Эффекты облучения в малых дозах

Лекция № 14

Тема: ДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОЗ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛЫХ ДОЗ

Влияние малых доз ионизирующего излучения на биологические системы является очень важной проблемой радиобиологии, которая на сегодняшний день до конца не изучена и не объяснена. Актуальность этой проблем обусловлена тем, что малым дозам ионизирующего излучения будут подвергаться все большее количество людей, а также других представителей экосистем нашей планеты. Развитие ядерной энергетики, увеличение использования радиоактивных материалов в разных областях техники, нагромождение ядерных отходов атомных реакторов разного предназначения, несомненно, будут сопровождаться возрастанием доз облучения.

Для экстраполяции данных, добытых в радиобиологических исследованиях при использовании больших доз облучения на область малых доз необходимы особые научные подходы, которые и определяют некоторую специфичность проблемы биологического действия ионизирующих облучений в малых дозах.

Из-за того, что четко не определено какие дозы следует относить к малым, наблюдается расхождение в количественных значениях доз, которые относят к малым. Чаще всего основываются на предположениях, и под малыми дозами понимают те дозы, количественные значения которых не больше чем на один-два порядка превышают значение доз, обусловленных природным уровнем облучения. Поскольку последние характеризуются мощностями поглощенной дозы порядка 0,1-0,4 сГр/год, то к малым дозам принадлежат дозы 1-40 сГр.Это отвечает рекомендациям Научного комитета по действиям атомной энергетики.

По определению другой международной организации – Научного комитета ООН по действиям атомной радиации, малыми дозами облучения являются дозы 0,2 Гр для ионизирующих излучений с низким значением ЛПЭ и 0,05 ГР – с высоким по мощности поглощенной дозы порядка 0,05 Гр/мин.

Иногда считают, что малые дозы ионизирующего излучения соответствуют значениям, которые на два или больше порядков меньше летальных доз.

В клинической практике малыми дозами считают дозы. 0,5-1,0 Гр в случае облучения которыми не возникает эффекта поражения.

Иногда малой считают дозу, после которой начинает проявляться исследуемый нелетальный эффект. Но разные радиобиологические эффекты в одной и той же клетке проявляются в ответ на облучение в разных дозах. И поэтому одна и та же доза для самой радиорезистентной системы клетки будет малой, а для других систем большой.

Для определения малой дозы был предложен физический критерий: малой дозой считают ту дозу, при которой в критической мишени происходит в среднем не более чем одно радиационное событие – пересечение мишени треком фотона или заряженной частицы.

На самом деле, если не происходит попадания в мишень, то поглощенная доза равна нулю.

Как видно, несмотря на такие разные подходы в определении малых доз ионизирующего излучения, под ними понимают такие значения доз излучения, при которых регистрируются радиобиологические эффекты преимущественно нелетального характера.

ЭФФЕКТЫ ОБЛУЧЕНИЯ В МАЛЫХ ДОЗАХ

Под влиянием ионизирующего излучения в малых дозах подразумевается ряд эффектов, которые не наблюдаются при облучении в больших дозах.

Также как и при больших дозах излучения под действием малых доз проявляются стохастические и детерминистические эффекты.

К стохастическим эффектам принадлежат: хромосомные аберрации, точечные мутации, трансформации клеток, т.е. те радиобиологические реакции, которые не имеют дозового порога.

Поскольку частота проявления стохастических эффектов при малых дозах очень низкая, их количественная оценка такая неточная, что до сих пор нет окончательных обоснований выбора способа экстраполяции дозовых зависимостей биологических эффектов ионизирующего излучения с диапазона больших доз на диапазон малых.

К основным детерминистическим эффектаммалых доз относят:

Адаптивный ответ – увеличение стойкости к повышенным дозам ионизирующего излучения;

Стимуляция пролиферативной активности бактериальных, животных и растительных клеток в культуре и in situ;

Интенсификация разных биохимических и физиологических процессов вследствие облучения клеток и многоклеточных организмов, которая может сопровождаться общей активацией процессов жизнедеятельности организма, которая выражается усилением роста, увеличением биомассы, ускорением темпов развития (радиостимуляция).

Адаптационный ответ, который имеет неспецифический характер, обуславливает увеличение стойкости организма к действию неблагоприятных факторов среды. При этом преимущество организмов, у которых сформировалась адаптация над теми, которые не получали малой адаптирующей дозы проявляется при неблагоприятных условиях роста и развития.

Эффекты малых доз не исчерпываются приведенными выше примерами, неодинаково проявляются в разных биологических системах: так, например, обнаружены изменения в экспрессии ряда генов, организации генома, индукцию апоптоза.

РАДИОСТИМУЛЯЦИЯ

Во время исследования дозовой зависимости интенсивности ростовых процессов или увеличения биомассы в широком интервале доз, начиная от очень маленьких – порядка 10^-2 Гр, обнаруживается такой диапазон, в границах которого наблюдается стимуляция роста и ускорение развития животных и растительных организмов. Стимуляция роста и развития организмов при их облучении в малых дозах называют радиостимуляцией, по аналогии с таким же явлением, которое наблюдается в случае применения некоторых токсических веществ в очень малых дозах.

Диапазон доз, в границах которого проявляется радиостимуляция, совпадает с интервалом малых доз.

Радиостимуляцию наблюдают у растений, животных, одноклеточных организмов и в культуре клеток. Но в большей степени это явление исследовано у растений.

Облучение семян в малых дозах благоприятствует увеличению всхожести, интенсивному росту проростков, чем выражается повышенный уровень метаболических и физиологических процессов.

Но значение стимулирующих доз для многих культурных растений являются не совсем и малыми, например, для гороха – 3-10 Гр, для кукурузы – 5-10 Гр, для льна – 10 Гр, для озимой пшеницы – 25 Гр.

При облучениях в меньших дозах – порядка 10^-1Гр происходит увеличение всхожести семян многих сельскохозяйственных растений и цветочных культур, ускорения распочковывания побегов.

Таким образом, радиостимуляция может проявляться двумя максимумами в областях малых доз: первый – в области порядка 10^-2 Гр, а второй – в области порядка единиц грей

Радиостимуляция растений проявляется не только в случае облучения семян, но и при действии ионизирующего облучения на луковицы, клубни и другие органы вегетативного размножения.

В то же время радиостимуляция – это явление, которое характеризуется невоспроизводимостью: в повторных экспериментах с облучением семян растений в стимулирующих дозах радиостимуляция проявлялась не всегда. Оказалось, что регулярность проявления радиостимулирующего эффекта у разных растений неодинакова: есть такие виды и сорта, у которых радиостимуляция проявляется достаточно выразительно. Если интервал времени между облучениями и прорастанием облученных семян увеличивать, то вероятность радиостимулирующего эффекта уменьшается. Считают, что развитие радиостимулирующего эффекта начинается с появления свободнорадикальных молекул в клетке, а, как известно, свободные радикалы могут достаточно быстро дезактивироваться вследствие рекомбинационных процессов.

Для объяснения природы радиостимулирующего эффекта было выдвинуто ряд гипотез. Самой обоснованной гипотезой была гипотеза О.М. Кузина, по которой радиостимуляция определяется активацией определенных генов под влиянием так называемых триггер- эффекторов, которые регулируют репрессию определенных участков генома.

На самом деле под действием малых доз ионизирующего излучения наблюдается функциональное перепрограммирование генома.

Эффект радиостимуляции у растений зависит не только от дозы излучения, а и от значения ЛПЭ. При действии излучений с высокими значениями ЛПЭ радиостимуляция не наблюдается.

Стимуляция развития и формирования растений под действием излучений в дозах порядка нескольких грей может обуславливаться не только непосредственно радиостимулирующим эффектом, а и совсем другими, связанными с повреждением клеток апикальных меристем явлениями. Происходит ослабление апикального доминирования, которое сопровождается развитием дополнительных побочных побегов. При определенных условиях эти процессы могут проявиться в повышении продуктивности растений. В то же время такой эффект нельзя назвать радиостимуляцией в полном понимании этого термина. Это явление принадлежит к компенсаторным реакциям, которые индуцируются повреждениями отдельных групп клеток.

При облучении животных в дозах, которые не превышают 10 Гр, наблюдается ускорение обновления тимоцитов и повышения реактивности макрофагов селезенки. Но эффект радиостимуляции не свидетельствует о том, что малые дозы являются безопасными для биологических систем. На самом деле, радиостимуляция есть проявлением соматических реакций, и одновременно с ними могут возникать молекулярные повреждения, из-за которых могут формироваться стохастические эффекты – генетические нарушения и трансформация клеток. Ведь передача клетке энергии ионизирующего излучения в треке заряженной частицы или гамма-фотона причиняет ее дозонезависимое повреждение, а поэтому ее радиационное повреждение должно быть полным, частота которого (а не интенсивность проявления) зависит от значения дозы.