Биологическое действие ионизирующего излучения

1. Тема: Биологическое действие ионизирующего излучения План 1. Прямое действие радиации 2. Непрямое действие радиации 3.

Опосредованное действие
радиации
4. Понятие о малых дозах.

2. Исследования биологического действия ионизирующих излучений

• 1896г Вальхов и Гизель –
действие и.и. на кожу.
• В 1896 русский физиолог
И. Р. Тарханов описал
влияние рентгеновских
лучей, на нервную систему
у лягушек.

3.

2 декабря 1942г Энрико Ферми
(1901 -1954гг.) создал первый
атомный реактор.
25 декабря1946 г. – И.В. Курчатов – ядерный
реактор в СССР
29 августа 1949 г. – испытана первая советская
атомная
бомба
12 августа 1953г.- впервые
создано термоядерное
оружие в СССР
В 1954г. была пущена первая АЭС (Обнинск), в
1955г. - в Англии, в 1957г.- в США.

4. Особенности ионизирующего излучения

• И.и. – неощутимо.
• Глубокие нарушения вызывают
ничтожно малые количества
поглощаемой энергии.

5. Особенности действия и.и. /Продолжение/

3.Вредное воздействие проявляется не
сразу.
4.Эффект зависит от дозы излучения и
величины облучаемого участка.
5. Генетический эффект
6. И.И. обладает свойством кумуляции.
7. Дифференциальная чувствительность
тканей к и.и.
(красный костный мозг, половая система)

6. Этапы биологического действия и.и.

• 1.
Первичные физические
поглощении энергии излучения
возбуждение и ионизация.
явления
—
биосубстратом,
2.
Физико-химические
процессыобразование активных свободных радикалов (атомы
или группы атомов, обладающие свободным
электроном).
• 3. Химические реакции – взаимодействие
радикалов
с органическими и неорганическими
веществами
по
типу
окислительных
или
восстановительных реакций.
4. Биохимические реакции — обуславливают
изменения функций и структур органов, систем и
реакций целостного организма.

7.

Непосредственное действие :
- прямое
- непрямое (косвенное).
Опосредованное действие: через нервно-эндокринную
систему и гуморальным путем.

8. Непосредственное действие радиации

• Прямое – изменения молекул клеток и
тканей,
возникающие
в
результате
поглощения
энергии
излучения
непосредственно этими молекулами.
Поражающее действие связано с актом
возбуждения и ионизации атомов и
макромолекул

9. Непосредственное действие радиации

• Косвенное (непрямое) - изменяемая молекула
непосредственно не поглощает энергию излучения,
а подвергается воздействию продуктов распада
молекулы посредника.
Поражающее действие связано с токсическим
действием
продуктов
распада
воды
и
их
взаимодействием
с
биологически
важными
веществами в организме.

10. Теории прямого действия радиации:

1. Теория мишеней
Д. Кроузер, Н.В. Тимофеев –Ресовский, К. Циммер, Д. Ли.
Основа : «Гипотеза точечного тепла»
Десауэра 1923г.
В биологических объектах имеются особо
чувствительные объемы – «мишени», поражение
которых приводит к поражению всего объекта.

11.

Теория мишеней
Концентрация
Установлена зависимость доза-эффект
д

12.

Д. Ли - не все клетки одинаково
реагируют на облучение
многоударные клетки
Д

13. Основные положения теории мишеней

• 1. Принцип попадания – характеризует особенность
действующего агента -излучения.
Количество попаданий в мишень прямопропорционально дозе.
2. Принцип мишени – учитывает особенность
облучаемого объекта –клетки.
Ответ на одно и то же попадание различный:
одно - и многоударные клетки.

14. Стохастическая ( вероятностная) теория О. Хуг, А. Келлерер (60-ые годы)

• Учитывает вероятностный характер
попадания излучения в чувствительный
объем клетки (как и теория мишеней).
• Учитывает состояние клетки как
лабильной динамической системы:
интерфаза - митоз

15. Стохастическая ( вероятностная) теория О. Хуг, А. Келлерер (60-ые годы)

Интерфаза :10 -48ч. предсинтетическая ,
стадия синтеза, постсинтетическая.
Митоз: 30-60 мин.профаза, метафаза, анафаза,
телофаза
• Клетка наиболее чувствительна в стадии
профазы.
• Наиболее поражаемо – ядро
Д = 150 кР
гибель клетки (при пересадке ядра)

16.

многоударные клетки
Д

17. Основные стадии в действии излучений на биологические системы

Стадия
Физическая
Процессы
Поглощение энергии излучения; образование
ионизированных и возбужденных атомов и
молекул
Н2О→ Н2О+ + е- иониз. е- + Н2О → Н2ОН2О→ Н2О* -возбуждение
Образование свободных радикалов
Н2О+ → Н+ + ОН• ; Н2О- → Н• + ОНФизико- химическая
Н2О* → Н • + ОН
Химическая
Продолжительность
стадии
10–16 - 10-13 с
10-9 - 10-6 с
Взаимодействие радикалов друг с другом и
другими молекулами и атомами
ОН• + ОН
→ Н2О + О ;
10-6 - 10-3 с
Н• + О2 → НО•2 (гидропероксид)
Биологическая
Последовательное развитие поражения на всех
уровнях
биологической
организации
от
субклеточного до организменного, нарушение
обмена веществ.
Секунды - годы
17

18.

d
Биохимическая стадия 10-3с
• В результате взаимодействия свободных радикалов с
органическими веществами изменяется их структура, а
следовательно и свойства.
Происходят:
• нарушения биологической организации на субклеточном и
клеточном уровнях:
– нарушение структуры биологических мембран;
– изменение активности и функций ферментов;
– нарушение обмена веществ;
– появление хромосомных аберраций и т.п.
• нарушения на уровне тканей и органов;
• нарушения на уровне облученного организма и(или)
поколений: (соматические и генетические последствия)
биологические эффекты

19. Теории непрямого действия радиации

1.Теория липидных радиотоксинов и
цепных реакций
(Б.Н. Тарусов, Ю.Б. Кудряшов, Н.М. Эмануэль)
Уже в первые часы после
облучения в тканях животных
образуются первичные
липидные радиотоксины – ЛРТ.
Кудряшов Юрий Борисович

20.

ЛРТ (липидные радиотоксины)лабильный комплекс продуктов окисления
ненасыщенных жирных кислот и вызывают:
- торможение деления клеток,
- нарушение кроветворения,
- повреждение хромосомного
аппарата и др.

21.

Действие ионизирующего излучения: RH + ОН• → R• + Н2О
R● + O 2→ ROO ●– гидропероксид
ROO + H2O → ROOH + OH●- гидроксил
Усиление процессов
окисления
Полифенолы
Ненасыщенные жирные к-ты
Орто-и семи-хиноны
ЛРТ
Изменение проницаемости мембран
Угнетение АЦ → синтез ц-АМФ → синтез и-РНК → синтез
белков → синтез ферментов

22. Структурно-метаболическая теория А.М. Кузина

Обобщает все теории.
1. Учитывает дискретный
характер передачи
энергии и.и. молекулам
и структурам клетки
( принцип попадания теории мишеней).
2. Отводит ведущую роль в радиационных
эффектах нарушениям в клеточном ядре
( стохастическая теория).

23.

3.
За основу теории взято действие первичных
радиотоксинов
(теория
липидных
радиотоксинов),
обладающих
токсическими
свойствами - это ЛРТ, хиноны и ортохиноны.
4.
Отводит
важную
роль
повреждениям
цитоплазматических структур, изменению их
нормального функционирования. Эти изменения
ведут к нарушению проницаемости биомембран.
Результат: инактивация ферментов, гормонов,
подавление
энергетических
функций
митохондрий и синтеза ДНК и РНК.

24.

1.Под действием и.и. в мембранах образуются продукты окисления
полифенолов – хиноны, которые изменяют проницаемость мембран.
2. Изменяется активность фермента - АЦ, снижается синтез ц - АМФ,
который влияет на скорость фосфорилирования белков и происходит
репрессия генома. В результате ингибируется синтез и-РНК, белков,
ферментов, угнетаются обменные процессы.
Угнетение развития
Биосинтез белков,
ферментов, гормонов
γ-квант
Ингибирование
синтеза и-РНК
АТФ
Репрессия
генома
цАМФ
Протеинкиназы

25.

5. Теория Кузина объясняет кислородный
эффект в степени радиационных повреждений.
Радиочувствительность E. coli в зависимости от
концентрации О2
Относ.
ед.
C

26. Кислород усиливает прямое и непрямое действие радиации

Прямое действие
• у-квант → RH → е- + RH+ → R • + H+
(ионизация)
• у-квант →RH → RH*(возбуждение) → R • + H
Н• + О2 → НО•2 (гидропероксид).
R • + О2 → ROO • (радикал органического в-ва)

27. Кислород усиливает непрямое действие радиации

В результате гидролиза воды образуются
ионы и возбужденные молекулы, которые
распадаются на свободные радикалы:
Н2О+ → Н+ + ОН
Н2О* → Н • + ОН
В присутствии кислорода время жизни этих радикалов
увеличивается:
• Н• + О2 → НО•2 (гидропероксид).
• НО•2 + НО•2→ Н2О4 (высшая перекись)
• RH + ОН
→ R• + Н2О
• R • + О2 →ROO• + RН →ROOH+R
+ Н О →ROOH+ОН
2

28. Теория Кузина дает более правильное представление о первичных механизмах действия радиации на организм, которое в дальнейшем

усиливается опосредованно.
Опосредованное действие радиации
• Через нервную систему
• Через эндокринную систему
• Гуморальным путем

29. Нервная система

• Нарушение регуляторных функций ЦНС
вследствие прямого действия радиации на
нервные центры.
• Нарушение рефлекторных реакций ЦНС в
ответ на импульсы, поступающие с
периферии.
• Изменение функций ЦНС, вызванные
сдвигами внутренней среды организма.
• Нарушение нормального взаимодействия
высших и низших отделов ЦНС.

30. Вегетативная н.с.

• При облучении существенно
изменяются реакции вегетативной
иннервации со стороны нейронов,
ганглиев, медиаторов и вегетативных
центров:
• 1 фаза – активация процессов
• 2 фаза – угнетение процессов

31. Периферические нервы

• Более резистентны к радиации.
• Проводимость и возбудимость
изменяется после облучения
двухфазно: повышается, затем падает.
• Нарушается взаимодействие между
корой и подкорковыми центрами.

32. Эндокринная система

• В ряду радиочувствительности ( по
функциональному принципу ) следует за
нервной.
• Изменения происходят рефлекторным путем
через нервную систему
Гормональная активность изменяется также
двухфазно: увеличение –снижение.

33.

3
К
100
300
600

34. Гуморальный путь

• В организме после облучения образуются
токсические вещества, (перекиси, хиноны,
ортохиноны и т.д.).
• Они действуют на клетки, рецепторный аппарат,
на вегетативную н.с., кору головного мозга.
Результат: неадекватная ответная реакция,
нарушение обменных процессов, функций
систем, наступает гибель организма или лучевая
болезнь.
Если организм не погибает, наступают отдаленные
последствия: соматические и генетические

35.

d
Биологическ ие эффек ты действия радиации
НЕС ТОХ А С ТИЧ ЕС К ИЕ
(д етерминиро в а нные)
• эффекты, имеющие по ро г
д ейств ия
• тя ж есть эффекта за в исит
о т д о зы
Соматические
Угнетение костно-мозгового
кроветворения, повреждения
кожи, сосудов, хроническая и
острая лучевая болезнь.
СТОХАСТИЧЕСКИЕ
(нед етермениро ва нные.
веро ятно стные)
• эффекты, не имеющие по ро га
д ействия
• тяжесть эффекта не за висит о т
д о зы, но с ее у величением
вероятность их возникновения
у величива ется
Соматические
Ра к о вые но во о б р а зовния ,
со к р а щение жизни
Генетические
Генные мутации
(наследственные повреждения)

36. Стохастические эффекты

Рак щитовидной железы диагностированный до 1998г. у детей
которым было от 0 до 17 лет (во время Чернобыльской
аварии)
Кол-тво
случаев
Thyroid cancer diagnosed up to 1998 among
children 0-17 years at the time of the Chernobyl
accident
300
Number
250
200
Belarus
Russian Federation
150
Ukraine
100
Total
50
0
1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998
Year
года
Беларусь
Россия
Украина
Всего

37.

d
Радиорезистентность живых
организмов

38. Малые дозы

• Материалы Греевской конференции 1980г. -2 -2,5
Гр (часто применяемые в лучевой терапии)
• В клинической практике - до 0,5 -1,0 Гр
( дозы, не приводящие к развитию клинически
выраженных эффектов)
• А.М. Кузин предложил считать областью малых доз
такое превышение ПРФ для данного вида, при
котором наблюдается явление гормезиса
( стимуляция процессов пролиферации)
Экспериментально показано, что область малых
доз лежит на 2 порядка ниже летальной дозы:
- для человека и животных -0,04-0,05Гр;
- для семян растений- 2-5Гр

39.

d
Пороговая и беспороговая гипотезы
действия малых доз радиации
«Пороговая»
Пороговая»
гипотеза –
есть порог дозы,
ниже которого
нет никаких
негативных
последствий для
здоровья человека
«Линейная
беспороговая»
беспороговая»
гипотеза – любое
радиационное
облучение опасно

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

Сверхмалые
средние
большие
ультрамалые
малые
ЕРФ – ультрамалые дозы естественного (природного) радиационного фона.
I – эффекты облучения в сверхмалых дозах (гиперрадиочувствительность); 0,001-0,01мГр
II – эффекты облучения в малых дозах, вызывающих стимуляцию биологических процессов
(гормезис) 1мГр-10мГр.
III – развитие структурно-функциональных повреждений при облучении в средних сублетальных
дозах;0,1 -1,0Гр
IV – условная граница между большими и средними дозами для млекопитающих составляет 1-2.5 Гр.
Пунктир – линейная экстраполяция из области больших доз

41.

42. Малые дозы

• Малые дозы затрагивают регуляторные
механизмы.
• Большие дозы –ферментные
Отдаленные эффекты малых доз:
• Возрастные изменчивости-ошибочная
репарация
• Сокращение длительности онтогенезараннее старение
• Омоложение канцерогенеза
• Нарушение циклических и циркадных ритмов.

43. Рекомендуемая литература Основная 1. Радиобиология /Н.П. Лысенко, В.В. Пак, Л.В. Рогожина,З.Г.Кусурова/ -Изд.Лань С-ПГ,

Основная
1. Радиобиология
/Н.П. Лысенко, В.В. Пак, Л.В. Рогожина,З.Г.Кусурова/ -Изд.Лань С-
ПГ, 2019г.-582с.
2. Радиобиология человека и животных / Ярмоненко С. –М.:Высшая школа, 1988-424с.
3. Ведение животноводства в условиях радионуклидного загрязнения
среды.:Учебное пособие./Лысенко Н.П., Пастернак Д, Рогожина Л.В. И др-Москва, 2005
4. Радиобиология инкорпорированных радионуклидов/ под ред .В.С. Калистратовой-
М.: Изд.ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна 2016 -556с.
Дополнительная
1. Ветеринарная радиобиология: Уч. Пособие/ В.Г. Плющиков, О.Г. Семенов -М.:РУДН,
2016.-296с.
2. Сельскохозяйственная радиология. ./ Фокин А.Д., Лурье А.А., Трошин С.П.М.-М:
Дрофа, 2005 -367с.
3. Практикум по радиобиологии/ Лысенко Н.П., Пак В.В., Рогожина Л.В., Кусурова
З.Г., Тимофеев С.В. . – М.: Колос, 2007.
. 4 Радиационная экология: Барсуков О.А., Барсуков К.А.. М.: Научный мир, 2003.-253с

44. Благодарю за внимание!