20

Билет 20

1. Фотонные виды ионизирующих излучений и их источники. Особенности взаимодействия с веществом. Использование источников фотонных излучений в ядерной медицине.

1.ϒ-излуч.

2.Рентгеновское излучение

a)Характеристическое

b)Тормозное

c)Синхротронное (λ зависит от скорости, диапазон-от инфракрас до ϒ-излуч)

ϒ-излуч.

-жесткое эл-магнит излучение, образ при переходах ядер из возбужд состояния в основное или менее возбужденное, а также при взаимод-ии эл частиц. Пример e+ + e- = ϒ+ ϒ(гамматроны). Энергия ϒ-излуч от неск. десятков кэВ до 1ГэВ. Коротковолновое, возник при радиоактив превращениях и ядерных реакциях, при аннигиляции частицы и античастицы. Синхрофазотроны, работ. Ядер реакторы, изомерный переход, из космоса. В осн бета-активные изотопы 60Co и 22Na.

Рентгеновское

Фотоны имеет энергию от 0,1 кэВ до 250 кэВ Жесткое излучение – Е>50кэВ-коротковолновое, имеет большую проник сп-ть, чем длинноволновое. Мягкое – Е<50кэВ-длинноволновое

a)Характеристическое-связано с у переходами во внутр об-ках средних и тяж атомов. Дискретный спектр. Источники низкой энергии – рентгеновские трубки, в кот нагревая катод, получают пучок электронов, затем их ускоряют за сет высокого потенциала между катодом и анодом. Взаимодействие ускор е с эл оболочками атомов материала анода приводит к возбуждению атомов-переходу на орбиты с более высокой Е. при возврате возб атомов в исход состояние происход последовательное перемещ е на орбиты, на кот они имеют более низкую Е. Разница

вЕ е приводит к образ квантов характ излуч. Использ для экспериментов на животных, в клинике заменяются на более высок интенсивность, чтобы она не снижалась с глубиной ткани (раньше применяли для рентгена опухолей)

b)Тормозное-возникает при торможении быстрых е в в-ве. Спектр сплошной. Получают с пом линейных ускорителей е. Ускор е, взаимод-я с полем атомов мишени (анода), теряют Е и тормозятся, а потерянная Е выделяется в виде излуч-я.

Мех-мы взаимод-я с вещ-вом:

Закон ослабления моноэнергетичных фотонов в в-ве Ф=Ф0е-мd

M= Мф + Мк + Мп М-коэффициент ослабления

1.Фотоэлектрическийэффект

Энергия падающ кванта полностью поглощается вещ-вом, в рез-те появл свободные е, облад опред кинетич Е, величина кот равна Е кванта излучения минус работа выхода данного е из атома. Т.е. гамма-квант поглощ 1 из внутр е (К-об-ки или L), в рез е приобретает доп кин Е и выбивается с орбиты (гамма-квант исчезает). Особенности: 1)Вероятность ФЭ↑ с ростом Е связи е ϻф~Z4/Е ϒ

2)ФЭ-глав мех-м поглощ мягкого э-м излучения в тяжелых вещ-вах. В Al< чем в Pb

Один из факторов первичных процессов в радиобиологии. Радиолиз воды:

гидроксильный радикал

пероксид водорода

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.

Эффект разведения(эффект Дейла) – это состояние, при котором абсолютное число повреждённых молекул веществ в слабом растворе не зависит от его концентрации и остаётся для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. При косвенном действии постоянно абсолютное число поврежденных молекул, а изменяется их соотношение к числу неповреждённых. При прямом действии число инактивированных молекул увеличивается с повышением концентрации раствора, а их соотношение к числу неповреждённых остается постоянным. То есть, если при добавлении растворителя к облучаемой системе радиационный эффект увеличивается, то обуславливается косвенным действием.

Прямое действие I(эффект разведение)

Непрямое действие II(эффект разведения)

Кислородный эффект в радиобиологии - свойство молекулярного кислорода, присутствующего в клетках и тканях, усиливать биологическое действие ионизирующих излучений. Изменение содержания кислорода перед облучением - один из способов модификации радиочувствительности.

3. Теории биологического действия ионизирующего излучения. Сдвиг парадигмы в радиобиологии.

В истории возникновения и развития взглядов на механизмы биологического действия радиации существовало несколько этапов.

Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева»(Ф.Дессауэр-1922):

ионизирующее излучение обладает очень малой объемной плотностью по сравнению с другими излучениями

излучение обладает большой энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи

облученный биологический объект состоит из относительно безразличных и весьма существенных для жизни микрообъемов и структур

в облучаемом объекте при поглощении относительно небольшой общей энергии в отдельных, случайных и редкорасположенных микрообъемах оставляются настолько большие порции энергии, что их можно сравнить с

микролокальным нагреванием

так как распределение «точечного тепла» является чисто статистическим, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки; с увеличением дозы увеличивается вероятность таких попаданий и наоборот.

Теория "мишени или попаданий", поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки(30-е годы). Она была развита Дж. Кроутером, В.Н. Тимофеевым-Ресовским, Д. Ли, Р. Циммером и др. Основные ее положения заключаются в том. что ионизирующая частица или гамма-квант одномоментно действуют на чувствительную часть структуры или молекулы клетки, вызывая их ковалентные или химические перестройки, приводящие к изменению химических свойств и биологических функций. Если такой структурой является геном (молекула ДНК), то следствием действия излучения, в рамках данной теории, будут радиационные мутации. Была выявлена количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом (кривые "доза-эффект"): с увеличением дозы происходит увеличение в геометрической прогрессии количества повреждений в клетке. Однако теория мишени не учитывала кинетики первичных реакций. С ее позиций невозможно объяснить развитие первичных физико-химических реакций во времени и их зависимость от условий внешней и внутренней среды организма.

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер(1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость "дозаэффект" обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структурымишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы, так как гомеостатическая система клетки поддерживается многочисленными механизмами регуляции и может с определенной вероятностью спонтанно нарушаться. Авторы приходят к выводу. что "...первичные физические или физико-химические изменения являются только начальным толчком для тех процессов, в которых участвуют многочисленные компоненты системы и которые в конце концов могут привести к биологически обнаруживаемому эффекту...".Эта теория учитывает данные о микрораспределении энергии, вариабельность радиочувствительности, роль репарационных процессов в развитии радиобиологического эффекта.

Б.И. Тарусовым и Ю.Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах - в липидных слоях биомембран.

Эта теория получила название "теории липидных радиотоксинов".

Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория(1976). Автор этой теории А.М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены

деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.

За основу гипотезы взято действие первичных радиотоксинов, которые представляют собой комплекс веществ-метаболитов, обладающих токсическими свойствамиэто хиноны и ортохиноны, которые всегда в небольших количествах содержатся в здоровых тканях. При действии радиации содержание их значительно увеличивается, и дополнительно появляются новые токсические соединения. Первичные радиотоксины образуют большое количество вторичных радиотоксинов, которые играют существенную роль в исходе лучевого поражения.

Современные теоретические представления о биологическом действии ионизирующих излучений можно свести к стохастическому механизму реализации теории мишени и принципа попаданий, но с расширительной биологической интерпретацией объема попадания и событий, происходящих как во время размена энергии, так и в ближайшее время после него, в том числе, процессов репарации.

С учетом новых данных молекулярной и клеточной радиобиологии, удается непротиворечиво объяснить все многообразие радиобиологических эффектов и их модификацию на разных уровнях биологической организации - от клетки до организма, а также зависимость эффектов от условий радиационного воздействия - качества излучения, величины дозы и ее распределения во времени.

4. Биологические маркеры лучевого поражения

Биол маркеры-это количественно измеряемый эффект,происх в биол системе вследст облучения.

Идеальный бм: -имеет высок рдч

-зависит от дозы

-обладает специфичностью -легко определяется

Биодозиметрия-это направлен в рб,занимающиеся поиском критериев определения поглощенной дозы на основе величины радбиол-х эффектов Цели:-верификация показаний физич.дозиметров -обнаружение факта обл-я при отсутсвие данных физ дозиметрии

-проверка данных при подозренни о недостоверности показаний физ.д.

-определение средней дозы на теле в случае неравномерного облучения - диф-ция продолжительного и о.обл-я при авариях -опр дозы на обл часть тела -помощь в сортировке пострадавших МЕТОДы биодозиметрии:

-цитогенетический(выявление хр абберация в кл крови и КМ)

Биомаркеры ближ сроки:нестабилн хром абберации(дицентрики,кольца),микроядра Методы:кариотипирование(окрашивание), по калибровочной кривой(доза-эффект) +Микроядерный тест:мя-генетт материал,потерянный из генома во время митоза из-за повреждения хр или аппарата деления Маркеры в отд сроки:стабил хр абберации(транслокации),преждевремен конден хромосом

Методы: кариотипирование(окрашивание), по калибровочной кривой(доза-эффект),фиш- метод

-молекулярно-генет-й

Биомаркеры ближ сроки:мутации по локусу Ткл рецептора

Метод:мут происходит в активном аллеле,м.б. выявлено по способности ткл рецептора образовать комплекс с cd3 аг-м-проточная цитометрия

Мутации по локусу ГГФРТ

Метод:клетки с мутированным локусом могут расти в 6-тг монофосфат.

Маркеры в отд сроки:мутации по локусу гликофорина А(трансмемб белок).

Мутатные кл не способны связывать соо-е АТ-протчоная цитометрия.

-б/х

Метаболические маркеры:ак,креатинин,ферменты сыв крови,щф,ксантин и т.д. Структурные:однор и двур ДНК-комет форез

-б/ф

ЭПР-дозиметрия по эмали зубов Основан на измерение стабильных радиц-индуцир радикалов минерали-х тк скелета

Концентрация радикалов пропорционлаьна дозе

-цитолог-е

(гематолог. метод),используют ФЭК/сперматограмма