Е.К.ХандогинаЕ.К.Хандогина

доктор биологических наук,доктор биологических наук,ведущий научный сотрудникведущий научный сотрудник

Института проблем безопасного развития Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАНатомной энергетики РАН

По материалам, подготовленным международным экспертом ВОЗ По материалам, подготовленным международным экспертом ВОЗ д.б.н.,проф. Я.Э.Кенигсбергомд.б.н.,проф. Я.Э.Кенигсбергом

Основы радиационнойОсновы радиационной биологии биологии

Жизнь на Земле развивалась под Жизнь на Земле развивалась под воздействием естественного радиационного воздействием естественного радиационного фона, формируемого источниками земного и фона, формируемого источниками земного и

космического происхождениякосмического происхождения

► В среднем фоновая В среднем фоновая доза составляет доза составляет около 2 мЗв в годоколо 2 мЗв в год

► На Земле существуют На Земле существуют районы, где районы, где естественный естественный радиационный фон радиационный фон многократно превышает многократно превышает средние значениясредние значения

► Воздействию радиации подвергаются все Воздействию радиации подвергаются все без исключения люди, живущие на Земле.без исключения люди, живущие на Земле.

Вильгельм Конрад Рентген

Открытие рентгеновских лучейОткрытие рентгеновских лучей (1895)(1895)

Антуан Анри Беккерель Мария Кюри

Открытие естественной Открытие естественной радиоактивности урана (1896)радиоактивности урана (1896)

Основные дозиметрические Основные дозиметрические единицыединицы

Для количественного отражения действия радиации Для количественного отражения действия радиации пользуются понятием пользуются понятием дозадоза. Доза облучения — . Доза облучения — это наиболее важная характеристика для оценки это наиболее важная характеристика для оценки воздействия радиации на здоровье. воздействия радиации на здоровье.

Энергия излучения, поглощенная телом Энергия излучения, поглощенная телом ((поглощенная дозапоглощенная доза), измеряется в ), измеряется в греях (Гр)греях (Гр). .

Разные виды излучения действуют на живые Разные виды излучения действуют на живые организмы с разной эффективностью. Для учета организмы с разной эффективностью. Для учета этого фактора появилось понятие этого фактора появилось понятие эквивалентной эквивалентной дозыдозы; единицей измерения ее является ; единицей измерения ее является зиверт зиверт (Зв)(Зв). .

Последствия облучения разных органов и тканей Последствия облучения разных органов и тканей могут быть различными даже при одинаковой могут быть различными даже при одинаковой поглощенной дозе, поэтому есть понятие поглощенной дозе, поэтому есть понятие эффективной дозыэффективной дозы; она также измеряется в ; она также измеряется в зивертахзивертах. .

Существуют и внесистемные единицы – например, Существуют и внесистемные единицы – например, рентген (Р)рентген (Р). В очень грубом приближении чаще . В очень грубом приближении чаще всего можно принять, что всего можно принять, что

1 Гр=1 Зв= 100 Р1 Гр=1 Зв= 100 Р

• Первый индуцированный облучением рак кожи выявлен в 1902 г.• Первый индуцированный облучением лейкоз описан в 1911 г.

Первые сообщения о повреждающих Первые сообщения о повреждающих эффектах радиацииэффектах радиации

• 1920-е гг.: саркома костной ткани – у работающих с радием оформителей циферблатов

• 1930-е гг.: рак печени и лейкоз в результате введения торотраста

•1940-е гг.: повышение заболеваемости лейкозом среди первых радиологов

Радиочувствительность – степень реакции клеток, Радиочувствительность – степень реакции клеток, тканей, органов или организмов на воздействие тканей, органов или организмов на воздействие

ионизирующего излученияионизирующего излучения

Чаще всего для характеристики радиочувствительности используют Чаще всего для характеристики радиочувствительности используют дозовые зависимости выживаемости, а количественной дозовые зависимости выживаемости, а количественной характеристикой служит величина, обратно пропорциональная ЛДхарактеристикой служит величина, обратно пропорциональная ЛД5050 – – дозе, приводящей к гибели 50% облучаемых объектов.дозе, приводящей к гибели 50% облучаемых объектов.

Значения ЛДЗначения ЛД50 50 некоторых видов:некоторых видов:

Биологический Биологический видвид

Доза, Доза, ГрГр

БиологическиБиологический видй вид

Доза, Доза, ГрГр

ЧеловекЧеловек 2,5-42,5-4 МышьМышь 6-156-15

ОбезьянаОбезьяна 2,5-62,5-6 КрысаКрыса 7-97-9

ОвцаОвца 1,5-31,5-3 ПтицыПтицы 8-208-20

СобакаСобака 2,5-32,5-3 РыбыРыбы 8-208-20

ОселОсел 2-42-4 ЗмеиЗмеи 80-20080-200

КроликКролик 9-109-10 НасекомыеНасекомые 10-10010-100

ХомякХомяк 9-109-10 РастенияРастения 10-150010-1500

Изучение последствий атомной Изучение последствий атомной бомбардировки в Япониибомбардировки в Японии

Излучение действует на живые Излучение действует на живые объекты на разных уровнях:объекты на разных уровнях:

► молекулы;молекулы;► клетки;клетки;► ткани и органы;ткани и органы;► организмы;организмы;► популяции; популяции; ► экосистемыэкосистемы

Нарушения наследственного материала Нарушения наследственного материала -- мутациимутации

► Клетка является Клетка является той «ареной», где той «ареной», где разыгрываются разыгрываются основные событияосновные события

► Главной мишенью для Главной мишенью для воздействия радиации воздействия радиации является молекула является молекула ДНК – носитель ДНК – носитель генетической генетической информацииинформации

Радиобиологический Радиобиологический парадокспарадокс

Прямое и косвенное действие радиацииПрямое и косвенное действие радиации

Когда через клетку проходит частица (или фотон), она повреждает Когда через клетку проходит частица (или фотон), она повреждает биологические важные молекулы. Для клетки такими молекулами-биологические важные молекулы. Для клетки такими молекулами-

мишенями являются молекулы ДНКмишенями являются молекулы ДНК

Прямое действиеПрямое действие – повреждение – повреждение молекул ДНК непосредственно при молекул ДНК непосредственно при взаимодействии с излучением;взаимодействии с излучением;

Косвенное действиеКосвенное действие – повреждение – повреждение ДНК свободными радикалами, ДНК свободными радикалами, образованными при облучении образованными при облучении других молекул, в первую очередь, других молекул, в первую очередь, воды.воды.

Для защиты от косвенного Для защиты от косвенного действия излучения действия излучения применяют химические применяют химические вещества – перехватчики вещества – перехватчики свободных радикалов. свободных радикалов. Антиоксидантами являются Антиоксидантами являются такие очень хорошо такие очень хорошо известные соединения, как известные соединения, как обычные витамины – А, Е. обычные витамины – А, Е.

10-6

10-12

10-9

10-15

10-3

1 секунда

1 час

1 день

1 год

100 лет

1 мс

100

109

106

103

Попадание энергетическогопучка на мишеньВозбуждение/ионизацияИонизация других атомов

Образование радикалов

ФИЗИЧЕСКИЕВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

БИОЛОГИЧЕСКИЕРЕАКЦИИ

МЕДИЦИНСКИЕ ЭФФЕКТЫ

Диффузия, химические реакции

Начальное повреждение ДНК

Разрыв ДНК / повреждение оснований

РепарацияФиксация повреждений

Гибель клеток

Развитие/завершение

ТератогенезРакНаследственныедефекты

Пролиферация поврежденных клеток

Мутации / трансформации /аберрации

ВР

ЕМ

Я (

с)

Распределение по времени событий, приводящих к радиационным эффектам.

Прямое действиеПрямое действиеИонизирующее излучение + RH R- + H+

Таутомерные сдвиги

Разрывы связи

e-R-луч-луч P+

OH

H OH-

H+

Ho

OHo

Косвенное действиеКосвенное действие

Реакции со свободными Реакции со свободными радикаламирадикалами

H0 + OH0 HOH (рекомбинация)

H0 + H0 H2 (димер)

OH0 + OH0 H2O2 (перекись водорода)

OH0+RH R0+HOH (перенос радикала)

Влияние кислорода на Влияние кислорода на образование свободных образование свободных

радикаловрадикаловКИСЛОРОДКИСЛОРОД может модифицировать реакцию, способствуя образованию других разновидностей свободных радикалов, отличающихся более высокой стабильностью и большей продолжительностью жизни

H0+O2 HO20 (гидропероксидный свободный

радикал)

R0+O2 RO20 (органический пероксидный

свободный радикал)

Типы повреждений, индуцированных излучением Типы повреждений, индуцированных излучением

в ДНКв ДНК

Однонитевой разрыв

Повреждение основания

Выпадение

Простой двунитевый

разрыв

Комплексное повреждение

Репарация ДНКРепарация ДНК

Если произойдут изменения – спонтанно или под действием Если произойдут изменения – спонтанно или под действием повреждающих факторов, синтез белка нарушится: либо он повреждающих факторов, синтез белка нарушится: либо он прекратится, либо будет синтезироваться измененный белок. Такие прекратится, либо будет синтезироваться измененный белок. Такие нарушения называются нарушения называются мутациямимутациями. Специальные ферменты . Специальные ферменты распознают поврежденный участок, вырежут его из «неправильной» распознают поврежденный участок, вырежут его из «неправильной» нити, а на другой нити, как на матрице, синтезируют новый участок нити, а на другой нити, как на матрице, синтезируют новый участок ДНК.ДНК.

Дефектная репарация ДНКДефектная репарация ДНК

Невоссоединение разрывов двух

нитей ДНК

Неправильное восстановление

повреждения ДНК

Цитотоксический эффект Мутации

Кривые выживаемости Кривые выживаемости клеток, подвергавшихся клеток, подвергавшихся воздействию излучения с воздействию излучения с высокой (А) и низкой (Б) высокой (А) и низкой (Б)

ЛПЭЛПЭ

A

Б

Dq

n

D0

D0

1-1/e1-1/e

,037

Индуцированное облучением повреждение Индуцированное облучением повреждение мембранмембран

Действие излучения на Действие излучения на клеточную кинетикуклеточную кинетику

Повреждение ДНК

Репарация повреждения

Гибель клетки(некроз или

апоптоз)

Трансформация клетки

Последствия облучения Последствия облучения клеткиклетки

Индуцированные радиацией Индуцированные радиацией хромосомные аберрациихромосомные аберрации

Центромера

Трек ИИ Фрагмент без центромера

Трек ИИ

Хромосомные Хромосомные транслокациитранслокации

Хромосомные делеции

Перестройки хромосомПерестройки хромосом

Цитогенетический метод Цитогенетический метод дозиметриидозиметрии

ЗаконЗакон Bergoni Bergoniéé ии Tribondeaus (1906) Tribondeaus (1906) Наиболее радиочувствительными являются клетки

активно пролиферирующие / делящиеся во время облучения недифференцированные (неспециализированные по структуре и

функции)

► красный костный красный костный мозг и гонады;мозг и гонады;

► толстая кишка, толстая кишка, легкие и легкие и желудок;желудок;

► мочевой пузырь, мочевой пузырь, молочная молочная железа, печень, железа, печень, пищевод, пищевод, щитовидная щитовидная железа;железа;

► кожа и клетки кожа и клетки костных костных поверхностей;поверхностей;

► остальные остальные органы и тканиорганы и ткани

«Самое слабое звено» - это плод, «Самое слабое звено» - это плод, дети, облучающиеся дети, облучающиеся внутриутробно.внутриутробно.

По убыванию радиочувствительности ткани и По убыванию радиочувствительности ткани и органы человека можно расположить в органы человека можно расположить в следующем порядке:следующем порядке:

Характер облученияХарактер облучения► Внешнее Внешнее (от источника, (от источника,

находящегося вне теланаходящегося вне тела человека)человека)

► ВнутреннееВнутреннее (от (от радиоактивных изотопов, радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма)попавших внутрь организма)

► Острое Острое (его длительность не (его длительность не превышает нескольких часов)превышает нескольких часов)

► ПролонгированноеПролонгированное (растянутое во времени)(растянутое во времени)

► ХроническоеХроническое (с малой (с малой мощностью дозы)мощностью дозы)

► ОбщееОбщее (тотальное - полностью (тотальное - полностью поражающее организм) поражающее организм)

► ЛокальноеЛокальное (затрагивает (затрагивает отдельные участки тела, органы отдельные участки тела, органы или ткани)или ткани)

равномерное или неравномерноеравномерное или неравномерное

► ОднократноеОднократное► ФракционированнФракционированн

ое ое (многократное)(многократное)

Классификация Классификация последствий облученияпоследствий облучения

► СоматическиеСоматические (развивающиеся у (развивающиеся у облученного человека)облученного человека)

► Генетические Генетические (проявляющиеся в (проявляющиеся в потомстве)потомстве)

► ДетерминированнДетерминированныеые (повреждения органов и (повреждения органов и тканей) возникают с тканей) возникают с неизбежностью после превышения неизбежностью после превышения некоторого порогового уровня дозы некоторого порогового уровня дозы

► Стохастические Стохастические развитие происходит с развитие происходит с

определенной вероятностью; определенной вероятностью; теоретически являются теоретически являются беспороговыми, могут возникнуть беспороговыми, могут возникнуть при любых значениях дозыпри любых значениях дозы

Какие дозы считать малыми? Одна и таКакие дозы считать малыми? Одна и та же доза 10 Гр будет же доза 10 Гр будет смертельной длясмертельной для человека, не вызовет никаких поражений у человека, не вызовет никаких поражений у некоторых видов среднеазиатских змей и стимулирует рост и некоторых видов среднеазиатских змей и стимулирует рост и

развитие семян горчицы.развитие семян горчицы.

► Физический подход Физический подход (микродозиметрия) - (микродозиметрия) - 1 1 мГрмГр

► Радиобиологические Радиобиологические эксперименты в культурах эксперименты в культурах клеток - клеток - 20 мГр20 мГр

► Эпидемиологические Эпидемиологические исследования – исследования – 200 мГр200 мГр

Диапазоны доз для человека Диапазоны доз для человека (редкоионизирующие (редкоионизирующие излучения) излучения)

► D < D < 200 мГр - 200 мГр - малыемалые► 20200 мГр0 мГр < D < 2 < D < 2 Гр – Гр –

промежуточныепромежуточные► D >D > 2 Гр - 2 Гр - высокиевысокие

Основной предел дозы для населения – Основной предел дозы для населения – 1 мЗв/год1 мЗв/год

► Флюорография – Флюорография – 0,6 мЗв0,6 мЗв

► Компьютерная Компьютерная томография – томография – 3 мЗв3 мЗв

► Просмотр Просмотр телепрограмм телепрограмм по 3 часа в день по 3 часа в день в течение года – в течение года – 0,001 мЗв0,001 мЗв

► Перелет из Москвы в Перелет из Москвы в Нью-Йорк – Нью-Йорк – 0,3 мЗв0,3 мЗв

Если сравнивать теоретически рассчитанные Если сравнивать теоретически рассчитанные риски от действия излучения в дозах, риски от действия излучения в дозах, соответствующих предельным, с другими соответствующих предельным, с другими рисками, окажется, что они:рисками, окажется, что они:

- примерно в 10 раз меньше риска - примерно в 10 раз меньше риска смертности от несчастных случаев в быту;смертности от несчастных случаев в быту;

- сравнимы с риском гибели от удара молнии. сравнимы с риском гибели от удара молнии.

Если бы в качестве приемлемого был принят Если бы в качестве приемлемого был принят риск, равный таковому от выкуривания 20 риск, равный таковому от выкуривания 20 сигарет в сутки, то предел дозы облучения сигарет в сутки, то предел дозы облучения населения составил бы в этом случае 1 Зв, населения составил бы в этом случае 1 Зв, то есть в тысячу раз выше, чем это принято то есть в тысячу раз выше, чем это принято сейчас. сейчас.

Для того, чтобы изучить, как влияет радиация на Для того, чтобы изучить, как влияет радиация на человеческий организм, используются различные человеческий организм, используются различные подходы:подходы:

► эксперименты на животныхэксперименты на животных► наблюдения за пациентами, наблюдения за пациентами,

подвергшимися действию подвергшимися действию терапевтического облучения терапевтического облучения по поводу онкологических по поводу онкологических заболеваний а также за заболеваний а также за больными, облученными в больными, облученными в диагностических целяхдиагностических целях

► наблюдения за людьми, наблюдения за людьми, подвергающиеся подвергающиеся профессиональному профессиональному облучениюоблучению

► эпидемиологические эпидемиологические исследования исследования в районах с повышенным в районах с повышенным уровнем радиацииуровнем радиации

► эксперименты с культурами эксперименты с культурами клеток человека и животныхклеток человека и животных