Медицинская радиобиология и радиационная безопасность
Тема 1.2. Основы радиобиологии и ядерной медицины
1. Физические основы радиобиологии и лучевой терапии.
Радиобиология – наука о закономерностях воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты. Фундаментальные и прикладные аспекты развития радиобиологической науки. Основные объекты исследования в современной количественной радиобиологии. Методы исследования.
Применение ионизирующих излучений в медицине и биологии. Классификация видов излучений по типу взаимодействия с биологической средой. Дозиметрия и контроль при облучении. Метрология. Безопасность при использовании излучений. Физические основы применения излучений при изучении биологических структур, в диагностике и терапии заболеваний.
Действие ионизирующего излучения на органы и организм человека. Лучевые поражения. Генетические последствия. Реакции отдельных органов и организма в целом. Стохастические и нестохастические эффекты. Биофизические подходы к определению степени воздействия ионизирующего излучения на организм. Качество излучения. Эффективная и эквивалентная дозы. Отдаленные последствия облучения организма. Внешнее и внутреннее облучения.
Комбинированное действие. Концепции риска. Радиобиологические основы применения ионизирующего излучения в терапии, разработке норм радиационной безопасности, оптимизации радиоизотопной диагностики, разработке методов и принципов в радиоэкологии.
Лучевая терапия в онкологии. Злокачественные новообразования, их виды. Основные принципы и методы лучевой терапии. Компьютерная томография в планировании лучевой терапии. Источники излучения в терапии. Лучевая хирургия. Протонно-лучевая терапия. Брахитерапия. Нейтронная терапия. Радиационные дозы в лучевой терапии. Комплексная терапия. Интраоперационная лучевая терапия злокачественных опухолей. Открытые источники излучения в лечении онкологических заболеваний.
Физико-технические аспекты гарантии качества лучевой терапии (ГКЛТ). История развития обеспечения ГКЛТ. Медико-биологические предпосылки ГКЛТ. Допустимые отклонения параметров условий облучения. Типы и виды случайных и систематических ошибок.
2. Основы ядерной медицины и радиоизотопной диагностики.
Методы и средства лучевой диагностики. Ультразвуковая диагностика. Рентгеновская диагностика. ЯМР томография. Позитронно-эмиссионная томография. Сцинтиграфия. Компьютерная рентгеновская томография. Радионуклидная диагностика. Радиоактивные нуклиды и радиофармпрепараты. Производство радиоизотопов. Ядерно-медицинские препараты.
Ядерная диагностика в клинике. Отделение радионуклидной диагностики. Клинические методы радионуклидной диагностики. Радионуклидная диагностика заболеваний (щитовидной железы, печени, почек и мочевыводящих путей; диагностика патологии легких, болезней костей; диагностика в кардиологии, онкологии). Позитронно-эмиссионная томография в диагностике заболеваний (сердце, селезенка, головной мозг, онкология).
Дозиметрия в ядерной медицине. Предельно допустимые и летальные дозы. Поглощенные дозы в медицине: в лучевой терапии, в радионуклидной диагностике, дозы населения от компонентов ядерной медицины, методы снижения медицинских дозовых нагрузок на население, дозы облучения медицинского персонала. Обеспечение безопасности.
Радиобиология с основами радиоэкологии - Стр 2
1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы | 11 |
На стыке радиобиологии и экологии возник ее отдельный раздел, который иногда относят к экологии или рассматривают как самостоятельную науку – радиационная экология, или радиоэкология. В радиобиологической номенклатуре радиоэко логия – это область радиобиологии, изучающая концентрации и миграцию радиоактивных веществ в объектах окружающей среды и их действие на живые организмы.
Место радиобиологии среди смежных наук, ее связи с ними и соподчинение показаны на рис. 1.1.
1.2. Направления радиобиологии и ее задачи
Современная радиобиология представляет собой комплексную междисциплинарную область биологической науки, имеющую четко выделенные отдельные направления. Основными из них являются следующие: радиационная медицина и медицинская радиобиология, включающая противорадиационную защиту и терапию, радиационную гигиену, радиационную иммунологию и радиобиологию опухолей; радиационная экология; радиационная генетика; сельскохозяйственная радиобиология, в которую самостоятельной дисциплиной входит ветеринарная радиобиология; радиационная цитология; радиационная биохимия; радиационная биофизика; космическая радиобиология и некоторые другие.
Одни из этих направлений имеют конкретный объект изучения, другие – нет. Но у каждого направления есть свои определенные задачи.
Главной задачей радиобиологии, составляющей предмет ее исследований, является изучение закономерностей биологиче ского действия ионизирующих излучений на живой организм с целью овладения управлением его реакциями на облучение.
Исходя из этой общей задачи формулируются и конкретные задачи каждого направления радиобиологии с учетом спе цифики объектов исследований и других особенностей.
Так, радиационная медицина изучает действие ионизирующих излучений на организм человека, принципы профилактики и лечения радиационных поражений, возможных последствий облучения населения.
Радиационная экология исследует пути миграции радиоактивных веществ в компонентах биогеоценоза, дает оценку их количества и биологического действия инкорпорированных растениями, животными и другими организмами радиоактивных веществ.
Задачей сельскохозяйственной радиобиологииявляется изу чение радиочувствительности сельскохозяйственных растений и животных, изыскание возможностей ее модификации, разработка приемов минимизации накопления радиоактивных веществ в продукции растениеводства и животноводства.
12 | Радиобиология с основами радиоэкологии |
Многие из этих задач являются производными главной цели радиобиологии и тесно связаны с вопросами других ее направлений. Самостоятельное значение имеет задача крупнейшего направления так называемой прикладной радиобиологии, которая служит практическому воплощению проблем всех направлений радиобиологии в медицину, сельское хозяйство, пищевую промышленность и другие сферы хозяйственно полезной деятельности человека.
На рис. 1.2. представлены перечисленные направления радиобиологии, а также основные связи, иллюстрирующие их взаимодействие и соподчиненность.
Космическая | Радиационная | Радиационная | Радиационная | Радиационная | |||||
радиобиология | физика | химия | биохимия | цитология | |||||
О Б Щ А Я Р А Д И О Б И О Л О Г И Я
Радиационная | Радиационная | Сельскохозяйственная | Радиационная | ||
медицина | экология | радиобиология | генетика | ||
Противорадиа- | Радиационная | Радиационная | Радиобиология | Ветеринарная | |
ционная защита | гигиена | ||||
иммунология | опухолей | радиобиология | |||
и терапия | |||||
П Р И К Л А Д Н А Я Р А Д И О Б И О Л О Г И Я |
Рис. 1.2. Основные направления радиобиологии.
1.3. История радиобиологии
Радиобиологию принято считать молодой наукой. Это справедливо, если ее сравнивать с такими биологическими науками, как ботаника, зоология, анатомия, физиология, история которых уходит вглубь столетий и даже тысячелетий. Но она гораздо старше таких биологических наук, как молекулярная биология, молекулярная генетика, клеточная биология, генетическая инженерия, возникших во второй половине ХХ столетия. В 1995 г. радиобиология вместе со 100-летиемоткрытия рентгеновских лучей отметила свой вековой юбилей.
1.3.1.Роль достижений ядерной физики
ввозникновении и развитии радиобиологии
Своим рождением радиобиология как самостоятельная нау ка обязана трем великим открытиям в области физики, сделан-
1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы | 13 |
ным в конце XIX столетия: открытию | ||
в 1895 г. немецким физиком В.К. Рент- | ||
геном Х-лучей,названных впослед- | ||
ствии его именем; открытию в 1896 г. | ||
французским физиком А. Беккерелем | ||
естественной радиоактивности и от- | ||
крытию в 1898 г. также французски- | ||
ми физиками супругами М. Склодов- | ||
ской-Кюрии П. Кюри новых радиоак- | ||
тивных элементов полония и радия. | ||
Насколько великими были эти откры- | ||
тия можно судить уже по тому, что | В.К. Рентген (1845–1923) | |
В.К. Рентгену в 1901 г. была присуж- | ||
дена первая Нобелевская премия по |
физике, а в 1903 г. этой же премии были удостоены Беккерель и супруги Кюри.
Открыть новые лучи Рентгену помог случай. Однажды в ноябре 1895 г. окончив, как всегда, поздно вечером эксперименты в лаборатории физического института Вюрцбургского университета и погасив свет, он увидел в темноте зеленоватое свечение. Оно исходило от кристаллов платиносинеродистого бария, находившихся вблизи обернутой в плотную черную бумагу газоразрядной катодной трубки, которую Рентген забыл выключить. Свечение прекращалось при выключении трубки и возникало при ее включении. Катодные лучи не проникают через черную бумагу, и ученого осенила гениальная догадка о том, что при прохождении тока в трубке возникает неизвестное невидимое излучение, которое он назвал Х-лучами(рис. 1.3).
Догадка была именно гениальной, так как задолго до Рентгена многие физики работали с катодными лучами, наблюдали свечение, исходившее под их влиянием от некоторых веществ и предметов, но только Рентген «увидел» невидимые лучи.
В течение 1895–1897гг. Рентген исследовал свойства открытых им лучей, создал первые «рентгеновские» трубки. Он
обнаружил, что эти лучи про- | |||
никают через различные ма- | |||
териалы и мягкие ткани че- | |||
ловеческого | тела, | обладают | |
способностью засвечивать фо- | |||
томатериалы. Такое | свойство | ||
рентгеновских лучей быстро | |||
нашло применение в медици- | |||
не и, как хорошо известно, | |||
широко используется до на- | |||
стоящего времени. | Впослед- | ||
ствии было | установлено, что | Рис. 1.3. Катодная трубка и ка- | |
рентгеновские лучи представ- | тодные лучи. |
14 Радиобиология с основами радиоэкологии
ляют собой электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между g- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от10–11 до10–7 м.
Открытие рентгеновских лучей привлекло внимание ученых всего мира, и уже в течение последующего 1896 г. было опубликовано свыше тысячи научных работ по исследованию их свойств и применению. Интересовался ими и профессор физики Парижского музея естественной истории А. Беккерель – всемирно признанный авторитет в области люминесценции. В то время он исследовал индуцируемое солнечным светом свечение различных минералов и обнаружил, что наиболее интенсивно оно возникает у солей урана – химического элемента, открытого еще в 1789 г. Он установил, что если положить соль урана на фотографическую пластинку, завернутую в плотную черную бумагу, и поместить на солнце, то пластинка засвечивается в том месте, где находилась соль. При очередном эксперименте день оказался пасмурным и опыт пришлось отложить. Завернутая в черную бумагу фотопластинка с помещенной на ней солью была оставлена в темном ящике. Через несколько дней то ли случайно, то ли по забывчивости, а может быть, движимый интуицией, А. Беккерель проявил пластинку. Каково же было удивление ученого, когда на ней он увидел очертания соли, насыпанной в форме креста. Так было установлено, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это было открытие естественной радиоактивности.
Между этими двумя сделанными почти одновременно открытиями (практически их разделяет всего четыре месяца) сразу же были проведены параллели: в обоих случаях имело место совершенно новое явление – невидимые лучи, способные проникать через светонепроницаемый барьер.
Сотни исследователей в десятках лабораторий различных
стран после открытий Рентгена и Бек- | |
кереля бросились на поиск новых ис- | |
точников лучей-невидимок.История | |
науки сохранила немало курьезов, со- | |
провождающих эти искания. | |
Изучение описанного явления ста- | |
ло предметом исследований и супру- | |
гов Кюри. В июле 1898 г. они откры- | |
ли (но это был уже целенаправленный | |
поиск) свойство радиоактивности у со- | |
вершенно нового элемента, первого от- | |
крытого именно по свойству радио- | |
активности и названного полонием в | |
честь Польши – родины М. Склодов- | |
А.А. Беккерель | ской-Кюри,а в декабре того же года – |
(1852–1908) | нового элемента радия (лучистый). |
1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы | 15 |
История открытия этих элементов многократно описана не только в специальной, но и научно-популярнойлитературе. Однако она настолько прекрасна и поучительна, настолько ярко и впечатляюще иллюстрирует целеустремленность истинных ученых и их титанический труд, что ее можно повторить еще раз.
В1897 г. М. Склодовская-Кюриустановила, что интенсивность излучения, испускаемого урановой смолкой (минерал уранинит, безводный оксид урана, являющийся основой всех урановых руд), значительно выше, чем можно было бы ожидать, учитывая содержание в ней урана. Она высказала смелое предположение о том, что это вызвано присутствием в минерале неизвестных элементов, обладающих очень высокой радиоактивностью. Первым, и сравнительно легко, был выделен полоний, концентрирующийся в соединениях висмута. Но для того, чтобы выделить радий, точнее, его чистую соль, супруги Кюри в лабораторных условиях переработали около тонны заводских отходов, оставшихся после извлечения урана из урановой смолки. Было выполнено, в частности, около 10 тыс. перекристаллизаций из водных растворов смеси хлористого бария
ихлористого радия (соединения бария, сходные по химическому строению с радием, служат так называемыми «изоморфными носителями» при извлечении радия). В итоге удалось получить 90 мг соли хлористого радия.
Вурановых рудах, являющихся главным источником радия, на одну 1 т приходится не более 340 мг радия. Полоний и радий заняли в периодической системе элементов Д.И. Менделеева пустовавшие места под порядковыми номерами 84 и 88.
Следует отметить, что в 1911 г. М. Склодовской-Кюрибыла вторично присуждена Нобелевская премия за получение радия в металлическом состоянии.
П. Кюри (1859–1906)и М.Склодовская-Кюри(1867–1934)
16 | Радиобиология с основами радиоэкологии | |||
Позднее были открыты и другие | ||||
радиоактивные элементы. Оказалось, | ||||
что все наиболее тяжелые элементы, | ||||
расположенные в конце таблицы пе- | ||||
риодической системы Д.И. Менделее- | ||||
ва с 84 по 92-йатомный номер, куда, | ||||
кроме полония, радия и урана, вхо- | ||||
дят астат, радон, франций, актиний, | ||||
торий, плутоний и некоторые другие, | ||||
тоже радиоактивны. | ||||
В 1899 г. великий английский фи- | ||||
зик Эрнест Резерфорд, | заложивший | |||
основы теории строения атома, уста- | ||||
Э. Резерфорд (1871–1937) | ||||
новил, что испускаемые | радиоактив- | |||
ными | элементами | |||
лучи состоят из положительно заряженных | ||||
ядер атомов гелия, названных альфа-(a-)лу- | ||||
чами; отрицательно заряженных электро- | ||||
нов, получивших название бета-(b-)лучей, | ||||
и электромагнитных волн очень высокой | ||||
частоты и большой энергии – гамма-(g-)лу- | ||||
чей (рис. 1.4). Все эти лучи, подобно рент- | ||||
геновским, являются ионизирующими, т.е. | ||||
способными превращать электрически ней- | ||||
тральные атомы и молекулы вещества в по- | ||||
ложительно и отрицательно заряженные ио- | ||||
ны. | ||||
Рис. 1.4. Раз- | В 1906 г. была обнаружена радиоактив- | |||
ность изотопа калия 40К – элемента, в боль- | ||||
ложение излучения | ||||
226Ra в электромаг- | ших количествах содержащегося во всех | |||
нитном поле. | клетках живых организмов. |
1.3.2.Этапы развития радиобиологии
Обиологическом действии ионизирующих излучений стало известно практически сразу же после их открытия. Они оказались вредными для здоровья тех, кто работал с рентгеновскими трубками и радиоактивными веществами. И фактически одними из первых жертв радиационного поражения были сами первооткрыватели ионизирующих излучений. Исследуя способность Х-лучейпроходить через ткани организма, Рентген использовал для этого самый «подручный» объект – собственную руку. Некоторое время спустя рука покраснела, отекла, с нее стала сползать кожа. Беккерель, демонстрируя на лекциях свойство урана засвечивать фотопластинку, носил ампулу с препаратом радиоактивной соли в жилетном кармане. Вскоре на коже напротив этого места появилась язва, лечение которой доставило ученому немало хлопот.
1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы 17
Вот как описал Беккерель действие излучений радиоактивных веществ на человека: «Они действуют на эпидермис и глубоко поражают кожу, подобно Х-лучам.Действие вначале не вызывает никакого ощущения и последействие его развивается лишь через несколько недель: образуются более или менее глубокие раны, которые требуют для заживления иногда несколько месяцев и после которых остаются шрамы... Лучи действуют на нервные центры и могут вызывать параличи и смерть».
История развития ядерной физики и радиобиологии полна драматизма. От лучевой болезни умерла М. Склодовская-Кюри,погибли ее дочь И. Кюри и зять Ф.Жолио-Кюри– выдающиеся французские физики, также удостоенные Нобелевской премии за открытие в 1934 г. явления искусственной радиоактивности элементов. Считается, что лишь ранняя смерть в транспортной катастрофе «спасла» Пьера Кюри от лучевой болезни.
В 1930-хгг. в Германии в г. Гамбург в Институте Макса Планка, названном в честь выдающегося немецкого физикатеоретика, сделавшего немало для развития основ ядерной физики, был воздвигнут памятникученым-физикам,врачам-ра-диологам, радиобиологам – жертвам лучевой болезни. На нем были выбиты имена 103 исследователей. Через 10 лет этот своеобразный список увеличился в три раза. В нем значились многие имена крупнейших ученых, навечно вошедших в историю радиобиологии, таких как И. Бергонье, который неоднократно будет упоминаться в этой книге, Г. Холцкнехт, Х. АльберсШонберг, Д.Леви-Дорн,К. Розенблат и многие другие. Несмотря на предпринимаемые меры безопасности при работе с радиоактивными веществами и излучениями, к1980-муг. было известно уже более чем о 500 исследователях, причиной гибели которых стала ионизирующая радиация.
Научные эксперименты по дейст вию ионизирующей радиации на живые организмы были проведены практически сразу же вслед за открытием рентгеновских лучей и явления радиоактивности. Среди самых первых испытателей стоит имя известного русского физиолога, ученика И.М. Сеченова Ивана Рамазовича Тарханова из рода грузинских князей. Будучи при- ват-доцентомПетербургского университета, он уже в 1896 г. провел эксперименты по действию рентгеновских лучей на лягушек и насекомых, опубликовал работу по исследованию их влияния на «ход жизненных
функций». В ней он показал повреж- И.Р. Тарханов (1846–1908)
18 | Радиобиология с основами радиоэкологии |
дающую способность рентгеновских лучей и первым высказал предположение о возможности их применения в медицине, что вскоре и подтвердилось.
По-видимому,первыми исследователями, попытавшимися использовать рентгеновские лучи для терапии рака, были американский врач Г. Джиллман и физик Д. Груббе. 29 января 1896 г., всего лишь через 23 дня после официального известия об открытии РентгеномХ-лучей,они использовали их для облучения больной с неоперабельным раком молочной железы. По всей вероятности, эффект лечения оказался положительным, так как Груббе и в дальнейшем продолжал практику рентгенотерапии опухолей. Но и сам он стал жертвой рентгеновских лучей. В начале ХХ в. фундаментальные исследования по действию рентгеновских лучей и лучей радия на животных
ирастения были проведены известным русским патофизиологом и биохимиком Ефимом Семеновичем Лондоном, работавшим с 1895 г. до конца своей жизни в Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Он одним из первых показал повреждающее действие ионизирующей радиации на многие жизненно важные системы организма и, в частности, на кроветворение, обнаружил их летальное действие на мышей, описал торможение роста облученных растений. Е.С. Лондон является основоположником отечественной радиобиологии, его книга «Радий в биологии и медицине», опубликованная в 1911 г., по сути первая в мире монография по радиобиологии.
В1904 г. немецкий исследователь Г. Петерс обнаружил нарушение клеточного деления под влиянием ионизирующей радиации. Сейчас данный факт кажется совершенно очевидным
исамо собой разумеющимся, так как на многочисленных и самых разнообразных живых объектах была четко показана связь между торможением роста с подавлением процессов деления клеток. Но в то время это было открытием.
Ученик Петерса М. Кернике, работавший с растительными объектами, в 1905 г. установил, что наиболее повреждаемой частью клетки является ядро. Он первым описал различные типы нарушений деления ядра и хромосом и заслуженно считается основоположником радиационной цитологии.
К такому же выводу – необычайно высокой радиочувствительности клеточного ядра – приходят французский исследователь Г. Боне, который работал с икрой и спермиями морско-
Е.С. Лондон (1869–1939) го ежа, и немецкий зоолог О. Гетрвиг,
1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы | 19 |
облучавший рентгеновскими лучами половые клетки и развивающиеся зародыши различных земноводных.
Еще дальше в своих исследованиях пошли французские естествоиспытатели И. Бергонье и Л. Трибондо, обнаружившие неодинаковую чувствительность к ионизирующей радиации отдельных типов семяродных клеток. Они показали, что наиболее радиочувствительными являются сперматогонии, а самыми радиоустойчивыми – сперматозоиды. На основании своих экспериментов ученые в 1906 г. сформулировали положение о том, что чувствительность клеток к ионизирующему излуче нию прямо пропорциональна их способности к делению и об ратно пропорциональна степени дифференциации. Эта зависимость, получившая название положения, или закона Бергонье и Трибондо (иногда пишутБергонье-Трибондо),не утратила своего значения до настоящего времени, являясь одной из фундаментальнейших закономерностей в радиобиологии.
На заре развития радиобиологии сделано еще одно важное и интересное открытие – явление радиационной стимуляции. Оно было сделано М. Мальдинеем и К. Тувиненом в 1898 г., показавшими ускорение прорастания семян различных видов растений, облученных невысокими дозами рентгеновских лучей. В последующем была доказана универсальность этого явления – ускорение роста и развития организмов при облучении любого вида растений, животных, микроорганизмов. Более ста лет причины стимулирующего действия малых доз ионизирующей радиации интригуют радиобиологов.
Последние годы XIX и первые два десятилетия ХХ в. можно считать первым этапом развития радиобиологии. В этот период накопилось множество разрозненных фактов о действии рентгеновских излучений радиоактивных элементов на различные биологические объекты. Подобные исследования проводились физиологами, зоологами, ботаниками, врачами, микробиологами, микологами в рамках своих наук и хотя, бесспорно, имели фундаментальное значение для развития радиобиологии, носили в основном описательный характер.
Итог указанному периоду подвел в 1920 г. российский мик робиолог и ботаник Георгий Адамович Надсон, работавший в Государственном рентгенологическом и радиологическом ин ституте в Петрограде и обобщивший результаты собственных исследований и более 100 научных источников о действии ионизирующих излучений на растения, животных, бактерии, грибы в классической работе «О действии радия на дрожжевые грибки в связи с общей проблемой влияния радия на живое вещество», опубликованной в журнале «Вестник рентгенологии и радиологии». Он впервые детально проанализировал общее и отличное в реакциях клеток различных организмов на радиацию, описал явление гибели клеток после нескольких де-
20 | Радиобиология с основами радиоэкологии | ||
лений, известное сейчас как интерфаз- | |||
ная гибель, апоптоз, явление «выздо- | |||
ровления» облученных клеток и орга- | |||
низма в целом. | |||
Но радиобиология как самостоя- | |||
тельная наука еще не существовала. | |||
Для ее становления не было главного – | |||
удовлетворительной теории, объясня- | |||
ющей механизм действия ионизиру- | |||
ющей радиации на организм. Необхо- | |||
димость такой теории была совершен- | |||
но очевидной. Настоятельно требовал | |||
объяснения так называемый «радио- | |||
биологический | парадокс», состоящий | Г.А. Надсон (1867–1940) | |
в колоссальном несоответствии между | |||
ничтожной величиной поглощенной при облучении энергии ионизирующего излучения и степенью проявления реакций биологического объекта, приводящих нередко к его гибели. Выраженная в форме теплоты эта энергия совершенно неощутима – неизмеримо мала.
1920–1930-егг. принесли крупные открытия и новые идеи, ускорившие становление радиобиологии. Был открыт так называемый «кислородный эффект», состоящий в том, что при снижении в среде концентрации кислорода степень радиационного поражения падает. Одним из первооткрывателей кислородного эффекта был немецкий физиолог растений Е. Петри, сообщивший в 1923 г., что при облучении семян проростков пшеницы в атмосфере углекислого газа радиационное повреждение уменьшается по сравнению с облучением в воздухе. Проведенные в последующем на самых различных объектах исследования позволили однозначно сформулировать положение об общебиологическом проявлении этого явления. Трудно переоценить значение открытия кислородного эффекта для развития теоретических основ радиобиологии. Более того, оно впервые количественно показало, что действие ионизирующих излучений на организм поддается модификации. Многими же исследователями в тот период возможность последнего категорически отвергалась.
В упомянутой выше работе Г.А. Надсон приходит к выводу, что наблюдаемый конечный радиобиологический эффект является результирующей двух противоположных процессов развития: с одной стороны – лучевого поражения, с другой – идущих одновременно с ним процессов восстановления. Несколько позднее в 1925 г. к такому же заключению пришли французские исследователи П. Анцель и П. Винтембергер. Так пока еще чисто интуитивно было высказано предположение о возможности пострадиационного восстановления клетки и организма в
Ветеринарная и сельскохозяйственная радиобиология
Министерство сельского хозяйства и продовольствия
Российской Федерации
Департамент кадровой политики и образования
Донской государственный аграрный университет
Методические указания
к лабораторно-практическим занятиям
Для студентов факультетов
ветеринарной медицины и технологии
сельскохозяйственного производства
Пос. Персиановский
2003
УДК 619:615.849 (075)
ББК 48:28.07
В – 39
Составители: зав. кафедрой паразитологии и ВСЭ, кандидат ветеринарных наук, профессор Н.Ф. Фирсов, кандидат ветеринарных наук, доцент Н.М. Федоров, кандидат ветеринарных наук, доцент А.И. Афанасьев, начальник УВАРО, кандидат ветеринарных наук, С.Н. Лысенко, кандидат ветеринарных наук, доцент Н.А. Соловьев
Ветеринарная и сельскохозяйственная радиобиология. Методические указания к лабораторно-практическим занятиям. Для студентов факультетов ветеринарной медицины и технологии сельскохозяйственного производства. – пос. Персиановский, Донской ГАУ, 2003. – 39 с.
Методические указания к лабораторно-практическим занятиям состоят из 13 тем по ветеринарной и сельскохозяйственной радиобиологии; последние охватывают разделы дисциплины по основам радиационной безопасности, организации работ с источниками ионизирующих излучений, отбору проб продукции животноводства и растениеводства, для проведения радиологических исследований и работе на стационарных установках. Материал изложен в соответствии с учебной программой по дисциплине.
Материалы даны в авторской редакции.
Таблиц – 10
Библиография – 8 наименований
Рецензенты: ДонГАУ – зав. кафедрой физики и математики, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.А. Молотникова,
кандидат технических наук, доцент кафедры механизации и безопасности жизнедеятельности А.З. Тахо-Годи
Методические указания рассмотрены и одобрены методической комиссией факультета ветеринарной медицины (протокол № 1 от 28 октября 2003 г.).
Рекомендованы к изданию советом Дон ГАУ (протокол № 4 от 29 октября 2004 г.)
©Коллектив авторов, 2004
©Доской госагроуниверситет, 2004
Тема 1 основы радиационной безопасности и организация работы с источниками ионизирующих излучений
Цель занятия: ознакомить студентов с основными документами, регламентирующими работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений.
Содержание занятия: вопросы радиационной безопасности в международном масштабе регламентируются Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ), созданной в 1928 году. Имеется также международная организация, которая занимается вопросами защиты при работах, связанных с атомной энергией, — Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ).
Согласно уставу МКРЗ знакомится со всеми достижениями в области защиты от излучений и разрабатывает соответствующие рекомендации, которые утверждаются Международным радиологическим конгрессом.
С учетом рекомендаций МКРЗ в нашей стране приняты и опубликованы следующие документы: «Федеральный закон о радиационной безопасности населения, 1995 г.», «Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99) и «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99), имеющие законодательный характер для всех предприятий, учреждений и лабораторий, независимо от их ведомственного подчинения, которые с разрешения Госсаннадзора ведут работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений.
В радиологических лабораториях радиоактивные вещества могут использоваться как в открытом, так и в закрытом виде. Закрытые радиоактивные источники — это такие, агрегатное состояние которых, исключает загрязнение окружающей среды (сплавы, стержни, слитки и т. д.). Открытые радиоактивные источники могут загрязнять окружающую среду (порошки, газы, жидкости). Наиболее опасна работа с открытыми радиоактивными источниками, особенно с радионуклидами высокой радиотоксичности.
Радиотоксичность зависит от многих факторов: вида излучения, энергии частиц, периода полураспада, распределения в органах и тканях, чувствительности критических органов и т. д.
По степени радиационной опасности внутреннего облучения радиоактивные вещества в открытом виде разделяют на четыре группы, радиотоксичности с индексами А, Б, В, Г и для каждой группы устанавливается минимально значимая активность (МЗА) на рабочем месте, в воздухе, воде.
Минимально значимая активность – это наибольшая активность открытого источника на рабочем месте, не требующая регистрации или получения разрешения на работы органов Государственного санитарного надзора.
Группа А – элементы с особо высокой радиотоксичностью. Сюда относятся радионуклиды, МЗА которых на рабочем месте допускается до 3,7 Бк (свинец 210, радий 226, 228, уран 232, плутоний 238, 239, 240, полоний 210 и др.).
Группа Б – элементы с высокой радиотоксичностью. МЗА на рабочем месте допускается до 37 Бк (стронций 90, йод 126, 129, 131, радий 223, 224, уран 230, 233, 234, 235 и др.).
Группа В – элементы со средней радиотоксичностью, МЗА на рабочем месте допускается до 370 Бк (натрий 22, фосфор 32, сера 35, калий 42, кальций 45, стронций 89, цезий 137 и др.).
Группа Г – элементы с малой радиотоксичностью. МЗА на рабочем месте допускается до 3700 Бк (углерод 14, хлор 38, железо 55, медь 64, цезий 131, 136, платина 197 и др.).
Все работы с открытыми радиоизотопами разделяют на три класса (табл. 1), а это определяет требования к размещению и оборудованию лабораторий.
Таблица 1
1. Медицинская радиобиология
Парацельс в 1567 описал заболевание горняков («Шнеебергская легочная болезнь»), которое позднее было идентифицировано как рак легких. Заболевание шахтеров оказалось связанным с воздействием ионизирующих излучений радиоактивного газа радона и короткоживущих продуктов его распада, накапливающихся в воздухе плохо вентилируемых шахт. В конце 19-го века были открыто рентгеновское излучение (1895) и явление радиоактивности (1896). В последующем изучение свойств рентгеновых лучей и излучений радиоактивных элементов проводилось параллельно. В 1896 И.Р.Тарханов опубликовал полученные им в опытах на лягушках и насекомых данные, свидетельствующие об отчетливом действии ионизирующих излучений на центральную нервную систему и на развитие животных. Он писал: «… влияние лучей должно распространяться и на обмен веществ в сложных организмах, а отсюда и на ход всех функций». И.Р.Тарханов первый сформулировал идею рентгенотерапии: «Х-лучи могут служить не только для фотографирования и для диагноза, но и для воздействия на организм. И мы не удивимся, если в недалеком будущем лучами этими будут пользоваться с лечебной целью». Скоро лучевая терапия заняла ведущее положение среди методов лечения злокачественных новообразований. Одновременно появились сообщения о патогенных свойствах ионизирующих излучений: в 1896 – о дерматитах у лиц, подвергавшихся частому облучению, а в 1902 – о лучевом раке кожи. Так, в 1895 году помощник Рентгена В. Груббе получил радиационный ожог рук при работе с рентгеновскими лучами, а французский ученый А. Беккерель, открывший радиоактивность, получил сильный ожог кожи от излучения радия. В 1903 Е.С.Лондон обнаружил возникновение летальных исходов у мышей под влиянием воздействия на них ионизирующего излучения, а Г. Хейнеке обнаружил опустошение кроветворной ткани у животных, погибших в результате облучения. В 1907 было уже 7 случаев смерти от ионизирующей радиации.
Датой рождения радиационной генетики принято считать 1927 год, когда появилась публикация работы Германа Меллера, в которой показано, что рентгеновские лучи вызывают повышенную частоту появления мутантных потомков у дрозофил, родителей которых подвергали облучению. С тех пор ионизирующая радиация стала одним из основных инструментов исследования механизмов действия мутагенных факторов на клетки и целостные организмы, используя который, биологи пытались решить широкий круг проблем — от изучения воздействия излучений на растворы биополимеров до влияния радиации на эволюцию биосферы.
До 1945 исследования были направлены на разработку методов лучевой терапии, а также на выяснение характера вредного действия облучения на профессионалов и обоснование защитных мероприятий. В 1945 впервые применено ядерное оружие: при бомбардировке Хиросимы и Нагасаки погибло 200 тыс. человек. Массовый характер и особенности нового вида поражений человека обусловили необходимость изучения эффектов общего облучения в смертельных дозах и патологических процессов, возникающих в результате действия радиации. Разработка средств и методов диагностики, профилактики и лечения острой лучевой болезни и комбинированных радиационных поражений стали приоритетными практическими задачами радиобиологических исследований с конца сороковых годов. В процессе клинического наблюдения за пострадавшими при авариях ядерных энергетических установок и оказания им медицинской помощи изучены особенности течения различных форм лучевых поражений у человека, апробированы результаты экспериментальных разработок средств их лечения и разработаны принципы диагностических и лечебных мероприятий, в том числе и на случай возникновения массовых санитарных потерь. Авария на Чернобыльской АЭС показала, что и в мирных условиях возможны радиационные инциденты с тяжелыми последствиями: более двухсот человек, заболело острой лучевой болезнью, из которых тридцать семь погибло. Тогда же появился целый ряд крупномасштабных проблем, связанных с медицинским обеспечением ликвидации последствий аварии, с радиоактивным загрязнением больших территорий. Одновременно последствия Чернобыльского инцидента показали значимость проблем, связанных с воздействием сравнительно малых доз облучения. Недостаточно разработанными оказались вопросы совместного длительного воздействия внешнего и внутреннего облучения в малых дозах, комбинированного действия малых доз излучения и вредных токсикантов, сочетания с воздействием психологического стресса и др. Открытой оказалась проблема применения средств, способных снизить эффекты длительного воздействия радиации в малых дозах.
1.2. Некоторые понятия и термины
Ионизирующее воздействие фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) на биологический материал опосредованно; сами по себе они не могут химически или биологически повредить клетку. Фотоны взаимодействуют с атомами или молекулами, например, с молекулами воды, что приводит к образованию высокоактивных короткоживущих свободных радикалов, которые проникают в критические структуры клетки, такие как ДНК и, возможно, мембраны, и разрушают химические связи.
Чувствительность разного биологических материалов к действию ионизирующего излучения существенно различно.
Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характеризующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ионизирующих излучений. Чем больше возникает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувствительна, и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать патологических изменений при действии ионизирующих излучений характеризует степень их радиорезистентности, т.е. устойчивости к радиации.
В онкологии под радиочувствительностью (радиорезистентностью), понимают скорость и степень реакции опухоли в ходе лечения. Радиокурабельность отражает степень реализации предположения об уничтожении опухоли, с учетом ограничений, таких как устойчивость нормальной ткани. Эти два свойства не обязательно коррелируют: опухоль может быть высоко чувствительной, но радиоинкурабельной (лейкемия и миелома) или относительно радиорезистентной и радиокурабельной (т.е. плоскоклеточные ороговевающие карциномы головы, шеи и шейки матки). Примером опухоли, одновременно проявляющей свойства радиочувствительности и радиокурабельности, может служить лимфогранулематоз. Почечноклеточные карциномы и злокачественные меланомы являются радиорезистентными и радиоинкурабельными.
Различные организмы, а также различные органы и ткани всех растительных и животных организмов также обладают разной радиочувствительностью. Наибольшей радиочувствительностью у человека обладают половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки) и белые кровяные тельца (лейкоциты). Очень чувствительны к действию ионизирующей радиации костный мозг, селезенка и лимфатические узлы, т.е. органы кроветворения. Весьма чувствителен также эпителий желудочно-кишечного тракта. Изучение деятельности физиологических систем, в частности, нервной, показало высокую чувствительность центральной нервной системы к действию даже малых доз радиации на организм. Костная и мышечная ткани являются наименее чувствительными к действию ионизирующей радиации, т.е. они наиболее радиорезистентны.
Клеточная радиочувствительность — интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. Синонимом радиочувствительности является радиопоражаемость. Термин радиочувствительность применяется также и по отношению к тканям, органам, организму в целом, биологическим видам и др. При равной радиочувствительности биологических объектов степень их поражения определяется, прежде всего, дозой излучения. (Информация, касающаяся дозовых проблем, собрана в следующей лекции)
Уже в период ранних радиобиологических наблюдений, имевших преимущественно описательный характер, стало очевидно, что повреждающее действие ионизирующих излучений на биообъекты носит дозозависимый характер. Построение графиков типа «доза-эффект» позволило сравнивать радиочувствительность биообъектов, сопоставляя дозы излучения, вызывающие в них равные по величине эффекты, а также оценить способности некоторых веществ («радиомодификаторов») изменять радиочувствительность биологических объектов. В качестве основного показателя радиомодифицирующей эффективности вещества используют отношение доз излучения, вызывающих один и тот же эффект в биообъекте в присутствии и в отсутствии радиомодификатора. Такой показатель получил название фактора изменения дозы (сокращенно – ФИД).
| Например: ФИД = | СД50 с радиопротектором |
| СД50 без радиопротектора |
Радиочувствительность клеток зависит от их физиологического состояния; при усилении функциональной активности повышается радиочувствительность. Быстро размножающиеся клетки млекопитающих проходят четыре стадии цикла: митоз, 1 промежуточный период (GI), синтез ДНК и II промежуточный период (G2). Наиболее чувствительны к облучению клетки в фазах митоза и G2 (которая непосредственно предшествует митозу). У клеток, находящихся в начальной стадии усиленного деления, радиочувствительность резко возрастает. На этом основан принцип лучевого лечения злокачественных опухолей. Незрелые формы клеточных элементов (зародышевые и молодые ткани, а также органы в период их формирования) более чувствительны к действию радиации. Максимальная резистентность к радиации наблюдается в период синтеза ДНК. Среди зрелых форм клеточных элементов радиочувствительность тем меньше, чем больше срок жизни клеточного элемента (т.е. чем он старее).
Важными определяющими факторами острой или поздней реакции тканей являются кинетические характеристики дифференциации и пролиферации, некоторые ткани могут демонстрировать оба типа токсичности. Острая реакция развивается в ходе лечения или спустя несколько недель. К остро-реагирующим тканям относятся: кожа (десквамация), слизистая оболочка кишечника, тромбоциты и лейкоциты. Развитие поздней реакции наблюдается в период от нескольких месяцев до года, такая реакция свойственна костям, костному и спинному мозгу, таким внутренним органам, как легкие, печень, почки, молочная железа и половые железы. В коже возникает фиброз.
Для прогнозирования реакции опухоли на облучение разработаны специальные клинико-лабораторные критерии. Например, клинико-иммунологические критерии применяются для прогнозирования реакции опухоли на облучение у больных раком молочной железы.
