[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#01]

Взаємодія випромінювання з біологічними структурами

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#02]

Л 1:

Іонізуючі випромінювання. Їх характеристика.

1. Випромінювання: неіонізуючі та іонізуючі.
2. Типи іонізуючих випромінювань.
3. Електромагнітне випромінювання.
4. Корпускулярне випромінювання.
5. Радіоактивні речовини як джерело іонізуючих випромінювань.
6. Проникаюча здатність іонізуючих випромінювань.
7. Загальні властивості дії іонізуючих випромінювань на біологічні об'єкти.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#03]

Головна задача радіобіології - розкриття загальних механізмів біологічної відповіді на дію іонізуючого випромінювання для того, щоб в кінцевому результаті мати можливість корегувати і керувати реакцією організму при опроміненні.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#04]

Напрямки радіобіології:

• загальна (фундаментальна) радіобіологія: цитологія, біохімія, генетика;

• радіаційна екологія;

• космічна радіобіологія;

• медична радіобіологія (імунологія, гігієна і захист, терапія пухлин)

• + новий, окремий напрямок радіобіології - радіобіологія неіонізуючих випромінювань

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#05]

Рис. Источники радиации. (Sources of Raiation). Джерела радіації

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#06]

Випромінювання: неіонізуючі та іонізуючі

• Випромінювання – це процес вивільнення і поширення енергії у вигляді хвиль або частинок.

• Неіонізуюче випромінювання – випромінювання, яке має недостатньо енергії для іонізації речовини (інфрачервоне, видиме і ультрафіолетове).

• Іонізуюче випромінювання – це випромінювання, яке безпосередньо або опосередковано викликає іонізацію оточуючого середовища.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#07]

ELECTROMAGNETIC RADIATION SPECTRUM

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#08]

Електромагнітний спектр та супутні біологічні ефекти:
іонізуюче та неіонізуюче випромінювання

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#09]

2. Типи іонізуючих випромінювань
(класифікація)

За механізмом іонізації:

Безпосередньо іонізуюче випромінювання — такі частинки (електрони, протони, α-частинки тощо), кінетичної енергії яких достатньо, щоб викликати іонізацію атомів і молекул речовини.

Опосередковано іонізуюче випромінювання — незаряджені частинки (нейтрони) або квазічастинки (фотони), які при дії на речовину спричиняють появу безпосередньо іонізуючого випромінювання або викликають ядерні перетворення.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#10]

За етапом взаємодії з речовиною:

Первинне — випромінювання, яке першим взаємодіє з речовиною.

Вторинне — виникає в результаті взаємодії первинного випромінювання з речовиною.

Третинне ...

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#11]

За однорідністю енергії:

Моноенергетичне — представлене фотонами однакової енергії або частинками одного виду з однією й тією ж кінетичною енергією.

Немоноенергетичне — представлене частинками одного виду, але з різною кінетичною енергією, або фотонами з різною енергією.

Змішане — представлене частинками різного виду, або частинками і фотонами одночасно (наприклад, реакторне випромінювання).

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#12]

За направленістю поширення:

Направлене — випромінювання з виділеним напрямком розповсюдження.

Дифузне — випромінювання без переважаючого напрямку поширення.

За природою випромінювання:

Корпускулярне

Фотонне (електромагнітне)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#13]

Low ionization density //Низька щільність іонізації

Hight ionization density // Зростання щільності іонізації

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#14]

3. Фотонне випромінювання:

Електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль 0,0001 — 390 нм.

γ-випромінювання — 0,0001-0,005 нм,

Рентгенівське випромінювання — 0,005-1 нм,

Ультрафіолетове випромінювання — 1-390 нм.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#15]

Джерела електромагнітного випромінювання:

рентгенівське випромінювання утворюється при гальмуванні швидких електронів, які отримують у вакуумі, в речовині.

γ-випромінювання виникає при переході атомних ядер із одного енергетичного стану в інший, з меншою енергією. Цим процесом супроводжується α- та β-розпад, а також κ-захоплення. Ці кванти генеруються також при анігіляції пари електрон-позитрон, при розпаді окремих елементарних частинок (pi-мезонів).

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#16]

γ-випромінювання

це - поперечні електромагнітні хвилі з λ<10^-8 м (10^-14 ÷ 10^-10 м) і частотою 3·10¹⁹-3·10²¹ Гц, які виникають при внутрішньоядерних перетвореннях внаслідок переходу ядер з метастабільних станів у стабільні;

джерела γ-випромінювання мають лінійний спектр випромінювання, причому для різних джерел він є постійним;

енергія коливається від 0.01 ("м'які" промені) - 3 МеВ ("жорсткі" промені), іноді до 10 (зовсім окремі випадки – 100-1000) МеВ.

головний діапазон енергій для природніх нуклеотидів 0.1-2 МеВ.

головна причина променевої хвороби при використанні атомної зброї

Антуан Анрі Беккерель, 1896 р.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#17]

Взаємодія γ-квантів з речовиною:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#18]

Закон радіоактивного розпаду

Коли N – початкова кількість атомів, то dN – кількість атомів, які розпадаються за нескінченно малий проміжок часу dt; в момент часу t залишатиметься N_t атомів:

λ - постійна розпаду (с^-1)

Т_1/2 – період напіврозпаду (с^-1)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#19]

Періоди напіврозпаду хімічних елементів:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#20]

Періоди напіврозпаду та фізичні характеристики хімічних
елементів:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#21]

Послаблення потоку γ-випромінювання:

При проходженні γ-випромінювання через речовину відбувається його поглинання і розсіювання за законом:

де:

n₀ – початковий потік,

n – потік після проходження через поглинаючу речовину товщиною d,

μ – лінійний коефіцієнт послаблення (см^-1), який складається з коефіцієнтів поглинання γ-випромінювання при фотоефекті (τ), Комптон-ефекті (σ) і ефекті утворення пар (κ):

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#22]

Лінійний коефіцієнт послаблення (продовження):

коефіцієнт послаблення має ряд закономірностей:

• лінійний коефіцієнт фотопоглинання (τ):

τ_е – характеризує частину коефіцієнта поглинання, яка призводить до перетворення первинної енергії фотона в кінетичну енергію електрона,

τ_s – характеризує перетворення енергії первинних фотонів у енергію характеристичного випромінювання

• лінійний коефіцієнт фотопоглинання (τ):

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#23]

• лінійний коефіцієнт комптонівського розсіювання (σ):

σ_е – характеризує частину коефіцієнта поглинання, яка призводить до перетворення первинної енергії фотона в кінетичну енергію електрона,

σ_s – характеризує перетворення енергії первинних фотонів у енергію характеристичного випромінювання

• лінійний коефіцієнт комптонівського розсіювання (σ):

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#24]

• лінійний коефіцієнт ефекту утворення електрон-позитронних пар (κ):

κ _е – характеризує частину коефіцієнта поглинання, яка призводить до перетворення первинної енергії фотона в кінетичну енергію електрона і позитрона,

κ _s – характеризує перетворення енергії первинних фотонів у енергію анігіляційного випромінювання

• лінійний коефіцієнт комптонівського розсіювання (σ):

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#25]

Ефекти поглинання фотонів залежать, по-перше, від енергії γ-кванів, і, по-друге, від заряду ядер речовини

(та, по-третє, від густини речовини)

Енергія первинного фотона перетворюється на

кінетичну енергію електронів і позитронів,

а також на енергію вторинного фотонного випромінювання

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#26]

Масовий коефіцієнт послаблення (μ_m) та закон послаблення:

Речовини з однаковими (подібними) ефективними порядковими номерами мають однакові (подібні) μ_m.

Відповідно, можна переписати закон послаблення:

де

- маса (г), яка відповідає 1 см² мішені з товщиною d.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#27]

Деякі показники:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#28]

рентгенівське випромінювання (РВ)

РВ – випромінювання, яке розташовується в спектральній області між γ-та УФ-випромінюванням, з λ= 0.005 (0.001) – 1 (100) нм:

* до 0.2 нм - "м'яке" випромінювання,

* понад 0.2 нм -"жорстке" випромінювання

Енергетичний діапазон 0.1 КеВ - 0.1 МеВ

РВ (залежно від механізму їх виникнення) можуть мати неперервний (гальмівне випромінювання) або лінійчастий (характеристичне випромінювання) спектр

Іван Пулюй, 1895 р.

Вильгельм Конрад Рентген, 1895 р.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#29]

Характеристичне рентгенівське випромінювання

• Характеристичне РВ – електромагнітне випромінювання, яке випромінюється при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атомів на внутрішні (характеристичний спектр)

• Характеристичний спектр – лінійчатий рентгенівський спектр, який виникає при переходах електронів верхніх оболонок атома на більш низько розміщені до ядра K-, L-, M-, N-оболонки.

• Частоти ліній характеристичного спектра хімічних елементів відповідають закону Мозлі:

• де υ – частота лінії спектра, А, В – постійні для кожної лінії спектра, Z – атомний номер

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#30]

Гальмівне рентгенівське випромінювання

Характеристичні лінії

Виникає при гальмуванні е^- при їх стиканні з частинками речовини.

Наприклад, отримання гальмівного РВ у рентгенівській трубці – через бомбардування металевого електрода в вакуумній трубці пучком прискорених е^- (коли прискорені е^- мають надто значну енергію, РВ переходить в енергетичний спектр γ-випромінювання)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#31]

4. Корпускулярне випромінювання:

• До нього належать:

• α-випромінювання,

• електронне випромінювання,

• протонне випромінювання,

• нейтронне випромінювання,

• мезонне випромінювання.

• У випадку, коли частинки мають заряд, вони є безпосередньо іонізуючими, незаряджені – опосередковано іонізуючі

• залежно від маси, заряду і швидкості частинок КВ поділяють на:

• легкі і жорсткі (діапазон Е_max 0.015-0.05 МеВ ("легке") - 3-12 МеВ ("жорстке").

• заряджені і незаряджені,

• повільні і швидкі.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#32]

α-частинки:

• α-частинки – потік ядер атомів гелію (складаються з 2 протонів і 2 нейтронів), який випромінюється при α-розпаді окремих радіоактивних атомів.

• заряд +2.

• маса 4.003 а.о.м.

• енергія 2 (4) –11 (9) МеВ (для кожного ізотопу є постійною).

• α-розпад характерний для елементів з Z понад 82 та А понад 200.

• α-розпад – тип розпаду ядра, при якому відбувається випромінювання α-частинки:

• При α-розпаді масове число ядра (А) зменшується на 4, а атомний номер (Z) – на 2.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#33]

α-частинки:

• α-розпад є можливим, оскільки маса (а значить і сумарна енергія) α-радіоактивного ядра більша від суми мас α-частинки і дочірнього ядра. Надлишок енергії вивільняється в формі кінетичної енергії α-частинки і віддачі дочірнього ядра

• Відповідно, V=15 000–20 000 км/с

• Пробіг α-частинки в

повітрі – 5-8 см,

воді – 30-50 мкм,

металі – 10-20 мкм

Таким чином, α-частинки мають малу проникаючу здатність

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#34]

α-частинки:

• Довжина пробігу l α-частинки (закон Гейгера):

де V₀ –початкова швидкість частинки, k – константа, k=9,25*10^-28 сек³/см².

• Емпіричне правило Брегга-Клімента:

де l₀ – довжина пробігу в повітрі, ρ – густина речовини, А – атомний номер елемента, який утворює речовину.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#35]

α-частинки:

На 1 акт іонізації витрачається близько 35 еВ.

Пробіг 1 см в повітрі забезпечує створення до 50 000 пар іонів.

глибина прониканняα-частинки в речовину (-> там де ближе до 40)

Залежність питомої іонізації від пробігу α-частинки

(крива Брегга)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#36]

α-частинки:

• Енергія, яка вивільняється при α-розпаді, визначається як:

де М_А – маса материнського ядра, М_А-4 – маса дочірнього ядра, М_α – маса α-частинки.

• Енергія α-частинки:

• Умова α-розпаду:

• Загалом, до α-розпаду здатні ядра з Z>82.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#37]

β-випромінювання:

• Це – корпускулярне випромінювання з неперервним енергетичним спектром, яке складається з негативно або позитивно заряджених частинок (електронів або позитронів) і яке виникає при радіоактивному β-розпаду ядер.

• β-розпад – самовільне перетворення ядер, яке супроводжується випромінюванням (або поглинанням) електрона і антинейтрино або позитрона і нейтрино. При цьому:

• Відомо три типи β-розпаду: електронний розпад (перетворення нейтрона в протон), позитронний розпад (перетворення протона в нейтрон) і електронне захоплення.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#38]

β-випромінювання:

• Проникаюча здатність:

1 е^- з енергією 1 МеВ при пробігу 1 см створює приблизно 90 пар іонів (на створення 1 пари іонів витрачається у середньому 32,5 еВ).

• Закон послаблення потоку β-частинок:

де:

n₀ – початковий потік, n – потік після проходження через поглинаючу речовину товщиною d, μ – лінійний коефіцієнт послаблення (см^-1)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#39]

незаряджені іонізуючі частинки (нейтрони) :

• Теплові нейтрони - мають енергію теплового руху (при Ткімн=0.25 еВ)

• Повільні нейтрони - енергія <1 КеВ

• Проміжні нейтрони - енергія 1-100 КеВ

• Швидкі нейтрони - енергія >100 КеВ

• Надшвидкі нейтрони - енергія 10-50 МеВ

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#40]

Радіоактивність, активність та одиниці вимірювання:

Радіоактивність – це самовільне перетворення ядер елементів, при якому ядра перетворюються у більш стабільні; цей процес супроводжується утворенням корпускулярного або хвильового випромінювань.
Активність речовини – це кількість актів його розпаду за 1 секунду.

Одиниці активності:

• системна - Бекерель (Вq, Бк): 1 Бк - активність нукліду, в радіоактивному джерелі при якому відбувається 1 розпад за 1 секунду

• позасистемна (традиційна) - Кюрі (Кі, Сi); 1 Ci - така кількість радіоактивної речовини, яка розпадається з активністю 3.7•10¹⁰ розпадів/с.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#41]

Дози (експозиційна доза):

• Експозиційна доза – характеристика поля випромінювання:

1 Кл/кг – у 1 кг сухого атмосферного повітря іонізуюче випромінювання індукує іони, які несуть електричний заряд кожного знаку в 1 Кл

• 1 А/кг = 1 Кл/с*кг – потужність експозиційної дози.

• 1 Р (рентген) – доза (зазвичай, характеризує рентгенівське та γ-випромінювання), при якій в см³ сухого атмосферного повітря при температурі 0^оС і тиску 760 мм рт.ст. (101,3 кПа) утворюються іони з зарядом 0.333*10⁹ Кл (2.082*10⁹ пар іонів).

• 1 Р = 3876 Кл/кг

• 1 фер (фізичний еквівалент рентгена) – експозиційна доза будь-якого іонізуючого випромінювання – аналог 1 Р

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#42]

Дози (поглинута доза):

• Поглинута доза – характеристика об’єкту, який піддається опромінюванню:

• 1 Гр (грей) = 1 Дж/кг

• 1 Гр/с = 1 Дж/с*кг – потужність поглинутої дози.

• 1 рад = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр

• 1 рад/с – потужність поглинутої дози

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#43]

Дози (еквівалентна доза):

• 1 зіверт (Зв, Sv) – кількість енергії, яка поглинається 1 кг біологічної тканини, та яка відповідає дії поглиненої доз 1 Гр.

• 1 бер – біологічний еквівалент рентгена – така поглинута доза певного виду випромінювання, що спричиняє біологічний ефект, еквівалентний дії 1 Р:

• D_екв = D_погл*k

k:

• Рентгенівське, γ-, β-випромінювання = 100 бер/Гр (1 бер/рад)

• Повільні нейтрони = 300 бер/Гр (3 бер/рад)

• α-випромінювання, швидкі нейтрони, швидкі протони = 1000 бер/Гр (10 бер/рад)

• Продукти поділу ядер = 2000 бер/Гр (20 бер/рад)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#44]

5. Радіоактивні речовини як джерело іонізуючих випромінювань

Джерела радіоактивного випромінювання – це об’єкти, які містять радіоактивний матеріал (радіонуклідні джерела[Закриті, Відкриті]), або технічні пристрої, які здатні при певних умовах випромінювати іонізуюче випромінювання

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#45]

Джерела γ-випромінювань

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#46]

Джерела β-випромінювань

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#47]

Реакторне випромінювання

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#48]

6. Проникаюча здатність іонізуючого випромінювання

• Проникаюча здатність - це шлях, який хвиля або частинка здатна проходити в речовині.

• Проникаюча здатність знаходиться в зворотній залежності від маси випромінювання та від відстані пробігу:

• І(l)=I(0)•e^(-k•l), де k - лінійний коефіцієнт послаблення (поглинання) матеріалу та l - товщина матеріалу.

• У випадку електромагнітного випромінювання повного поглинання досягти проблематично, використовують показник лінійного коефіцієнта послаблення - відносне зниження енергії випромінювання після проходженні 1см речовини.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#49]

напівослаблення квантів з початковою енергією 2.5 МеВ:

матеріал Товщина

повітря 200 м

дерево 25 см

бетон 10 см

свинець 1.8 мм

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#50]

Проникаюча здатність корпускулярного випромінювання

відносно велика проникаюча здатність у незаряджених частинок (нейтронів), а для заряджених частинок вона визначається масою, енергією та швидкістю руху частинки:

β-частинки мають малу масу та велику швидкість - тому вони слабко втрачають енергію на іонізацію речовини і здатні проходити досить великі відстані. Траєкторія руху β-частинок звивиста внаслідок зміни електричними полями зустрічних атомів.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#51]

7. Загальні властивості дії іонізуючих випромінювань на біологічні об'єкти

Особливості, які варто враховувати при аналізі радіобіологічних процесів

Закон Гротгуса (загальний закон фотохімії): хімічну реакцію в речовині може викликати тільки поглинута частина світла.

Радіобіологічний парадокс: поглинання дуже незначної кількості енергії призводить до значної реакції організму, аж до його загибелі.

Спадкова дія іонізуючих випромінювань.

Кумуляція доз: накопичення ефектів.

Наявність латентного періоду (декілька хвилин – десятки років): характерна для опромінення досить невеликими дозами тривалий час .

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#52]

• Радіочутливість - головний критерій ефективності діі випромінювання - чутливість біологічних об'єктів до впливу випромінювання.

• LD50 - доза випромінювання, яка спричиняє загибель половини досліджуваних об'єктів - показник, який найчастіше використовують для кількісної характеристики радіочутливості.

• Радіорезистентність - поняття протилежне до радіочутливості.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#53]

Радіочутливість

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_1 RB#54]

радіочутливість

#LEC2

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#01]

Л.2: Механізми біологічної дії іонізуючого випромінювання

1. Базові поняття: криві виживання та відносна біологічна ефективність випромінювань.

2. Принципи теорії мішені.

3. Ефективний об'єм мішені.

4. Унікальні та масові структури клітини. Багатоударні мішені

5. Роль цитоплазми і ядра в розвитку радіаційного ураження клітини.

6. Цитоскелет як мішень у разі дії іонізуючих випромінювань.

7. Структурно-метаболічна теорія.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#02]

Особливості, які варто враховувати при аналізі радіобіологічних процесів

• Спадкова дія іонізуючих випромінювань.

• Кумуляція доз: накопичення ефектів.

• Наявність латентного періоду (декілька хвилин – десятки років): характерна для опромінення досить невеликими дозами тривалий час .

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#03]

Радіочутливість - головний критерій ефективності діі випромінювання - чутливість біологічних об'єктів до впливу випромінювання.

LD₅₀ - доза випромінювання, яка спричиняє загибель половини досліджуваних об'єктів - показник, який найчастіше використовують для кількісної характеристики радіочутливості.

Радіорезистентність - поняття протилежне до радіочутливості.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#04]

Радіочутливість

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#05]

Радіобіологічний (енергетичний) парадокс:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#06]

1. Базові поняття

доза, при якій виживання клітин знижується на 37%

D0 – показник відносної радіочутливості клітинної популяції (середнє значення для клітин ссавців 1.5 Гр)

D1 – початковий нахил кривої виживання.

Dq – квазіпорогова (сублетальна) доза

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#07]

Відносна біологічна ефективність випромінювань

Для порівняння виживання клітин при опроміненні дозою 4-6 Гр:

α-частинки – 0.1%,

β-частинки – 70-80%,

Рентгенівське – 70-80%

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#08]

Траєкторії (треки) частинок в речовині

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#09]

Лінійна передача енергії (ЛПЕ, L – linear energy transfer) – енергія, яку передає іонізуюче випромінювання в речовині на одиницю довжини пробігу:

гальмівна здатність речовини - показник ЛПЕ, незалежний від густини речовини:

L пропорційна квадрату заряду частинки.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#10]

Зв’язок між біологічною ефективністю та лінійною передачею енергії:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#11]

Відносна біологічна ефективність різних видів випромінювань

(100 пар іонів на 1 мкм шляху в воді)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#12]

Етапи дії іонізуючих випромінювань на біологічні об’єкти:

Порядок величини τ
10^-13-10^-10	Фізико-хімічний етап: іонізація і збудження атомів і молекул,
10^-7	2. Хімічний етап: утворення вільних радикалів,
10^-6	3. Біомолекулярний етап: пошкодження білків, нуклеїнових кислот, ліпідів,
Сек.-доби	Ранні біологічні ефекти: загибель клітин, організму,
Роки	Віддалені біологічні ефекти: пухлини, генетичні аномалії, загибель організму

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#13]

1-й етап дії іонізуючих випромінювань на біологічні об’єкти:

Фізична стадія дії ІВ (t = 10^-13 с) : вся енергія фотонів і частинок повністю витрачається на іонізацію атомів і молекул тканини:

1 етап – первинна іонізація: електрону надається енергія, достатня для виходу за межі атома з наступною іонізацією атомів і молекул:

2 етап – вторинна іонізація: вільні електрони, вибиті з атомів речовини іонізуючим випромінюванням, у свою чергу, також здійснюють іонізацію

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#14]

Іонізація біологічних тканин

На іонізацію атомів Н, N, O, C, S, P затрачається 10-15 еВ. На їх збудження затрачається – в декілька разів менше енергії. Загалом, на формування 1 пари іонів витрачається ≈34 еВ.

Таким чином, стехіометрія

іонізовані атоми : збуджені атоми=1 : (2-4)

Суспензія клітин

Трек l = 13 мкм, густина іонізації =2.5*10³ пар іонів/мкм шляху,

Сумарний трек δ-електронів = 26 мкм

Комптонівська взаємодія індукувала виліт е^-, середня енергія е^- = 45 кеВ,густина іонізації =8.5 пар іонів/мкм шляху

Рентгенівськевипромін.Е=200 кеВ

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#15]

Феноменологія дії іонізуючих випромінювань на різноманітні біологічні об’єкти:

При min дозі спостерігається деяка кількість вражених об’єктів (клітин, молекул фермента, вірусів),

а при max дозі – навпаки – ще є деяка кількість невражених об’єктів

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#16]

Уявлення про механізм біологічної дії іонізуючих випромінювань

Кількісні концепції:

● Принцип влучення і теорія мішені,

● Стохастична гіпотеза і ймовірнісна модель радіаційного враження

Якісні концепції:

● Гіпотеза первинних радіотоксинів і ланцюгових реакцій,

● Структурно-метаболічна гіпотеза

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#17]

Гіпотеза “точкового нагрівання”
як індуктора вражень біологічних об’єктів іонізуючими випромінюваннями (Ф. Дессауер, 20-ті рр. 20-го ст.)

1. ІВ має дуже малу об’ємну густину (порівняно з неіонізуючими випромінюваннями енергетично еквівалентної дози),
2. Усі ІВ володіють енергією, яка значно перевищує енергію хімічних зв’язків,
3. Біологічні об’єкти (зокрема, клітини) складаються з частин, які мають різну функціональну важливість,
4. При опроміненні відбувається локальне нагрівання окремих мікрооб’ємів (“точкове тепло”), яке може призводити практично до будь-яких змін в їх структурі,
5. Оскільки розподіл “точкового тепла” є суто статистичним, то кінцевий ефект опромінення буде залежати від потрапляння випадкових дискретних порцій енергії в життєво важливі мікрооб’єми всередині об’єкту (клітини). Ймовірність такого потрапляння залежить від дози ІВ. Таким чином, навіть дуже мала доза з малою ймовірністю може викликати екстремальний біологічний ефект.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#18]

Базові твердження, які лягли в основу
принципу влучення і концепції мішені (мішеней)

Іонізуючі випромінювання переносять енергію у дискретному вигляді,

Акти взаємодії випромінювання з об’єктом (влучення) не залежать один від одного і розподілені за законом Пуассона:

Ефект настає, коли число потраплянь в певну чутливу область об’єкта (мішень) становить не менше, ніж n.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#19]

2. Теорія мішені. Принципи теорії мішені.

Принцип влучення і мішені: в організмах можна виділити частини з надзвичайною (порівняно з іншими частинами) чутливістю до іонізуючого випромінювання, влучення в які призводить до враження всього об'єкта.

Мішень — чутлива частина об'єкта (наприклад, ДНК клітини), влучення в яку іонізуючого випромінювання призводить до враження усього об'єкта.

М.В. Тимофєєв-Рессовський, 1946 р.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#20]

Одноударна мішень

Одноударна мішень: влучення в певну чутливу область (мішень), під час якого відбувається одиничний перенос деякої мінімальної кількості енергії, достатньо для досягнення і реєстрації ефекту пошкодження.

Нехай ми опромінюємо систему, яка складається з N₀ об’єктів, кожен з яких має мішень (з площею перерізу s і об’ємом v).

Нехай для інактивації системи достатньо, щоб трек ІВ пройшов через переріз мішені (ця подія - потрапляння)

Такі передбачення експериментально підтверджуються для ІВ з високою щільністю іонізації (α-випромінювань)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#21]

Кількісні закономірності теорії мішені:

Коли траєкторії частинок розподіляються в межах мішені випадковим чином, то ймовірність n-потраплянь в мішень:

а –найімовірніша (і середня) кількість потраплянь в мішень

Коли D – середня кількість частинок, які пролітають через одиничний переріз s (і s – переріз мішені), тоді

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#22]

Кількісні закономірності теорії мішені (продовження):

Коли N₀ – загальна кількість об’єктів (клітин тощо) в опромінюваній системі, а N – кількість клітин, в які не влучило ІВ (“вижили”), то ймовірність непотрапляння (N/N₀) (при n=0):

При sD=1 виживають 37% об’єктів. Відповідна доза –

D₃₇ – доза ІВ, яку називають: 37%-ова, інактивуюча, середня летальна.

За цих умов теоретично на 1 мішень припадає 1 частинка ІВ.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#23]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#24]

3. Ефективний об’єм мішені

Коли розглянути електромагнітні ІВ, які характеризуються значно меншою густиною іонізації, можна визначити також ефективний об’єм одноударної мішені.

Нехай в системі є N₀ об’єктів з мішенню об’ємом v, причому для її інактивації достатньо одної іонізації. Ймовірність потрапляння в мішень n-разів описується законом:

Знову, при n=0:

Аналогічно: при vD=1 маємо дозу D₃₇ і можемо визначити ефективний об’єм мішені:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#25]

4. Унікальні та масові структури клітини. Багатоударні мішені.

Надійність біологічної системи – це її здатність виконувати специфічні функції з заданими характеристиками протягом необхідного періоду часу.

Надійність клітини як біологічної системи в значній мірі залежить від неушкодженості унікальних структур клітини – зокрема, ДНК, яке знаходиться в одиничній копії (особливо, у випадку гаплоїдних клітин).

Інші макромолекули формують масові структури клітини (зокрема, це РНК), оскільки вони можуть бути відтворені у непошкодженому стані.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#26]

Одноударні та багатоударні мішені

Критерії одноударності мішені:

1- лінійність графіка в координатах [ ln(N/N₀) ; D ]:

2- ефект, який спричиняє певна поглинута доза не залежить від потужності дози і від того, якими частинами об’єкт отримував дозу,

Коли умова не виконується – має місце кумулятивний ефект

3- при однаковому ефекті доза, яка його спричиняє, зростає при переході від ІВ з низькою до ІВ з високою густиною іонізації

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#27]

Багатоударні мішені

Критерії багатоударності мішені:

1- лінійність графіка в координатах [ ln(N/N₀) ; D ] втрачається:

Чим вища “ударність” мішені, тим більш виражене “плече”

2 – теоретична залежність:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#28]

Рис. Зовсім уніфікована клітина

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#29]

Загальна схема клітинної відповіді на дію іонізуючих випромінювань:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#30]

Центральна догма радіобіології

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#31]

5. Роль цитоплазми і ядра в розвитку радіаційного ураження клітини

Білкові макромолекули цитоплазми: пошкодження первинної структури (руйнування амінокислот) -> порушення вторинної структури -> зміна конформації -> порушення функції (зокрема, при зміні активного центра ензимів)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#32]

Загальна схема пошкодження і відновлення ДНК

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#33]

6. Цитоскелет як мішень у разі дії іонізуючих випромінювань.

Схема структури цитоскелету нескоротливих клітин

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#34]

Точкова мутація і як наслідок – патологія

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#35]

7. Структурно-метаболічна теорія.

Принцип багатофакторності проявів радіобіологічних реакцій, який передбачає наступні спільні властивості:

1 – передавання енергії ІВ здійснюється дискретно,

2 – ІВ діють не тільки безпосередньо, але й опосередковано,

3 – для всіх клітинних структур характерні радіобіологічні ефекти,

4 – генетичні зміни успадковуються,

5 – у клітині одночасно відбувається не лише пошкодження, але й відновлення (репарація),

6 – будь-який радіобіологічний ефект розвивається в часі.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#36]

Тригер-ефектори

Тригер-ефектори (хінони, гормони тощо) – речовини, які виникають при опроміненні клітин і, залежно від концентрації, здатні здійснювати депресорну або репресорну дію на геном клітини.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_2_RB#37]

Основные пределы доз. Осноні межі доз

#LEC3

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#01]

Реакція клітин на дію іонізуючого випромінювання

1. Типи радіаційної загибелі клітин. Етапи клітинного циклу та ключові ензими, які їх забезпечують.
2. Проліферативна загибель клітин.
3. Інтерфазна загибель клітин.
4. Радіочутливість клітин.
5. Природа радіаційної смерті клітин.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#02]

Чого очікувати при інтенсивному опроміненні клітини?

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#03]

1. Типи радіаційної загибелі клітин

Загибель клітин при опроміненні залежить від міри їх диференційованості, проліферативної активності і тривалості мітозу (правило Бергоньє-Трибондо, 1906 р.)

Фази клітинного циклу:

G1 – початкового росту (синтез мРНК, білків),

S – реплікації (подвоєння ДНК),

G2 – росту,

М – мітозу,

+

G0 – спокою

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#04]

Клітинний цикл і фази мітозу

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#05]

Точки контролю коректності проходження клітинного циклу

1. Точка переходу G₂/M
2. Точка переходу метафаза/анафаза
3. Точка рестрикції (перехід G₁/S)

• Внутрішні механізми контролю

1) реєстрація повного завершення реплікації ДНК протягом S-фази,

2) контроль входження в S-фазу тільки за умови наступного мітозу

3) контроль досягнення достатнього розміру клітини для початку наступного поділу

4) контроль за репаруванням пошкоджень ДНК (клітина або повністю відновлює ДНК, або переходить в стан спокою і ініціює апоптоз

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#06]

Фази клітинного циклу регулюються специфічними гетеродимерними ферментами –
циклін-залежними протеїнкіназами:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#07]

Індукція переходу клітини через точку рестрикції:

Цикліни типу D: D1, D2, D3

D1-тип – універсальний для всіх клітин – інтегратор зовнішніх мітотичних впливів, переводить клітину в стан мітозу (через точку R)

Головна функція – фосфорилює білок рRb (білок ретинобластоми)

Циклін Е: експресія кодуючого гену активується Е2F; також активує рRb

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#08]

СDC25 phosphatase: функціонування і регуляція

Фосфатаза СDC25 – фермент, що дефосфорилює треонінові і тирозинові залишки СDС2 (15-й і 14-й), переводячи СDС2 в активний стан

СDC25 активується фосфорилюванням (по Ser/Thr залишкам) своєю ж мішенню – активним комплексом СDС2-циклінВ – позитивний зворотній зв’язок

інактивація – дефосфорилюванням фосфатазами РР1 і РР2А

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#09]

Точки контролю пошкодження ДНК

У випадку виявлення пошкоджень клітина:

1. зупиняє цикл в G1, S, G2 фазах;
2. уповільнює реплікацію ДНК;
3. збільшує транскрипцію генів репарації;
4. індукує апоптоз

Виявлення пошкоджень ДНК здійснюють специфічні кінази – з надродини РІ3-кіназ.

Пошкодження реєструє протеїнкіназа Rad3, вона фосфорилює, активуючи, наступну кіназу, потім кіназа активує кіназу Chk1. Chk1 фосфорилює (Ser 33, 192, 359) CDC25. Фосфорильовані залишки серину – сайти зв’язування комплексу білків 14-3-3.

В групі з комплексом 14-3-3, СDC25 транслокується з ядра в цитоплазму.

Клітинний цикл зупиняється.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#10]

Типи радіаційної загибелі клітин залежать від їх проліферативнї активності і стадії клітинного циклу:

Репродуктивна загибель (мітотична загибель, відстрочена загибель)

• (характерна для клітин, які в нормі активно проліферують, або штучно стимульовані до активної проліферації)

Інтерфазна загибель

• (характерна для диференційованих клітин, які знаходяться в інтерфазі)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#11]

Типи програмованої загибелі клітин

// Аутофагічна загибель, Апоптоз, Програмований некроз, Апоптоз одноядерних клітин, Мітотична загибель, Апоптоз підчас мітозу, Апоптоз поліплоїдних клітин.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#12]

Апоптоз і некроз – обидва характерні для проліферативної та інтерфазної загибелі клітин

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#13]

Ознака:	апоптоз	Некроз
Поширеність	Поодинока клітина	Група клітин
Індукція	Активується фізіологічними або патологічними стимулами	Різні індуктори (залежно від джерела пошкоджуючого фактора)
Біохімічні зміни	Переміщення фосфатидилсерину в поверхневий шар ПМ, енергозалежна фрагментація ДНК ендогенними ендонуклеазами,Лізосоми інтактні	Порушення або припинення іонного обміну, з лізосом звільняються ферменти
Розпад ДНК	Конденсація ДНК всередині ядра з рощепленням на фрагменти	Дифузне розміщення в некротизованій клітині
Цілісність ПМ	Збережена	Зруйнована
Морфологія	Зморщування клітин і фрагментація	Набухання і лізис
Запалення	Немає	Зазвичай є
Вилучення загиблих клітин	Поглинання (фагоцитоз) сусідніми клітинами	Поглинання (фагоцитоз) нейтрофілами і макрофагами

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#14]

Морфологічні ознаки апоптозу

A) - Рецепція сигналу клітиною, прикріпленою до субстрату,

B) - Зміна клітиною форми на округлу,

C) - Конденсація ДНК в ядрі,

D) - ДНК фрагментуються, ядро розпадається на хроматинові тільця,

E) - Клітина розпадається на везикули (апоптичні тільця), оточені мембраною,

F) - Клітина фагоцитується сусідніми клітинами

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#15]

Фази апоптозу

• Індукторна фаза (прийняття рішення): відбувається формування і проведення апоптотичного сигналу

• Ефекторна фаза: відбувається демонтаж клітинних структур

Каспази (Caspases) – цистеїнові протеази: вони використовують залишок Cys в якості донора електронів і розщеплюють субстрат після залишку Asp

(Caspases – від Cys та Asp)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#16]

Класифікація каспаз, їх структура і активація

А – класифікація каспаз,

В – структура каспази-3,

С – схема структури прокаспази і активна форма - тетрамер

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#17]

Каспази: ініціаторні і ефекторні

• Ініціаторні (initiator caspase) 8 & 9, сприймають проапоптотичний сигнал і ініціюють активацію каспазного каскаду

• Ефекторні (effector caspase) 3, 6 & 7, активуються ініціаторними каспазами через каскадний механізм; вони здійснюють апоптоз, розщеплюючи важливі клітинні білки

Сигнал Х – рецептор-активований апоптоз,

Сигнал У – апоптоз, тригером якого є цитотоксичний стрес

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#18]

Сигнальні шляхи апоптозу: 2 типи

1: пошкодження ДНК, випромінювання, дія глюкокортикоїдів, припинення цитокінової регуляції, вкорочення теломерів до критичного рівня, стресовий стан клітини

Активація каспази 9

2: проапоптотичні сигнали, які передаються від рецепторів “регіону клітинної смерті” (Fas-R, TNF-R)

Активація каспази 8

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#19]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#20]

Кофактори активації апоптозу (шлях
каспази 9):

Кофактори апоптозу, опосередкованого через рецептори типу Fas-R:

FADD (Fas-associated death domain) – домени смерті, асоційовані з цитоплазматичною частиною Fas-R)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#21]

Кофактори активації апоптозу (шлях каспази 9):

Кофактори апоптозу Apaf1 & Cytochrome C:

Apaf1 (apoptosis protease activating factor-1) за допомогою CARD-фрагмента контактує з ініціаторними каспазами (1, 2, 4, 5 і 9).

У комплексі з АТФ і цитохромом С утворює апоптосому (комплекс, в якому активуються індукторні каспази)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#22]

Сигнальні шляхи активації каспази 9:
р53 – guardian of the genome — хранитель геному

• Сенсор пошкодження ДНК – ген р53 (розміщений в короткому плечі 17 хромосоми)

• Білок р53: 393 акз, М = 53 кДа, діє як транскрипційний фактор

• Неактивний р53 міститься в цитоплазмі, активований – в ядрі

• Спричиняє 2 головні ефекти:

1) зупиняє клітинний цикл в G1/S (через р21);

2) активує апоптоз

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#23]

Figure 2. Classical Model of p53 Activation

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#24]

Білки родини Bcl-2:

• Це родина білків (близько 16 білків), які приймають участь в регуляції апоптозу – “мітохондріальну” ланку (активують або інгібують).

• Гени родини локалізовані у 18 хромосомі

• Всі представники містять від 1 до 4 повторів амінокислотної послідовності (ВН motif – Bcl-2 homolog), якої відомо 4 типи (ВН1 – ВН4)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#25]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#26]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#27]

Деградація ДНК

САD – caspase activated DNAase (фермент-ДНКаза)

ICAD – inhibitor САD (інгібітор ДНКази)

PARP – poly (ADP-ribose) polymerase (репаруючий білок)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#28]

Мітотична катастрофа

• Мітотична катастрофа (підтип 1)

– реалізація апоптичної програми

власне в процесі мітозу;

при цьому сегрегація хромосом

не спостерігається, і клітина

блокується в одній з фаз мітозу (зазвичай, в прометафазі і метафазі).

• Переважно реалізується за мітохондріальним шляхом (за активації ініціаторної каспази 9).

• Мітотична катастрофа (підтип 2) – постмітотична загибель поліплоїдних клітин – реалізація апоптичної програми після завершення аномального мітозу коли не відбувається розділення хромосом і утворення дочірніх клітин, в стадії G1.

• При цьому окремі ядра такої гігантської клітини переважно залишаються анеуплоїдними.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#29]

Мітотична катастрофа

• Причини МК: пошкодження ДНК (контролю мітозу), порушення веретена поділу (формування багатополюсного веретена поділу).

• При порушенні процесів апоптозу (перевірка в точці рестрикції) поліплоїдних (зокрема, тетраплоїдних) клітин, вони здатні надалі здійснювати клітинний цикл і мітоз.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#30]

Аутофагійна загибель клітин

• Аутофагія – це деградація органел і цитоплазматичного матеріалу, яка здійснюється за участі внутрішньоклітинних мембранних структур. При цьому de novo формуються спеціалізовані структури – аутофагосоми – двомембранні структури з частинами вутрішньоклітинного вмісту.

• Коли аутофагосоми зливаються з лізосомами (аутофаголізосоми), відбувається розщеплення їх вмісту.

• Аутофагія запускається, зокрема, пошкодженням огранел (мітохондрій, пероксисом тощо)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#31]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#32]

Етапи макроаутофагійної загибелі клітин

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#33]

Рис 3. Белки TOR ингибируют аутофагию и вызванную голоданием транскрипцию генов и актируют такие процессы как трансляцию и биосинтез рибосом.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#34]

Програмований некроз

• Це – енергетична катастрофа клітини: фактичною причиною некрозу є зниження рівня АТФ нижче критичного значення, спричинене токсинами або фізичним руйнуванням структур клітини.

• Програмований некроз рецептор-опосередковано індукується молекулами TNF (tumor necrosis factor – фактор некрозу пухлин) або при одночасній активації апоптозу через рецептори Fas і блокуванні каспаз.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#35]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#36]

Проліферативна загибель. Інтерфазна загибель.

• Апоптоз

• Програмований некроз

• Апоптоз

• Аутофагія

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#37]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_3 RBа#38]

Модуляція радіочутливості клітин

• Актиноміцин Д, Циклогексімід, Стрептовітацин А,

• Агматин, Спермідин, NaCl,

• Дихальні отрути (ціаніди, динітрофенол, йодацетат, арсенат натрію),

• Нікотинамід,

• Цистеамін,

• О₂

#LEC4

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#01]

Пряма дія іонізуючих випромінювань: порушення біомолекул та репарація

1. Біохімічні процеси в опромінених організмах.
2. Радіаційні ушкодження ДНК і РНК.
3. Радіаційні ушкодження білків і ліпідів.
4. Пострадіаційне відновлення нуклеїнових кислот – репарація.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#02]

Біохімічні процеси в опромінених організмах

Патогенез лучевого повреждения/Патогенез променевого пошкодження

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#03]

Пошкодження і репарація клітини

Динамика основных этапов радиационного повреждения клетки (по А.М. Кузину).

Динаміка основних етапів радіаційного пошкодження клітини (по А.М.Кузіну)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#04]

Пошкодження ДНК –
ключовий етап репродуктивної
загибелі клітин:

Схема молекулярных событий, приводящик к репродуктиной гибели.

Схема молекулярних подій, які призодять до репродуктивної загибелі

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#05]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#06]

Нуклеїнові кислоти: ДНК і РНК

Ватсок, Крік, ДНК і РНК

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#07]

Нуклеїнові кислоти

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#08]

Радіаційне ушкодження ДНК

l Одиничні (однониткові) розриви молекули ДНК,

l Подвійні (двониткові) розриви молекули ДНК,

l Порушення структури азотистих основ,

l Порушення структури ДНК-мембранного комплекса,

l Порушення ДНК-білкових взаємодій

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#09]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#10]

Радіаційно-хімічне ушкодження ДНК включає:

Одиничні розриви:

l добре репаруються, тому зазвичай не є летальними для клітин;

l не супроводжуються зміною молекулярної маси фрагмента;

l роблять молекулу ДНК більш рухливою, тому можуть призводити до зміни її положення в просторі)

Порушення структури азотистих основ:

l зазвичай – тимідину

Формування зшивок:

l між ДНК і білками нуклеопротеїдного комплексу

Подвійні розриви:

l зазвичай утворюються з одиничних при збільшенні дози ІВ

l супроводжуються розпадом молекули ДНК на фрагменти, деполімеризацією;

l при

Формування “містків”:

l між молекулами ДНК так, що утворюються розгалужені молекули

Порушення структури ДНК-мембранного комплексу:

l в області з’єднання між ДНК і мембраною ядра – я наслідок – порушення регуляції ініціації редуплікації ДНК та розділення ниток ДНК у мітозі

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#11]

100 рад

l Пошкодження 500 пар азотистих основ ДНК,

l Утворення 1000 одиничних розривів ДНК,

l Утворення 10-100 подвійних розривів ДНК.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#12]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#13]

Делеції хромосом

l Ссr5

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#14]

Транслокації хромосом

Філадельфійська хромосома

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#15]

Радіаційно-хімічні перетворення РНК, амінокислот та білкових молекул

l Опромінення призводить до порушення молекулами ДНК і РНК здатності до реплікації, транскрипції, трансляції

Синтез РНК

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#16]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#17]

Пошкодження білків

l Зміна амінокислотного складу (особливо знижується кількість амінокислот метіоніну, фенілаланіну, лізину, гістидину, тирозину і цистеїну),

l Порушення третинної структури,

l Розриви поліпептидного ланцюга,

l Розрив сульфгідрильних груп і поява вільних SH-груп

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#18]

Пострадіаційне відновлення клітин – репарація

l Сублетальні радіаційні пошкодження – такі пошкодження, які самі по собі не спричиняють загибель клітин, однак полегшують її інактивацію при наступному опроміненні (одиничні розриви ДНК)

l Потенційно летальні пошкодження – такі пошкодження, які самі по собі спричиняють загибель клітини, але можуть бути репаровані (репарація можлива тільки в G₀- та G₁-фазах клітинного циклу)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#19]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#20]

Механізми репарації

Біохімічна репарація здійснюється із залученням процесів:

l ліквідація одно- і двониткових розривів ДНК,

l вирізання ділянок ДНК з пошкодженими азотистими основами і реконструкція порожніх ділянок за допомогою комплементарного фрагменту протилежної нитки ДНК

Фізико-хімічна репарація макромолекул:

l пострадіаційна реактивація макромолекул,

l внутрішньомолекулярна репарація,

l репарація продуктами радіолізу (наприклад, продуктами радіолізу сульфгідрильних речовин)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#21]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#22]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#23]

Ензими, які приймають участь в репарації ДНК у випадку подвійних розривів молекули ДНК

l ДНК-залежні ДНК-полімерази (здійснюють реплікацію — подвоєння молекул ДНК; в «нормі» саме ці ферменти працюють при репарації подвійних розривів ДНК);

l РНК-залежні ДНК-полімерази (зворотні транскриптази (синтезують ДНК на матриці РНК);

l ДНК- залежні РНК- полімерази (синтезують РНК на матриці ДНК, відповідають за «зчитування» генів — транскрипцію);

l РНК- залежні РНК- полімерази (розмножують молекули РНК).

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#24]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#25]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_4 RBа#26]

#LEC5

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#01]

НЕПРЯМА ДІЯ ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ ТА НАСЛІДКИ РАДІАЦІЙНО-ХІМІЧНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ БІОЛОГІЧНО ВАЖЛИВИХ МОЛЕКУЛ ДЛЯ КЛІТИННИХ ПРОЦЕСІВ

1. Радіоліз води та вільнорадикальні процеси.
2. Радіаційно-хімічні ушкодження нуклеїнових кислот.
3. Радіаційно-хімічні перетворення білкових молекул.
4. Радіаційно-хімічні перетворення в мембранах.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#02]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#03]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#04]

Непряма дія іонізуючих випромінювань обумовлюється пошкодженням клітинних молекул (мішеней) активними продуктами (наприклад, вільними радикалами), які утворились внаслідок взаємодії іонізуючого випромінювання з іншими молекулами (зокрема, води і мембранних ліпідів)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#05]

Розподіл поглинутої енергії при опроміненні клітини:

„ Вода — 70-85%

„ Білки — 10-20%

„ Нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) — 1-7%

„ Ліпіди — 2-8%

„ Вуглеводи — 1-5%

„ Метаболіти — 0,4-2%

„ Мінеральні речовини — 2-4%

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#06]

Радіоліз води :

l Під дією іонізуючого випромінювання утворюється аніон або катіон води:

l Вони є нестійкими і самовільно розпадаються, формуючи активні вільні радикали:

або:

l іон Н₂О⁺ та електрон е^- взаємодіють з молекулою води, утворюючи стійкі у воді іони гідроксонію Н₃О⁺ та гідроксилу ОН^- :

l Атомарний водень Н і гідроксильний радикал ОН не стійкі, вони взаємодіють між собою:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#07]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#08]

Радіоліз води :

l Перекис водню Н₂О₂ і молекулярний водень Н здатні взаємодіяти з радикалами Н і ОН, утворюючи воду Н₂О:

l Таким чином, маємо цикл процесів:

l Разом з тим, молекулярні продукти можуть перетворюватись в радикал гідропероксиду НО₂ і знову в перекис водню Н₂О₂ :

l У присутності кисню маємо перекисний радикал НО₂^• :

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#09]

Радіоліз води :

l Також виникає стабілізована форма електрона – гідратований електрон е^-_aq .

l 100 еВ -> 4Н₂О_{(4*5,2 еВ)}+Q_~80% .

l Довжина пробігу продуктів іонізації 3-10 нм

У водному середовищі при рН =7,0 співвідношення

ОН : е^-_aq : Н = 2,6 : 2,6 : 0,6

Окисники: Н₂О₂, НО₂^•

Відновники: е^-_aq .

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#10]

Радіаційно-хімічні перетворення
(радіоліз радикалами води) ДНК

l Міграція про ланцюгу ДНК дефекту (“дірки”) зазвичай призводить в кінці кінців до пошкодження тимінової основи.

l Як наслідки — утворення розривів ланцюга, модифікація основ, відщеплення основ.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#11]

Радіаційно-хімічне перетворення білків

l Опромінення білків призводить до 2-етапних фізико-хімічних перетворень:

l 1- іонізація з утворенням е^- та “дірки” (катіона):

l 2- міграція “дірки” за рахунок перекиду сусідніх електронів по поліпептидному ланцюгу з утворенням вільного радикала в найбільш електроннодонорній групі (α-вуглецевий атом пептидного зв’язку, атом сірки):

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#12]

Отрыв атома водорода / Відрив атома водню /

Реакции диссоциации / Реакції дисоціації /

Реакции присоединения / Реакції приєднання /

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#13]

3) Реакции гидролиза/ реакція гідролізу

4) Присоединение кислорода/приєднання кисню

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#14]

1) Димеризация и присоединение / димеризации і приєднання

2) Реакии диспропорионирования / Реаком діспропоріонірованія

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#15]

Радіаційно-хімічне перетворення білків:

Наслідки – порушення структури:

l Руйнування Н-зв'язків;

l Розриви сульфгідрильних зв’язків;

l Розриви пептидних зв’язків;

l Формування зшивок між пептидними ланцюгами;

l Відщеплення груп NH₃, H₂S.

l Зміна структури білків

l Зміна здатності до виконання функції

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#16]

Радіаційно-хімічні перетворення в мембранах

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#17]

Радіаційно-хімічні перетворення в мембранах

Порушення проникності мембран при радіаційних пошкодженнях клітин відбувається внаслідок:

l 1- зниження синтезу фосфоліпідів (внаслідок пригнічення синтезу АТФ в мітохондріях)

l 2- підвищення рівня руйнування фосфоліпідів (внаслідок активації фосфоліпаз підвищеним рівнем внутрішньоклітинного Са²⁺)

l 3- пошкодження мембран активними формами кисню (АФК)

l 4- продукти руйнування мембранних ліпідів працюють як детергенти і самі пошкоджують мембрани

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#18]

Кисневий ефект

Наявність кисню призводить до значного посилення пошкоджуючої дії іонізуючих випромінювань:

Формування органічного перекисного радикалу RO₂^• може індукувати ланцюгову реакцію в органічних молекулах:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#19]

ROS

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#20]

ROS

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#21]

ROS & RNS

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#22]

ROS / RNS & білки & DNA

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_5 RB#23]

#LEC6

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#01]

Кисневий ефект

1. Поширеність кисневого ефекту.
2. Кисневий ефект у радіаційно-хімічних реакціях.
3. Коефіцієнт кисневого посилення.
4. Залежність кисневого ефекту від концентрації кисню.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#02]

Кисневий ефект – це посилення променевого враження при підвищенні концентрації кисню порівняно з враженням в анаеробних умовах.

Принцип дії – перетворення потенційно летальних пошкоджень в летальні.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#03]

Залежність радіочутливості від напруження кисню
(рівняння Альпера і Говарда-Фландерса)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#04]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#05]

Важливість кисневого ефекту

• Чутливість клітин до дії іонізуючого випромінювання напряму залежить від концентрації кисню

• Коефіцієнт кисневого посилення (oxygen enhancement ratio, OER) – співвідношення доз опромінення в оксигенованому і гіпоксичному станах, які спричиняють однаковий біологічний ефект:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#06]

Властивості коефіцієнта кисневого посилення:

Коефіцієнт кисневого посилення у середньому дорівнює 3-3,5, та залежить як від напруження О₂ середовищі, так і від дози опромінення (у випадку D ≤ 3 Гр, він знижується)

Кисневий ефект проявляється, коли О₂ присутній підчас опромінення, або з’являється протягом декількох мілісекунд після опромінення

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#07]

Коефіцієнт кисневого посилення залежність від рО₂ :

• За відсутності О₂ (аноксія), коефіцієнт КП дорівнює 1,

• При рО₂ до 0.15 мм.рт.ст (до 0.02%) маємо min радіочутливість,

• Найбільшу швидкість зростання ККП маємо при рО₂ 0,5 - 20 мм.рт.ст.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#08]

Властивості коефіцієнта кисневого посилення (організм):

• Мінімальна концентрація О₂ в повітрі (лабораторні тварин), при якій може існувати організм = 5%,

• Помітне зниження радіочутливості організму настає при зниженні рівня О₂ до 10%. За цих умов максимальне значення ККП = 2-2,5.

• Але захисний ефект гіпоксії знижується при тривалому перебуванні організму в гіпоксичних умовах.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#09]

Залежність кисневого ефекту від виду випромінювання

• Найбільш виражений – у випадку ІВ з низькою густиною іонізації (γ-випромінювання, рентгенівські промені),

• Відсутній у випадку α-випромінювання

• Ця відмінність корелює зі значенням густини іонізації (та лінійної передачі енергії) випромінювань

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#10]

Залежність кисневого ефекту від значення лінійної передачі енергії

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#11]

Гіпотези зв’язку між кисневим ефектом і значенням лінійної передачі енергії

1. У випадку ІВ з високою густиною іонізації враження мішені є численними, таким чином посилення вже не має сенсу

2. У випадку ІВ з високою густиною іонізації вторинні продукти радіолізу води утворюють кисень, таким чином не можна вважати ці умови гіпоксичними:

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#12]

Фізико-хімічний механізм розвитку кисневого ефекту

Активні форми кисню:

l перекисний радикал НО₂^• ,

l перекис водню Н₂О₂ ,

l супроксиданіон радикал НО₂^•

- володіють високою реакційною здатністю

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#13]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#14]

Гіпотеза кисневої фіксації :

l Під дією іонізуючого випромінювання формуються вільні радикали, які руйнують хімічні зв’язки в біомолекулах. Формуються радикали (R^•), які легко реагують з О₂, утворюючи RO₂^•, що перетворюється в ROОН.

l ROОН – стабільна молекула, отже порушення в біомолекулі як би “фіксується” киснем.

l В умовах гіпоксії час існування радикала R^• більший, і значно більше шансів відновитись до нормальної молекули, приєднавши Н⁺.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#15]

Антиоксидантний захист клітини

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#16]

Зворотній кисневий ефект

l У розведених водних розчинах переважно спостерігається непряма дія випромінювання, а біомолекули переважно пошкоджуються продуктами радіолізу води:

l У водних розчинах О₂ переважно взаємодіє не з біомолекулами, а з радикалами водню Н^• та з гідратованими електронами е^-_aq .

l Є 2 варіанти розвитку подій:

1) коли молекули переважно пошкоджуються Н^• та е^-_aq , кисень О₂ матиме захисний (зворотній) ефект за рахунок їх перехоплення,

2) коли молекули переважно пошкоджуються ОН^• , то кисень О_2, перехоплюючи Н^•, зменшуватиме ймовірність їх рекомбінації у воду, тому сприятиме посиленню радіаційного пошкодження біомолекул

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#17]

Використання кисневого ефекту в радіотерапії пухлин

Радіотерапію (променеву терапію) використовують у випадку лікування 60-70% випадків пухлин. При коректно підібраному лікуванні майже половина з них виліковується.

Насьогоді переважно використовують:

- для дистантного опромінення рентгенівські і γ-апарати (енергія 60-100 кеВ) електронне випромінювання,

- для контактного опромінювання (закриті і відкриті джерела контактного опромінення) – електронне випромінювання (енергія 10-30 МеВ)

В обох випадках у якості джерела випромінювання переважно використовують радіоактивний ізотоп кобальту (⁶⁰Со)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#18]

Врахування кисневого ефекту
при терапії пухлин :

l Тканини пухлин зазвичай гіпоксичні: рО₂ = 1-10 мм рт.ст. (в нормі 20-100 мм рт.ст.)

l Радіорезистентність пухлин обходять декількома шляхами:

l 1) метод гіпербаричної оксигенації (оксибарорадіотерапії),

l 2) метод фракційного опромінення з врахуванням реоксигенації пухлини,

l 3) використання радіосенсибілізаторів гіпоксичних клітин,

l 4) використання випромінювань з високою ЛПЕ (з відсутнім кисневим ефектом)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#19]

метод гіпербаричної оксигенації (оксибарорадіотерапії)

l Пацієнт під час сеансу радіотерапії знаходиться в барокамері та дихає чистим киснем (тиск кисню 2-3 атм.)

l Цей метод є ефективним для терапії пухлин голови і шиї

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#20]

Реоксигенація при фракціонованому опроміненні пухлин

Також при радіотерапії пухлин викликають кисневий ефект шляхом реоксигенації пухлин.

Відомо, що в пухлині близько 10-15% клітин знаходяться в гіпоксичному стані.

При опроміненні гинуть переважно оксигеновані клітини, але після радіотерапії з часом співвідношення оксигеновані/гіпоксичні клітини в пухлині відновлюється (за рахунок реоксигенації популяції гіпоксичних клітин).

Таким чином, якщо опромінення (з певними часовими проміжками) повторити декілька десятків разів, можна знищити пухлину цілком.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#21]

Схема проведення фракціонованого опромінення пухлин із урахуванням реоксигенації

Стандартні величини фракцій (тобто разових доз) складають від 1,8 до 2 Гр 5 раз в тиждень до досягення суммарної дози (від 25 до 70-100 Гр). Крім звичайного режима застосовують мультифракціювання (денне дроблення дози на декілька фракцій, які підводять з інтервалом 4-8-12 годин).

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#22]

Час реоксигенації

Головне - вибір оптимального часу між опроміненнями,

у середньому це 1-2 доби

Найчастіше призначають

щоденне опромінення

пухлини в дозі 1.8-2.5 Гр

5 разів на тиждень

Динамика реоксигенации экспериментальных опухолей (по Р. Томплинсону, 1970):

1-остеогенная саркома мышей,

2- фибросаркома крыс,

3 – карцнонома молочной железы мышей;

фракция гипоксических клеток в каждой опухоли сразу после облучения принята за 100%

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#23]

Динаміка реоксигенації

Динаміка реоксигенації клітин саркоми миші при опроміненні рентгенівсткими променями (10 Гр)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#24]

Радіосенсибілізатори гіпоксичних клітин:

Радіосенсибілізатори гіпоксичних клітин – це речовини, які здатні вибірково підвищувати радіочутливість гіпоксичних клітин, не впливаючи на радіочутливість нормально оксигінованих клітин.

Метронізадол і його похідні

(нітроімідазольні сполуки)

l Недолік – висока токсичність цих речовин

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_6RB#25]

Фактори, які модулюють кисневий ефект

• Гіпоксія (за рахунок зниження напруження О₂ у повітрі),

• Зменшення здатності гемоглобіну зв’язувати кисень за рахунок переведення іона Fe²⁺ в окислену форму Fe³⁺ (чадний газ СО, амінопропіофенон)

• Зменшення кровопостачання тканин судинозвужуючими гормонами (адреналін, серотонін, гістамін)

#LEC7

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#01]

Модифікація радіобіологічних ефектів

1. Природа модифікувальних факторів.

2. Радіопротекторні ефекти.
3. Механізми радіопротекторної дії.
4. Протирадіаційний захист мембран.
5. Радіосенсибілізація.
6. Явища синергізму в дії іонізуючих випромінювань.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#02]

Навколишнє середовище діє на організм таким чином, що при одночасній дії його факторів та ІВ може виникати 3 ситуації:
- фізико-хімічний фактор є антагоністом до ІВ,знижуючи (інгібуючи) його біологічну дію,
- фізико-хімічний фактор не впливає на ефект ІВ, таким чином проявляється адитивність їх дії,
- фізико-хімічний фактор посилює (синергіст) дію ІВ, активуючи його біологічну дію,

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#03]

Радіопротектори

У тому випадку, коли фізико-хімічні фактори (особливо – хімічні речовини) знижують ефект ІВ, їх використовують в якості радіопротекторів (радіозахисних засобів)

Радіопротектори знижують ефективну дозу ІВ.

Їх застосовують за 5-15 хв перед опроміненням (речовини, які застосовують після опромінення – засоби лікування променевої хвороби).

Радіаційний захист – це процес послаблення ураження іонізуючим випромінюванням.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#04]

Фактор зменшення дози ІВ

Кількісна міра ефективності дії радіопротекторів – фактор зменшення дози (ФЗД)

ФЗД = D₂/D₁ ,

де D₁та D₂ – дози радіації, які мають однаковий біологічний ефект:

1 – без радіопротектора,

2 – з радіопротектором.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#05]

Фактор зміни логарифма виживаності

Кількісна міра ефективності дії радіопротекторів – фактор зміни логарифма виживаності (ФЗЛ)

ФЗЛ = ln [ S₂/S₁ ],

де S₁та S₂ – виживаність клітин:

1 – з радіопротектором,

2 – без нього, контроль.

Для радіопротекторів ФЗЛ < 1

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#06]

Інші кількісні характеристики ефективності радіопротекторів

Кількісна міра ефективності дії радіопротекторів – коефіцієнт модифікації (КМ)

КМ = G₂/G₁ ,

де G₁та G₂ – питома загибель клітин:

1 – без радіопротектора, контроль,

2 – з радіопротектором.

Індекс ефекту (ІЕ)

ІЕ = Е₁/Е₂,

де Е₁та Е₂ – виживаність клітин:

1 – з радіопротектором,

2 – без радіопротектора, контроль.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#07]

Класифікація і характеристики радіопротекторів

1 - Ефективні при при короткочасовому опроміненні значної потужності (діють протягом 15 хв – 3 год),

2 - Ефективні при пролонгованому опроміненні невеликої потужності виживаності

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#08]

Радіопротектори короткочасової дії

сіркоазотовмісні радіопротектори

цистамін, цистафос, гаммафос, цистеамін

вживання:

Ці препарати приймають за 40-60 хв до початку дії ; їх ефективність зберігається 4-6 год.

ФЗД:

ФЗД цистаміну при Υ-випромінюванні = 1.5,

ФЗД цистаміну при нейтронному випромінюванні = 1.1,

ФЗД гаммафосу при Υ- нейтронному випр. = 2-2.5,

Механізм дії:

- відновлення (донори е^-) збуджених біомолекул,

- тимчасове інгібування активних біомолекул (таким чином вони менш пошкоджуються),

- пригнічення вільнорадикальних процесів у ліпідах,

- зв’язують двовалентні іони,

- посилюють відтік лімфи (так краще йде детксикація організму)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#09]

Радіопротектори короткочасової дії

Біогенні аміни

мескамін (синтетичний аналог серотоніну),

індралін (Б-190-В; α-адреноміметик), нафтизин, препарат «С»

вживання:

препарати екстреної дії, їх використовують за 5-10 хв перед опроміненням; ефективність утримується протягом 1 год.

ФЗД:

ФЗД при Υ- нейтронному випр. = 1.3-1.5,

Механізм дії:

- спричиняють спазм судин, таким чином викликають гіпоксію (знижують ризик хромосомних аберацій)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#10]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#11]

Радіопротектори пролонгованої дії

Препарати з естрогенною активністю

диeтилстильбестрол (ДЕС або РДД)

вживання:

препарати пролонгованої дії, їх використовують за 1-2 доби перед опроміненням; ефективність утримується протягом 10-14 діб.

ФЗД:

ФЗД при Υ- нейтронному випр. = 1.2-1.3,

Механізм дії:

- спричиняють явище гіперестрогенізму і, як наслідок:

- гальмують проліферативну активність кісткового мозку (захист процесів гемопоезу);

- посилюють лімфотік (покращення виведення радіотоксинів);

- Активують роботу щитоподібної залози і наднирників (як наслідок – активують процеси репарації).

Комбінування цистаміну і ДЕС значно посилює ефект цих радіопротекторів порівняно з їх автономною дією

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#12]

Радіопротектори пролонгованої дії

Полісахариди, нуклеїнові кислоти, синтетичні полімери

вживання:

препарати пролонгованої дії.

Механізм дії:

- Стимулюють синтез нуклеїнових кислот,

- Стимулюють проліферацію, транспортування до вражених кровотворних органів та приживання там молодих клітин кісткового мозку,

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#13]

Біологічні методи профілактики радіаційних вражень

Забезпечують пролонговане підвищення радіорезистентності організму

1 група:

адаптогени рослинного походження (екстракт елеутерокока, настійка лимонника, настійка женьшеню)

Вживають за 10 (оптимально – 20) діб до дії ІВ (по 20-30 крапель за 30 хв до вживання їжі)

Механізм дії:

- підвищують резистентнійсть організму до дії багатьох шкідливих факторів

2 група:

вітамінні та полівітамінні комплекси

Вживають за 5 діб до дії ІВ (2 рази на добу після вживання їжі)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#14]

Біологічні методи профілактики радіаційних вражень

3 група:

метаболіти – модифікатори обміну речовин (препарат бурштинової кислоти)

Вживають протягом всього періоду дії ІВ (2 рази на добу до вживання їжі)

4 група:

антиоксиданти (токоферол, піридоксин, рибоксин, аскорбінова кислота)

Вживають протягом всього періоду дії ІВ (2 рази на добу за звичайною схемою)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#15]

Гнездо 1 аптечки индивидуальной - шприц-тюбик с противоболевым средством. Его следует применять при переломах, обширных ранах и ожогах.

Средство для предупреждения (ослабления) поражения фосфорорганическими отравляющими веществами (тарен - 6 таблеток) вложено в гнездо 2 в круглый пенал красного цвета.

Противобактериальное средство № 1 (тетрациклин, гидрохлорид) размещается в гнезде 5 в двух одинаковых четырехгранных пеналах без окраски.

Противобактериальное средство № 2 (сульфадиметоксин - 15 таблеток) находится в гнезде 3в большом круглом пенале без окраски.

Радиозащитное средство № 1 (цистамин) размещено в гнезде 4 в двух восьмигранных пеналах розового цвета по 6 таблеток в каждом. Этот препарат принимают при угрозе облучения - 6 таблеток за один прием. При новой угрозе облучения, но не ранее чем через 4-5 часов после первого приема, рекомендуется принять еще 6 таблеток.

Радиозащитное средство №2 (калий йодид - 10 таблеток) помещается в гнезде 6 в четырехгранном пенале белого цвета. Принимать его нужно по одной таблетке ежедневно в течение 10 дней после выпадения радиоактивных осадков, особенно при употреблении в пищу свежего не консервированного молока. В первую очередь препарат дают детям по одной таблетке.

Противорвотное средство (этаперазин - 5 таблеток) находится в гнезде 7 в круглом пенале голубого цвета. Сразу после облучения, а также при появлении тошноты после ушиба головы рекомендуется принять одну таблетку.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#16]

Посилення при дії випромінювань

Посилення дії ІВ можна індукувати 2 шляхами :

- коли фізико-хімічний фактор (хімічні мутагени, тепло, канцерогени, ультразвук тощо) діє аналогічно до ІВ, то комбінування ІВ з ними призводить не до адитивного, а до синергічного ефекту,

- коли фізико-хімічний фактор (температура – терморадіаційна терапія пухлин і стерилізація продуктів харчування) сам по собі не здатний викликати ефекти, але при комбінованій дії спричиняє потенціонування (сенсибілізацію)

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#17]

Способи радіосенсибілізації

- зменшення власних захисних ресурсів клітин і організмів,

- пригнічення репараційних процесів,

- створення для опромінених об’єктів несприятливих умов для існування

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#18]

Коефіцієнт синергетичного посилення

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#19]

Радіосенсибілізатори при радіотерапії пухлин

- антиметаболіти, які включаються в молекули ДНК та посилюють їх пошкодження (напр., 5-фторурацил);

- інгібітори синтеза ДНК (напр., оксисечовина);

- специфічні інгібітори синтеза белку (напр., актиноміцин D).

- Терморадіотерапія базується на вибірковій протипухлинній дії гіпертермії (внаслідок недостатнього кровотоку в пухлинах тепло з них відподиться повільно). Ефект гіпертермії вищий при комбінуванні зі штучною гіперглікемією: термочутливість пухлин при цьому зростає за рахунок зниження внутрішньоклітинного рН.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#20]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#21]

Радіопротекторні ефекти алкоголю:

l Гіпотетично: етанол, цукри (глюкоза, фруктоза) легко окислюються, призводячи до зниження рівня О₂,

l Експерименти на лабораторних тваринах показали, що вживання етанолу одноразово у високій дозі за 1 годину до потужного опромінення має радіопротекторну дію,

l Корекція променевих вражень: вживання етанолу в незначній кількості на 2 добу (лише!) після опромінення,

l Застосування етанолу (транківлізуюча доза 2,25 г/кг ваги) протягом 15 діб до опромінення та 15 діб після опромінення значно знизило загибель лабораторних тварин.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#22]

Вплив сумісної дії алкоголю та випромінювання на структури мозку :

Окремо застосування алкоголю в порогових (0,28 г/кг ваги) і транквілізуючих дозах (2,25 г/кг ваги) призводило до появи ефектів (ефекти змінювались пропорційно до дози етанолу), схожих на променеве враження мозку

Застосування алкоголю до опромінювання не змінювало (порогова доза) або синергічно посилювало (транквілізуюча доза) дію опромінення

Використання алкоголю призводило до гіпергідратації мозкових структур, посилювало пошкоджуючу дію ІВ (гама-випромінювання)

Таким чином, алкоголь не можна застосовувати ні для профілактики, ні для лікування променевого враження мозку.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#23]

Хронічна дія алкоголю в умовах опромінення:

У випадку хронічного опромінення в малих дозах при вживанні етанолу проявлявся (переважав) ефект етанолу,

Дози 0,28 та 2,25 мг/кг ваги етанолу проявляли радіопротекторну дію на клітини слизової оболонки кишечнику

Внутрішні органи можна поділити на 2 групи:

1 — мозок, легені, нирки, статеві залози, судини внутрішніх органів — прогресивний розвиток виключно патологічних змін,

2 — печінка, серце, шлунок, кишечник, підшлункова залоза, наднирники, селезінка — реакція має двостадійну динаміку: перші 6 місяців активація роботи органів, потім — її пригнічення (гіпофункція) і дистрофія.

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#24]

Ймовірні механізми посилення алкоголем патологічної дії іонізуючих випромінювань

Сам по собі етанол не має канцерогенного випливу, але на його фоні ймовірність розвитку радіаційно-індукованих пухлин зростає за рахунок порушень з боку імунної системи.

Дія етанолу на імунну системи має 2 фази:

1 (короткочасова) — початково при помірному вживанні алкоголю спостерігається активація природнього імунітету (посилення фагоцитарної активності, збільшення кількості В-лімфоцитів),

2 (хронічна) — стійке пригнічення пригнічення природнього імунітету (зниження активності Т-лімфоцитів, особливо Т-хелперів). За цих умов збільшується ймовірність аутоімунних реакцій (зазвичай у алкоголіків підвищений рівень аутоантитіл до власних специфічних білків-антигенів клітин мозку, печінки, тощо).

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#25]

Ресвератрол як перспективний модифікатор радіобіологічних ефектів

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#26]

Ресвератрол і хвороба Альцгеймера

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#27]

Ресвератрол і серцево-судинні патології

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#28]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#29]

[sheva_medu_mag01_CHUMBALYK_L_7_RB#30]

6.9. Модификаторы лучевого поражения
Модификаторами лучевого поражения называются факторы физической и химической природы, изменяющие реакцию организма на облучение. По знаку воздействия различают радиопротекторы и радиосенсибилизаторы, соответственно ослабляющие и усиливающие лучевую реакцию. По времени воздействия модификаторы могут быть профилактическими (эффективны до облучения) и терапевтическими (эффективны после облучения).
Для количественной характеристики действия модификаторов используют фактор изменения дозы (ФИД), который рассчитывают как отношение дозы излучения, вызывающей определенный радиобиологический эффект, к дозе излучения с модификатором, вызывающей такой же эффект. Для радиопротекторов - ФИД<1, для радиосенсебилизаторов ФИД>1. Для радиопротекгоров используют также коэффициент защиты (Кз), равный отношению степени радиобиологического эффекта при наличии радиопротектора и без него при одинаковой дозе облучения. Фактор уменьшения дозы (ФУД) является величиной, обратной ФИД (для радиопротекторов). Для определения указанных параметров используют различные радиобиологические эффекты: выживаемость(Д₅₀, Д₃₇, Д₀), количество одно- и двунитевых разрывов ДНК, выход мутаций, хромосомных аберраций, опухолей, изменения радиочувствительных ферментов, мембранных процессов, поведенческих реакций, количество и характер эмбриональных нарушений и т. п. Таким образом, модификаторы оказывают свое влияние на разных уровнях биологической организации - от молекулярного до организменного.
Механизмы действия химических модификаторов - изменение выходов первичных радиационно-химических реакций, свободных радикалов, перекисей и других продуктов радиолиза, влияние на процессы репарации, на сублетальные и потенциально летальные повреждения клеток. Для радиопротекторов существенным является повышение эндогенного фона радиорезистентности (тиолы, катехоламины), стабильности и функциональной активности мембранных структур клетки, регулирующих и управляющих систем (ЦНС, гипофизарно-адреналовая система, система циклических нуклеотидов). Одним из важных путей повышения общей радиорезистентности является использование адаптогенов естественного происхождения (см. Радиопротекторы). Помимо общих для многих организмов соединений с радиопротекторными свойствами (тиолы, некоторые ароматические аминокислоты, нуклеотиды, дикарбоновые кислоты (сукцинат, малат), аскорбиновая кислота, альфа-токоферол, бета-каротин, ферменты супероксиддисмутаза, каталаза и др.) специфичными для растений являются синаптин (из крестоцветных), полифенолы, ионы металлов (железо, кальций, магний), микроэлементы (цинк, бор, марганец, кобальт, молибден и др.).
Радиосенсибилизаторы конкурируют с естественными радиопротекторными тиоловыми соединениями, активируют малоактивные радикалы, нарушают рекомбинацию свободных радикалов, усиливают повреждение биомембран. Общим для многих из них является выраженная электронноакцепторная активность. Известны радиосенсебилизирующие свойства кислорода ("кислородный эффект"), монооксида азота (NО), блокаторов SH-групп N-этилмалеимида, мизонидазола, метронидазола. Последние два вещества привлекают внимание как средства повышения радиочувствительности опухолей. Мизонидазол подавляет репарацию потенциально летальных повреждений (двухнитевых разрывов ДНК). Известными ингибиторами репарации ДНК являются кофеин, актиномицин Д, бромдезоксиуридин. Усиливают лучевое поражение ингибиторы и разобщители окислительного фосфорилирования (цианид, 2,4-динитрофенол и др.). К веществам, усиливающим радиационную деградацию ДНК, относится гидроксамовая кислота. Некоторые агенты (кислород, цианид) в зависимости от условий облучения могут проявлять как протекторные, так и сенсибилизирующие свойства.
К физическим модификаторам относятся температура, свет, другие электромагнитные излучения. Мощным сенсибилизатором прямого действия является ультрафиолет, который и сам по себе активный мутаген и канцероген. У растений влияние света опосредуется через воздействие на фотосинтез и имеет сложный характер. Температура может изменять радиочувствительность растений благодаря влиянию на пролиферативную активность тканей, содержание в них кислорода и др. Как показали исследования, активным радиосенсибилизатором у млекопитающих являются электромагнитные поля сверхвысокой частоты (СВЧ), причем их действие зависит от порядка чередования и дозы ионизирующего облучения и СВЧ.
Большинство перечисленных модификаторов лучевого поражения - токсичные вещества, что ограничивает их применение. Актуальной проблемой радиобиологии, особенно в связи с Чернобыльской катастрофой, являются поиск и изучение радиопротекторов, эффективных в условиях длительного воздействия низких уровней радиации. К таким протекторам относятся вещества природного происхождения, многие из них обладают выраженными адаптогенными свойствами. Наиболее изучены и представляют практический интерес - бета-каротин, метаболиты трикарбонового цикла (сукцинат натрия и малат натрия), продукты из черноморских мидий, продукты пчеловодства (особенно маточное молочко), некоторые лекарственные травы и плоды (лапчатка, тысячелистник, рябина, арония, шиповник и др.).