Радиобиология

Радиационная биология или радиобиология — это фундаментальная наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

Код науки по 4-х значной классификации ЮНЕСКО — 2418 (раздел — биология).

Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний — биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.

Предмет радиобиологии

Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:

• вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, в том числе и объяснение радиобиологического парадокса
• управление радиобиологическими эффектами.

Существуют две противоположные и одинаково неправильные точки зрения на облучение и вред его для человека — радиоэйфория и радиофобия.

Объекты и методы в радиобиологии

В соответствии с объектами РБ-исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:

• Радиобиология сложных систем (экологические системы, популяции, многоклеточные организмы, органы и ткани)
• Клеточная радиобиология (клетки, клеточные органеллы, биологические мембраны)
• Молекулярная радиобиология (макромолекулы, "малые" молекулы).

В радиобиологии используют специфические методы, используемые в различных ее разделах.
Важной чертой РБ-методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта.

Теоретические аспекты радиобиологии

Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева» (Ф.Дессауэр-1922):

• ионизирующее излучение обладает очень малой объемной плотностью по сравнению с другими излучениями
• излучение обладает большой энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи
• облученный биологический объект состоит из относительно безразличных и весьма существенных для жизни микрообъемов и структур
• в облучаемом объекте при поглощении относительно небольшой общей энергии в отдельных, случайных и редкорасположенных микрообъемах оставляются настолько большие порции энергии, что их можно сравнить с микролокальным нагреванием
• так как распределение «точечного тепла» является чисто статистическим, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных "попаданий" дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки; с увеличением дозы увеличивается вероятность таких попаданий и наоборот.

Теория "мишени или попаданий" поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы).

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер (1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость "доза-эффект" обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы.

Б.И. Тарусовым и Ю.Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах - в липидных слоях биомембран. Эта теория получила название "теории липидных радиотоксинов".

Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория (1976). Автор этой теории А.М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.

В настоящее время произошел сдвиг парадигмы от принципа попадания и теории мишени к эффекту «свидетеля».

История

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский. Портрет, нарисованный Олегом Цингером (1945)

Открытие Иваном Павловичем Пулюем (1890) и Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей (1895), Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности (1896), Марией Склодовской - Кюри и Пьером Кюри радиоактивных свойств полония и радия (1898) явилось физической основой для рождения радиобиологии.

Стадии формирования
РБ - эффекта

Радиобиологический эффект формируется после действия облучения последовательно на различных уровнях (А -атомарном, М - молекулярном, К - клеточном,
О - органном).Изменения на первых трех уровнях обратимы.

1. Физико-химическая стадия — прямое или косвенное действие излучения на молекулы-мишени.

2. Биохимическая стадия-действие излучения на основные компоненты радиочувствительных клеток с последующим изменением метаболизма.

3. Биологическая стадия — генетические и отдаленные эффекты облучения.

• Длительность стадий от 10⁻¹⁸ до 10¹²секунд.
• Некоторые стадии обратимы и могут быть модифицированы.
• Выраженность эффекта зависит от радиочувствительности объекта и дозы излучения. Ряд повреждений может быть восстановлен.

Радиобиология клетки

Радиационная цитология (радиобиология клетки) — наука, изучающая влияние излучений на строение и функции клеток; одно из направлений радиобиологии.

Повреждение основных компонентов клетки ведет к дальнейшему изменению органов (О) и/или гибели клеток облученного организма. (М-молекулы, ПД-прямое действие, КД-косвенное действие, РТ-действие радиотоксинов). Изменения могут быть модифицированы.

Основные изменения

• Нарушения дифференцировки и деления клеток.
• Трансформация в злокачественные клетки.
• Репродуктивная и интерфазная гибель клеток

Причины нарушений

• Повреждение ядер, хромосом, других ядерных органелл.
• Повреждение биологических мембран

Классификация типов гибели клеток по В.И. Корогодин

• Гибель без деления и попыток к росту (интерфазная),
• Гибель без деления, но после увеличения размеров клетки, а в некоторых случаях после деления ядра,
• Гибель клетки при попытке разделиться или после одного деления (митотическая гибель),
• Гибель после нескольких циклов размножения (репродуктивная форма гибели),
• Гибель не всех, а только некоторых потомков облучённых клеток (репродуктивная форма гибели для быстро обновляющихся клеточных систем).

Классификация типов гибели нервных клеток головного и спинного мозга по Ю.В. Щербатых

• Интерфазная гибель нейронов при сверхвысоких дозах облучения за счет разрушения мембранных компонентов клеток. Наступает в течение нескольких часов после облучения. Актуальна при тотальном облучении организма и "церебральном синдроме".
• Отсроченная (генно-модифицированная) гибель нейронов при локальном облучении мозга. Наступает в сроки от нескольких недель до нескольких месяцев. Актуальна при лучевой терапии опухолей спинного и головного мозга.

Учебные заведения и научные учреждения

• Лаборатория радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований
• Национальный Исследовательский Ядерный Университет (МИФИ) — кафедра биофизики, радиационной физики и экологии
• Медико-биологический факультет РНИМУ (бывш. РГМУ) им. Н.И. Пирогова
• Физический факультет СПбГУ
• Лаборатория радиационной биофизики МГУ
• Минск-Международный государственный экологический университет им. А. Д. Сахарова — кафедра экологической медицины и радиобиологии
• Московская ветеринарная академия — кафедра радиобиологии, рентгенологии и гражданской обороны имени академика А.Д.Белова.
• Белорусско-Российский университет (Кафедра "Безопасность жизнедеятельности";дисциплина "Радиационная безопасность")
• Волгоградский государственный медицинский университет
• Воронежский государственный аграрный университет имени К. Д. Глинки — кафедра терапии, клинической диагностики и радиобиологии
• Биологический факультет БГУ -курс «Радиобиология»
• Иркутский государственный университет — курс радиобиологии
• Государственный университет природы, общества и человека «Дубна» — курс радиобиологии (1998)
• Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия — кафедра радиобиологии и безопасности жизнедеятельности (1980). Дисциплины — сельскохозяйственная радиобиология, ветеринарная радиобиология, сельскохозяйственная радиоэкология
• Оренбургский ГАУ-кафедра внутренних незаразных болезней и радиобиологии
• Национальный Киевский университет-кафедра радиобиологии
• Калининградский государственный технический университет, кафедра зоотехнии, курс — сельскохозяйственная радиобиология
• Саратовский государственный университет, спецкурс —радиобиология
• Челябинский ГУ-кафедра радиобиологии
• Гродненский ГУ им.Янки Купалы-курс радиационной безопасности
• РУДН ветеринарная радиобиология, с\х радиоэкология, радиоэкология животных
• Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси (аспирантура по специальности радиобиология)
• Томский Государственный Университет

Направления

Основные направления в радиобиологии

Общая (фундаментальная) радиобиология: радиационная биохимия | радиационная биофизика | молекулярная радиобиология | радиационная цитология | радиационная генетика | радиационная экология | космическая радиобиология Медицинская радиобиология: противолучевая защита и радиотерапия | радиационная иммунология и гематология | радиационная гигиена и эпидемиология | радиобиология опухолей Прикладная радиобиология: сельскохозяйственная радиобиология Радиобиология неионизирующих излучений

Литература

• Александер П., Бак З., Основы радиобиологии, М., 1963
• Гродзинский Д. М. Радиобиология. Биологическое действие ионизирующих излучений, М., 1961
• Барабой В. А. Популярная радиобиология, Киев, 1988.
• Белов А.Д., Киршин В.А. Ветеринарная радиобиология. М.: Агропромиздат, 1987. 287с.
• Бесядовский Р. А., Иванов К. В., Козюра А. К. Справочное руководство для радиобиологов, М., 1978
• Василенко И. Я., Василенко О. И. Биологическое действие продуктов ядерного деления, М., Бином, 2011, 384 с.
• Владимиров Ю.А. и др.- Биофизика мембран-," М., Медицина", 1983
• Конопля Е.Ф и др. - Радиобиология. Энциклопедический словарь - Гомель, 2005, 252 с.
• Коггл Дж. -Биологическе эффекты радиации -М..Энергоатомиздат, 1986
• Красавин Е.А. - Мутагенное действие излучений с разной ЛПЭ - М., Энергоатомиздат, 1991, 183 с.
• Красавин Е.А. - Проблема ОБЭ и репарация ДНК - М., Энергоатомиздат, 1989, 193 с.
• Кузин А.М - Прикладная радиобиология. М., “Энергоиздат”, 1981
• Кузин А.М.- Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. М., “Наука”, 1988.
• Кузин А.М., Вторичные биогенные излучения - лучи жизни, Пущино, 1997
• Лебединский А. В. Влияние ионизирующей радиации на организм животного и человека, М., 1957
• Лучник Н.В. Биофизика цитогенетических поражений и генетический код 1968. 296 с.
• Лондон Е. С., Избранные труды, Л., 1968
• Пелевина И.И. и др.- Выживаемость облученных клеток млекопитающих и репарация ДНК -М., Энергоатомиздат,1985
• Поливода Б.И. и др.- Радиационное поражение биологических мембран. М., “Медицина”, 1990.
• Радиация, Дозы, эффекты, риск. М.,"Мир", 1990
• Тимофеев-Ресовский Н. В., Иванов В. И., Корогодин В. И. Основы радиационной биологии, М., 1964;
• Тимофеев-Ресовский Н. В. и др., Применение принципа попадания в радиобиологии-М., Атомиздат, 1968.
• Токин И. Б. Проблемы радиационной цитологии. Л.: Медицина, 1974.
• Хансон К. П., Комар В. Е. Молекулярные механизмы радиационной гибели клеток. М., Энергоатомиздат, 1985.
• Цыб А.Ф., Будагов Р.С. и др. Радиация и патология: Учеб. пособие. М.:Высш. шк., 2005. 341 с.
• Эйдус Л.Х. Мембранный механизм биологического действия малых доз, М., 2001
• Ядерная Энциклопедия . М., Благотворительный фонд Ярошинской,1996
• Ярмоненко С. П., Вайнсон А. А., Радиобиология человека и животных, М., Высшая школа, 2004

Ссылки

• Общая Радиобиология.Электронный курс.Дистанционное обучение