Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Биофизика: 10 класс. Модуль 4: Радиационная биофизика

Голосов: 3

Пособие к модулю 4 для 10 класса дополнительной образовательной программы по биофизике для учащихся Заочной естественно-научной школе (ЗЕНШ) при Красноярском государственном университете. Программа модуля включает рассмотрение следующих тем: Предмет радиационной биофизики. Первичные процессы поглощения энергии ионизирующих излучений. Косвенное действие ионизирующих излучений. Радиочувствительность (радиоустойчивость) биологических объектов и ее модификация. Радиационная инактивация макромолекул и ее последствия. Лучевые поражения клеток. Радиационные эффекты в области малых доз. Дозиметрия. Действие излучения на ткани и органы организма. Источники радиационных воздействий на человека.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    - при радиолизе воды в присутствии кислорода вместо радикалов Н*, ОН* и е-aq.
образуются более активные продукты радиолиза воды радикалы ОН*, НО2* и О2*. Это
приводит к увеличению числа первичных радиационных повреждений.
      Если инактивация макромолекул связана с радикалами е-aq и Н*, то кислород будет
оказывать защитный эффект. Если повреждение связано с радикалом ОН*, то кислород
может усиливать радиационное поражение.

Химические радиопротекторы
      Исследования      по       поиску       химических     веществ-модификаторов
радиочувствительности начались в связи с необходимостью предотвратить радиационную
гибель человека и животных. Первые положительные результаты были получены в 1949
году. В экспериментах наблюдалось повышение выживаемости мышей при введении
цистеина и цианистого натрия перед облучением животных в летальной дозе. Таким
образом, химические радиопротекторы – это вещества, снижающие степень лучевого
поражения организмов.
                                          К настоящему времени выявлено большое
                                   количество      химических     соединений      –
                                   радиопротекторов,       обладающих        разной
                                   эффективностью. Из представленных на рис. 11
                                   данных для трех веществ видно, что мексамин
                                   является наиболее эффективным радиопротектором,
                                   т.к. его защитное действие начинается при более
                                   низких концентрациях.




Рис. 11. Зависимость защитного эффекта от количества (мг/кг биомассы) вводимого в
организм протектора при облучении мышей в дозе 9 Гр. 1- мексамин, 2 – АЭТ, 3 –
цистафос

Механизмы противолучевой защиты
       Результаты множества экспериментов позволили исследователям выявить общие
признаки защитного действия радиопротекторов:
    1) радиозащитный эффект проявляется только при введении радиопротекторов до
       облучения организма;
    2) эффективность защиты снижается с увеличением линейной передачи энергии;
    3) защитный эффект зависит от химической структуры радиопротекторов.
       Исходя из этих признаков исследователи заключили, что существует единый
опосредованный механизм защиты, различия определяются эндогенными факторами,
осуществляющими опосредованное влияние.
       Механизм защитного действия большого числа радиопротекторов в организме в
той или иной мере связан с кислородным эффектом. В результате действия
радиопротекторов снижается снабжение кислородом тканей (гипоксия) за счет:
- сужения сосудов (адреналин, гистамин, и другие амины),
- образования метгемоглобина (нитрит натрия),
- образования карбоксигемоглобина (СО),
- ингибирования дыхательных ферментов (цианиды),
- угнетения дыхательного центра (героин, морфин).
Это явление назвали обратным кислородным эффектом.



                                                                                  11


      5. Радиационная инактивация макромолекул и ее последствия
Повреждения белков. Белки выполняют ряд важнейших функций в клетке (структурную,
каталитическую, защитную, регуляторную, осуществляют трансформацию энергии,
транспортную, энергетическую, питательную, буферную). Основными структурными
компонентами белков являются аминокислоты. Радиационные повреждения белков
обусловлены, в основном, повреждением аминокислот.
Основные типы реакций, в которые вступают свободные радикалы органических молекул
в водных растворах:
1) димеризация и присоединение: образование димеров молекул (R*1 + R*2     R1- R2) и
агрегатов (R* + R*      R-R) более высоких порядков. Например, радикалы цистеина в
результате реакции димеризации превращаются в димер цистин или радикалы глицина в
результате реакции присоединения превращаются в аспаргиновую кислоту.
2) Реакции диспропорционирования: атом водорода перераспределяется между
радикалами: один из радикалов восстанавливается до исходного соединения, а второй
превращается в новое соединение. Так, глицин в присутствии перехватчиков ОН* и
гидратированного электрона взаимодействует с радикалом Н*, отрывая атом водорода.
Далее из двух радикалов глицина один восстанавливается до исходного состояния и
появляется аминоуксусная кислота (R* + R*    RH + P).
3) Реакции гидролиза: расщепление пептидной связи при облучении раствора белка (R* +
H2O     P).
4) Образование гидроперекисей (R* + HO2*    ROOH)
5) Реакции переноса водорода: репарация молекул от повреждения в присутствии другого
вещества (R* + P-H    R-H + P*)

Перекисное окисление липидов приводит к нарушению проницаемости клеточных
мембран.
      Липиды – это водонерастворимые органические молекулы (жиры, масла, воск,
фосфолипиды, стероиды (например, холестерол) и др.). Основные функции липидов:
структурные, рецепторные компоненты мембран; депо энергии; передача биологических
сигналов.
Перекисное окисление липидов – это разрушение двойной связи в ненасыщенной жирной
кислоте, в результате которого в присутствии кислорода образуется гидроперекись.
                                  R* + O2   RO2*,
где R – радикал липида (ненасыщенная жирная кислота), RO2* - пероксидный радикал
липида.
      Пероксидный радикал вступает во взаимодействие с новыми молекулами жирных
кислот (RH) с образованием гидроперекиси и нового радикала (R1*):
RO2* + R1H     ROOH + R1*.
В результате накапливаются молекулы гидроперекиси, а число радикалов (катализаторов
реакции) остается неизменным.
      Перекисное окисление липидов имеет характер цепной реакции. Катализатором
реакции служат радикалы липида (ненасыщенной жирной кислоты). Прекратить реакцию
возможно в результате рекомбинации радикалов, взаимодействия радикалов с ионами
переменной валентности (Fe) или с антиоксидантами.
      При распаде гидроперекиси образуются карбонильные соединения – токсины, и
происходит накопление токсинов в клетке.
      Фосфолипиды имеют наибольшую радиочувствительность по сравнению с
углеводами, аминокислотами и нуклеотидами.




                                                                                 12


Повреждения ДНК
1) структурные - разрывы связей в сахаро-фосфатном скелете:
- Однонитиевые (одиночные) разрывы – разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете одной
из двух нитей.
- Двунитиевые (двойные) разрывы – разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете
противоположных нитей. Двунитиевые разрывы возникают как при случайном
пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях, так и
вследствие одновременного повреждения обеих нитей.
- Неправильное воссоединение разрывов ДНК – в результате ферментативной репарации
вместо восстановления разорванной связи может возникнуть связь между концами двух
противоположных нитей молекулы ДНК или разных молекул ДНК и т.п. – следствие
плотной упаковки ДНК (приводят к хромосомным аберрациям*).
- ДНК-белковые сшивки – результат разрывов ДНК и окружающих белков.
2) разрывы связей, не участвующих в построении скелета ДНК
- Повреждение нуклеотида – разрыв связей в молекуле дезоксирибозы.
- Повреждение основания – разрыв связи в пуриновом или пиримидиновом основании.
Последствия: окисление гуанина до 8 –осогуанина.
- Присоединение радикалов ОН* - модификация оснований: превращение тимина в
тимингликоль.
- Появление неспаренных оснований - (как результат неверной репарации оснований и их
химической модификации): при репликации к 8-оксогуанину вместо цитозина
присоединится аденин, изменится геометрия ДНК.
       Пример: при облучении в дозе 2 Гр в ДНК одной клетки повреждаются около 1000
пар оснований, образуются 2000 однонитиевых и 80 двунитиевых разрывов, формируются
300 сшивок с белком.

Репарация ДНК
   В клетках имеются энзиматические (ферментативные) системы репарации ДНК,
которые вырезают и заменяют поврежденные основания и нуклеотиды, и осуществляют
репарацию однонитиевых разрывов. Двунитиевые разрывы репарируются менее
эффективно и с большим числом ошибок.

Последствия повреждения ДНК для клетки:
   Неотрепарированные и ошибочно репарированные повреждения ДНК приводят к
снижению способности клеток к неограниченному делению с образованием
жизнеспособных потомков, аберрациям хромосом и различным мутациям.
   При нарушении структуры молекулы ДНК замедляется продвижение клетки по циклу
деления. Предполагается, что увеличение времени до момента деления позволяет клетке
более полно восстановить структуру ДНК.
   В быстро делящихся клетках (лимфоидных) обнаружение специальными белками
нарушений ДНК или мембран митохондрий инициирует апоптоз или программируемую
гибель клетки. Биологический смысл апоптоза – недопущение размножения клеток с
ошибками в генетическом аппарате.
   Радиационное повреждение ДНК соматических клеток ведет к гибели самих клеток, а
также к нарушению деления и злокачественному перерождению ее потомков. Поражение
ДНК зародышевых клеток ведет также к генетическим нарушениям потомства.




*
 Аберрации хромосом – перестройки (нарушения) структуры хромосом. Например, образование кольцевых
хромосом, дицентрических хромосом, различные транслокации.

                                                                                              13


                         6. Лучевые поражения клеток
Стадии лучевого поражения клетки:
Физическая (неспецифическая) стадия длится от 10-16 до 10-14 секунд. На этой стадии
происходит поглощение, перераспределение и деградация поглощенной энергии:
возникают ионизированные и возбужденные молекулы, электроны и пр., которые
распределены вдоль треков частиц.
На данной стадии процессы нельзя модифицировать, т.к. они зависят только от свойств
излучения, а не от состояния клетки.
Физико-химическая стадия длится от 10-13 до10-10 секунд. Осуществляются реакции
заряженных и возбужденных частиц, миграция энергии внутри молекул, диффузия
радикалов (первичных, Н*, ОН*), гидротированных электронов, происходят
межмолекулярные перестройки возбужденных и ионизированных клеточных структур.
Первичные радикалы быстро претерпевают вторичные превращения: образуются
органические гидропероксиды и оксирадикалы органических молекул (например, ДНК и
липидов мембран), которые взаимодействуют друг с другом.
    На данной стадии уже возможна модификация процессов с помощью химических
соединений, способных вступать в реакции со свободными радикалами и изменять
характер миграции энергии.
Химическая стадия длится от 10-7 до 10-6 секунд. К этому времени уже произошли
стойкие изменения - повреждения в структуре молекул. На данной стадии происходит
выравнивание продуктов радиолиза по объему. В биологических мембранах происходит
интенсификация свободнорадикального перекисного окисления полиненасыщенных
жирных кислот и накопление продуктов окисления мембран. В результате нарушается
структура и функции мембран. В макромолекулах белка происходит повреждение
аминокислот, что ведет за собой нарушение первичной структуры, изменение вторичной
структуры, нарушение конформации и, как следствие – деградация активного центра
ферментов      (утрата    каталитических    свойств,     субстратной специфичности,
чувствительности к активаторам и ингибиторам). В молекулах ДНК происходят одно- и
двунитиевые разрывы полинуклеотидных цепей, разрушение азотистых оснований, и в
результате возникают сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок.
Биологическая стадия длится от секунд до всего периода жизни клетки. На этой стадии
наблюдаются функциональные нарушения и формируются ответные реакции клетки.
    Например, нарушение регуляторных функций мембран, повреждение связанных с
мембранами белков, следовательно нарушение транспорта через мембраны.
    Повреждение ядерной мембраны ведет к нарушению генетического аппарата.
    Структурные повреждения нуклеиновых кислот приводят к нарушению процессов
репликации, транскрипции, трансляции генетической информации. Активируются
защитные механизмы клеток.
    Известно, что в любом организме присутствуют быстро делящиеся и
высокоспециализированные медленно делящиеся (либо неделящиеся) клетки. К числу
быстро делящихся относятся стволовые клетки, например, клетки костного мозга,
эпителий кишечника. Высокоспециализированные неделящиеся клетки находятся,
например, в мышечной, нервной и костной тканях, медленно делящиеся – клетки печени.
    Реакция клеток на воздействие ионизирующего излучения зависит от скорости их
деления.
Для быстро делящихся клеток характерны такие радиобиологические реакции как:
- задержка прохождения клеточного цикла, когда время прохождения клетки по циклу
деления замедляется и клетка вступает в митоз позднее, чем в норме.
- образование гигантских клеток. Образуются клетки, размеры которых могут в сотни раз
превосходить нормальные. Эти клетки не способны разделиться и в результате погибают
от нарушения метаболизма.


                                                                                  14


    Неделящиеся и медленно делящиеся клетки считаются наиболее радиоустойчивыми по
сравнению с быстроделящимися. Гибель этих клеток происходит в первые часы или сутки
после облучения. Этому предшествует обычно ряд физиологических (нарушение ядерного
фосфорилирования, угнетение клеточного дыхания, изменение проницаемости мембран и
др.) и морфологических (набухание ядер, вакуолизация и распад ядрышек) нарушений.
    В результате лучевого поражения клетки гибнут как по апоптотическому, так и по
некротическому пути. Апоптоз – это программируемая гибель клеток. Сначала клетки
распадаются на апоптотические тельца, включающие фрагменты ДНК и клеточные
органеллы, затем апоптотические тельца распадаются in vitro и утилизируются
макрофагами и окружающими клетками in vivo. Некроз – это гибель клеток, при которой в
результате разрыва клеточной мембраны цитоплазма выходит во внеклеточное
пространство, где формируется воспалительная реакция ткани.
        Гибель в первые часы после облучения обусловлена работой сигнальной системы
включения апоптоза в отчет на нерепарированные двойные разрывы ДНК. Более поздняя
гибель связана с обнаружением нарушений строения хромосом в периоде G2. Гибель в
митозе обусловлена хромосомными аберрациями.
        Радиационные эффекты, регистрируемые на уровне клетки: обзор современных
методов биологической дозиметрии.
1) Утеря клоногенного потенциала - основной способ оценки радиочувствительности
клеток. Одна из простых модификаций метода заключается в том, что облученные клетки
высеваются на питательную среду, где они размножаются, образуя колонии. Затем
оценивается доля выживших клеток. Клетка считается выжившей, если она образует
колонию, состоящую из более чем 50 клеток. Для стволовых клеток используют более
сложные модификации метода (экзоколониальный и эндоколониальный тесты).
2) Образование микроядер. Фрагменты хромосом, образованные в результате разрывов
ДНК под действием ионизирующего излучения формируют образования, названные
микроядрами. В метафазе микроядра остаются в центре клетки и распределяются между
дочерними клетками случайным образом и передаются в течение нескольких поколений.
Число микроядер коррелирует с полученной дозой ионизирующего излучения.
3) Хромосомные аберрации.
Аберрации (перестройки) хромосом и хроматид являются результатом неправильного
соединения разрывов ДНК. Аберрации хромосом (транслокации участков генома,
нарушения геометрии хромосом) возникают, когда клетка облучена до удвоения генома;
Аберрации хроматид (внутрихромосомные обмены, кольцевые хромосомы) возникают,
когда клетка облучена после завершения репликации ДНК. Аберрации подразделяют на
стабильные и нестабильные.
Нестабильные аберрации - образование ацентрических фрагментов и дицентриков -
ведут к гибели клетки или ее ближайших потомков из-за невозможности равномерного
распределения генетического материала между дочерними клетками в процессе деления.
Стабильные аберрации – перемещение участков пораженных хромосом (транслокации) с
сохранением центромеры могут сохраняться в организме в течение нескольких
поколений.
Число и тип хромосомных аберраций хорошо коррелируют с дозой излучения и поэтому
метод широко используется для оценки поглощенной дозы у человека и животных.
4) Повышенная гибель потомков. Часть потомков облученной клетки продолжает гибнуть
в течение многих поколений. Например, полная гибель всех потомков одной из двух
дочерних клеток называется секторальной гибелью.

Генетическая нестабильность. В результате непосредственного поражения генома
излучением и дополнительного поражения продуктами измененного клеточного
метаболизма у потомков облученных клеток в течение многих поколений (до 10-30
генераций и более) сохраняются отклонения в строении и функционировании

                                                                                  15


генетического аппарата, ДНК - белкового комплекса: наблюдается повышенный уровень
мутаций и повышенная частота хромосомных перестроек.
   Механизм индукции и поддержания генетической нестабильности мало изучен. В
развитии генетической нестабильности играет роль не только ДНК, но и иные структуры
(нарушения метаболизма клеток). Так, эксперименты показали, что облучение
цитоплазмы приводит к учащению мутаций, а облучение ядра - к учащению хромосомных
перестроек.


                    7. Радиационные эффекты в области малых доз
      «Малыми дозами» условно называют дозы, не приводящие к летальному эффекту.
Согласно старой парадигме малые дозы определяли, как дозы, ведущие к малым
радиационным поражениям. Как противоположность, большие дозы приводили к
большим поражениям. С развитием радиобиологии было показано, что при облучении в
«малых дозах» происходят качественно иные радиобиологические эффекты, чем при
больших дозах. Т.е. нельзя линейно экстраполировать эффект из области больших доз в
область малых доз.
      Границы диапазона величины «малых доз» видоспецифичны – область малых доз,
вызывающих гормезис* на 1-2 порядка ниже LD50 при однократном общем облучении (для
человека LD50=4-5 Гр, для семян LD50=200-500 Гр).
   На рис. 12 показана типичная кривая «доза – эффект». Резкое снижение доли
выживших клеток в начале кривой свидетельствует о повышенной радиочувствительности
в диапазоне малых доз. Гиперрадиочувствительность клеток в области сверхмалых доз
объясняется молчанием системы репарации, для включения которой требуется переход
порогового уровня повреждения ДНК. Плато на кривой выживаемости или повышение
выживаемости в области малых доз (радиационный гормезис) объясняется как стимуляция
жизненных процессов и свидетельствует о включении системы репарации после
нанесения клетке определенного числа повреждений.




                                          Рис. 12. Кривые «доза – эффект» для клеток глиомы
                                          (доброкачественная опухоль мозга). Виден быстрый
                                          спад с последующим восстановлением числа
                                          выживаемости клеток на начальном участке кривой


Радиационно-индуцированный адаптивный ответ – это реакция биологических объектов,
которая заключается в том, что после воздействия ионизирующего излучения в малых
(адаптирующих) дозах при повторном облучении в больших (проявляющих) дозах
радиобиологический эффект от повторного облучения понижается. Т.е. облучение в

*
    Гормезис - стимуляция жизненных процессов.

                                                                                          16


малой дозе может вызвать повышение радиоустойчивости биологических объектов.
Адаптивный ответ обнаружен в экспериментах как с отдельными клетками, так и с
животными организмами. При адаптивном ответе можно достичь снижения генных и
хромосомных мутаций на 50-60%, а также увеличения выживаемости организмов после
повторного, проявляющего воздействия ионизирующего излучения. В экспериментах с
клетками и организмами было показано, что радиобиологический ответ зависит от
мощности адаптирующей дозы.

Эффект свидетеля заключается в поражении клеток, находящихся вне зоны воздействия
радиации, но контактирующих с облученными клетками или со средой их обитания.
Например, в 1954 г. впервые наблюдали индукцию хромосомных аберраций костного
мозга грудины людей после облучения селезенки, или в 1967 г. впервые была описана
индукция хромосомных аберраций в лимфоцитах, культивируемых на плазме, взятой у
людей, подвергнутых противоопухолевой лучевой терапии. С 1980-х годов и по
настоящее время ученые проводят экспериментальный поиск факторов (веществ),
которые передают «сигналы» от клеток, подвергнутых воздействию ионизирующего
излучения, клеткам, не подвергнутым непосредственному облучению, вызывающие у
последних радиационные поражения. Выявлено, что эти факторы имеют скорее всего
белковую природу и влияют на изменение проницаемости клеточных мембран, вызывая
гибель интактных клеток и снижение их клоногенного потенциала.
       На рис. 13 приведен экспериментальный пример «эффекта свидетеля»
(эксперимент 2003 года). В чашку Петри высевали 150 клеток, из которых облучали либо
одну, либо пять, либо все 150, а потом определяли способность клеток к образованию
колоний. Общее число фотонов, получаемое клетками в чашке, всегда было одинаковым,
независимо от того, пришлось ли оно на одну, пять или все 150 клеток. Возле кривых
выживаемости стоят цифры, которые показывают, какое число клеток подвергнуто
облучению. Например, 5 клеток из 150 (5/150). Эксперименты показали, что наиболее
сильное падение клоногенного потенциала всех клеток, находившихся в чашке Петри,
произошло в случае, когда облучению подверглась только одна из ста пятидесяти клеток.




                                     Рис. 13. «Эффект свидетеля»




                                  8. Дозиметрия
      Дозиметрия – это количественная оценка поглощенной энергии ионизирующего
излучения. Дозиметрия основывается на строгой количественной зависимости какого-
либо эффекта от поглощенной дозы излучения.


                                                                                  17


      Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты
человека от ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновских лучей были
замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека, и появилась
необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. В качестве
основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в
рентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха.
      Существует широкий спектр методов для оценки доз ионизирующего излучения:
физические, химические, биологические.
1.Физические методы.
      Для оценки поглощенной дозы используется метод ионизационной камеры. В
камере, заполненной газом (воздухом) (рис. 14), образуются ионы, которые при
помещении в электрическое поле собираются на электродах и создают электрический ток.
Недостатком ионизационной камеры являются очень низкие токи. Этот недостаток
ионизационной камеры преодолевается в ионизационных детекторах с газовым
усилением. Для регистрации нейтронов используют специальную модификацию
ионизационной камеры - камеру деления.




                                    Рис. 14

Ионизационная камера - простейший газонаполненный детектор. Она представляет собой
систему из двух или трёх электродов в объеме, заполненном газом (He+Ar, Ar+C2H2, Ne).
       Калориметрический метод. Метод основан на измерении количества тепла,
создаваемого поглощенной энергией излучения. Применение данного метода ограничено
лабораторными условиями из-за «парадокса радиобиологии».
       Сцинтилляционный метод. Световой выход ряда веществ (сцинтилляторов)
зависит линейно от поглощенной дозы в широком диапазоне доз. Такие вещества в
сочетании с фотоумножителем используются в качестве дозиметров.
При помощи данного метода можно с высокой эффективностью зарегистрировать
практически все виды ионизирующих излучений, а также измерить энергию частиц или
квантов. Недостатком метода является необходимость максимально приблизить состав
сцинтиллятора и вещества-поглотителя.

2. Химические методы дозиметрии. Применение химических методов ограничено
диапазонами доз. Так,
для доз более 106 Гр используется метод окрашивания кристаллов и стекол;
для доз от 104 до 105 Гр используются реакции в жидкой фазе;
для доз меньше 104 Гр используются реакции обесцвечивания красителей;
для широкого диапазона доз (10-105 Гр) используются реакции образования свободных
радикалов в аланине*, которые измеряются методом ЭПР.
Жидкостные химические детекторы основаны на реакциях, происходящих между
растворенными в воде веществами и продуктами радиолиза воды:
- Ферросульфатный детектор основан на свойстве ионов двухвалентного железа Fe2+
окисляться в кислой среде радикалами ОН* до трехвалентного Fe3+ . В стандартном

*
 Алифатическая аминокислота, a-аланин, CH3CH2(NH)2COOH, входит в состав многих белков, b-аланин,
Н2NCH2CH2COOH, - в состав ряда биологически активных соединений (кофермент аланин, пантотеновая
кислота и др.).

                                                                                                   18


детекторе при поглощении 100 эВ образуется 15,6 ионов трехвалентного железа.
Количество ионов Fe3+ определяется по плотности окраски реактива (соли роданистого
калия KCNS) Интенсивность окрашивания пропорциональна поглощенной дозе.
- Нитратный детектор основан на свойстве ионов нитрата NO3- восстанавливаться
атомарным водородом до нитрит-ионов NO2-. Нитриты обнаруживаются специальными
индикаторами.
- Цериевый детектор. Ионы четырехвалентного церия Се4+ восстанавливаются
атомарным водородом до трехвалентного Се3+.

Химические детекторы на основе хлорзамещенных углеводородов.
- детектор на основе хлороформа (СНCl3). При облучении хлороформа образуется
соляная кислота (HCl). Выход соляной кислоты повышается в присутствии кислорода.
Соляная кислота может быть обнаружена при помощи любого кислотно-основного
индикатора (например, бромкрезола пурпурного).
- детектор на основе четыреххлористого углерода (ССl4). Малочувствительный к
излучению ССl4 при введении в него добавок, имеющих подвижные атомы водорода,
позволяет значительно увеличить выход продукта – соляной кислоты.
- Фотографические детекторы. Основаны на свойстве ионизирующих излучений
воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для
детекторов используют рентгеновскую пленку.

3. Методы биодозиметрии (человека и животных) используются для выявления
последствий дозовых нагрузок на организм при внешнем и внутреннем облучении.
Для ретроспективной дозиметрии человека разработаны различные методы, основанные
на радиобиологических реакциях клеток.
    • Цитогенетические: регистрация частоты хромосомных перестроек, числа
       лимфоцитов с микроядрами;
    • Гематологические: регистрация частоты клеток-носителей соматических мутаций в
       периферической крови;
    • Иммунобактериологические;
    • Биохимические;
    • Биофизические;
       Один из основных методов, широко используемых в настоящее время – это метод
хромосомных аберраций. В основе метода лежит зависимость количества аберраций в
лимфоцитах приферической крови и костного мозга от дозы облучения. Использование
лимфоцитов обусловлено тем, что эти компоненты крови являются наиболее
радиочувствительными. При недостатке лимфоцитов в периферической крови возможно
также использование лимфоцитов из отделов костного мозга. Метод используется в
широком диапазоне доз: от природного фона до уровня 1-2 Гр.
       Для оценки доз облучения оценивают также изменение численности и клеточного
состава периферической крови. Например, динамику количества нейтрофилов и
тромбоцитов или сумму лейкоцитов и лимфоцитов периферической крови (лейко- и
лимфоцитарный индекс). Последние методы работают, в основном, в области больших
доз.
       Микроядерный тест – оценка количества микроядер в популяции клеток и их
потомков. Этот относительно простой (по сравнению с хромосомным анализом) и
экспрессный метод обладает, однако рядом недостатков. Так, образование микроядер в
клетках крови происходит в результате воздействия на человека не только ионизирующих
излучений, но и многих других мутагенов, то есть факторов, способных вызывать
наследственные изменения (мутации). К их числу относятся ультрафиолетовое излучение,
многочисленные химические соединения, в том числе некоторые лекарственные
препараты, продукты бытовой химии и т.п. Поэтому количество микроядер нельзя

                                                                                 19


однозначно связывать только с дозой ионизирующего излучения. Метод микроядерного
теста целесообразно использовать не для оценки доз, а только выявления групп
повышенного риска при массовых обследованиях населения.

ЭПР*-дозиметрия – биофизический метод регистрации индивидуальной биологической
оценки дозы облучения по ЭПР-сигналу в костях и эмали зубов млекопитающих. Впервые
в 1968 г. при ЭПР-спектроскопии бедренной кости и эмали зубов млекопитающих,
облученных в дозах 1-250 Гр, обнаружена строгая линейная зависимость величины ЭПР-
сигнала от доз.
      Регистрация ЭПР-центров в эмали зубов - метод ЭПР-регистрации свободных
радикалов, накопленных в химической структуре гидроксиапатита**, входящего в состав
биологической ткани – эмали зубов.
      В эмали зубов радиационно индуцированные резонансные центры дают наиболее
интенсивные сигналы, чем в других тканях. В основе сигналов – образование свободных
радикалов СО23- в результате захвата свободных электронов, появляющихся в облученной
эмали, комплексом СО22-. ЭПР-центры в зубной эмали могут сохраняться 109 лет (при
t=25оС).
      Недостатком метода является то, что резонансные центры образуются также под
действием ультрафиолета.


             9. Действие излучения на ткани и органы организма
    Факторами, определяющими закономерности поражения организма в целом являются:
радиочувствительность отдельных тканей, органов и систем, в том числе критических***
а также величина поглощенной дозы излучения и ее распределение в облучаемом объеме
и во времени.
       Радиочувствительность организма млекопитающих обычно связывают с
чувствительностью костного мозга – основной критической системы.
       Радиационные эффекты (включая гибель) на уровне организма в целом
обусловлены поражением трех критических систем: системы кроветворения,
пищеварительной и ЦНС. Наиболее радиочувствительной является система
кроветворения, наименее – ЦНС. Высокая радиочувствительность систем кроветворения и
пищеварения обусловлена высокой скоростью клеточного обновления, в то время как в
ЦНС половозрелых животных и человека клеточного обновления почти не происходит.
Соответственно в зависимости от дозы общего облучения организма развиваются три
синдрома: костномозговой (кроветворный), желудочно-кишечный и церебральный.
       Впервые в 1940-х гг. в экспериментах с мышами было показано, что средняя
продолжительность жизни животных зависит от дозы излучения и состоит из нескольких
участков: при дозе до 10 Гр – продолжительность жизни несколько дней-недель, при дозе
10-100 Гр – плато, продолжительность жизни не изменяется, при дозе более 100 Гр –

*
   ЭПР - метод электронного парамагнитного резонанса был открыт сравнительно недавно - в 1944 г. в
Казанском университете Евгением Константиновичем ЗАВОЙСКИМ при исследовании поглощения
электромагнитной энергии парамагнитными солями металлов. Он заметил, что монокристалл CuCl2,
помещенный в постоянное магнитное поле 40 Гаусс (4 мТл) начинает поглощать микроволновое излучение
с частотой около 133 Мгц. Метод ЭПР является основным методом для изучения парамагнитных частиц
присутствующих в биологических системах. К парамагнитным частицам, имеющим важное биологическое
значение, относятся два главных типа соединений - это свободные радикалы и металлы переменной
валентности (такие как Fe, Cu, Co, Ni, Mn) или их комплексы. Кроме свободнорадикальных состояний
методом ЭПР исследуют триплетные состояния, возникающие в ходе фотобиологических процессов.
**
   Гидроксиапатиты являются основной формой фосфата кальция костей и зубов.
***
    Критические органы - органы растений, животных и человека, повреждение которых ионизирующими
излучениями играет ведущую роль в развитии лучевого поражения. Для человека критические органы —
кроветворные органы, желудочно-кишечный тракт, эндокринные железы.

                                                                                               20



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика