Лекція 13.
Біоіндикація та стійкість організмів до
радіації
1.Вимоги до біоіндикації
2.Класифікація
індикаторів радіаційних впливів.
3. Стійкість
організмів до радіації
1.Вимоги до біоіндикації
Широке
використання іонізуючої радіації в народному господарстві і в медицині,
можливість виникнення аварійних ситуацій на різних джерелах іонізуючого
випромінювання складає необхідність своєчасної і адекватної оцінки впливу
опромінення на обслуговуючий персонал і населення. Аварія на ЧАЕС показала
особливу актуальність проблеми ранньої діагностики, визначення ступеня важкості
і прогнозу радіаційного ураження, забезпечення контролю за рівнем опромінення
персоналу, який брав участь у ліквідації аварії, і оцінки віддалених результатів
променевого впливу. Безсумнівно, що для оцінки ефекту опромінення необхідно,
перш за все, встановити отриману організмом дозу радіації за допомогою фізичної
дозиметрії. Однак в багатьох ситуаціях, а саме в аварійних, відсутня достатня
повнота дозиметричної інформації.
Слід також
відмітити, що важкість ураження при гострих впливах визначається не тільки
величиною поглинутої дози іонізуючої радіації, але і якістю випромінювання,
характером розподілення дози і
індивідуальної радіочутливості організму, що приводить до необхідності
використання, поряд з фізичною дозиметрією специфічних клініко-лабораторних
тестів, придатних для виявлення факту опромінення, поглинутої дози радіації і
прогнозування ймовірності важкості ураження.
Вимогами до
біоіндикації є: залежність зміни
кількісного рівня вимірюваного показника від дози опромінення, стабільність,
тобто здатність реагувати на опромінення суттєво сильніше, ніж на будь-який
інший вплив нерадіаційної природи.
До допоміжних
потреб відносяться – технічне застосування методу для використання матеріалу від
людини, відсутність необхідності у складному обладнанні і висококваліфікованому
персоналі, простота використання, доступність матеріалу. Легко бачити, що
перераховані вимоги не мають абсолютного характеру. Так, наприклад, вимоги
до індикаторів для первинного
сортування в аварійних ситуаціях (швидкість опромінення відповіді, простота
виконання) можуть істотно відрізнятися від вимог для діагностики в клінічних
умовах (тут на перше місце виступають необхідність стабільності змін показника
часу і його специфічності).
Основні принципи
створення системи ранньої лабораторної діагностики променевих уражень
сформульовані в роботі: комплексність діагностики, неоднаковий набір показників
для різних видів променевого впливу (одномоментного, пролонгованого,
зовнішнього, внутрішнього), можливість екстраполяції експериментальних даних з
тварин на людину, знаходження патогенетично значних радіобіологічних змін як
надійної основи для створення методів індикації променевого ураження. Викладені
уявлення і рекомендації істотно упорядкували пошук засобів біологічної індикації
радіаційних впливів.
Завдання діагностики радіаційних уражень і основні
визначення. При гострих радіаційних ураженнях необхідність пошуку
комплексу інформативних біологічних методів діагностики стосується головним
чином раннього (латентного) періоду променевої хвороби, оскільки в розгорнутій
стадії захворювання їх клінічна картина сама по собі достатньо
інформативна.
У проблемі
індикації ефектів променевого впливу слід розглянути декілька аспектів.
По-перше, це задача визначення отриманої організмом дози опромінення за змінами
біологічних показників – “біологічна дозиметрія”. В найбільшій степені до
поняття “біологічний дозиметр” наближається метод підрахунку аберацій хромосом в
лімфоцитах периферійної крові після їх стимуляції мітогенами або в клітинах
кісткового мозку. Однак в даному понятті не враховується достатньо великий
розкид індивідуальних реакцій організму, які призводять до неоднакового ураження
біологічних об’єктів при рівній поглинутій дозі. Слід відмітити і деяку
двозначність терміну “біологічна дозиметрія”, під яким розуміють і кількісні
біологічні реакції, за якими стараються судити про поглинуту фізичну дозу
радіації і прогностичні оцінки на основі зміни біологічних показників. Тому
видається більш адекватним термін “біологічна індикація”. При цьому розуміється,
що задача біологічної індикації променевого пошкодження – встановлення факту
опромінення і ступеня важкості, який залежить від комплексу факторів: величини
поглинутої дози, її розподілу по критичних органах, якості радіації, потужності
дози, індивідуальної радіочутливості (Комар В.И.,
1992).
Таким чином, друге
завдання ранньої діагностики – оцінка ступеня важкості радіаційного ураження і
прогнозування його закінчення, які визначають перерахованими вище факторами.
Термін “біологічна дозиметрія” набув, однак, великого поширення. Компромісним
підходом до уточнення цих двох визначень може бути розділення понять “біологічна
індикація” і “біологічна дозиметрія”. При цьому використання “біологічного
індикатора” обмежується завданням орієнтовної оцінки важкості пошкодження, в той
час як вимоги до “біологічного дозиметра” значно вищі – точність визначення дози
вища 5% при дозах опромінення, які дають гострі ефекти, тобто перевищують 1 Гр.
Слід також вказати на третю задачу діагностики радіаційних уражень, яка полягає
в оцінці радіаційного ефекту в умовах впливу модифікуючих факторів як променевої
(поєднання внутрішніх і зовнішніх впливів), так і не променевої природи (комбіноване радіаційне пошкодження
хімічними протекторами). В останньому випадку зсуви величини показників
опромінення можуть істотно відрізнятися від ситуацій ізольованого радіаційного
впливу.
На кінець,
останніми роками все більшої актуальності набуває пошук біологічних засобів
оцінки ефектів впливу в діапазоні малих доз і малих потужностей дози, як в
ранні, так і віддалені строки після радіаційних і комбінованих впливів. Саме
визначення поняття “малі дози” сьогодні – предмет дискусії. Вчені пропонують
відносити до “малих доз” рівні радіаційного впливу, які не викликають певних
клініко-гематологічних змін (діапазон 0-0,5 Гр тотального опромінення для
людини).
2.Класифікація
індикаторів радіаційних впливів.
Перша узагальнена
класифікація лабораторних методів індикації променевих уражень
запропонована В.К.Мазуриком (1980).
Виділено п’ять груп показників – цитогенетичні (хромосомний аналіз),
гематологічні (зміни кількостей, морфології і співвідношення форменних
елементів периферійної крові), біофізичні (пострадіаційні зміни фізичних
властивостей біологічних молекул і надмолекулярних комплексів),
біохімічні (зміна хімічних властивостей крові і сечі),
імунобактеріологічні (зміна імунної реактивності організму і складу
мікробної флори покривної тканини кишечника).
Таблиця
Класифікація
індикаторів променевих уражень (Комар В.Е.)
Радіобіологічні
ефекти |
Приклади
показників або процесів |
Відповідність
класифікаціям |
Радіаційно-хімічні
і фізико-хімічні
процеси в біологічних системах |
Реєстрація
радіаційно-індукованих радикалів методом ЕПР, хемілюмінесценція сироватки
крові, ультрафіолетова флюоресценція клітин крові
|
Біофізичні |
Структурні
порушення генома |
Розриви в
тяжах ДНК. Порушення суперспіральної ДНК і її первинної
структури |
Біохімічні
(структурні) |
Радіаційні
пошкодження хромосом, соматичні мутації |
Аберація
хромосом в метафазі, мікроядра, мутаційні тести, хромосомні порушення в інтерфазних
ядрах |
Цитогенетичні |
Порушення
клітинних мембран |
Електрофоретична
рухливість клітин, зв’язування лектинів з мембраною; седиментація
еритроцитів у градієнті густини, зростання активності лізосомних ферментів
у крові. Світлорозсіювання клітинної мембрани, зміна контактних
властивостей клітин. |
Біофізичні,
біохімічні |
Репродуктивне
знищення клітин |
Депопуляція
кровотворних органів, лейкопенія, тромбоцитоніння, ретикулоцитопенія,
подавлення сперматогенезу |
Гемато-морфологічні.
Цитологічні |
Інтерфазна
загибель клітин |
Лімфопенія,
вторинні розриви в ДНК лімфоцитів, зниження вмісту ДНК в клітинах крові і
накопичення ПДН, зростання концентрації дезоксисполук в крові і їх
екскреція, апототична загибель клітин волосяних
фолікулів |
Гемато-морфологічні.
Біохімічні
|
Порушення
метаболізму |
Багаточисленна
група біохімічних індикаторів. Інгібітори протеолізу, зміна
амінокислотного складу крові і підвищення екскреції ряду
амінокислот |
Біохімічні
(метаболічні) |
Порушення
імунної системи |
Зсуви в
субпопуляціях лімфоцитів, їх здатність до стимульованої мітогеналін
проліферації і виробці імуноглобулінів |
Імунобактеріо-логічні |
Біохімічні
індикатори складають широку групу показників, які на різних патологічних змінах
в проміжному організмі, В.К.Мазурик (1987) розділив на структурні
(порушення структури ДНК і клітинних мембран) і метаболічні (зміни
вмісту метаболітів ДНК, амінокислот, ферментів в крові і
сечі).
Перші з них
заповнені головним чином на структурних пошкодженнях ДНК, другі базуються на
постпроменевих порушеннях різних сторін метаболізму, зокрема розпаду ДНК в
радіочутливих інтерфазногинучих
клітин. Ряд біохімічних показників може бути віднесений до мембранних тестів,
оскільки порушення структур клітинних мембран супроводжується виходом деяких
ферментних фракцій у кров і внаслідок цього викривленням ферментного і
ізоферментного складу плазми крові. Внаслідок сказаного, виділення групи
біохімічних показників у класифікації біологічних індикаторів є умовним. З
досліджених при опроміненні багаточисленних ферментативних активностей найбільш
інформативним є тести визначення амілази і лужної фосфатази. Ряд метаболічних
показників оснований на ефектах порушення біологічних синтезів або зростання
метаболізму в опроміненому організмі. Зокрема, має місце зростання процесів
протеолізу, і відповідно збільшення екскреції амінокислот в 1-у добу після
опромінення в експериментальних тварин і людей після радіаційних аварій.
Сьогодні широко
використовують метод радіобіоіндикації. До методу ізотопних індикаторів ставлять дві
вимоги:
·
Введення
даного індикатора в біологічні системи не повинно порушувати нормального
протікання біологічних процесів.
·
Інформація, яка отримується за їх допомогою,
повинна бути точною та об’єктивною.
Аналіз даних про
біологічну дію радіоактивних ізотопів на рослини показує деякі протиріччя та
неточності. Але, з певною точністю можна прийняти, що стимулююча дія
спостерігається в інтервалі доз 10-19 – 10-5 Кі/л(кг)
розчину чи грунту, при
10-10 – 10-3 Кі/л(кг) – дія відсутня, а при 10-8 – 10 Кі/л(кг) –
спостерігається негативний вплив.
Ті середні дози радіації, які не
впливають на організми рослин та
використовуються у радіобіоіндикації, – називаються індикаторними (на сьогодні
-10-7 – 10-4 Кі/л (кг).
За допомогою методу ізотопних індикаторів
можна вирішувати певні типові задачі:
1.Дослідження
міграції і розподілу в біосфері помічених ізотопами
організмів.
2. Дослідження
міграції і розподілу по морфологічних органах і тканинах живого
організму.
3. Дослідження
хімічного шляху переходу поміченого елемента з одних сполук в
інші.
4.Вивчення
ізотопного обміну в біосистемах.
5. Дослідження
асиміляції живими організмами поживних речовин з різних
джерел.
6. Дослідження
шляхів передачі генетичної інформації.
Найчастіше використовують малорозповсюджені
радіоізотопи – 14С, 59Fe, 51Cr, 32P, 15N, 18O.
Біоексперимент з використанням ізотопних
індикаторів складається з таких стадій:
1.Складання
схеми-плану експерименту
2.Розрахунок
індикаторних доз, питомої активності розчину, який буде введено в
організм
3.Підготовка
розчинів з міченими елементами
4. Підготовка
організмів
5. Введення
розчинів з міченими елементами в організм
6.Фіксація біооб’єкту, розділення на органели і
частини.
7.Підготовка і
проведення авторадіографії
8.Фракціонування і
розділення продуктів метаболізму
9. Проведення
кількісних аналізів
3. Стійкість
організмів до радіації
Радіостійкість
вірусів.
Розрізняють 3
основних типи негативного ефекту на них:
·
інактивація вірусу
(летальний ефект)
·
зміна властивостей без
генетичних наслідків (нелетальний ефект)
·
нелетальний мутагенний
ефект.
Летальна доза для
вірусів становить:
РНК фаг R-17 ---7500
Гр
Вірус тютюнової
мозаїки ---3000 Гр
Вірус вакцини ---
800 Гр.
Радіостійкість
бактерій
Залежить від стану
культури бактерій в момент опромінення.
Широкі
межі.
Micrococcus radiodurans
10 000
Pseudomonas aeruginosa
20
Strepomyces flaveolus—460.
Часто виникають
генні мутації.
Радіостійкість
грибів.
Досить
висока.
Сахароміцети – 475
Гр
Фізопус –
2550
Блокується
репарація ДНК і поділ клітин.
Радіостійкість
рослин.
Синьо-зелені
водорості (прокаріоти). Існують в екстремальних умовах (гейзери, космос,) мабуть
тому вони дуже стійкі (є в реакторах).
Зелені водорості
(еукаріоти) Евглена, Хлорела
(60-400 Гр). Залежить від фази клітинного циклу. Жіночі більш
стійкі.
Мохоподібні і
папороті. До 150 Гр – стимуляція росту.А 250-800 –
загибель.
Голонасінні і
покритонасінні. Велика варіабельність. Залежить від багатьох факторів. Насіння в
сотні разів є більш стійким.
Радіостійкість
тварин. Інфузорії, амеби – кілька тисяч
Гр. Комахи – 1000 Гр. Хребетні (ЛД50/30)– вівця 1,5, людина 2,5-4; миша –
5-9;кролик 7-8; черепаха -15; золота рибка – 23.
Зменшуються
розміри тіла, черепа і плодючість.