Радиобиология

Радиобиология, или радиационная биология — наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты (биомолекулы, клетки, ткани, организмы, популяции)[1]. Особенностью этой науки является строгая измеряемость воздействующего фактора, что обусловило развитость математических методов исследования. Другой особенностью радиобиологии является востребованность её прикладных приложений — в медицине и в радиационной защите[2].

Радиобиология, ранее являясь самостоятельной дисциплиной, превращается сейчас в междисциплинарную науку и имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных, биологических и медицинских областей знаний.

Код науки по 4-значной классификации ЮНЕСКО (англ.) — 2418 (раздел — биология)[3].

Общие сведения

Предмет радиобиологии

Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:

Существуют две противоположные и одинаково неправильные точки зрения на облучение и вред его для человека — радиоэйфория и радиофобия.

Объекты и методы в радиобиологии

В соответствии с объектами радиобиологических исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:

Важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, её распределением во времени и объёме реагирующего объекта.

Теоретические аспекты радиобиологии

Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева» (Ф. Дессауэр, 1922):

  • ионизирующее излучение обладает очень малой объемной плотностью по сравнению с другими излучениями
  • излучение обладает большой энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи
  • облученный биологический объект состоит из относительно безразличных и весьма существенных для жизни микрообъемов и структур
  • в облучаемом объекте при поглощении относительно небольшой общей энергии в отдельных, случайных и редкорасположенных микрообъемах оставляются настолько большие порции энергии, что их можно сравнить с микролокальным нагреванием
  • так как распределение «точечного тепла» является чисто статистическим, то конечный эффект в клетке будет зависеть от случайных «попаданий» дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри клетки; с увеличением дозы увеличивается вероятность таких попаданий и наоборот.

Теория «мишени или попаданий»,созданная Н. В. Тимофеевым-Ресовским с соавторами, поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы).

undefined

Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер (1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость «доза-эффект» обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы.

Б. И. Тарусовым и Ю. Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах — в липидных слоях биомембран. Эта теория получила название теории липидных радиотоксинов.

Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория (1976). Автор этой теории А. М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.

В настоящее время произошел сдвиг парадигмы от теории мишени и попадания к немишенным эффектам облучения (например,эффект «свидетеля»).

История

Открытие Иваном Павловичем Пулюем (1890) и Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей (1895), Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности (1896), Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри радиоактивных свойств полония и радия (1898) явилось физической основой для рождения радиобиологии.

Этапы развития радиобиологии
Первый этап

1890—1921 гг.

описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение

И. П. Пулюй • В. К. Рентген • А. Беккерель • М. Склодовская • П. Кюри • И. Р. Тарханов • Е. С. Лондон • Г. Е. Альберс- Шонберг • Л. Хальберштадтер • П. Броун • Дж. Осгоуд • Г. Хейнеке • | Ж. Бергонье • Л. Трибондо
Второй этап

1922—1944 гг.
Теория точечного тепла, становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, связь эффектов с величиной поглощенной дозы; открытие мутагенного действия ионизирующих излучений, развитие радиационной генетики

Ф. Дессауэр • Л. Грэй • Н. В. Тимофеев- Ресовский • А. М. Кузин • Б. Н. Тарусов • Н .М. Эмануэль • Д. Э. Ли • К.Циммер • Г. А. Надсон • Г. С. Филиппов • Г. Мёллер • Л. Стадлер
Третий этап

1945—1985 гг.

дальнейшее развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации
молекулярная и клеточная радиобиология
разработка биологических способов противолучевой защиты
лечения лучевых поражений
применение в радиобиологии ускорителей заряженных частиц
разработка радиосенсибилизирующих агентов
развитие радиобиологических принципов лучевой терапии опухолей

Дубинин Н. П. • Н. В. Лучник • Б. Л. Астауров • К. П. Хансон • В. И. Корогодин • В. Д. Жестяников • Л. Х. Эйдус • В. И. Брусков • Э. Я. Граевский • И. И. Пелевина • А. В. Лебединский • П. Д. Горизонтов • Г. П. Груздев • П. П. Саксонов • Ю. Г. Григорьев • Н. Л. Делоне • А. В. Антипов • В. С. Шашков • С. П. Ярмоненко • Р. В. Петров • Р. Б. Стрелков • А. А. Ярилин • П. Г. Жеребченко • Е. Ф. Романцев • В. Г. Владимиров • А. К. Гуськова • Г. Д. Байсоголов • М. П. Домшлак • С. Н. Александров • А. А. Вайнсон • А. А. Летавет • Ф. Г. Кротков • В. Я. Голиков • У. Я. Маргулис • А. В. Севанькаев • Ю. Б. Кудряшов • Е. Ф. Конопля •

Четвертый этап

с 1986 года по настоящее время
эффекты малых доз
немишенное действие
механизмы неионизирующего излучения
сдвиг и смена парадигмы в радиобиологии

И. И. Сусков • В. А. Шевченко • Д. М. Спитковский • Е. Б. Бурлакова • И. Е. Воробцова  • С.В. Гудков • H. R. Withers • J. Ward • H. Nagasawa • J. Little • C. Mothersill • C. Seymour • O. V. Belyakov • M. Folkard • K. Prise • B. Michael • K. Baverstock • M. Joiner • B. Marples • P. Lambin • A. Brooks • T. Elsasser • M. Scholz • T. Day • G. Zeng • A. Hooker • T. Neumaier • J. Swenson • C. Pham • A. Polyzos • A. Lo • P. Yang • J. Dyball • O. Desouky • N. Ding • G. Zhou • А. Н. Котеров • А. А. Вайнсон • Y. Ogawa

Стадии формирования радиобиологических эффектов

undefined

В формировании радиобиологических эффектов различают следующие стадии:

  1. Физико-химическая стадия — прямое или косвенное действие излучения на молекулы-мишени.
  2. Биохимическая стадия — действие излучения на основные компоненты радиочувствительных клеток с последующим изменением их метаболизма.
  3. Биологическая стадия — генетические и отдаленные эффекты облучения.
    • Длительность стадий от 10−18 до 1012 секунд.
    • Некоторые стадии обратимы и могут быть модифицированы.
    • Выраженность эффекта зависит от радиочувствительности объекта и дозы излучения. Ряд повреждений может быть восстановлен.

Радиобиология клетки

Радиационная цитология (радиобиология клетки) изучает влияние излучений на строение и функции клеток, а именно:

Основные изменения

Причины нарушений

Направления

Основные направления в радиобиологии
  • Общая (фундаментальная) радиобиология: радиационная биохимия | радиационная биофизика | молекулярная радиобиология | радиационная цитология | радиационная генетика | радиационная экология | космическая радиобиология

    • Периодические издания

    Учебные заведения и научные учреждения

    Радиобиологию изучают во многих научных центрах и университетах. Вот некоторые из них:

    Примечания

    Литература

    Рекомендуемые учебники

    • Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist, 8th edn. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2018
    • Joiner Michael C., van der Kogel Albert J. Basic Clinical Radiobiology, Fifth Edition, CRC Press, 2018
    • Актуальная радиобиология: курс лекций / Л. А. Ильин, Л. М. Рождественский, А. Н. Котеров, Н. М. Борисов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2015. — 240 с. — (Высшая школа физики). — ISBN 978-5-383-00932-1.
    • Ярмоненко С. П., Вайнсон А. А., Радиобиология человека и животных. М.: Высшая школа, 2004
    • Кудряшов Ю. Б., Радиационная биофизика , М., 2004
    • Гудков С.В. Частные вопросы радиационной биофизики. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2022. – 236 с. (ISBN 978-5-91326-750-4)