрессовой реакции, развивающейся в результате изменений окислительно-восстановительного гомеостаза в клетке при радиационном воздействии. Облучение, так же, как и любой раздражитель, вызывает в клетке «оксидативный стресс», проявления которого зависят от величины дозы и продолжительности воздействия. Он состоит из двух основных взаимосвязанных процессов: оксидативного, развивающегося в результате накопления прооксидантов, и сдерживающего его процесса, осуществляемого посредством мобилизации запасов защитных ресурсов клетки – системы ферментных и низкомолекулярных антиоксидантов. Соотношение скоростей конкурирующих между собой процессов окисления и восстановления в уникальных клеточных структурах в конечном итоге и определяет вероятность развития радиационно-обусловленного патологического процесса.

К середине 1980-х годов, в основном, завершился исследовательский бум в отношении поиска новых синтезированных химических радиопротекторов. Эйфория, имевшая место в 1950-1960-е годы, когда казалось, что вот-вот будут получены препараты, способные обезопасить человека от больших доз ионизирующего излучения, прошла. Наиболее эффективные из химических радиопротекторов, разработанные в 1960-1970 гг., действительно проявляли довольно высокие защитные свойства в экспериментах на лабораторных животных. Однако, в отношении человека эти препараты были слишком токсичными и имели опасные побочные эффекты, что практически исключало их использование на практике. Кроме того, высокая токсичность химических радиопротекторов, эффективных при однократном облучении, не допускала их многократного использования при хроническом облучении. Поэтому исследовательские предпочтения в этой области стали постепенно отдаваться изучению не таких эффективных, но зато менее токсичных препаратов природного происхождения, обладающих противолучевыми свойствами.

К этому же времени у радиобиологов значительно возрос интерес к эффектам и механизмам действия малых доз ионизирующих излучений.


Четвертый этап развития радиобиологии (с 1986 г. по настоящее время)

Казалось бы, в почти вековой истории радиобиологии фундаментальные исследования в основном завершились. Однако, как это бывало и ранее, социальные проблемы внезапно поставили перед радиобиологами принципиально новые задачи. Так, можно считать, что авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г., снятие секретов с информации о ее последствиях, а также последствиях других радиационных аварий и ядерных испытаний, открыли новый, четвертый этап в истории радиобиологических исследований.

Как известно, на ЧАЭС произошла крупнейшая техногенная катастрофа глобального масштаба: следы ее фиксировались от Филиппин до Канады и Южной Америки. Миллионы кюри искусственных радионуклидов, поступивших в биосферу за короткое время, практически впервые после запрета, введенного в начале 1960-х гг. на проведения ядерных испытаний в атмосфере, явились тем фактором, с которым нельзя не считаться и в настоящее время. Формы поступления, характер миграции, пути накопления и рассеивания чернобыльских радионуклидов, особенности их хронического действия в малых дозах на живые организмы и человека – все это потребовало незамедлительного и тщательного изучения.

Стало очевидно, что для решения проблем, возникших после Чернобыльской катастрофы, накопленные знания и имеющийся опыт традиционной радиобиологии и медицины оказываются явно недостаточными, и поэтому в современной радиобиологии стали быстро развиваться новые направления, к которым, в первую очередь, следует отнести:

– изучение биологического действия малых доз ионизирующих излучений и отдаленных последствий облучения;

– исследование комбинированных эффектов различных радионуклидов с химическими загрязнителями среды;

– поиск принципиально новых средств защиты от хронического облучения.

Наиболее важными оказались фундаментальные исследования механизмов радиобиологических эффектов, вызываемых слабыми воздействиями, поскольку оказалось, что эффекты, вызываемые ионизирующими излучениями в малых дозах, нельзя оценивать путем простой экстраполяции данных, полученных при больших дозах, в область малых доз. Действительно, открылись принципиально новые явления при изучении эффектов малых доз. Это и повышенная чувствительность биообъектов к воздействию радиации в сверхмалых дозах, переходящая к повышенной радиорезистентности – адаптивному ответу – при более высоких нелетальных дозах. Это и стимулирующее действие излучений на рост, развитие и другие физиологические показатели {эффект гормезиса).

Вместо априорно принятой ранее концепции линейной зависимости «доза-эффект», радиобиологи пришли к выводу, о том, что в диапазоне малых доз эта зависимость имеет немонотонный, синусоидальный характер. При этом в качестве мишени при действии малых доз ионизирующего излучения некоторые исследователи стали рассматривать не только ДНК, но и биологические мембраны.

На рубеже двух столетий внимание радиобиологов привлекло еще одно принципиально важное радиобиологическое явление – способность облученной клетки передавать сигналы (путем контактов или секреции в межклеточное пространство цито- и генотоксических веществ), действующие на соседние необлученные клетки подобно облучению. Это явление, получившее название «эффекта свидетеля», давно было замечено при исследовании радиотоксинов, экстрагированных из органов и тканей тотально или локально облученных животных и растений, а также из одиночных клеток. В настоящее время ведутся интенсивные исследования химической природы секретируемых веществ и механизма их действия.

Новый импульс получили исследования в области разработки биологических препаратов, обладающих противолучевыми свойствами. Появилась необходимость в препаратах природного происхождения (в частности, в виде пищевых добавок), способных, не оказывая побочного токсического действия на организм, снижать или предотвращать эффекты хронического низкоинтенсивного облучения. Исследуются также средства, способствующие выведению радионуклидов из организма.

Не менее актуальны и остры задачи проведения программ медицинской реабилитации облученного населения. Огромное внимание уделяется вопросам совершенствования гигиенического нормирования ионизирующих излучений. За период после аварии на Чернобыльской АЭС в России четырежды вводились в действие новые Нормы радиационной безопасности (НРБ), разработанные на основе рекомендаций МКРЗ, ВОЗ и стандартов МАГАТЭ. В настоящее время (с 1 сентября 2009 г.) действуют НРБ-99/2009.

Современный период, связанный с проблемами радиоэкологического кризиса, диктует также необходимость осуществления постоянного мониторинга и широкомасштабных исследований в области радиоэкологии.

В настоящее время неуклонно растет использование ионизирующего излучения в медицине для лечения опухолевых заболеваний. Поэтому радиобиология опухолей постоянно развивается и является очень важной областью применения основных экспериментальных подходов и принципов, сформулированных общей радиобиологией. Разрабатываются средства и способы как усиления поражающего действия излучения на опухолевые клетки, так и его ослабления в отношении нормальных клеток.


4. Заключение. Основные принципы радиобиологии 

Вековой опыт радиобиологических исследований позволяет сделать вывод о том, что в целом при изучении биологического действия ионизирующего излучения следует исходить из четырех основных принципов, касающихся особенностей взаимодействия ионизирующих излучений с живой системой и характера ее ответа на облучение: 1) принципа попаданий (дискретности ионизирующих излучений), 2) принципа мишени (структурной и функциональной гетерогенности клетки), 3) принципа усиления первичных радиационных повреждений в критических структурах-мишенях и 4) принципа системного ответа клетки на повреждение радиационных мишеней (регуляции клеточного гомеостаза). Эти принципы в совокупности впервые изложены Ю.Б. Кудряшовым в 2001‑2004 гг. Рассмотрение упомянутых принципов с позиции современной радиобиологии показывает, что достигнутый уже к началу нашего столетия уровень знаний в этой области может служить основой для построения общей теории механизмов действия ионизирующих излучений на живые системы и объекты.


 

Этапы развития радиобиологии

1-й этап (1895-1921 гг.)

Начальный описательный этап радиобиологии

Накопление первоначальных данных о биологическом действии ионизирующих излучений.

2-й этап (1922-1944 гг.)

Этап становления количественной радиобиологии

Теория «точечного тепла». «Принцип попадания» и «принцип мишени». Развитие физической дозиметрии ионизирующего излучения. Установление дозовых зависимостей биологических эффектов. Обнаружение мутагенного действия излучения.

3-й этап (1945-1985 гг.)

Этап углубленного развития количественной радиобиологии

Углубление представлений о действии ионизирующих излучений на биологические объекты и системы всех уровней организации. Изучение непрямого (косвенного) действия излучений и оценка его вклада в развитие эффектов облучения. Обнаружение и разработка средств химической противолучевой защиты. Детальное исследование и практическое применение кислородного эффекта. Накопление огромного материала по общей картине лучевого поражения млекопитающих, патогенезу и лечению лучевой болезни человека. Развитие основных принципов лучевой терапии опухолей.

4-й этап (с 1986 г. по настоящее время)

Современный этап развития радиобиологии

Углубленное изучение эффектов малых доз ионизирующих излучений – радиоиндуцированного адаптационного эффекта, эффекта «свидетеля», геномной нестабильности. Попытки построения общей теории механизмов действия ионизирующих излучений на живые системы и объекты.

 


5. Рекомендуемая литература

Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. Радиобиология человека и животных. Учеб. пособие / Под ред. С.П. Ярмоненко. – М.: Высшая школа, 2004.– 550 с.
Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). Учебник / Под ред. В.К. Мазурика и М.Ф. Ломанова. – М.: Физматлит, 2004. – 443 с.
Цыб А.Ф., Будагов Р.С., Замулаева И.А. и др. Радиация и патология. Учеб. пособие / Под ред. А.Ф. Цыба. – М.: Высшая школа, 2005. – 342 с.
Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф., Рубин А.Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения. Учебник. – М.: Физматлит, 2008. – 184 с.
Hall E.J., Giaccia A.J. Radiobiology for the Radiologist. 6th edition. – Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2006. – 546 p.
Radiation Chemistry. From Basics to Applications in Material and Life Sciences / M. Spotheim-Maurizot, M. Mostafavi, T. Douki, J. Belloni, Eds. – Les Ulis (France): EDP Sciences, 2008. – 307 p.
Радиация. Дозы, эффекты, риск / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 80 с.
Бак З., Александер П. Основы радиобиологии / Пер. с англ. Под ред. Я.М. Варшавского, Э.Я. Граевского и М.Н. Мейселя. – М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. – 500 с.
Томсон Дж.Ф. Защита млекопитающих от ионизирующих излучений / Пер. с англ. Под ред. Е.Ф. Романцева. – М.: Атомиздат, 1964. – 179 с.
Бонд В., Флиднер Т., Аршамбо Д. Радиационная гибель млекопитающих. Нарушение кинетики клеточных популяций / Пер. с англ. – М.: Атомиздат, 1971. – 318 с.
Штреффер К. Радиационная биохимия / Пер. с нем. Под ред. Е.Ф. Романцева. – М.: Атомиздат, 1972. – 200 с.
Дертингер Г., Юнг Х. Молекулярная радиобиология. Действие ионизирующих излучений на элементарные биологические объекты / Пер. с англ. Под ред. В.Д. Жестяникова. – М.: Атомиздат, 1973. – 248 с.
Сравнительная клеточная и видовая радиочувствительность / Пер. с англ. Под ред. В. Бонда и Т. Сугахары. – М.: Атомиздат, 1974. – 198 с.
Окада Ш. Радиационная биохимия клетки / Пер. с англ. Под ред. Ю.Б. Кудряшова и А.Г. Тарасенко. – М.: Мир, 1974. – 408 с.
Эйдус Л.Х. Физико-химические основы радиобиологических процессов и защиты от излучений. Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Атомиздат, 1979. – 216 с.
Тимофеев-Ресовский Н.В., Савич Н.В., Шальнов М.И. Введение в молекулярную радиобиологию (физико-химические основы). – М.: Медицина, 1981. – 320 с.
Коггл Дж. Биологические эффекты радиации / Пер. с англ. Под ред. А.Н. Деденкова. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 184 с.
Куна П. Химическая радиозащита / Пер. с чешск. Под ред. Е.Ф. Романцева. – М.: Медицина, 1989. – 192 с.
Гудков И.Н. Основы общей и сельскохозяйственной радиобиологии. Учеб. пособие. – Киев: Изд-во УСХА, 1991. – 328 с.
Белов А.Д., Киршин В.А., Лысенко Н.П. и др. Радиобиология. Учебник / Под ред. А.Д. Белова. – М.: Колос, 1999. – 384 с.
Кудряшов Ю.Б. Основные принципы в радиобиологии / Радиационная биология. Радиоэкология, 2001, т. 41, вып. 5, с. 531‑548.
Радиационная медицина. Т. 2. Радиационные поражения человека / Под ред. А.К. Гуськовой и Г.Д. Селидовкина. Под общей ред. Л.А. Ильина. – М.: ИздАТ, 2001. – 419 с.
Бутомо Н.В., Гребенюк А.Н., Легеза В.И. и др. Основы медицинской радиобиологии / Под ред. И.Б. Ушакова. – СПб.: Фолиант, 2004. – 384 с.
Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): Санитарные правила и нормативы. СанПиН 2.6.1.2523‑09. – М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. – 100 с.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.