Где n0, n (х) - число бета-частиц, падающих и прошедших через вещество с толщиной х;  - линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества.

Таблица 1

Значения линейного коэффициента поглощения  и ослабления -излучения в различных веществах в зависимости от начальной энергии квантов

	Начальная энергия - излучения, МэВ		Воздух				Вода, биологические ткани				Железо				Свинец
1,9820 0,1722,12,811359,90,6			 (10-2)		*К100, м				К100, м				К100, см				К100, см
0,1	0,25		1,46		25		0,126		2,9		0,82		45		6,3		6,8
	0,5		1,11		33		0,096		3,8		0,65		56		1,67		22
	1,0		0,81		46		0,070		5,3		0,45		82		0,75		50
	2,0		0,57		65		0,050		7,4		0,33		111		0,51		72
	3,0		0,46		80		0,039		9,5		0,28		131		0,46		77
	5,0		0,36		102		0,030		12,3		0,24		153		0,48		80
10,0		0,26		142		0,022		16,7		0,23		160		0,62

^*К₁₀₀ - толщина материала, ослабляющее излучение в 100 раз

.

Контрольные вопросы и задания:

1. Как Вы представляете процесс ионизации атомов и молекул?

2. В чем сходства и различия процессов, называемых «фотоэлектрическим эффектом», «эффектом Комптона»?

3. Как связаны между собой проникающая способность и линейная передача энергии ионизирующих излучений?

4. Вода в сосуде облучается рентгеновскими лучами с энергией 200 кЭв. По какому механизму будет происходить ионизация молекул?

5. Может ли возникать вторичное излучение при облучении животных рентгеновскими лучами с энергией 250 кЭв ?

6. Контролер для выявления скрытых дефектов облучает металлические изделия узконаправленным пучком гамма-излучения с энергией квантов 2 МэВ. Облучается ли в этом случае сам контролер? Объясните.

7. Объясните термины «упругое рассеяние», «неупругое рассеяние» ионизирующих частиц.

8. При облучении какими типами ионизирующей радиации в облучаемом веществе возникает наведенная радиоактивность.

9. Предложите материалы для построения убежищ , обеспечивающие эффективную защиту а ) от a- излучения, б ) от g-излучения в ) от β-излучения г ) от нейтронного излучения

10. Как зависит ионизирующая способность излучения от коэффициента ЛПЭ ?

11. Сформулируйте закон радиоактивного распада.

12. Можно ли остановить радиационный распад или снизить скорость распада радиоактивного изотопа? Как Вы понимаете термины «управляемая ядерная реакция», «неуправляемая ядерная реакция»?

13. Как можно определить активность радионуклида?

14. Зависит ли период полураспада радиоизотопа от его активности? Объясните.

15. Может ли иметь место наведенная радиоактивность в рентгеновском кабинете, если для получения рентгеновских снимков используются лучи с длинами волн в интервале от 1 до 0,01 нм?

Задачи

1. На какую глубину проникнут в биологическую ткань a-частицы с начальней энергией Е₀ = 5 МэВ, коэффициент ЛПЭ =100 КэВ/мкм ?

2. Чему равна начальная энергия g-излучения с ЛПЭ = 0,2 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину 1 см?

3. Какую толщину стен убежища из железобетона необходимо построить для защиты от -излучения с Е₀ = 1,0 МэВ, если  = 0,5. Считать, что эффективная защита достигается при снижении энергии излучения до 1 КэВ.

4. Во сколько раз снизится энергия g-излучения (250 кэВ) при прохождении через слой свинца толщиной 10 см?

5. Какой энергией будут обладать a-частицы на глубине 1 см при облучении воды a-излучением с начальной энергией Е₀ = 2 МэВ и ЛПЭ = 100 кэВ/мкм?

Лекция 4. Дозы ионизирующих излучений. Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная дозы. Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений. Единицы измерения доз и мощности доз.

Облучение объектов происходит вследствие того, что они в течение определенного промежутка времени находятся в пространстве сосредоточения ионизирующих излучений. Это пространство называется полем излучения. Для характеристики поля излучения необходимо знать количество, энергетические характеристики, направление движения частиц или квантов, падающих на определенную точку среды облучения. Ионизирующее излучение распространяется в какой-либо среде ( в воздухе, в воде) и соответственно, в нем происходит взаимодействие квантов или частиц с атомами среды, в результате чего часть энергии частиц и квантов поглощается и изменяется направление их движения. Поэтому полная характеристика поля излучения представляет собой чрезвычайно трудную задачу, и обычно на практике используют интегральные показатели, отражающие пространственное распределение энергии и потока излучений. В качестве такого интегрального показателя, характеризующего поле излучения, принята экспозиционная доза (Д_экс). Величина экспозиционной дозы отражает возможность в данной точке поля осуществиться определенному радиационному эффекту в результате взаимодействия излучения с облучаенмым веществом. Экспозиционная доза характеризует качество поля излучения, вне зависимости от того, какой объект облучается, т.е. этот показатель является мерой ионизирующего действия излучений. Единицей измерения экспозиционной дозы в системе СИ является Клּкг^-1.

1 Клּкг^-1 - экспозиционная доза рентгеновского или g-излучения, при котором излучение в сухом атмосферном воздухе, производит ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равный 1 кулону.

Широко распространена внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). За 1 Р излучения в воздухе принимается такое количество поглощенной энергии, которая в 1 см³ (~1.3 мг) воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. приводит к образованию 2,08 ×10⁹ пар ионов. Соотношение между единицами измерения экспозиционной дозы в различных системах измерения следующее:

1 Р = 2,58 ×10^-4 Клּкг^-1

Скорость изменения экспозиционной дозы в поле излучения называется мощностью экспозиционной дозы ( Р_экз).

Р_экз = dD_экз /dt

Единицей измерения мощности экспозиционной дозы в системе СИ является Клּкг^-1× с^-1.

Эффект облучения, в первую очередь, определяется количеством энергии, поглощенной объектом облучения, находящимся в поле излучения. Поэтому в качестве энергетической характеристики облучаемого обьекта используют поглощенную дозу D_погл. Поглощенная доза относится к облученному объекту и в ней отражается энергия ионизирующих излучений на единицу массы объекта.

D_погл = Е/m,

где Е - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; m - масса вещества в этом элементарном объеме.

В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является грей (Гр), названная в честь английского радиобиолога Гарольда Грея. Этот ученый впервые установил количественную связь между физическими и биологическими эффектами излучения. За 1 Гр излучения принята доза равная 1 Дж на 1 кг массы облученного объекта.

1 Гр = 1Дж×кг^-1

Скорость изменения поглощенной дозы называется мощностью поглощенной дозы и измеряется в Гр/с

Р_погл = dD_погл /dt

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад, равная дозе , при которой на 1 кг массы объекта приходится 100 эрг поглощенной энергии.

1 рад = 10^-2 Гр

Несмотря на введение единиц измерения грей и рад, часто на практике поглощенную дозу рентегновского и гамма-излучения, продолжают выражать в рентгенах. В частности, градуировка шкалы дозиметрических приборов, используемых для измерения мощности доз, сделана в рентгенах и его производных - миллирентегенах, микрорентгенах.

Для расчета поглощенной дозы по значению экспозиционной дозы используется следующее соотношение:

D_погл = (М_kz / M_ka) × hD_экз,

где М_kz - коэффициент передачи энергии излучения веществу с данной атомной массой;

M_ka - коэффициент передачи энергии излучения воздуху;

h - эквивалент экспозиционной дозы, зависящей от энергетического состава излучений.

Для пересчета велечины поглощенной дозы (в радах) при известной экспозиционной дозе, выраженной в рентгенах, можно использовать более простую формулу:

D_погл = D_экз ×f,

где f – переходный коэффициент, зависящий от структуры объекта поглощения .

Этот коээфициент определяют экспериментальным путем. Так, для воздуха он равен 0,88, т.е. 1 Р экспозиционной дозы соответствует 0,88 рад поглощенной дозы. Для воды и мягких биологических тканей f = 0,93, соответственно, в этих случаях 1 Р = 0,93 рад ≈ 1 рад.

Поэтому при облучении живых организмов электромагнитными излучениями принимается, что 1 рентген экпозиционной дозы соответствует 1 раду поглощенной дозы.

Равные поглощенные дозы различных типов ионизирующих излучений вызывают неодинаковый эффект при действии на живые системы. Это связано с тем, что различные типы излучений характеризуется различным «качеством» действия по отношению живым организмам. Неодинаковое биологическое действие различных видов излучений при одинаковой поглощенной дозе привело к необходимости учитывать их относительную биологическую эффективность (ОБЭ) или говоря иначе «фактор качества» излучения. Поэтому для учета биологической эффективности ведено понятие эквивалентная доза излучения. Эквивалентная доза характеризует биологический эффект ионизирующих излучений. Эффект, вызванный поглощенной дозой определенного типа излучения, сравнивают с биологическим действием поглощенной дозы так называемого стандартного излучения. Эталоном для сравнения взята доза такого стандартного излучения, которое характеризуется коэффициентом ЛПЭ равной 3 КэВ/мкм в слое воды. Такими параметрами обладают электромагнитные излучения, в частности, рентгеновское излучение, с начальной энергией квантов 200 КэВ. Для расчетов доз в практических целях, нормы радиационной безопасности и санитарные правила предусматривают относительную биологическую эффективность различных видов излучений. Различные виды излучения обладают различными коэффициентами качества (взвешивающими коэффициентами) по сравнению со стандартным излучением (табл. 1). Для подсчета эквивалентной дозы в организме, в органе или ткани необходимо поглощенную дозу умножить на соответствующий взвешивающий коэффициент W_R для данного типа излучения

D_экв = D_погл × W_R

Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными коэффициентами качества, то эквивалентная доза определяется в виде:

D_экв = å D_погл ×W_R

Единицей измерения эквивалентной дозы в системе СИ является Зиверт (Зв), названная в честь Рудольфа Зиверта - известного шведского физика- радиобиолога. Этот ученый - крупнейший специалист в дозиметрии, внесший большой вклад в методологию количественного измерения радиации, один из основателей концепции радиационной безопасности. По инициативе Р. Зиверта на нашей планете создана сеть станций дозиметрического контроля для наблюдения за радиационным фоном Земли. Внесистемной единицей для измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада).

1Зв = 1Гр = 1 Дж/кг стандартного излучения. 1 Зв = 10^-2 бэр.

Как видно, относительная биологическая эффективность зависит от типов излучения. Высокими коэффициентами качества обладают излучения, характеризующиеся высокой плотностью ионизации, т.е. большими значениям коэффициента ЛПЭ. Однако зависимость между ОБЭ и ЛПЭ излучений носит сложный характер. Повышение ОБЭ заряженных ионизирующих частиц с ростом ЛПЭ наблюдается только до значений ЛПЭ = 100 кэВ/мкм, при этом наблюдается максимальные значения ОБЭ. При значениях ЛПЭ более 100 кэВ ОБЭ ионизирующих частиц снижается (рис.1). При значениях ЛПЭ около 1 МэВ, эти ионизирующие частицы характеризуются невысокой ОБЭ. Причина этого явления заключается в том, что гибель клеток происходит после поглощения достаточно большого количества энергии в некотором критическом объеме. C ростом значения ЛПЭ такая вероятность увеличивается. Но после определенного порога наступает насыщение, и каждая следующая частица теряет энергию в процессе ионизации уже убитых клеток. При достижении оптимального значения ЛПЭ, когда наблюдается максимальное количество убитых клеток в определенном объеме на поглощенную дозу, наступает эффект избыточного поражения.

Таким образом, ОБЭ ионизирующего излучения зависит от вида излучения и от значения ЛПЭ. На этот показатель оказывают влияние и других факторы: мощность и величина поглощенной дозы, среда облучения, режим облучения, наличие или отсутствие кислорода, пострадиационные условия. Наиболее точную оценку ОБЭ ионизирующего излучения можно получить в том случае, когда облучаются изолированные культуры клеток или каллусные ткани, в которых поглощенная энергия распределяется равномерно по всему объему. В медицинской радиологии, для определения эквивалентной дозы, предлагается пользоваться взвешивающими коэффициентами для различных видов ионизирующей радиации (табл. 1)

Таблица 1

Коэффициенты качества (взвешивающие коэффициенты) для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы

Типы ионизирующих излучений	Коэффициент качества WR	Поглощен- ная доза	Эквивалент- ная доза
Кванты любых энергий (рентгеновское,  - и синхротрон- ное излучения)	1	1 Гр	1 Зв
Электроны и мюоны любых энергий (b-излучение)	1	1 Гр	1 Зв
Нейтроны энергией
до 10 кэВ от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ 2 МэВ до 20 Мэв более 20 Мэв	5 10 20 10 5	1 Гр 1Гр 1 Гр 1 Гр 1 Гр	5 Зв 10 Зв 20 Зв 10 Зв 5 Зв
Протоны	5	1 Гр	5 Зв
-частицы, тяжелые ядра, осколки деления	20	1 Гр	5 Зв

Доза эквивалентная или эффективно ожидаемая за время t , прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм, определяется в виде:

D_экв.ож. = P_экв(t₀) × dt,

где t₀ = момент поступления радионуклидов в организм, P_экв(t₀) - мощность эквивалентной дозы к моменту t₀ . Если t не определено, то его принимают равным 50 годам для взрослых и 70 годам для детей.

Доза эффективная - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий при облучении всего тела человека и его отдельных органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани (табл. 2).

D_эфф = åD_экв ×W_T ,

где D_{экв -} эквивалентная доза в ткани или органе за определенное время, W_{T -} взвешивающий коэффициент для ткани.

Единицей измерения эффективной дозы в системе СИ также является зиверт.

Таблица 2

Значения взвешивающих коэффициентов для тканей и органов при расчете эффективной дозы

	Орган, ткань		Коэффициент WT
Гонады Толстый кишечник, легкие, желудок Мочевой пузырь, печень, пищевод, щитовидная железа Кожа, кости Остальные ткани		0,20 0.12 0,05 0,01 0,05

Доза на орган - средняя доза в определенной ткани или органе человеческого организма

D_орг = (1/ m_T)× D_погл dm,

где m_{T -} масса ткани или органа, D_погл - поглощенная тканью или органом доза в элементарном объеме .

Доза эффективная коллективная - величина, определяющая полное воздействие излучения на группу людей определяется в виде:

D_кол = åE_i ×N_i , где

E_{i -} средняя эффективная доза на i -ю подгруппу людей , N_i -число людей в подгруппе.

Эффективная коллективная доза может быть определена и виде интеграла:

D_кол = Е [dN/dE ] ×dE ,

где dN - число облученных лиц, получивших эффективную дозу от Е до dE.

В научной, учебной литературе, на практике для измерения радиоактивности, доз ионизирующих излучений используются единицы измерений, как в системе СИ, так и внесистемные единицы. В таблице 3 приведены соотношения между внесистемными единицами и единицами в системе СИ для обозначения физических величин, используемых в радиобиологии.

Таблица 3

Основные физические величины дли определения доз в радиобиологии

Соотношение между единицами	Физическая величина
Название и обозначение единиц		Внесистемная	Система СИ
Активность источника ионизирующих излучений		Кюри ( Ки, Ci)	Беккерель (Бk, Bq)	1 Ки = 3,7 ×10-10 Бк 1 Бк = 2,7 ×10-11 Ки
Экспозиционная доза		Рентген ( Р, R)	Кулон на кило- грам (Кл×кг-1, C×kg-1)	1 Р = 2,58 ×10-4 Кл/кг 1 Кл×кг-1= 3876 Р
Мощность экспозиционной дозы		Рентген в секунду (Р×с-1, R×c-1)	Кулон на килограмм в секунду (Кл×кг×с-1)	1Р×с= 2,58×10-4 Кл×кг× с-1 1 Кл×кг× с1= 3876 Р×с-1
Поглощенная доза		Рад (рад, rad)	Грей (Гр, Gr)	1 рад =10-2 Гр 1 Гр = 100 рад
Мощность поглощенной дозы		Рад в секунду (рад×с-1, rad×с-1)	Грей в секунду (Гр×с-1, Gr×с-1)	1 рад/с =10-2 Гр/с 1 Гр/с = 100 рад/с
Эквивалентная доза		Бэр (бэр, rem)	Зиверт (Зв, Sv)	1 бэр=10-2 Зв 1 Зв = 100 бэр
Мощность эквива- лентной дозы		Бэр в секунду (бэр×с-1, rem×с-1)	Зиверт в секунду (Зв×с-1, Sv×с-1)	1 бэр/с=10-2 Зв×с-1 1 Зв/с = 100 бэр×с-1

Контрольные вопросы и задания:

1. Как Вы понимаете термин «относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений»?

2. Что означает термин «стандартное ионизирующее излучение» и каковы ее параметры?

3. Как вы понимаете термины «поле излучения», «облучаемый объект»?

4. Какие единицы используются для измерения экспозиционной дозы излучения?

5. Существует ли зависимость между мощностью экспозиционной дозы и эквивалентной дозой? Объясните.

6. Какая зависимость существует между начальной энергией ионизирующей частицы и ЛПЭ в веществе?

7. Как зависит ОБЭ от ЛПЭ ионизирующего излучения?

8. Какие параметры (характеристики) излучения необходимо знать для подсчета эквивалентной дозы, эффективной дозы?

9. Объясните значение терминов «источник излучения», «поле излучения», «облучаемый объект».

10. Опишите процесс «избыточного» поражения в биологических объектах?

Задачи

1. Поглощенная доза a-излучений составила 5 Гр. Чему равна эквивалентная доза?

2. Мощность поглощения дозы b-излучения составляет 0,1 рад/с. Какова эквивалентная доза, получаемая живым объектом за 1 час?

3. Чему равна энергия g-излучения с ЛПЭ=10 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину 1 см?

4. Поглощенная доза рентгеновского излучения составила 1 Гр. Чему равна эквивалентная доза?

5. Мощность поглощенной дозы a-излучения составляет 0,01 рад/с. Чему равна эквивалентная доза за 1 час?

6. Активность источника составляет 10 мКи. Выразите активность этого источника в единицах системы СИ.

7. Мощность поглощенной дозы составила 10 мрад/с. Какова эквивалентная доза за 1 ч в системе СИ?

8. Мощность экспозиционной дозы составила 100 мР/с. Выразите эту дозу в единицах системы СИ.

9. Рассчитайте эффективную дозу для пациента, если мощность поглощенной дозы при рентгенотерапии желудка составила 10^-3 мГр/мин. Было проведено 5 сеансов терапии продолжительностью каждой по 10 мин.

10. Человек облучался γ-излучением в течение 30 мин при мощности экспозиционной дозы 2 мкР/ч. Рассчитайте велечину эквивалентной дозы ( в зивертах) для этого человека.

Лекция 5а. Теоретические представления о механизмах действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Теория мишеней. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы.

Количественные эксперименты в радиобиологии начали проводиться с 20 годов 20 века. Представители различных групп организмов подвергались действию рентгеновского излучения и излучению радия. Интенсивным радиобиологическим исследованиям в этот период способствовало бурное развитие ядерной физики и биологической науки. К этому времени, в физике начинается широкое использование методов дозиметрии и радиометрии, соответственно, у радиобиологов появляется возможность регламентации доз облучения. Для проведения количественных экспериментов исследователи начали использовать гомогенные растворы макромолекул, клоны генетически однородных вирусов, клеток , т.е. такие системы, в которых возможно определить реакцию единичного объекта на соответствующую дозу облучения. Очень важным для развития радиобиологической накуки явилось то, что зависимость биологического эффекта от дозы облучения исследователи начали выражать графически, в так называемых «дозовых кривых». Для построения таких графиков необходимо облучать большое количество живых объектов в определенном интервале доз, и определить число обьектов, сохранивших свои первоначальные свойства по отношению к общему их числу до облучения. На рис.1 представлены результаты некоторых классических опытов.

Рис. 1. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы рентгеновского излучения

а) доля выживших особей инфузорий через два часа после облучения (Кроутер, 1926)

б) доля неинактивированных молекул рибонуклеазы после облучения (Ли, 1944)

ось.абцисс – поглощенначя доза, рад, ось оординат - выживших клеток или активных молекул, %

Как видно, при облучения рентгеновскими лучами суспензии инфузорий уже при небольших дозах ( » 0,1 – 1рад) обнаруживаются погибшие клетки. Повышение дозы приводит к увеличению количества погибших клеток. Однако, даже при высоких дозах (4 -5 рад) сохраняется отдельные живые клетки. Аналогичная закономерность выявляется и при облучении раствора фермента рибонуклеазы: при небольших дозах определенное количество молекул фермента инактивируется, в то же время, и при очень высоких дозах сохраняются некоторое количество нативных макромолекул.

Анализ «дозовых кривых», построенных на основании экспериментов с различными биологическими объектами позволяет выявить следующую закономерность: при самых малых дозах облучения обнаруживаются инактивированные молекулы, вирусы, клетки, т.е. все кривые четко экстраполируются к нулю. В то же время, и при больших дозах облучения, в дозах сотни и тысячи разпревышающих минимальные, определенное количество живых объектов сохраняют свои первоначальные свойства. По-другому, даже при очень высоких дозах облучения часть облученных живых объектов поражается ионизирующим излучением. Обнаруженную закономерность невозможно объяснить, исходя только из биологических особенностей объектов. Так, отсутствие нижнего порога на кривой «доза-эффект» означает, что в пределах генетически однородной популяции организмов существуют особи, которые гибнут при очень малых дозах радиации. В то же время, в этой популяции, есть и особи, выживающие при действии более высоких доз. Только естественная вариабельность признака радиоустойчивости не может быть причиной обнаруженного эффекта. Также невозможно предположить, что среди молекул фермента, характеризующихся одинаковыми физико-химическими свойствами, одни молекулы инактивируются при малых дозах, а другие сохраняют ферментативную активность при действии тысячекратно превосходящих доз лишь в силу особенностей отдельных молекул рибонуклеазы.

Объяснения этих фактов следует, видимо, искать в особенностях воздействия ионизирующих излучений на живые системы.

Представим, что биологическая система (суспензия клеток, вирусов, раствор макромолекул) получают энергию путем облучения не ионизирующим излучением, а другим путем, например, облучением инфракрасным излучением (нагреванием). В этом случае дозовая кривая (зависимость между количеством инактивированных макромолекул фермента и величиной поглощенной энергии) будет выглядеть по иному, чем на рис 1. До определенной температуры ( 40° С) нагревания абсолютно все молекулы системы будут сохранять свою активность. При дальнейшем повышении температуры начинается инактивация молекул и при 80° С не останется ни одной непораженной молекулы (Рис.2). Как видно из этого рисунка, при нагревании в узком интервале температур (40 -80 °С) абсолютно все молекулы фермента инактивируются. Анализ рис. 1б рис. 2 свидетельствует о том, что решающее влияние на характер дозовой кривой оказывает не особенности облучаемых объектов, а способ сообщения энергии.

Рис.4. Инактивация рибонуклеазы при нагревании раствора

В опытах по термоинактивации, энергия от источника тепла сообщается всем объектам более равномерно и одинаково за счет теплопроводности среды. В случае действия ионизирующего облучения, энергия сообщается дискретными порциями, и процесс передачи энергии носит статистический характер. В соответствии с теорией вероятности, отдельные компоненты облучаемой системы с определенной вероятностью поглощают энергию излучения, тогда как на определенные компоненты системы эта энергия не попадает. Представления о вероятностном характере попадания и распределения энергии на отдельные компоненты облучаемой системы, в совокупности с представлениями о механизмах взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, позволяют объяснить количественные закономерности, наблюдаемые в радиобиологических экспериментах.

Впервые гипотезу, объясняющую характер зависимости радиобиологических эффектов от получаемых доз, предложил Ф. Дессауэр. Он предположил, что большой радиобиологический эффект при ничтожном суммарном количестве поглощенной энергии обуславливается концентрацией энергии в малых объемах системы, приводя их к микролокальному разогреву. Вследствие этого гипотеза Ф. Дессауэра получила название гипотеза «точечного разогрева» или «точечного тепла».

Основные положения гипотезы Дессауэра:

• Кванты и частицы ионизирующей радиации обладают огромной энергией, величина которой значительно превосходит энергию химических связей.

• Облучаемая живая система ( например, клетка, организм) состоит, с одной стороны, из менее важных (относительно безразличных) для жизнедеятельности, с другой, - весьма существенных для жизни этой системы микрообъемов и структур.

• В облучаемой системе при поглощении относительно небольшого количества общей энергии, в отдельных случайных и редкорасположенных микрообъемах концентрируется настолько большие порции энергии, которые могут привести к локальным изменениям в структуре системы. Эти изменения вызванные концентрацией энергии ионизирующих излучений можно сравнить с изменениями при локальном разогреве этих микрообъемов.

• Распределение «точечного тепла» является статистическим процессом. Конечный радиобиологический эффект зависит от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри живой системы.

При облучении живых систем невысокими дозами, вероятность попадания энергии в жизненно важные объемы низкая, и наоборот, с повышением дозы, эта вероятность повышается. Из этого следует, что даже самые маленькая доза радиации может вызвать, соответственно, с малой вероятностью и малой частотой, биологический эффект, но и при очень высоких дозах есть вероятность сохранения неповрежденных объектов.

Основные положения гипотезы Дессауэра были использованы и получили дальнейшее развитие в работах Дж. Кроутера, Д.Ли, К. Уиммера, Н.В. Тимофеева-Ресовского. Гипотеза «точечного разогрева» впоследствии получила название «теория мишени». В соответствии с этой теорией, при интерпретации результатов радиобиологических экспериментов необходимо учитывать следующие физические принципы:

• транспортировка энергии ионизирующих излучений и поглощение ее облучаемыми объектами происходит дискретно

• акты взаимодействия квантов и частиц с молекулами, атомами (попадание) не зависят друг от друга и подчиняются Пуассоновскому распределению.

• радиобиологический эффект наступает, если число попаданий в некоторую чувствительный объем системы (мишень), равно определенному числу n.

Рассмотрим гипотетическую систему, состоящую из определенного количества N₀ объектов. Каждый объект обладает мишенью с сечением S и объемом V. Предположим, что для инактивации объекта достаточно, чтобы трек ионизирующей частицы или кванта прошел через сечение мишени. Такое событие будем называть попаданием в мишень. Если траектории частиц или квантов распределяются по поперечному сечению объекта случайным образом и не зависят друг от друга, то вероятность одного, двух и .... n попаданий в мишень описывается соотношением

P(n) = Xⁿe^-x/n! (1)

где X - среднее число попаданий в мишень (X = SD, где D - среднее число частиц, пролетающих через единицу площади сечения S).

При любой малой дозе излучения существует вероятность прохождения хотя бы одной частицы через одну из мишеней.

Если обозначим через N число объектов, сохранивших после облучения исходные свойства т.е. «выживших», то величине N/ N₀ соответствует вероятность непопадания (n = 0 ) и учитывая что X = SD, получим,

P = N/ N₀ = (SD)⁰ e^-SD/0! = e^-SD (2)

Теоретически, при определенной дозе излучения выполняется условие SD =1, в случае, когда в среднем число попаданий равно числу мишеней. В действительности же часть попаданий происходит в уже однажды пораженные мишени, а некоторые мишени остаются не пораженными. В соответствии с распределением Пуассона, при SD =1 поражается около 63 % мишеней и соответственно, 37 % их остается непораженными. Действительно, если подставим в уравнение (2) SD =1, то получим:

N/ N₀ = e^-SD = e^-1 = 0,37 (3)

Отношение N/ N₀ легко определит экспериментально: оно является долей вышивших объектов в системе по отношению к их общему количеству до облучения. Поглощенная доза, при которой выживает 37 % облученных объектов называется среднелетальной или инактивирующей дозой и обозначается символом D₃₇. Графически зависимость доли выживших компонентов облученной живой системы от величины поглощенной дозы выражается экспонентой (рис. 5).

N/ N₀ = e^{-D/ D}₃₇ (4)

где D - величина поглощенной дозы.

Рис.5. Зависимость доли выживших объектов облученной живой системы от величины поглощенной дозы.

Аналогичные рассуждения можно использовать для анализа «одноударных» процессов и при действии электромагнитного ионизирующего излучения. Так как электромагнитные излучения являются редкоионизирующими по всему объему мишени, то в этом случае важным параметром является объем мишени, и вместо площади сечения используется объем мишени. Как было сказано выше, все приведенные рассуждения справедливы только для «одноударных» процессов, т.е. когда одно попадание в мишень инактивирует один объект. Если же для инактивации объекта необходимо больше чем одно попадание в мишень, то кривые выживания отличаются от «одноударных». Чем большее число попаданий необходимо для инактивации объекта, тем заметнее «плечо» (начальный, более горизонтальный участок) кривой. На рисунке 6 показаны теоретически возможные дозовые кривые для различного количества попаданий в мишень, необходимых для инактивации объекта.

Рис. 6. Теоретически возможные кривые выживания для биологических объектов, инактивируемых в результате нескольких попаданий в мишень.

Кривые выживания, полученные экспериментальным путем, не соответствуют теоретически ожидаемым в силу ряда причин. Поэтому при использовании дозовых кривых для анализа сложных радиобиологических процессов необходимо учитывать следующие соображения:

• При облучении растворенных молекул попадание ионизирующей частицы в мишень вносит меньший вклад в поражающее действие излучения, чем активные продукты, появляющиеся в растворителе вследствие его облучения (косвенное действие ионизирующего излучения).

• При облучении живых систем биологический эффект обуславливается попаданием в различные мишени, параметры которых зависят от физиологического состояния объекта (например, молодые делящиеся клетки и взрослые дифференцированные клетки).

• В живых системах (клетках и организмах) существуют системы репаративных и компенсаторных реакций, обеспечивающих пострадиационное восстановление клеток и повышающих число выживших особей.

Вследствие названных и других причин вид кривых «доза-эффект» может быть самым разнообразным и может изменяться в зависимости от физиологических особенностей объекта, условий и параметров облучения.

В настоящее время существуют еще несколько гипотез (моделей) рассматривающих механизмы биологического действия ионизирующих излучений.

1. Стохастическая теория О.Хуга и А, Келлера (60-ые годы 20 века), описывающая радиобиологические эффекты с позиций динамической биохимии. Она предполагает, что радиобиологический эффект возникает в результате поражения множества случайных событий, индуцированных облучением. Эта теория предлагает более «биологическую интерпретацию» дозовых кривых.

2. Вероятностная модель радиационного поражения клетки предложена Ю.Г. Капульцевичом в 1978 году. Согласно этой модели, разные клетки, облученные одинаковой доз поражаются в различной степени вследствие неодинакового попадания энергии излучений в мишени и вследствие того, что у разных клеток появляются потенциальные повреждения, которые реализуются позднее или вообще не реализуются.

3. Гипотеза липидных радиотоксинов и цепных реакций основана на экспериментах Ю.Б Кудряшова, Б.Н. Тарусова в 50-ых годах 20 века. В соответствии с ней, решающую роль в радиационном поражении клетки играют цепные реакции окисления молекул липидов с участием высокореакционных свободных радикалов. Цепные реакции инициируются нарушениями структуры молекул при облучении, и их интенсивному протеканию способствует ингибирование антиоксидантных систем клетки.

4. Структурно-метаболическая теория разработана А.М.Кузиным в 70-ых годах 20 века. Она предполагает, что под влиянием ионизирующих излучений в клетках возникают не только радиационно-химические повреждения, но и синтезируются высокореакционные продукты, приводящие к дополнительному повреждению биологически важных макромолекул и образованию высокотоксичных низкомолекулярных метаболитов. Особая роль в гипотезе Кузина отводится к так называемым «первичным радиотоксинам».

Нужно отметить, что, несмотря на различные подходы авторов этих гипотез для объяснения радиобиологических эффектов и даже критику теории мишеней, все они не отвергают эту теорию. Более того, изложенные выше гипотезы опираются на основные принципы теории мишеней: дискретность действия ионизирующего излучения, структурно-функциональная негомогенность биологического объекта.

Контрольные вопросы и задания.

1. Какие экспериментальные данные необходимы для построения графика «доза-эффект»?

2. Опишите процессы, происходящие при нагревании суспензии бактерий и при облучении такой суспензии ионизирующим излучением.

3. Каковы основные положения гипотезы Ф. Дессауэра, объясняющего особенности воздействия ионизирующих излучений на живые объекты?

4. Объясните с позиций современной биологии предположения Ф. Дессауэра о наличии в живых объектах «относительно безразличных» и «более важных» микробъемов, структуры. Приведите примеры.

5. На каких основных физических принципах основана теория мишеней?

6. Что означает величина D₃₇ и как можно вычислить ее значение?

7. Объясните значение термина «инактивация мишени». Приведите примеры.

8. От какого свойства облучаемого объекта зависит длина «плеча» дозовой кривой?

9. Почему экспериментальные кривые выживания не соответствуют теоретически ожидаемым кривым «доза-эффект»?

10. Мышей одной чистой линии разделили на 2 равные группы. Первую группу облучили в определенном интервале доз и построили кривую выживания, определили значения D_37, LD₅₀. Через 2 месяца повторили опыт со второй группой мышей в совершенно идентичных условиях. Однако, полученная дозовая кривая значительно отличалась от первой и соответственно, значения D_37, LD₅₀ тоже оказались другими. Приведите Ваши соображения для объяснения этого факта.

11. Опишите основные гипотезы, объясняющие механизмы действия ионизирующих излучений биологические объекты.

Лекция 6 а

Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы.

Ионизация молекул при действии на них ионизирующих излучений приводит к инактивации или говоря иначе, полной или частичной утрате функциональной активности биологических молекул. Инактивация органических молекул, в т.ч. макромолекул, может происходить в результвате прямого или косвенного (опосредованного) воздействия на них ионизирующих излучений. Если инактивация молекулы произошла в результате непосредственного поглощения ею энергии кванта или частицы, то говорят о прямом действии ионизирующего излучения. Если инактивация макромолекулы происходит в результате химического взаимодействия ее с высокореакционными продуктами, возникшими в ее окружении при действии радиации, говорят о непрямом действии ионизирующего излучения.

Прямое действие ионизирующих излучений на макромолекулы заключается в сложной последовательности событий, происходящих от момента поглощения энергии молекулой и до появления стойких изменений в ее структуре и функционировании. Условно этот процесс можно разделить на 3 стадии. На первой, физической стадии происходит поглощение энергии кванта или частицы молекулой, появление возбужденных и ионизированных молекул, неравномерно распределенных в пространстве. Эти процессы протекают очень быстрои завершаются за 10^-16 - 10^-13 с. Вторая, физико-химическая стадия, включает различные реакции трансформации и перераспределения избыточной энергии молекул. На этой стадии появляются высокореакционные продукты радиолиза различных соединений: ионы, радикалы. Время протекания второй стадии составляет за 10^-13 - 10^-10 с. В течение третьей, химической стадии, ионы и радикалы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, образуя различные типы структурных повреждений. Эти реакции протекают в течение 10^-6 - 10^-3 с.

Повреждения структуры молекул приводят к изменениям функциональных свойств соответствующих макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Например, повреждение структуры нуклеотида в молекуле ДНК, может остановить процесс репликации, аминокислоты в молекуле белка- потере ферментативной активности. Конечно, к настоящему этапу развития биологии мы пока не в состоянии описать весь круг функциональных признаков, определяющих роль всех макромолекул в жизнедеятельности клетки и организма. Однако, в любом классе макромолекул (белках, НК, липидах, полисахаридах) есть четко охарактеризованные представители, обладающие четко определенными функциями. В качестве примера среди белков можно привести ферменты трипсин, химотрипсин, рибонуклеаза А, для которых известны мельчайшие детали структурной организации и четко определены выполняемые функции.

Анализируя инактивирующее влияние ионизирующих излучений на ферменты, прежде всего, определяются такие их свойства, как активность, субстратная специфичность, чувствительность к модификаторам активности. Изменение этих и некоторых других показателей в результате облучения означает инактивацию фермента. В опытах с молекулами нуклеиновых кислот критерием инактивации служит изменение инфекционности этих молекул, их трансформирующей активности и способности служить матрицей для синтеза полинуклеотидов.

Рассмотрим некоторые классические эксперименты, исследующие прямое действие облучения на ферменты.

Прямое действие ионизирующего излучения на ферменты исследуют на кристаллических или лиофильно высушенных препаратах белков. В этом случае большая часть молекул инактивируется в результате поглощения энергии излучения. Сухой препарат молекул облучают различными дозами и затем сравнивают активность облученных и необлученных молекул. На рис. 1 представлен график зависимости активности рибонуклеазы от поглощенной дозы рентгеновского излучения. Расщепление молекулы РНК рибонуклеазой осуществляется 2 этапа. Вначале гидролизуется фосфорнодиэфирная связь в молекуле и образуется циклический диэфир, и затем пиримидин 2¢,3¢-циклическая фосфатная связь гидролизуется с образованием нуклеотид 3-фосфата.

Рис.1. Активность РНК-азы в зависимости от поглощенной дозы при облучении кристаллического препарата фермента рентгеновскими лучами

1 - субстрат: раствор РНК

2 - субстрат: раствор цитидин 2¢,3¢-циклофосфата

Как видно из рисунка при использовании обоих субстратов наблюдается одинаковая степень инактивации фермента, что свидетельствует о том, что в равной мере поражаются обе функциональные единицы молекулы. Зависимость инактивации молекул от дозы облучения носит экспоненциальный характер. При малых дозах обнаруживается небольшое число инактивированных молекул, с ростом дозы число инактивированных молекул возрастает, сначала резко, почти линейно. В интервале доз от 2 до 7×10⁵ Гр большое увеличение дозы приводит к незначительному повышению доли инактивированных молекул. Экспоненциальный характер кривой зависимости выражен более четко, если по оси ординат долю инактивированных молекул выразить в полулогарифмическом масштабе (Рис. 2). Как видно, все экспериментальные точки укладываются на прямую линию, проходящую под углом к оси ординат. Эта прямая описывает зависимость

ln N/ N₀ = - kD или N/ N₀ = e^-kD ,

где k - количество мишеней, D-поглощенная доза излучения

Рис.2. Инактивация рибонуклеазы при облучении рентгеновскими лучами

ось абсцисс - логарифм доли пораженных молекул (%),

ось ординат - поглощенная доза (Гр)

Аналогичная экспоненциальная зависимость доза-эффект обнаружена в экспериментах и с другими ферментами, и такая зависимость отражает некие общие закономерности прямого действия радиации на ферменты (Рис.3).

Анализируя кривые «доза-эффект» можно сопоставить радиочувствительность различных ферментов. Из рис. 3 видно, что для инактивации определенной доли молекул изученных ферментов необходимо их облучать различными дозами, т.е. ферменты различаются степенью устойчивости к облучению.

Рис. 3. Радиочувствительность некоторых ферментов

1 - РНКаза, 2- a-химотрипсин, 3- трипсин, 4 -инвертаза

В качестве критерия радиочувствительности объектов используют дозы, необходимые для инактивации определенного количества молекул. Традиционными таким критериями служат дозы, вызывающие радиобиологический эффект у 50 % или 37 % облученных объектов (D₅₀ и D₃₇ ). При облучении живых организмов используют летальную дозу LD₁₀₀. В нашем случае, при облучении ферментов рентгеновским излучением D₃₇ для инвертазы составила 80 000 Гр, для РНКазы - 280000 Гр. Различная радиочувствительность исследуемых ферментов определяется различиями в первичной и высших структурах белковых молекул (неодинаковый аминокислотный состав, различия в типах связей, наличие сульфидных мостиков и т.д.)

Прямое действие ионизирующих излучений на молекулы нуклеиновых кислот

Действие ионизирующих излучений на НК изучают на различных модельных системах, содержащих препараты молекул ДНК или РНК. Инактивацию молекул определяют по изменению ряда их свойств и параметров.

Инфекционность НК означает способность вирусной ДНК или РНК индуцировать образование бактериальной клеткой новых вирусов-бактериофагов. Для инфицирования бактерии обрабатывают раствором фермента лизоцима, который гидролизует клеточную стенку. Полученные протопласты инфицируется НК бактериофага. При образовании в инфицированной клетке новых вирусов, плазматическая мембрана бактерии разрывается с освобождением определенного количества фагов. Количество вновь синтезированных бактериофагов пропорционально количеству молекул ДНК или РНК, сохранивших инфекционные свойства. Количество вирусов можно определить по числу так называемых «бляшек», появляющихся в результате лизирования бактериальных клеток на поверхности твердой питательной среды. Число «бляшек» служит количественным критерием инфекционности нуклеиновой кислоты вируса. Облучение вирусов приводит к снижению инфекционности молекул НК. На рис. 4 показана зависимость инфекционности ДНК бактериофага от поглощенной дозы g-излучения.

Рис.4. Инфекционная активность ДНК фага Х174 при действии g-излучения

Как видно, при увеличении дозы облучения доля инфекционно активных молекул снижается. Точки определяющие зависимость доли активных молекул от дозы облучения укладываются на прямую ln N/N₀ = -kD.

Аналогичные кривые были получены при измерении трансформирующей активности ДНК бактерий, т.е. способности ДНК включать плазмидную ДНК, затравочной активности ДНК (способности служить матрицей для синтеза комплиментарных цепей), гибридизации ДНК и иРНК.