Из истории радиобиологии

Радиобиология - это типичная наука XX века. Время ее рождения определяется открытием Х-лучей, радиоактивности и первыми упоминаниями действия их на живой организм. Так, в Германии в декабре 1895 г. заведующий кафедрой физики физического факультета, ректор Вюрцбургского университета профессор Вильгельм Конрад Рентген передал физико-медицинскому обществу первый рентгеновский снимок кисти своей руки и рукопись на 17-и страницах с изложением об открытии катодных проникающих Х-лучей, которые вскоре стали называться рентгеновскими. Уже в январе 1896 г. брошюра Рентгена вышла в свет на русском (под названием «Новый род лучей»), английском, французском и итальянском языках - открытие быстро стало достоянием мировой общественности. Открытие Рентгена стимулировало новые исследования в физике, а также в биологии и медицине. В марте 1896 г. профессор физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерель обнаружил новое явление - самопроизвольное испускание невидимых глазу проникающих излучений (α-,β- и γ-излучений), исходящих от солей урана. Вскоре оказалось, что аналогичной способностью обладает и торий. Открытие урановых и ториевых лучей послужило началом исследований естественной радиоактивности. В 1898 г. супруги Кюри - Мария Складовская и Пьер исследовали излучения, испускаемые выделенными ими новыми природными элементами - полонием и радием, радиоактивные свойства которых проявились значительно сильнее, чем у урана и тория. В дальнейшем, уже в 1934 г., Ирен и Фредерик Жолио Кюри обнаружили при проведении ядерной реакции [27Аl (α, n) 30Р образование нового, не встречающегося в природе радионуклида - фосфора 30Р. Так произошло открытие нового явления в физике - искусственной радиоактивности.

Таким образом, уже в начале XX века появилось понятие «проникающая, ионизирующая радиация». К ней относят электромагнитные и корпускулярные излучения, энергия которых превышает величину «потенциала ионизации», т.е. 10-12 эВ. Электромагнитные ионизирующие излучения - это рентгеновское излучение, а также γ-излучение радионуклидов. Оптический спектр излучений и радиоволны тоже относятся к электромагнитным излучениям, только они называются неионизирующей радиацией, поскольку из-за низкой энергии излучений (и соответственно, высоких длин волн) не способны к ионизации молекул и лишены высокой проникающей активности.

К корпускулярным излучениям относят заряженные: (β- частицы - электроны и позитроны; ядра атомов водорода (протоны), дейтерия (дейтроны), гелия (α-частицы) и других элементов, π-мезоны; ядерные частицы, не имеющие зарядов - нейтроны. Открытия в физике нашли очень быстрый отклик в биологических исследованиях. Так, дата рождения радиобиологии - начало 1896 года, как видно, почти совпадает с датой открытия рентгеновских лучей. В это время петербургский физиолог Иван Романович Тарханов (Тарханишвили) провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций» (И.Р. Тарханов. Известия СПб биол. лаборатории; А.Н. Т.1.№3. С. 47.).

Другим пионером в радиобиологии был Ефим Семенович Лондон, который начал в 1896 г. многолетние широкие исследования по рентгено-радиологии и экспериментальной радиобиологии. Первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу была только в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, в которой авторы сообщили, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи. Основной и очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Вполне понятно, что к необходимости дозировать излучения пришли в первую очередь рентгенологи, вынужденные эмпирически устанавливать хотя бы условные единицы биологических доз рентгеновских лучей, например, HED (единица кожно-эритемной дозы), которые регистрировалась спустя несколько суток и недель после облучения. Дозиметрия, как раздел физики, количественно оценивающая испускаемую (экспозиционную) и поглощенную энергию излучений, а также активность радиоизотопов, появилась значительно позднее. Отсутствие научно-проверенных дозиметров и невозможность количественно оценивать дозы облучения, а также незнание (или часто пренебрежение опасностью) были причиной гибели первых рентгенологов от лучевой болезни, вызванной интенсивными облучениями. Понимая необходимость элементарных дозиметрических знаний, Е.С. Лондон и его сотрудник врач-хирург С.В. Гольдберг проводили экспериментальные исследования действия радия на себе.

В 1901 и последующих годах появилось также множество зарубежных и отечественных работ о лучевом поражении кожи (дерматиты, эритемы, лучевые ожоги и язвы, выпадение волос), а в 1902 г. описан первый случай лучевого рака кожи. Постепенно стало выясняться, что проникающая радиация не только невидима и неощутима, не только воздействует на кожу, но и вызывает лучевое поражение внутренних органов и тканей, а также гибель живых организмов и человека (эксперименты Е.С. Лондона в России, Г. Хейнеке - в Германии).

В последующие годы обнаруживаются лучевые изменения различных биохимических процессов: нарушения активности ферментов в органах и тканях, появление токсических веществ в крови (лейкотоксинов). Таким образом, сведения о высокой биологической эффективности нового вида излучений стимулировало мощный взрыв радиобиологических работ, характеризующий начальный, описательный период в истории радиобиологии.

Постепенно накапливаются данные о различии в устойчивости отдельных облучаемых биологических объектов и систем к летальному облучению и о высокой радиочувствительности процессов клеточного деления. Так, в 1906 г. французские радиобиологи И. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали фундаментальный закон (правило) клеточной радиочувствительности: ионизирующее излучение тем сильнее действует на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем менее они дифференцированы.

В 1918 г. в Петербурге был открыт первый в стране радиобиологический Государственный институт рентгенологии и радиологии, организатором и директором которого стал известный рентгенолог М.И. Неменов.

Многочисленные исследования развития лучевого поражения организмов позволили придти радиобиологам к общему выводу о том, что лучевая болезнь представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных изменений в организме, появление которых зависит от величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия и биологической особенности организма (его радиочувствительности). Попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, так и не увенчались успехом. Поиски токсических веществ в облученном организме (радиотоксинов) показали, что они представляют собой продукты избыточного накопления продуктов нормально протекающих процессов, усиленных действием облучения.

Исследования динамики биохимических лучевых нарушений заняли все дальнейшие годы истории радиобиологии и позволили собрать ценнейший материал, характеризующий характер и типы развития лучевой болезни.

Изучение ионизирующего действия проникающей радиации на атомы и молекулы, создание количественной дозиметрии позволило перейти радиобиологам к созданию количественных принципов, связывающих радиобиологические эффекты с дозой облучения.

Этим начинается следующий период - период количественной радиобиологии.

В этот период интенсивно велись поиски «главного виновника преступления», т.е. критических биологических молекулярных и клеточных структур, а также органов и тканей облучаемых организмов, ответственных за развитие лучевого поражения, ведущего к смертельному исходу. Анализ количественных закономерностей зависимости биологических эффектов от величины доз облучения стимулировал такие поиски. К числу важных черт биологического действия ионизирующих излучений относят так называемый радиобиологический парадокс: энергия ионизирующих излучений оказывается несопоставимо малой при сравнении с тем же биологическим эффектом, вызываемой тепловой энергией.

Так, расчеты показывают, что минимальная доза общего однократного облучения, вызывающая гибель человека («минимальная абсолютно летальная доза» - 7 гр.), составляет 7 гр. х 70 кг (среднюю массу тела человека примем за 70 кг), т.е. 490 Дж/чел или 117,6 калорий тепловой энергии. Эта ничтожно малая тепловая энергия, равномерно распределившись в теле человека, «согреет» его всего лишь на тысячные доли градуса. Однако даже летальная доза облучения непосредственно не ощущается организмом, так как биологические объекты не имеют специальных рецепторов, чувствительных к ионизирующей радиации. им

Попытки объяснить радиобиологический парадокс связаны с количественным анализом результатов «доза-эффект» на одиночных клетках.

Еще в 1922 г. Ф. Дессауэр предложил теорию «точечного тепла», объясняющую поражение клетки, исходя из дискретной природы излучений: в результате «порционных» актов ионизации происходит «точечный» (локальный) нагрев в некотором чувствительном объеме, составляющем небольшую часть клетки. Поэтому очень небольшая общая тепловая энергия ионизирующих излучений способна вызывать поражение клетки и ее гибель.

В дальнейшем, представление о точечном нагреве было развито в виде «принципа попаданий и теории мишени». Дискретное сосредоточение энергии излучения в квантах и частицах создает определенную вероятность локального попадания и воздействия энергии на уникальные биологические структуры («мишени»). Вероятностный характер гибели клеток происходит в результате случайного распределения элементарных актов взаимодействия квантов энергии ионизирующих излучений с чувствительными микрообъемами. «Принцип попаданий и теория мишени» с успехом развивались начиная с первой четверти нашего столетия (Д. Кроутер, Д. Ли; Н.В. Тимофеев-Ресовский; К. Циммер, и др.) и способствовали развитию количественной радиобиологии. Большой вклад в эти исследования внес Н.В. Тимофеев-Ресовский, столетний юбилей со дня рождения которого был широко отмечен недавно научной общественностью.

Наряду с этими исследованиями была открыта еще одна впечатляющая страница в биологии. Речь идет об открытии в 1925-1927 г. советскими учеными Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в экспериментах на дрожжевых клетках, а позднее Г. Меллером (США) на дрозофилах, эффекта лучевого мутагенеза, проявляющегося не только в повреждении генома, но и в образовании стойких необратимых изменений, передающихся по наследству. В этих и других последующих многочисленных работах приведены факты высокой радиочувствительности делящихся клеток, клеточного ядра, молекулы ДНК.

Сейчас хорошо известно, что лучевые генетические нарушения могут проявляться как сразу после облучения, так и отдаленно, в потомках, даже спустя несколько поколений, вызывая в организме злокачественные опухоли, а также различные генетические уродства.

При облучении биологического объекта ионизирующая радиация поглощается не избирательно - любыми молекулами, клетками, органами и тканями. Даже при облучении в малых дозах происходит много тысяч актов ионизации молекул, а это может привести к разнообразным нарушениям структуры и функции клеток. И лишь только некоторые из них приводят клетку к потере способности к делению и к гибели. Такой «критической структурой», мишенью в клетке является уникальная макромолекула ДНК, несущая генетическую информацию. Понятно поэтому, почему повреждение структуры ДНК может привести к так называемой репродуктивной гибели клеток.

Само лучевое повреждение ДНК не всегда является для этой макромолекулы и клетки фатальным, поскольку в клетке имеются системы противолучевых средств. К одной из них относят разнообразные ферменты репарации ДНК, «ремонтирующие» ее при лучевых повреждениях, специфически устраняющие различные повреждения и восстанавливающие структуру и функции ДНК, а тем самым и нормальное клеточное деление. В зависимости от величины дозы облучения восстановление ДНК может оказаться полным или частичным и от этого зависит выживаемость пораженной клетки. В дальнейшем было обнаружено, что ведущим механизмом гибели неделящихся или медленно делящихся клеток организма (нервные клетки, клетки мышц и паренхиматозных тканей и др.) является поражение уже других (не репродуктивных) критических структур, например, биологических мембран. Эта интерфазная гибель свойственна клеткам, относительно устойчивым к облучению. Исключение составляет интерфазная гибель неделящихся, но высокочувствительных к радиации лимфоцитов.

Становилось ясно, что помимо систем, репарирующих лучевые повреждения, в любой клетке имеется ряд биологически активных молекул, составляющих «эндогенный фон радиорезистентности», т.е. собственные защитные ресурсы, способные предохранять повреждение таких структур, как ДНК и биологические мембраны.

Сама проблема химической зашиты от лучевого поражения, знаменующая начало последующего периода в истории радиобиологии, первоначально была продиктована социальными задачами, связанными с появившейся на нашей планете угрозой разрушительной ядерной войны. Так, спустя несколько лет после бомбардировок в Хиросиме и Нагасаки, в середине XX века были открыты первые химические соединения, снижающие поражающее действие ионизирующей радиации на организмы лабораторных животных. Защитные препараты были эффективными только при введении до облучения, поэтому противолучевая защита получила название «радиопрофилактической», а сами препараты - «радиопротекторы».

Среди первых радиопротекторов были, в основном, вещества, содержащие в своей молекуле аминную (- NH2) и тиольную (- SH) группы. В дальнейшем, в экспериментах на лабораторных животных и клетках, были изучены защитные свойства десятков тысяч препаратов различной химической природы и было выявлено, что наиболее эффективными остаются упомянутые амино- и тиольные радиопротекторы. Существующие радиопротекторы были и остаются все еще далекими от совершенства - главным препятствием для их использования в клинике является подчас высокое побочное токсическое действие препаратов. Поэтому в медицинской практике используются только немногие из противолучевых химических соединений, однако и они оказываются неэффективными при очень высоких смертельных дозах облучения организма. Радиопротекторы, как средства индивидуальной химической профилактики, нашли применение в чрезвычайных ситуациях на предприятиях атомной промышленности при выполнении срочных работ в условиях повышенной радиации и при полетах в космосе. Уже в середине XX столетия стало известно, что с помощью различных препаратов (вводимых непосредственно до облучения) можно не только защитить организм, но и усиливать действие на него ионизирующей радиации («радиосенсибилизаторы», которые стали применяться в клинике, например, при лучевой терапии рака). те Так, еще в 1953 г. англичанин Д. Грей с сотрудниками обнаружил, что молекулярный кислород обладает радиосенсибилизирующим действием на любые живые организмы (так называемый кислородный эффект); с другой стороны - снижение в процессе облучения содержания кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к противолучевой защите. Появление радиопромодификаторов поставило новую важную задачу: оценить механизм их действия, механизм коррекции радиационного процесса, а для этого - исследовать первичный, ведущий биофизический механизм лучевого поражения.

Уже к середине XX столетия стало известно, что основным отличием ионизирующих излучений от других поражающих факторов (других видов излучений, высокой температуры, токсических веществ и др. физических и химически воздействий) является их высокая проникающая активность и способность в течение долей секунды ионизировать любые атомы и молекулы (М).

Работами Б.Н. Тарусова, Н.М. Эмануэля и ученых их школ удалось показать, что первичные биофизические механизмы - это цепные свободнорадикальные процессы окисления липидов. Затем радикалы воды и липидов взаимодействуют с другими молекулами в клетке и инактивируют их. Итак, при ионизации макромолекул, например, белков, ферментов, нуклеиновых кислот (или при опосредованном действии на них образовавшихся в клетке радикалов воды и липидов), они теряют свои биологические функции и разрушаются.

Накопленный большой экспериментальный материал позволил радиобиологам оценить картину развития острых патологических процессов, зависящих от величины дозы облучения и времени, прошедшего после воздействия, а также получить ключ к направленному поиску средств коррекции лучевого поражения. Оформились фундаментальные научные направления: общая и медицинская радиобиология. Подводя итог вековому опыту этих направлений можно сформулировать основные теоретические принципы радиобиологии:

1. Ионизирующие излучения в отличие от тепловых - дискретны, их энергия передается «концентрированными порциями» (принцип «попадания»).

2. Существующая гетерогенность структур и иерархия их радиочувствительности позволяет определить главные звенья («мишени», «критические органы»), а также последовательность повреждения систем в исследуемом диапазоне доз облучения (принцип гетерогенности).

3. Ведущим биофизическим («запальным») процессом лучевого поражения является ионизация и последующее усиление окислительных механизмов деградации биологических систем (принцип окислительной деградации).

4. Лучевая болезнь - это комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых нарушений (биохимических, физиологических и др.), результат системного, кооперативного ответа организма на облучение (принцип системного ответа).

Казалось бы, фундаментальные исследования в радиобиологии завершились, остались лишь «отделочные», «косметические» работы. Однако, как это бывало и ранее, социальные проблемы резко поставили принципиально новые задачи в радиобиологии. Так, можно считать, что авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. и снятие секретов с информации об экологических ее последствиях породили новый, уже современный этап в развитии радиобиологии.