Радиационная биофизика Татьяна Анатольевна Зотина кандидат биологических наук доцент старший научный сотрудник лаборатории радиоэкологии Института биофизики СО РАН

Тема 1. ВВЕДЕНИЕ Предмет радиационной биофизики. Задачи, экскурс в историю предмета. Связь с другими областями знаний. Радиобиология, парадокс радиобиологии. Современные направления.

Радиационная биология – задача: основные направления: Радиационная биология – задача: выявить закономерности биологического ответа на воздействие ионизирующего излучения основные направления: Радиационная биофизика Радиационная биохимия Радиационная генетика Радиационная цитология Радиационная экология (биогеоценология) Радиобиология неионизирующих излучений Радиационная патофизиология Радиобиологические основы лучевой терапии и диагностики Космическая радиобиология Радиационная эпидемиология Радиационная гигиена Сельскохозяйственная радиобиология

Н.В.Тимофеев-Ресовский ( ) 1947 г. работал по проблемам радиационной безопасности в Челябинской обл., г. Снежинск ( в связи с работами по созданию советской томной бомбы) г. работал по проблемам радиационной безопасности в Челябинской обл., г. Снежинск ( в связи с работами по созданию советской томной бомбы). В Тимофеев-Ресовский заведовал отделом биофизики в Института биологии УФАН СССР, Свердловск; читал несколько циклов лекций по влиянию радиации на организмы и по радиобиологии на физическом факультете Уральского университета; В Тимофеев-Ресовский заведовал отделом биофизики в Института биологии УФАН СССР, Свердловск; читал несколько циклов лекций по влиянию радиации на организмы и по радиобиологии на физическом факультете Уральского университета; В Тимофеев-Ресовский заведовал отделом радиационной генетики и общей радиобиологии в Ин-те медицинской биологии АМН СССР, Обнинск. Здесь он возглавил исследования в области радиобиологии, цитогенетики человека, радиационной цитогенетики и генетики популяций, математической теории эволюции, биогеоценологии. В Тимофеев-Ресовский заведовал отделом радиационной генетики и общей радиобиологии в Ин-те медицинской биологии АМН СССР, Обнинск. Здесь он возглавил исследования в области радиобиологии, цитогенетики человека, радиационной цитогенетики и генетики популяций, математической теории эволюции, биогеоценологии. С 1969 г. консультант в Ин-те медико-биологических проблем, Москва. С 1969 г. консультант в Ин-те медико-биологических проблем, Москва. Основные труды по радиобиологии Тимофеев-Ресовский Н. В., Иванов Вл. И., Корогодин В. И.. «Применение принципа попадания в радиобиологии» Тимофеев-Ресовский Н. В., Савич А. В., Шальнов М. И.. «Введение в молекулярную радиобиологию». М.: Изд-во «Медицина», 1981.

Парадокс радиобиологии (Н.Тимофеев-Ресовский) Биологический эффект ионизирующего излучения вызывается крайне малой поглощенной энергией. Биологический эффект ионизирующего излучения вызывается крайне малой поглощенной энергией. Пример: при облучении человека массой 70 кг в смертельной дозе 10 Гр передается всего 167 калорий (стакан горячего чая)

Кудряшов Юрий Борисович, кафедра биофизики биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, с 1962 г. руководит лабораторией радиационной биофизики us/science/photosynthesis_ph isiology_biochemistry/person 73324/ us/science/photosynthesis_ph isiology_biochemistry/person 73324/

By Edward Alpen, University of California, Berkeley and San Francisco, California, U.S.A. This newly revised and updated edition of Radiation Biophysics provides an in-depth description of the physics and chemistry of radiation and its effects on biological systems. Coverage begins with fundamental concepts of the physics of radiation and radioactivity, then progresses through the chemistry and biology of the interaction of radiation with living systems. The Second Edition of this highly praised text includes major revisions which reflect the rapid advances in the field. New material covers recent developments in the fields of carcinogenesis, DNA repair, molecular genetics, and the molecular biology of oncogenes and tumor suppressor genes. The book also includes extensive discussion of the practical impact of radiation on everyday life. Audience: AUDIENCE:Upper-level undergraduate and graduate students in radiological science, biophysics, and nuclear engineering departments; students in DOE courses, and health physics or medical physics courses that require certification training; medical residents in radiology, radiation oncology, and nuclear medicine departments; researchers and professionals working in these fields. Hardbound, 484 pages Published: OCT-1997 ISBN 10: ISBN 13: Imprint: ACADEMIC PRESSACADEMIC PRESS

Фундаментальная задача: выяснить механизмы (физико-химические и молекулярные) действия ионизирующих излучений на биологические объекты от поглощения энергии до ответа биологической системы медицина экология рентгенология физика биология физиология биохимия генетика Радиационная биофизика

Актуальность радиобиологических исследований: живые организмы подвержены воздействию радиационного излучения естественного и антропогенного происхождения Природный (естественный) радиационный фон: космическое излучение; радионуклиды, рассеянные в почве, воде, воздухе, возраст которых совпадает с возрастом планеты (калий –40, уран-238, торий-232, радон , радий-226)

Техногенный радиационный фон Техногенный радиационный фон формируется за счет: - концентрирования и перераспределения - концентрирования и перераспределения естественных радионуклидов (добыча и сжигание топлив, переработка руд, производство строительных материалов) - К-40, U-238, Th-232; С-14; - Загрязнения окружающей среды радиоактивными изотопами ядерно- энергетического происхождения: Cs-137 (T1/2=30 лет), Sr-90 (T1/2=27,7 лет), Pu-239, 240 (T1/2=8,9*10 6 лет), Np , Am , Cm Загрязнения окружающей среды радиоактивными изотопами ядерно- энергетического происхождения: Cs-137 (T1/2=30 лет), Sr-90 (T1/2=27,7 лет), Pu-239, 240 (T1/2=8,9*10 6 лет), Np , Am , Cm Производства и использования искусственных радионуклидов и источников ионизирующих излучений в науке, медицине, промышленности - Производства и использования искусственных радионуклидов и источников ионизирующих излучений в науке, медицине, промышленности Рис. Концентрация активности радионуклидов на планете

1895 г, Вюрцбург, Германия, Конрад Рентген – открытие Х-лучей (Нобелевская премия ); Wilhelm Conrad Röntgen (27 March 1845 – 10 February 1923) 1896 г, Париж, Франция, Анри Беккерель (Becquerel) – открытие естественной радиоактивности урана и др. тяж. элементов(Нобелевская премия по физике совместно с П. и М.Кюри, 1903 г Открытие радиоактивности Antoine Henri Becquerel (1852 – 1908) Pierre Curie (15 May 1859 – 19 April 1906) Marie Skłodowska–Curie (7 November 1867 – 4 July 1934) В 1911 г. Нобелевская премия по химии «за открытие элементов радия и полония, выделение и изучение свойств радия». Уильям Лоренс и Уильям Генри БРЭГГ. (Sir William Lawrence Bragg, ) Нобелевская премия по физике, 1915 г. Уильям Лоренс и Уильям Генри БРЭГГ За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Под его руководством группа ученых проанализировала строение ДНК, глобулярные протеины, в частности, гемоглобин.

Открытия различных видов радиоактивности (Каменский, 1999)

Протонный распад (1981 г) родительское ядро, находясь в основном состоянии, самопроизвольно испускает протон с образованием определенного состояния (не обязательно основного) дочернего ядра Первое протонораспадное ядро 151Lu71 было получено в 1981 году на ускорителе многозарядных ионов в Дармштадте (Германия). К началу 1998 года на различных ускорителях многозарядных ионов, использующих ионы 40Ca, 54Fe, 58Ni, 78Kr, 92Mo, 112Sn и другие, в реакциях слияния типа (1) с испусканием из составного ядра до пяти нуклонов 58Ni Ru44 154Hf*72 151Lu71 + 1p + 2n

Кластерный распад (1984 г.) Примеры кластерного распада: 222Ra 14C + 208Pb, 222Ra 14C + 208Pb, 223Ra 14C + 209Pb, 223Ra 14C + 209Pb, 224Ra 14C + 210Pb, 224Ra 14C + 210Pb, 226Ra 14C + 212Pb, 226Ra 14C + 212Pb, 230Th 24Ne + 206Hg, 230Th 24Ne + 206Hg, 231Pa 24Ne + 207T1, 231Pa 24Ne + 207T1, 232U 24Ne + 208Pb, 232U 24Ne + 208Pb, 233U 24Ne + 209Pb, 233U 24Ne + 209Pb, 234U 24Ne + 210Pb, 234U 24Ne + 210Pb, 234U 28Mg + 206Hg, 234U 28Mg + 206Hg, 236Pu 28Mg + 208Pb, 236Pu 28Mg + 208Pb, 238Pu 32Si + 206Hg 238Pu 32Si + 206Hg Схема выхода кластера из атомного ядра: а - кластер X находится внутри ядра А; б - кластер X вылетел из ядра Мультифрагментация ядра при его столкновении с быстрой частицей атомные ядра, которые находятся в основных (невозбужденных) состояниях, самопроизвольно (спонтанно) испускают тяжелые составные частицы, такие, как 14C, 24Ne, 28Mg, 32Si

Этапы развития радиобиологии описательный (первый) этап Эксперименты открывателей радиоактивности на самих себе: Сообщения о лучевом поражении кожи и выпадении волос у исследователей, работавших с радиоактивностью Эксперименты на животных и растениях Тарханов (Тархан-Моурави Иван Рамазович), физиолог, Россия – одним из первых начал изучать действие ИИ на организм - опыты на лягушках и насекомых – реакции на облучения во многих системах организма - выводы о возможности лечебного применения рентгеновских лучей; в 1896 г опубликовал работу о возможном влиянии рентгеновских лучей «на ход жизненных функций» описаны лучевые изменения в органах и тканях, летальные эффекты Г. Петерс (Германия) обнаружил нарушение деления в облученных клетках 1903 – 1906 гг - описаны отличия радиочувствительности клеток 1911 – опубликована первая в мире монография по радиобиологии «Радий в биологии и медицине» - Лондон Ефим Семенович, патофизиолог, Россия

Этапы развития радиобиологии (продолжение) Лучевая терапия и диагностика 1895 – первый сеанс лучевой терапии рака молочной железы, Е.Груббе, Германия М.Кюри организовала рентгенологическое обследование раненых в госпиталях. Рентгенотерапия рака- кюритерапия; В ИТОГЕ: накоплено множество разрозненных данных о действии рентгеновского и гамма-излучений на разные биологические объекты: проведены эксперименты с различными типами клеток, качественно описана их реакция на облучение

гг. – второй этап - становление количественных принципов: Крупные открытия 2030-х гг.: Ф.Дессауэр, Германия – предложил гипотезу точечного разогрева; 1925 – Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, Кольцов Н.К. (СССР) открыли мутагенное действие рентгеновских лучей на низших грибах – зарождение радиационной генетики!!! Неизвестно про ДНК!!! 1927, 1928 – работы по радиационному мутагенезу (США) Мёллер (Muller) Герман Джозеф (на дрозофиле) и в 1928 Л. Стедлер (на высших растениях) Г. А. Надсон и в 1925 г П. Анцель и П. Винтембергер (Франция) - пришли к выводу, что наблюдаемые радиационные повреждения клетки результат двух противоположных процессов: развития повреждения и одновременно идущего процесса восстановления г – введена единица экспозиционной дозы – рентген, для количественного измерения рентгеновского и гамма-излучения

Крупные открытия 2030-х гг.: В конце 20 начале 30-х гг. (Ли.Д., Тимофеев-Ресовский Н.В., Циммер К.Г. и др.) – на основе анализа кривых зависимости эффекта (гибель клеток) от дозы облучения, для объяснения его вероятностного характера вводят представление о наличии в клетке особого чувствительного объёма «мишени»; попадание ионизирующей частицы в «мишень» и вызывает наблюдаемый эффект. В ИТОГЕ: выявлены количественные зависимости «доза- эффект»,разработаны теории и математический аппарат для описания эффектов: развиты представления - о дискретности ионизирующих излучений, - о процессе поглощения энергии как сумме единичных актов взаимодействия фотона или частицы с отдельными молекулами или структурами клетки.

Т Третий этап е начало 50-х гг. радиобиология формируется как самостоятельная область науки. Стимулы развития науки: создание и испытания атомного и термоядерного оружия; Использование ИИ для диагностики и лучевой терапии рака; Направления исследований: Лучевая болезнь; методы противолучевой защиты и лучевой терапии Открытия: Радиолиз воды; Прямое действие ИИ; Косвенное действие ИИ – радиолиз воды; Кислородный эффект; 1949 г - Способность ряда веществ защищать от лучевого поражения (радиопротекторы)

5070-е гг. - начато использование в радиобиологии биофизических и биохимических методов исследования. Исследование радиационного поражения макромолекул (ДНК); Открыты явления восстановления (репарации) облученных клеток, осуществляемых специальными ферментными системами, которые быстро ликвидируют радиационные повреждения молекул ДНК. Исследования радиационных эффектов в области «малых доз» излучения; Развитие теоретических представлений и концепций: - Выдвинута стохастическая (вероятностная) концепция биологического действия излучений. - - Предложена структурно-метаболическая гипотеза действия радиации. - Согласно этой гипотезе, вероятностный характер радиационных эффектов является результатом взаимодействия процессов, возникающих в молекулярных и надмолекулярных структурах, обмене веществ в регуляторных системах облученного организма.

е гг. Новые технологии: - - Радиационная стерилизация продуктов питания; зерна, медицинских инструментов, препаратов; - - Радиационный мутагенез для создания новых сортов растений; - - Радиационная однополая стерилизация насекомых методами радиационной генетики – борьба с вредными насекомыми. International symbol of irradiated food

Перечень продуктов, подлежащих облучению (из Radionuclide concentration in food….)

8090-е гг. – развитие радиоэкологии, всплеск исследований проблемы биологического действия малых и сверхмалых доз облучения Стимул развития: авария на Чернобыльской АЭС, масштабное радиоактивное загрязнение окружающей среды; Конец 1990-х – начало 2000-х гг. – развитие радиобиологии неионизирующих излучений Стимул развития: рост использования электромагнитных излучений в промышленности, в быту, научных исследованиях

Использование ионизирующих излучений

Настоящее и будущее радиационной биофизики Движущие силы и перспективы развития: угроза техногенных радиационных катастроф и военных конфликтов с использованием ядерного оружия; Накопленный техногенный фон: прогноз его действия на будущие поколения человека и другой биоты (эффект малых доз); Развитие ядерной энергетики – необходимость захоронения и утилизации отходов (персонал, биосфера) использование ионизирующих излучений в медицине: для диагностики и терапии ряда заболеваний; программы по исследованию космоса (изучение действия ионизирующей радиации на организм человека и других живых объектов, находящихся вне спасительной защиты земной атмосферы) Использование ИИ в с/х (искусственные мутации*: выведение новых сортов; борьба с вредителями) Другие * г. Нобелевская премия по физиологии и медицине Герману Меллеру за обнаружение и изучение мутаций под действием рентгеновских лучей;

Рабочая программа дисциплины «радиационная биофизика» Тема 1. Предмет радиационной биофизики. Цели и задачи, экскурс в историю предмета. Связь с другими областями знаний, радиобиология, парадокс радиобиологии, современные направления. Тема 2. Источники радиационных воздействий на человека. Естественный радиационный фон Земли, антропогенный радиационный фон, основные радионуклиды радиационного фона и их взаимодействие с организмом человека и животных. Использование радиоактивных изотопов человеком. Использование ионизирующего излучения в современной биологии и медицине. Тема 3. Первичные процессы поглощения энергии ионизирующих излучений. Типы ионизирующих излучений, их взаимодействие с веществом (механизмы поглощения энергии). Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений, линейная передача энергии. Основные физические величины радиобиологии и единицы их измерения.

Рабочая программа дисциплины «радиационная биофизика» Тема 4. Прямое и Косвенное действие ионизирующих излучений. Непрямое действие излучения, Радиолиз воды и его продукты, Инактивация макромолекул в растворах. Зависимость «доза-эффект» при прямом и косвенном действии излучения. Тема 5. Радиочувствительность биологических объектов и ее модификация. Критерии радиочувствительности, кислородный эффект, обратный кислородный эффект, Механизм радиомодифицирующего действия кислорода, Химические радиопротекторы, Механизмы противолучевой защиты. Тема 6. Радиационная инактивация макромолекул и ее последствия Повреждения белков, Перекисное окисление липидов, Радиационные повреждения ДНК и их репарации; последствия для клетки. Тема 7. Лучевые поражения клеток. Стадии лучевого поражения клеток, Радиобиологические реакции клеток (задержка прохождения клеточного цикла; механизмы радиационной гибели клеток (апоптоз и некроз). Репродуктивная и интерфазная гибель клеток. Генетическая нестабильность. Радиационные эффекты, регистрируемые на уровне клетки: обзор современных методов биологической дозиметрии. КР 1

Рабочая программа дисциплины «радиационная биофизика» Тема 8. Радиационные эффекты в области малых доз. Старая и современная парадигмы эффекта малых доз, зависимость «доза- эффект» в области малых доз: гиперрадиочувствительность и радиационный гормезис. Адаптивный ответ. «Эффект свидетеля». Роль естественного радиационного фона для биоты. Тема 9. Дозиметрия. Основные методы аппаратной и биологической дозиметрии и их применения на практике, Методы ретроспективной дозиметрии человека, их возможности и ограничения. Тема 10. Действие излучения на ткани и органы организма. Радиационная чувствительность тканей и органов, радиационные синдромы (действие ионизирующего излучения на систему кроветворения, пищеварения и центральную нервную систему), прямые и опосредованные эффекты облучения, распределение и миграция радионуклидов в организме. КР 2

Рабочая программа дисциплины «радиационная биофизика» Тема 11. Радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения, их природные и техногенные источники, особенности взаимодействия с биологическими объектами. Механизмы биологического действия электромагнитных излучений. Дозиметрия электромагнитных излучений, применение в медицине. Н/П фильм о Н.Тимофееве-Ресовском и становлении радиобиологии в России зачет

Список основной литературы Кудряшов* Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). М.: ФИЗМАТЛИТ, – 442 с Ярмоненко* С.П., Вайсон А.А. Радиобиология человека и животных: учебное пособие. – М.: Высшая школа, – 549 с. Кудряшов* Ю.Б., Перов Ю.Ф., Рубин А.Б. Радиационная биофизика: радиочастотные и микроволновые электромагнитные излучения / Учебник. – М.: Физматлит, – 184 с.

Список вспомогательной литературы Цыб А.Ф., Будагов Р.С., Замулаева И.А. и др. Радиация и патология. М.: Высш. шк., – 341 с. Сапожников Ю.А., Алиев Р.А., Калмыков С.Н. Радиоактивность окружающей среды. М.: Бином, с. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики. - М.: Изд-во МГУ, с. Шарпатый В.А. Радиационная химия биополимеров. М.: ГЕОС, – 250 с. Барсуков* О.А., Барсуков К.А. Радиационная экология. М.: Научный мир, – 253 с. Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение. - М.: Энергоатомиздат, с. Пивоваров* Ю.П., Михалев В.П. Радиационная экология: учебное пособие для высших учебных заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2004 г. – 240 с. Булдаков Л.А., Калистратова В.С. Радиоактивное излучение и здоровье. М.: Информ-Атом, с. (есть pdf) Pöschl M., Nollet L.M.L. Radionuclide Concentrations in Food and the Environment. Taylor & Francis Group, LLC (есть pdf)

Ярмоненко С. П. ( )