Материал: Экзамен радиобиология готовые ответы

Радиобиология экзаменационные вопросы(ответы)

1.Предмет, задачи, проблемы радиобиологии.

Объектами радиобиологии являются молекулы, макромолекулы, разные структуры клеток, клетки, популяции клеток, культура тканей, микроорганизмы, растения, млекопитающие и человек.

Главная задача радиобиологии – выявление и изучение общих закономерностей радиобиологических реакций живых организмов на действие ионизирующих излучений.

Главной проблемой радиобиологии является проблема радиочувствительности. До настоящего времени не решен вопрос – почему отдельные виды и клетки имеют разную радиочувствительность. В тоже время установлено, что радиочувствительность различных клеток и организмов может различаться в десятки и сотни раз.

Второй проблемой в радиобиологии считается проблема механизма действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Механизм действия излучений полностью не раскрыт, поэтому нет единой теории объясняющей механизм действия ионизирующих излучений.

Третья проблема – это профилактика и терапия острых лучевых поражений. Прошло более 50 лет со дня открытия радиозащитных средств (радиопротекторов), но не найдено ни одного протектора, который бы уменьшил поражающий эффект в 2 раза. Лечение острых лучевых поражений невозможно.

Четвертая проблема – сенсибилизация клеток и тканей. Сенсибилизаторы – это вещества, усиливающие радиационное поражение клеток и тканей. Сенсибилизация применяется при лучевой терапии злокачественных опухолей, поэтому значительно повышается эффективность радиационно-биологических технологий лечения.

Пятая проблема – специфика действия на организм малых доз излучений. Сейчас доказано, что любая малая доза может вызвать радиобиологический эффект. Действием малых доз ионизирующих излучений на организм считается облучение организма ионизирующим излучением от инкорпорированных радионуклидов, которые попадают в организм в основном с продуктами питания.

Шестая проблема – особенности действия на организм малых доз хронического облучения от инкорпорированных радионуклидов, которые накапливаются в различных органах организма и вызывают облучение клеток тканей и органов.

Седьмая проблема – радиационное нарушение иммунитета.

Восьмая проблема – отдаленные последствия облучения (лейкозы, катаракты, злокачественные новообразования, сокращение продолжительности жизни, генетические эффекты) и причины их возникновения и особенности проявления.

2. Относительная биологическая эффективность и линейная передача энергии. Методы оценки относительной биологической эффективности.

Степень биологического действия разных видов излучений зависит от их линейной передачи энергии (ЛПЭ), т.е. от количества энергии, переданного веществу на 1 мкм пробега излучения в веществе.

Для сравнения биологического действия разных видов ионизирующих излучений введено понятие относительная биологическая эффективность (ОБЭ). Для количественной оценки ОБЭ излучения используют ее коэффициент, который определяется как отношение доз стандартного и исследуемого видов ионизирующего излучения, необходимых для получения одинакового биологического эффекта. Коэффициент ОБЭ определяется по формуле

К_обэ = (ДR_о)_эф/ (ДХ)_эф,

где (Д R_о)_эф – доза стандартного излучения (гамма-излучение ⁶⁰Со или ¹³⁷Cs с энергией излучения 180-250 кэВ);

(ДХ)_эф – доза изучаемого излучения;

эф – сравниваемый радиационный эффект.

Относительная биологическая эффективность для любого вида излучений – величина непостоянная, которая зависит от величины линейной передачи энергии и радиочувствительности облучаемого объекта, а также от следующих факторов:

1. величина и мощность дозы (с увеличением дозы ОБЭ увеличивается до определенного предела);

2. режим фракционирования или дробления дозы на фракции (при фракционированном облучении ОБЭ возрастает по мере увеличения числа фракций).

3. до- и пострадиационные условия (т.е. температурный режим, наличие или отсутствие кислорода и условия питания). Максимальное ОБЭ при оптимальной температуре и при оптимальных условиях питания, потому что при оптимальных показателях происходит активное деление клеток. ОБЭ плотно-ионизирующих излучений повышается при дефиците кислорода.

Более точную оценку ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ получают при облучении изолированных клеток или других мелких объектов, в которых энергия излучения распределяется почти равномерно. В тканях доза распределяется неравномерно, поэтому ОБЭ практически нельзя оценить.

3. Теория попадания и мишени.

Единой теории, объясняющей механизм действия излучения, нет. В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно выделяют два основных этапа. Первый этап – первичное (непосредственное) дей­ствие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап – опосредованное действие, которое обуславливается измене­ниями, возникающими в организме под влиянием облучения.

На основе механизма, объясняющего прямое действие ионизирующих излучений, возникла теория мишени и попаданий Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра — мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц излучения может вызвать разрушение и гибель клетки. Попадание в мишень — вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее; чем меньше доза, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно. В основе этой теории лежат три принципа: первый – принцип попадания — указывает на то, что началом любого радиобиологического эффекта является случайный акт попадания излучения в определенную область клетки, где происходит дискретная передача энергии излучения, т.е. поглощение порций энергии излучения при случайном акте попадания в мишень. Второй – принцип мишени — учитывает особен­ность облучаемого объекта (клетки), т.е. различие в ее ответной реакции на одно и то же попадание. Не всякое попадание сопровождается гибелью клетки. Клетка погибает при попадании излучений в жизненно-важные структуры клетки, которые называются мишени. В облучаемых клетках мишенями являются хромосомы и молекулы ДНК. Третий – принцип усилителя – все биологические структуры клетки имеют разную радиочувствительность и разное значение в жизнедеятельности клетки. При попадании излучения в мишень поражение клетки значительно усиливается и увеличивается количество погибших клеток. Принципы указывают на то, что передаваемая объекту энергия, характеризуется дискретностью, статистичностью и носит вероятностный характер. Теория попадания и мишени приемлема только для простых систем.

4. Структурно-метаболическая теория.

Универсальной теорией, объясняющей механизм действия ионизирующего излучения, является структурно-метаболическая теория. В основе теории лежит принцип многофакторности в проявлении любой радиобиологической реакции или радиобиологического эффекта. В облученной клетке происходит образование радиотоксинов. Образование первичных радиотоксинов зависит от поглощенной дозы, времени облучения и носит экспоненциальный характер. После облучения образование радиотоксинов продолжается вследствие повышения активности ферментативных систем окисления, т.е. имеет место механизм биологического усиления начальных процессов.

В своей теории автор выделил 6 общих принципов:

1. дискретный характер передачи энергии;

2. прямое и косвенное действие излучения;

3. при облучении повреждаются микро- и макромолекулярные структуры клетки;

4. генетические и физиологические нарушения передаются по наследству;

5. в клетке одновременно происходят процессы повреждения и восстановления от повреждений;

6. любой радиобиологический эффект развивается во времени.

В теории основная роль при формировании радиобиологических эффектов отводится нарушениям в биомембранах клеток и клеточных структур, а также нарушениям в ядре клетки. Биомембраны играют важную роль в делении клеток. На поверхности биомембран имеются особые рецепторы, которые передают сигналы гормонов через липиды мембран. Липиды относятся к высоко радиочувствительным молекулам, поэтому при действии ионизирующих излучений на липиды, входящие в состав клеточных мембран, в присутствии кислорода образуются пероксиды (первичные липидные радиотоксины и продукты их распада). Повреждение липидов приводит к нарушению целостности мембран, поэтому нарушается их проницаемость и важнейшие метаболические процессы в клетке и ядре: инактивация ферментов и гормонов, нарушение энергетических функций митохондрий и синтеза ДНК и РНК.

Все вещества, оказывающие влияние на геном клетки Кузин А.М. назвал триггер-эффекторами, к которым относятся хиноны, семихиноны, гормоны и другие вещества. В зависимости от дозы облучения их концентрация в клетках возрастает, они оказывают угнетающее и подавляющее действие на геном клетки и процессы биосинтеза (синтез белка и ДНК). При облучении в клетках повышается содержание обычных первичных токсинов, появляются новые токсины, не свойственные клетке, из первичных токсинов могут образовываться вторичные токсины. Радиотоксины вызывают окисление молекул различных органических соединений клеток, поэтому нарушаются ферментативные и энергетические процессы, синтез ДНК, структура хромосом, структура информационной РНК, что приводит к синтезу измененных белков и к образованию аномальных клеток и формированию раковых опухолей в тканях. Схема развития лучевого токсического эффекта приведена на рисунке 1.

5. Особенности и этапы действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Прямое и косвенное действия.

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической активностью. Они могут вызывать ионизацию любых химических соединений, биосубстратов, а также радиолиз молекул с образованием активных радикалов, что приводит к возникновению многочисленных и длительных реакций в живых клетках и тканях. Результатом биологического действия радиации является нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях.

Все радиобиологические реакции начинаются одинаково, т. е. с формирования молекулярных и клеточных повреждений в результате передачи им энергии излучения и заканчиваются физиологическими и морфологическими изменениями в облученном организме. В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты выделяют ряд последовательных этапов, объединенных между собой причинно-следственными связями (таблица 1).

Т а б л и ц а 1 – Этапы действия ионизирующих излучений на биологические объекты

Таким образом, начальное действие ионизирующих излучений происходит на атомном и молекулярном уровнях, затем, с течением времени, проявляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат два механизма, обозначенные как прямое и косвенное действие. Под прямым действием радиации понимают изменения молекул, которые возникают в результате поглощения энергии излучения непосредственно самими молекулами.

Под косвенным (непрямым) действием понимают изменения в молекуле, которые вызываются в результате взаимодействия молекул с продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ.

6. Природа и реакционная способность свободных радикалов (на примере молекулы воды).

При облучении тканей животных и растений основная часть энергии излучения (70-85%) поглощается молекулами воды. Молекулы воды составляют основу важнейших структур клетки, в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты клетки, которым может передаваться энергия, первоначально поглощенная водой. Радиационно-химические реакции (радиолиз) молекулы воды хорошо изучены. Первичные продукты радиолиза – свободный электрон и положительный ион, а также возбужденная молекула воды обладают свойствами, отличающимися от свойств электрически нейтральных молекул. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода (Н^о) и гидроксила (ОН^о). Свободные радикалы – это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней оболочке. Радикалы в сотни раз активнее молекулы воды, так как имеют тенденцию ,,спаривать” неспаренный электрон с аналогичным электроном другого радикала. Время существования свободных радикалов составляет 210^-7 секунды. Радиолиз молекул воды проходит в две стадии. Первая стадия состоит из двух процессов: 1) ионизация и возбуждение молекул; 2) образование свободных радикалов.