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 біообєкту, 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.