Радиобиология

Радиобиология — наука, изучающая действие ионизирующих излучений на живые организмы и биосферу в целом. В природе все подвержено радиационному воздействию, и это определяет широкий диапазон объектов (от макромолекул, вирусов, простейших до многоклеточных растительных и животных организмов, человека в целом, популяций, биоценозов), являющихся предметом радиобиологических исследований.

    Как самостоятельная наука Р. сформировалась в первой половине 20 в. благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники. На первом этапе развития Р. (до начала 20-х гг.) было исследовано действие радиации на рост и дифференциацию клеток, установлена роль ядра в их радиочувствительности. На втором этапе (до конца 50-х гг.) были разработаны методы так называемой количественной радиобиологии и теория биологического действия ионизирующих излучений, обнаружено влияние ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки с последующей наследственной передачей вновь приобретенных признаков, созданы препараты, ослабляющие поражающее действие ионизирующих излучений. Современный, третий, этап развития Р. характеризуется открытием явления восстановления клеток от радиационных повреждений (см. Пострадиационное восстановление), установлением тесных взаимосвязей между Р. и генной инженерией, развитием прикладных аспектов Р., таких как предпосевное облучение семян для повышения всхожести и урожайности с.-х. культур; получение и закрепление в потомстве полезных признаков, возникающих в результате индуцируемых излучением мутаций, с целью создания новых сортов растений; лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, лекарственных средств и реактивов; обоснование принципов гигиенического нормирования ионизирующих излучений с целью обеспечения радиационной безопасности и т.д.).

    Радиобиология включает следующие разделы: молекулярную радиобиологию (изучает на молекулярном уровне радиохимические процессы в живых тканях); космическую радиобиологию (исследует биологическое действие космического излучения, в т.ч. в сочетании с другими факторами космического полета); клиническую радиобиологию; смежные с другими научными дисциплинами радиационные биохимию, цитологию, генетику, экологию, иммунологию, гигиену, а также противолучевую защиту и терапию радиационных поражений. В связи с развитием радиоэлектронной промышленности сформировалась Р. неионизирующих излучений (УФ- и СВЧ-излучений). Изучаемые клеточно-кинетические и физиологические параметры злокачественных новообразований явились научной основой лучевой терапии рака.

    Радиобиология тесно связана с медицинской радиологией (см. Радиология медицинская), является ее теоретической основой, использует достижения других естественных наук.

    Основной задачей Р. является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на действие ионизирующих излучений, необходимых для управления лучевыми реакциями организма с помощью радиомодифицирующих агентов. Решение этой задачи осложняется прежде всего несоответствием между незначительной величиной поглощенной энергии и выраженной реакцией биологического объекта вплоть до его гибели (радиобиологический парадокс).

Так, несмотря на существующие в природе огромные различия в чувствительности к ионизирующим излучениям, облучение в дозе 10 Гр является смертельным для всех млекопитающих. При дозе 10 Гр в 1 мкм³ создается около 200 ионизаций, а поскольку в 1 мкм³ ткани содержится около 10¹¹ атомов, то эта смертельная доза приведет к изменению ничтожно малой доли молекул в данном объеме. Вскрытие причин подобного несоответствия будет способствовать решению основных задач радиобиологии, в т.ч. созданию всесторонне обоснованной теории биологического действия ионизирующих излучений. Особенно актуальным этот вопрос стал в связи с необходимостью прогнозирования последствий длительного облучения населения в малых дозах результате аварии на Чернобыльской АЭС.

    Клиническая радиобиология — раздел Р., изучающий вопросы патогенеза непосредственных лучевых поражений и отдаленных последствий облучения (см. Лучевая болезнь), разрабатывающий принципы их профилактики и лечения, а также научные основы лечебного применения ионизирующих и неионизирующих излучений.

    Наибольшее развитие приобрел аспект клинической Р. — радиобиология опухолей. Поскольку при лучевой терапии возможны рецидивы опухоли при недостаточной до излучения (см. Доза ионизирующего излучения) и тяжелые повреждения нормальных тканей при превышении этой дозы,

основная зада клинической Р. заключается в максимальном расширении терапевтического интервала между радиочувствительностью нормальных опухолевых тканей с целью избирательно повышения противоопухолевого действия ионизирующих излучений.

    Существуют три направления оптимизации лучевой терапии злокачественных опухолей на радиобиологической основе: разработка оптимальных режимов фракционирования дозы, использование плотноионизирующих излучений (нейронов и тяжелых заряженных ядерных частиц) и разработка способов искусственного управления радиочувствительностью здоровых и опухолевых тканей с помощью радиомодифицирующих агентов.

    При разработке оптимальных режимов фракционирования дозы используют различие клеточно-кинетических параметров опухолевых и нормальных тканей, определяющие возможную разницу в величине их реакции на одну и же суммарную дозу излучения, но при разных разовых дозах за фракцию. Так, суммарные дозы излучения, при которых проявляются те и иные непосредственные эффекты в активно пролиферирующих тканях, в т.ч. в опухолях широком диапазоне доз слабо зависят от величины дозы за фракцию. В то же время в медленно пролиферирующих нормальных тканях ростом однократной дозы существенно усиливаются отдаленные эффекты облучения, в связи с этим разработаны режимы так называемого мультифракционирования, при которых суточную дозу дробят на 2—3 и более фракций. Эти режимы особенно успешно применяют при лучевой терапии опухолей с высокой пролиферативной активностью, когда максимально повреждаются быстроделящиеся опухолевые клетки. Реакции нормальных тканей при этом усиливаются в меньшей степени благодаря репарации большей части радиационных повреждений, происходящей в 3—4-часовые интервалы между фракциями.

    В основе применения нейтронов лежат высокая относительная биологическая эффективность,

нивелировка существующих различий в рад; чувствительности клеток на отдельных стадиях цикла и снижение кислородного эффекта также возникновение плохо репарируемых радиационных повреждений клеток. Тяжелые заряженные ядерные частицы (протоны, многозарядные ионы и отрицательные пи-мезоны) кроме того, в конце своего пути выделяют максимум энергии, образуя так называемый пик Брэгга, что позволяет сосредоточить большую часть дозы излучения в патологическом очаге.

    Радиобиологические предпосылки для направленной радиомодификации определяются морфофункциональными особенностями опухолей, которые заключаются в присущем большинству опухолей неполноценном кровоснабжении из отставания ангиогенеза от роста опухолевой массы. В результате формируются зоны, содержащие гипоксические клетки с низкой радиационной чувствительностью, и частично изменяется метаболизм, т.к. используется гликолитический путь обеспечения энергией. По этим параметрам злокачественные опухоли принципиально отличаются от хорошо оксигенированных нормальных тканей, что позволяет с помощью радиомодифицирующих агентов избирательно изменять реакции опухолей на облучение в нужную сторону.

    На основе изучения клеточно-кинетических параметров опухолей и их изменений в процессе облучения разрабатываются подходы к индивидуальному прогнозированию эффективности лучевой терапии. Этому способствует использование методов клонирования опухолей человека и их выращивания у бестимусных мышей, лишенных иммунологической защиты и не отторгающих эти трансплантаты, что позволяет экспериментально изучать особенности формирования и роста различных опухолей.