Радиобиология

Радиобиология — раздел радиологии, изучающий действие ионизирующих излучений на живые организмы. Радиобиология устанавливает зависимость реакций организма от ряда физических и биологических факторов — вида лучевого воздействия, величины дозы излучения (см. Дозы ионизирующих излучений), фактора времени облучения (см. Облучение), радиочувствительности (см.) организма и др. Радиобиология исследует, как происходит передача энергии ионизирующих излучений живому веществу, какие первичные физико-химические процессы и биохимические эффекты при этом возникают и к каким морфологическим и функциональным изменениям они приводят (см. Лучевая болезнь, Лучевые повреждения). Радиобиология является теоретической основой применения ионизирующих излучений в медицине (см. Излучения ионизирующие, Радиология медицинская).

Радиобиология (от лат. radius — луч, греч. bios — жизнь и logos — учение) — наука о действии ионизирующего излучения на живые организмы.
Открытие Рентгеном в конце прошлого столетия икс-лучей (см. Рентгеновское излучение), явления радиоактивности (см.), выделение радия (см.) способствовали возникновению радиобиологии как самостоятельной дисциплины. Дальнейшие открытия в области ядерной физики потребовали изучения влияния различных видов радиации на биологические объекты, определения количественных зависимостей действия излучения, изучения влияния пространственного и временного распределения дозы. Возникла потребность в познании первичных процессов, лежащих в основе биологического действия излучения, в изучении начальных сдвигов в физиологических системах организма.
Поскольку радиобиология включает изучение действия радиации на различных уровнях (субклеточном, клеточном, целого организма, его систем, органов и тканей), возникли три основных ее раздела: общая радиобиология (изучение зависимости эффекта от дозы, от распределения дозы во времени, от вида и пространственного распределения излучения и от ряда биологических факторов — вида животного, пола, возраста, исходного состояния организма, факторов окружающей среды и т. д.); теоретические основы первичного биологического действия излучения; функциональные и структурные характеристики лучевых реакций (радиационная патофизиология, патоморфология, биохимия, микробиология и т. д.). Радиобиологические закономерности положены в основу методов лучевой терапии (см.), рентгенотерапии (см.), при обеспечении безопасности космических полетов, разработке профилактических и терапевтических средств от лучевых поражений (см. Противолучевая защита). Радиобиология решает практические вопросы радиационной гигиены (см.), проблемы отдаленных последствий действия на людей ионизирующих излучений, что имеет большое значение в связи с использованием излучений в медицине и народном хозяйстве. Одно из центральных мест в современной радиобиологии занимает проблема восстановления облученного организма, так как выяснение условий, усиливающих восстановительные процессы, способствует снятию угрозы отдаленных последствий. Радиобиологические закономерности служат для целей радиоселекции (см. Генетика радиационная) и лучевой стерилизации пищевых продуктов и медицинских материалов (см. Радиационная микробиология). Знания о действии излучения на живые организмы используются при решении других вопросов медицинской науки, например подавление при облучении иммуноспецифических свойств организма используется для исследований возможности трансплантации тканей.
На основании экспериментальных и клинических исследований выявлены радиобиологические закономерности, показывающие зависимость действия излучения от ряда физических и биологических факторов. Обнаружена различная биологическая эффективность разных видов излучений и излучений различных энергий, связанная с особенностями их взаимодействия с веществом и различным пространственным распределением в тканях (см. Излучения ионизирующие, Относительная биологическая эффективность). Эти знания используются в медицине при выборе источника и метода облучения для лечения различных заболеваний, а также в практике гигиенического нормирования.



Выявлена зависимость повреждающего действия излучения от количества (дозы) поглощенной энергии, которая в общей форме может быть выражена графически в виде S-образной кривой смертности, а также кривой, характеризующей среднюю продолжительность жизни (см. Дозы ионизирующих излучений, рис. 1 и 2). По влиянию излучения на смертность в течение определенного срока (чаще всего 30 дней) приняты: 1) минимальная смертельная доза (МСД) — количество излучения, вызывающее смертность в 10% случаев; 2) доза половинной выживаемости (СД50); 3) минимальная абсолютно смертельная доза (МАСД) — минимальное количество излучения, вызывающее смертность 100% облученных. Для человека и многих видов теплокровных животных при общем однократном облучении МСД составляет 200 с СД60 — 400 р, МАСД — 600 р.
По мере увеличения дозы излучения сокращается срок жизни облучаемого животного. При дозах, превышающих на несколько тысяч рентгенов МАСД, он составляет 3,5 дня. Облучение в дозе более 15 000 р приводит к гибели в течение суток. Дальнейшее нарастание дозы укорачивает сроки жизни до нескольких часов и минут, приводя к гибели «под лучом». В зависимости от величины дозы излучения в клинических проявлениях заболевания преобладают различные симптомы и обнаруживаются различные механизмы гибели. Установлена также дозовая зависимость поражающего действия излучения в отношении различных кожных реакций (см. Кожа, лучевые повреждения).
Наряду с качеством и величиной дозы излучения на биологический эффект оказывает влияние фактор времени облучения (отношение дозы протяженного или дробного облучения к дозе однократного кратковременного воздействия, которая вызывает одинаковый с ними биологический эффект). Дробное лучевое воздействие менее эффективно по сравнению с однократным. Существенно влияют на эффект величина отдельных фракций, интервалы между облучениями и ритм лучевого воздействия. Изменение протяженности облучения за счет снижения мощности дозы (ниже 20 р/мин) также уменьшает биологический эффект. Изменение мощности дозы в диапазоне —20—150 р/мин для большинства биологических реакций не оказывает существенного влияния. В последние годы отмечено снижение повреждающего эффекта при использовании мощностей доз порядка нескольких тысяч рентгенов в минуту.
Имеются данные о стимулирующем действии ионизирующего излучения на живые организмы, однако этот вопрос является спорным и требует дальнейшего изучения.
Изучение ответных биологических реакций на лучевое воздействие обнаруживает различную чувствительность организмов, физиологических систем и отдельных структурных образований к ионизирующему излучению. Сравнительная чувствительность к излучению различных биологических объектов позволяет говорить об их относительной радиочувствительности или радиорезистентности. При этом необходимо принимать во внимание критерий оценки и срок наблюдения реакции. Имеется концепция, согласно которой радиочувствительность объекта определяется его способностью к пострадиационному восстановлению.
На чувствительность к излучению большое влияние оказывают вид, пол животного, возраст особи, подвергаемой облучению. Растущие организмы обладают более высокой радиочувствительностью по сравнению с взрослыми. Как в экспериментальных исследованиях, так и в радиологической клинике четко проявляется индивидуальная радиочувствительность. Радиочувствительность организма в большой мере определяется типологическими особенностями высшей нервной деятельности. Лучше переносят облучения животные и люди с сильным уравновешенным типом высшей нервной деятельности. Слабость основных корковых процессов обусловливает неблагоприятное течение реакции на лучевое воздействие. Другим важным фактором, определяющим реакцию организма на лучевое воздействие, является исходное функциональное состояние ЦНС.
Повышенная возбудимость ЦНС непосредственно перед облучением или в момент облучения неблагоприятно сказывается на течении лучевого поражения; при понижении возбудимости и уровня корковой активности отмечено снижение биологического эффекта. Изменением исходного функционального состояния организма (в частности, при помощи фармакологических средств) можно в значительной степени повлиять на его радиочувствительность. Эта возможность используется при необходимости в радиологической клинике.

Большое влияние на течение лучевого поражения оказывает также исходное функциональное состояние желез внутренней секреции — гипофизарно-адреналовой системы, щитовидной и половых желез. Определенная зависимость связывает уровень эстрогенов в крови с естественной радиочувствительностью животных. Известно увеличение биологического эффекта в условиях повышенной функции щитовидной железы, при недостаточности коры надпочечников. В настоящее время признается, что предварительная стимуляция гипофизарно-адреналовой системы положительно сказывается на течении и исходе лучевого повреждения. Предварительное воздействие стресс-факторами физической и химической природы создает в определенные сроки повышенную резистентность организма к действию излучения.
На радиочувствительность живых организмов оказывают влияние и некоторые факторы окружающей среды. Отмечены суточные и сезонные колебания радиочувствительности; имеют значение температура воздуха, физическая нагрузка и другие факторы. Существенно меняет радиочувствительность организма концентрация кислорода в окружающей среде и тканях в момент облучения. Понижение концентрации кислорода в момент облучения ниже атмосферной уменьшает биологическое действие излучения. Увеличение радиобиологического эффекта при облучении в присутствии кислорода носит название кислородного эффекта. Кислородный эффект отличается универсальностью и проявляется при действии радиации почти на все виды живой материи. Кроме того, кислородный эффект используется как метод изучения первичных звеньев механизма биологического действия ионизирующей радиации. Взгляд на механизм биологического действия ионизирующих излучений основывается на представлениях о прямом действии радиации на биологический субстрат (теория мишени) либо о косвенном (непрямом) действии — через промежуточные активные вещества (теория активированной воды). Теория мишени, разработанная на основе анализа кривых зависимости эффекта от дозы, основана на математическом анализе вероятности «попаданий» в наиболее уязвимый объем в клетке («мишень»). Приложимость теории мишени ограничивается довольно узкими пределами так как она не объясняет действия излучения на сложные биологические объекты.
Согласно теории непрямого действия излучения радиация влияет на вещество опосредованно, первоначально изменяя молекулы растворителя и вызывая появление так называемых активных радикалов. Образовавшиеся свободные неустойчивые и химически весьма активные радикалы — атомарный водород (Н·), гидроксильные группы (ОН-), гидропероксид (НО 2 ) — взаимодействуют с молекулами растворенного вещества, обусловливая первичные радиационно-химические реакции. Эти реакции могут носить характер окислительных либо восстановительных процессов.
Экспериментальные данные показывают, что первичное действие ионизирующей радиации сводится как к прямому, так и к косвенному эффекту, сосуществующим в любом радиационно-химическом и радиобиологическом процессе. Все большее значение приобретает проблема первичных начальных механизмов биологического действия излучения на молекулярном и клеточном уровнях. Дальнейшая разработка теоретических проблем радиобиологии необходима для решения вопросов защиты человека от вредного действия излучения, изыскания более эффективных путей лучевой терапии злокачественных новообразований, использования излучения для целей радиоселекции и других практических задач.