Биологические эффекты малых доз ионизирующего излучения презентация

Биологические эффекты малых доз ионизирующего излучения 26 ноября 2012 г.

Актуальность проблемы Глобальное техногенное увеличение радиационного фона (к концу испытаний ядерного оружия радиационный фон на поверхности земли возрос на 2%). Локальные проблемы радиоэкологии (Сжигание угля приводит к ежегодному увеличению фона на 0,02% за счет выбросов газов, дыма, золы, шлаков; авария на ЧАЭС) Необходимость выработки норм допустимых доз для персонала Обнаружение радиационных эффектов, которые не наблюдаются при больших дозах

Пример: Сжигание углей (преимущество угольных ТЭЦ?) Естественная радиоактивность углей на 70-90% обусловлена радиоактивными рядами урана и тория и на 10-30% - 40К. Согласно данным UNSCEAR (2000) среднемировые концентрации радионуклидов в углях находятся в диапазонах Бк/кг: 140-850 для 40К; 17-60 для 226Ra; 11-64 для 232Th. Средняя масса 238U для углей, не относящихся к группе ураноносных не превышает 1 – 2 г/т. В России наибольшей удельной радиоактивностью обладают угли шахт Подмосковного, Донецкого, Львовско-Волынского бассейнов, Березовского, Азейского, Харанорского месторождений (Крылов, 1995). При пылевидном сжигании угля происходит обогащение радионуклидами продуктов сжигания: золы и шлака. Коэффициенты обогащения для золы составляют: 40К – 2.8; 226Ra – 2.6; 232Th – 2.1; для шлака соответственно 2.6; 2.9; 2.6 (Мауричева Т.С., 2007). 

Использование продуктов сжигания угля, согласно санитарным нормам РФ (СН. 2.6.1. 758-99) – дорога возле Mn-завода?

Поступление радионуклидов в окружающую среду при работе угольной ТЭЦ-1 г. Северодвинска

Что такое малые дозы? «смертельные дозы» для человека и животных – после облучения часть популяции погибает в течение 30 (для животных) или 45 (для человека) суток. условная граница между большими и средними дозами для млекопитающих составляет примерно 1-2,5 Гр Малые дозы = нелетальные

Старая парадигма: большие дозы – большие поражения, малые дозы – меньшие повреждения Старая парадигма: большие дозы – большие поражения, малые дозы – меньшие повреждения Новая парадигма: малые дозы - качественное иные радиобиологические эффекты; не «работает» экстраполяция из области больших доз Зависимость «доза-эффект» имеет немонотонный вид (S-образный) (см рис далее) ПАРАДИГМА (греч. paradeigma - пример, образец), В философии, социологии - исходная концептуальная схема, меняющаяся со временем и характерная для определённого этапа в развитии науки модель постановки проблем и их решения.

Границы малых доз НКДАР – (Научный Комитет ООН по Действию Атомной Радиации) В силу дискретности взаимодействия ИИ с биологическими объектами (клетками, клеточными ядрами, ДНК) границей для выделения диапазона малых доз предложена такая доза, при которой в среднем на одну клетку (мишень) приходится один трек от прохождения ионизирующей частицы (кванта) 1,0 мГр – доза γ-излучения 60Со, при воздействии которой на одну клетку диаметром 8 мкм приходится в среднем один трек (для α-частиц с энергией в 5 МэВ – около 400,0 мГр)

Доля облученных клеток (диаметром 8 мкм) при воздействии γ-излучения 60Со в малых дозах

При остром воздействии редкоионизирующей радиации в дозах 200 мГр и ниже не отмечено случаев развития детерминированных эффектов (ЛБ) При остром воздействии редкоионизирующей радиации в дозах 200 мГр и ниже не отмечено случаев развития детерминированных эффектов (ЛБ) При той же дозе не удалось выявить увеличения числа злокачественных опухолей (стохастические эффекты) при облучении при взрывах бомб НКДАР предложил считать дозы в 200 мГр и ниже малыми, за малую мощность излучения считать интенсивность воздействия редкоионизируюшей радиации в 0,1 мГр/мин.

ЛД50 гамма-излучения для различных биологических объектов Границы диапазона величины «малых доз» видоспецифичны Область малых доз, вызывающих гормезис, на 1-2 порядка ниже LD50 при однократном общем облучении

Схема последовательной смены эффектов, вызываемых внешним общим однократным облучением организмов в сублетальных дозах

Эффекты в области сверхмалых доз Гиперрадиочувствительность (область сверхмалых доз, 5-20 сГр) – биохимические нарушения (нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза), цитогенетические нарушения (аберрации хромосом, микроядра и др.) Экспериментально показан: на молекулах, клетках млекопитающих и на многоклеточных организмах Примеры: 1)при увеличении ЕРФ на 1-3 порядка наблюдается всплеск оксидативных изменений в липидах 2)Увеличение уровня гормонов у мышей, облученных в дозе 0,6 мГр Объяснение: всплеск повреждений – результат асинхронности процессов повреждения и репарации, окисления и восстановления Эффект наблюдается как при однократном, так и при пролонгированном облучении

Эффекты в области малых доз Радиационный гормезис (термин был предложен в 1980 году Т. Д. Лакки и означает «благоприятное» воздействие). Гормезис — стимуляция какой либо системы организма внешними воздействиями, имеющими силу, недостаточную для проявления вредных факторов (введен С. Зонтманом и Д. Эрлихом в 1943 г.). неспецифический эффект воздействия на живые организмы в малых дозах (концентрациях), вызывающих изменения, диаметрально противоположные повреждающим эффектам при воздействии в больших дозах = гомеопатия из доклада Международного комитета ООН по действию радиации, 1994 г.: «Механизм радиационного гормезиса на уровне клетки теплокровных животных состоит в инициировании синтеза белка, активации генов, репарации ДНК в ответ на стресс — воздействие малой дозы облучения. Эта реакция в конечном итоге вызывает активацию мембранных рецепторов, стимуляцию иммунной системы».

«ГОРМЕЗИС» - инверсионная (диаметрально противоположная) биологическая реакция организма на малые дозы какого-либо воздействия, противоположная той, которая развивается на более высокие дозы. Радиационный гормезис - понятие положительного стимулирующего влияния малых доз ИИ 0,1-1,5 Гр.

Теория гормезиса Гормезис как вариант ответа на определенные дозы воздействия основывается на широко известном биологическом законе Арндта – Шульца, согласно которому слабые раздражители возбуждают, средние – стимулируют, сильные – тормозят, максимальные – парализуют жизнедеятельность организма

Объяснение гипер-радиочувствительности и гормезиса Повышенная радиочувствительность в диапазоне малых доз – связывается с молчанием системы репарации, для включения которой требуется переход порогового уровня повреждения ДНК. Плато на кривой выживаемости или повышение выживаемости – включение системы репарации после нанесения клетке определенного числа повреждений, после которого снижается повреждение клеток

Примеры биологических эффектов действия ионизирующего излучения в больших и малых дозах (Кудряшов, 2004; Кузин, 1989)

Радиационно-индуцированный адаптивный ответ Реакция биологических объектов при которой после воздействия излучением в малых (адаптирующих) дозах, радиобиологический эффект от повторного облучения через определенный интервал времени в больших (проявляющих) дозах снижается. Т.е. наблюдается повышение радиоустойчивости. (разница в дозах должна быть многократной, интервал времени может составлять от часов до недель) Эффект происходит при дозах меньше 200 мГр – в основном для редкоионизирующего излучения. Возможные способы реализации адаптирующих воздействий: - Включение новой генетической программы; - Индукция эндогенных защитных ресурсов клетки (синтеза белков, мобилизация антиоксидантов).

Радиобиологический адаптивный ответ зависит от мощности адаптирующей дозы, величины адаптирующей дозы. Для больших доз излучения характерна прямая зависимость лучевого поражения от мощности дозы; Для малых доз растянутая во времени доза хронического облучения может оказывать более сильный эффект по сравнению с той же дозой, полученной при кратковременной лучевой экспозиции большей мощности.

Эффект Петко в 1972 г канадским ученым А.Петко впервые показано для клеточных мембран: длительное облучение клеток вызывало большее изменение проницаемости мембран, чем кратковременное в той же дозе (хроническое воздействие малых доз более «вредно»!) «эффект Петко» - феномен обратной зависимости от мощности дозы при облучении клеток в незначительной по величине дозе и их гиперрадиочувствительности по некоторым критериям при облучении в сверхмалых дозах

Прямая и обратная зависимости адаптивного ответа от мощности дозы в области малых доз (показано на клетках и организмах)

Эффект свидетеля Проявление «квазилучевых» повреждений в необлученных клетках, находящихся в контакте с облученными Способность поврежденных клеток (организмов) вызывать биологические эффекты в необлученных клетках (организмах) Примеры на мышах см Цыб и др., 2005, с. 265-270 из-за ЭС эффективность поражающего действия малых доз радиации на клеточную популяцию повышается (!!!!!)

Зависимость ЭС от дозы и вида облучения Проявляется как при больших, так и при малых дозах В области малых доз ЭС более характерен при действии плотноионизирующего излучения, чем редкоионизирующего. В области малых доз ЭС слабо зависит от дозы облучения

Способы передачи сигнала повреждения при ЭС Образование активных форм кислорода (и других радикалов) – доказано экспериментально: добавление антиоксидантов снижает поражение клеток-свидетелей Передача сигнала при прямом контакте соседних клеток. природа сигналов?? Передача сигнала через культуральную среду (не все облученные клетки выделяют сигналы, не все необлученные клетки воспринимают сигналы??)

Мембранный механизм биологического действия малых доз В области малых доз происходит гибель только некоторой части клеточной популяции, а в подавляющем большинстве клеток развиваются эффекты, инициаторами которых являются изменения структуры и функций биологических мембран Клеточные мембраны (много ПНЖК) – наиболее радиочувствительные молекулы - первичная мишень действия радиации в малых дозах (Эйдус Л.Х., 2001), а не ДНК (!) Первичные неспецифические изменения в мембранах ( нарушение окислительно-восстановительных процессов и нарушение физико-химических свойств липидов) ведут к запуску радиационных эффектов в клетке Ультраструктурные радиационные изменения в плазматических мембранах приводят к экзоцитозу различных факторов, модулирующих выживаемость клеток.

Роль онкосупрессоров в формированиия - «эффекта свидетеля» ген р53 – онкосупресор - контролирует про- и антиапоптогенные белки; Белок р53 имеет онкосупрессорную функцию – при возникновении повреждений ДНК (один двойной разрыв на ядро) его содержание в клетке резко возрастает; С помощью р53 регулируется механизм, участвующий в радиобиологическом «эффекте свидетеля» 1986 г. — Роберт Уэйнберг впервые идентифицировал ген-онкосупрессор (ген, продукт которого обеспечивает профилактику опухолевой трансформации клеток)

Эффект в области сверхмалых доз (гиперрадиочувствительность) с точки зрения мембранного механизма В области сверхмалых доз– радиационное образование оксирадикалов и накопление продуктов перекисного окисления липидов в плазматических мембранах инициируют каскад стереотипных биохимических реакций в субпопуляции наиболее радиочувствительных клеток на повреждающее воздействие, в том числе тех механизмов, которые приводят клетки к апоптозу.

продолжение При дальнейшем увеличении сверхмалой дозы (нисходящая часть кривой) – при достижении определенного дозового порога происходит снижение уровня продуктов перекисного окисления липидов (вследствие мобилизации антиокислительного механизма защиты), наблюдается активация каскадного механизма реакций на повреждение, задержка клеточного цикла и усиление работы системы репарации ДНК в выжившей субпопуляции клеток. снижается липопероксидация.

Радиационно-индуцированная нестабильность генома Часть клеток, выживших после облучения, может давать функционально измененное потомство, в котором с высокой частотой на протяжении многих поколений возникают de novo (без доп. облучения!) аберрации хромосом и генные мутации, в ряде случаев приводящие к повышенной клеточной смертности путем апоптоза В отличие от перманентной геномной нестабильности, приводящей к некоторым наследственным болезням, радиационно-индуцированная нестабильность генома имеет ряд особенностей: не определяется возникновением стойких нарушений в первичной структуре ДНК; не определяется копированием в клеточном потомстве радиационных повреждений ДНК родительских клеток, не имеет клонального характера; может возникать в клетках, не подвергавшихся облучению (эффект свидетеля); Нестабильность может проявляться в отдаленные сроки после облучения (иногда через сотни циклов деления).

Нестабильность генома: Сохранение НГ на протяжении десятков поколений клеток животных было впервые показано при облучении в больших дозах; В 1970-80 е гг. отечественными учеными было показано, что НГ может проявляться и у потомков клеток, облученных в малых дозах; НГ проявляется как после действия плотноионизирующего, так и редкоионизирующего излучения У многоклеточных организмов НГ проявляется в увеличении числа (частоты) соматических мутантных клеток

Механизм индукции и поддержания генетической нестабильности мало изучены: В развитии генетической нестабильности играет роль: увеличение поражения ДНК и снижение эффективности репарации - нарушение системы контроля клеточного цикла (экспериментальное подтверждение: возрастание генетической нестабильности в потомстве клеток, облученных в присутствии усилителя радиационных поражений ДНК) Измененный клеточный метаболизм (?)– не ясно как передается (поиск факторов передачи) - эксперименты по облучению цитоплазмы и ядер - реактивные продукты кислорода (усиление продукции активных форм кислорода, что приводит к увеличению оксидативных повреждний в молекулах ДНК и, как следствие, к увеличению количества мутаций)

Примеры: эксперименты по облучению цитоплазмы и ядра – попытка оценить вклад измененного метаболизма и прямого повреждения ДНК облучение участков цитоплазмы ускоренными ядрами гелия: при прохождении 4 ядер через участок цитоплазмы (не отражалось на жизнеспособности клетки) у части потомков в течение 40 поколений наблюдались микроядра (результат фрагментации ДНК) При облучении ядра в такой же дозе образование микроядер в трех первых поколениях было более частым, чем при облучении цитоплазмы. Через несколько поколений эффект исчезал. Роль реактивных продуктов кислорода в увеличении числа мутаций (наблюдалось увеличение числа мутаций после облучения цитоплазмы. При введении перехватчиков радикалов и угнетении синтеза глутатиона (мощный антиоксидант!) число мутаций снижалось.

Результаты экспериментов и выводы Облучение цитоплазмы приводит к учащению генных* мутаций (характерных для спонтанного мутагенеза) Локальное облучение ядра – к учащению хромосомных перестроек У мутантных клеток в нескольких десятках поколений сохраняется высокое содержание количества высокореакционных продуктов кислорода. Изменение метаболизма коррелирует с повышенной некротической и апоптотической гибелью Выводы Длительная нестабильность генома после облучения обусловлена: непосредственным поражением генома самим излучением; дополнительным поражением продуктами измененного клеточного метаболизма. *Генная, или точковая, мутация представляет собой изменение последовательности нуклеотидов в пределах одного гена, приводящее к изменению характера действия гена

«Генетическая нестабильность обусловлена длительно сохраняющимся изменением функционирования клетки как целого, передаваемым потомству посредством эпигенетических механизмов» (подробности см. в Кудряшов, 2004) Повышенный уровень мутаций Повышенная частота хромосомных перестроек Сохраняется в течение 10-30 и более генераций

Нестабильность генома Повышение частоты генетических нарушений у потомков облученной клетки Отсутствует зависимость НГ от дозы в большом диапазоне доз (возникает после облучения в широком диапазоне доз, включая малые (<20 сГр), особенно при воздействии плотноионизирующих излучений) НГ регистрируется у лиц, облученных в малых дозах на атомных производствах и проживающих на загрязненных территориях в отдаленные сроки – увеличение генных и хромосомных мутаций в лимфоцитах периферической крови Спектр мутаций в отдаленные сроки (одиночные и парные фрагменты) отличается от мутаций в непосредственно облученных клетках (дицентрики, кольцевые хромосомы)

Канцерогенез в области малых доз В настоящее время приняты две концепции радиационного канцерогенеза: 1. Пороговая концепция (в области малых доз имеется порог канцерогенного действия ионизирующих излучений) 2. Беспороговая концепция (при облучении в любой малой дозе увеличивается риск злокачественных новообразований) Риск развития злокачественных новообразований связан с нарушением в онкогенах и антионкогенах. Облучение в малых дозах приводит к появлению мутантных клеток Для индукции опухоли необходимо возникновение нескольких мутаций в геноме клетки Пример в пользу доказательства беспороговой концепции: Получены прямые доказательства индукции злокачественных заболеваний при облучении в дозах около 100 мГр (У ликвидаторов аварии на ЧАЭС) – статистически значимый рост возникновения лейкозов, рака щитовидной железы у детей

Облучение в малых дозах и соматические заболевания у людей, облученных в малых дозах Множество данных о развитии заболеваний нейроэндокринной, сердечно-сосудистой (ПНЖК!!!), пищеварительной, иммунной систем Повышенной чувствительности к действию различных токсических факторов Аналогичные эффекты описаны у людей, подвергшихся действию малых доз отравляющих веществ (нейротоксинов: зарин, ТМ и др.) Синдром множественной химической чувствительности («болезнь окружающей среды», «синдром войны в персидском заливе»)– проявляется через несколько месяцев-лет после воздействия, проявляется в аллергии и др. симптомах Такие же расстройства характерны для ликвидаторов аварии на ЧАЭС – проблема: нет доказательства радиогенного происхождения симптомов В настоящее время официально основным вредным последствием воздействия излучения в малых дозах рассматривается только развитие злокачественных новообразований !!

Роль естественного радиационного фона для живых организмов В настоящее время естественный радиационный фон составляет: 10-15 (20) мкР/час (мощность дозы излучения) Около 1 мЗв/год (доза облучения)

Эксперименты по выяснению биологического значения естественного радиационного фона Александр Михайлович Кузин, чл.-корр. РАН (1906-1992) Институт биофизики клетки РАН Кузин А.М. (1991) Природный радиоактивный фон и его значение для биосферы Земли. М.: Наука, 116 с. Кузин А.М. (1991) Идеи радиационного гормезиса в атомном веке. М.: Наука, 116 с. Кузин А.М., Суркенова Г.Н. (1994) Обнаружение вторичного, биологически активного излучения растительных структур после g-облучения в малых дозах. Докл. РАН., 334, 535-537.

Экранирование внешнего облучения (1965 -70 е гг) экранирование естественного радиационного фона - в свинцовых камерах – ЕРФ снижался в 20 раз, - в подземных бункерах) Результаты: - замедление скорости клеточного деления (у простейших, водорослей, культур клеток), - замедление эмбрионального развития насекомых, роста и развития растений и животных внесение солей урана для восстановления ЕРФ – исчезал эффект угнетения развития организмов экранирование внешнего ЕРФ – снижение жизнеспособности в 1.2-1.5 раз

Экранирование внутреннего и внешнего облучения (эксперименты 1980-90 гг)

Примеры: эксперименты Института биофизики клетки РАН Показано, что одновременное снижение внешнего природного радиационного фона (экранирование свинцом), внутреннего (снижение содержания радиоизотопа 40К) и устранения во вдыхаемом воздухе радона резко снижает (на 50%) рост и развитие высших растений и молодых животных. Вывод - природный радиоактивный фон необходим для существования биоты

Влияние природного радиационного фона на размножение простейших

Возможная связь естественного радиационного фона и «биополя» живой клетки Теория А.М.Кузина : роль ЕРФ в формировании «вторичного биогенного излучения» - когерентное слабое ультрафиолетовое излучение, стимулирующее митозы, клеточное деление, образование «внутреннего радиационного поля» Тарусов Б.Н. и другие: исследования «сверхслабого свечения» - биоэлектрохемилюминесценции -, испускаемого живыми клетками

Биополе наконец открыто 11.11.1996.  "ОГОНЕК", №46 При воздействии излучения на живые молекулы с ними происходят одновременно два процесса: ионизация (почему радиация и называется ионизирующей) и возбуждение. В первом случае электрон вышибается из молекулы, и она разрушается. Так, собственно, убивает атомная бомба или другие большие дозы радиации. Иное дело -- малые дозы. Тут основным является возбуждение: электрон, выбитый со своего законного места, не улетает, а переходит на другой энергетический уровень. Вокруг молекулы образуются сгустки энергии -- «солитоны» (как их назвал киевский исследователь Давыдов) или «поляритоны» (по терминологии немца Фрица Поппа). Несколько лет назад этот Попп, облучавший молекулы ультрафиолетом, установил, что поляритоны живут час-два, затем распадаются и испускают вторичное излучение. А именно -- слабый видимый свет (излучение Вавилова-Черенкова) Это открытие совершил недавно российский радиобиолог из пущинского Института биофизики клетки член-корреспондент РАН Александр Кузин. Он додумался, что аналогичное вторичное излучение может вызываться не только ультрафиолетом, но и атомной радиацией. Проверить это предположение не получалось -- на мышей для экспериментов денег сейчас ученым не дают. Пришлось призвать на службу науке прежде неиспользовавшихся бесплатных тараканов. Догадка Кузина подтвердилась: при облучении малыми дозами из тараканьих белков и ДНК исходит вторичное излучение, на сей раз, правда, не светового диапазона, а ультрафиолетового. И этот новый вид вторичного излучения стимулирует в растениях жизненные процессы. Например, в специальной камере, изолированной от природного фона, клали на марлю облученных и необлученных тараканов -- с оторванными ножками, чтобы не сбежали. Под марлей помещали семена растений. Нет, ножки у тараканов не вырастали, но семена из-под облученных насекомых проросли вдвое быстрее. Тот же эффект наблюдался в парах растение-растение. Опытов было много, да они и продолжаются -- ведь надо изучить новое явление со всех сторон. Но главное установлено -- стимулирует не сама радиация, а вызванное ею вторичное излучение.

Излучение Вавилова — Черенкова - свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. В 1934 году Павел Черенков проводил в лаборатории Сергея Вавилова исследования люминесценции жидкостей под воздействием гамма-излучения и обнаружил слабое голубое свечение, вызванное быстрыми электронами, выбитыми из атомов среды гамма-излучением. Позже выяснилось, что эти электроны двигались со скоростью выше скорости света в среде. обнаруженное явление — не люминесценция жидкости, а свет излучают движущиеся в ней быстрые электроны

Радоновые ванны Радоновые воды – минеральные воды различного состава, содержащие радиоактивный газ – радон. Оптимальная концентрация радона должна быть около 40 нКи/л. В 1900 году, на конгрессе в Лиссабоне П. Кюри и А.Бошар доложили о лечебном применении радоновых вод. Чешский город Яхимов, опыты Пьер и Мария Кюри, в 1906 году открыт первый радоновый курорт- колыбель атомного века. Противопоказания острые инфекционные заболевания; психические заболевания; часто повторяющиеся кровотечения; расстройства кровообращения IIБ - III стадий; беременность во все сроки; злокачественные и доброкачественные опухоли кроме фибромиом матки, величина которых не превышает размеров матки при 3х – месячной беременности; В настоящее время в мире известно около 300 радоновых курортов Наиболее известные: Гаштейн (Австрия), Бад-Брамбах (Германия), Киссинген (Германия), Мисаса (Япония), Момин Проход (Болгария), Яхимов (Чехия), Люшон (Франция) Ангано (Италия), Хмельник (Украина), Цхалтубо (Грузия), В России: Пятигорск, Алтайский край, Читинская область, Иркутская область, Красноярский край Механизм эффекта до сих пор объяснен!!!!!!!

Задание обзор научной статьи на русском или английском языках по темам: «эффект свидетеля – bystander effect», «адаптивный ответ- adaptive response», “нестабильность генома” (genomic instability): статью выбираете самостоятельно в научных базах (напр., www.elibrary.ru, Web of science, др.), выбор согласуете с преподавателем. Сдача обзора осуществляется в виде устного сообщения на семинаре с использованием презентации в формате Power Point, длительность сообщения 10-15 минут. Начало сдачи – через неделю!

Следующая тема Радиочувствительность тканей и органов организма млекопитающих