Радиобиология

Радиационная биология или радиобиология — наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.

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

Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний — биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.

Предмет радиобиологии

Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:

• вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, в том числе и объяснение радиобиологического парадокса
• управление радиобиологическими эффектами.

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:

• Радиобиология сложных систем (экологические системы, популяции, многоклеточные организмы, органы и ткани)
• Клеточная радиобиология (клетки, клеточные органеллы, биологические мембраны)
• Молекулярная радиобиология (макромолекулы, «малые молекулы»).

Важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме 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» поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы).

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 теории эффекта «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 • 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 • 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. Летовет • Ф. Г. Кротков • В. Я. Голиков • У. Я. Маргулис • Д. М. Спитковский • Ю. Б. Кудряшов • Е. Б. Бурлакова • Е. Ф. Конопля • В. А. Шевченко • Л. А. Ильин
Четвертый этап с 1986 года по настоящее время

Стадии формирования радиобиологических эффектов

Радиобиологический эффект формируется после действия облучения последовательно на различных уровнях (А -атомарном, М — молекулярном, К — клеточном, О — органном). Изменения на первых трех уровнях обратимы.

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 10¹²секунд.
   • Некоторые стадии обратимы и могут быть модифицированы.
   • Выраженность эффекта зависит от радиочувствительности объекта и дозы излучения. Ряд повреждений может быть восстановлен.

Радиобиология клетки

Повреждение основных компонентов клетки ведет к дальнейшему изменению органов (О) и/или гибели клеток облученного организма. (М-молекулы, ПД-прямое действие, КД-косвенное действие, РТ-действие радиотоксинов). Изменения могут быть модифицированы.

Основная статья: Радиационная цитология

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

Основные изменения

• Нарушения дифференцировки и деления клеток.
• Трансформация их в злокачественные клетки.
• Репродуктивная и интерфазная гибель клеток

Причины нарушений

• Повреждение ядер, хромосом, других ядерных органелл.
• Повреждение биологических мембран.

Направления

Основные направления в радиобиологии

Общая (фундаментальная) радиобиология: радиационная биохимия | радиационная биофизика | молекулярная радиобиология | радиационная цитология | радиационная генетика | радиационная экология | космическая радиобиология Медицинская радиобиология: противолучевая защита и радиотерапия | радиационная иммунология и гематология | радиационная гигиена и эпидемиология | радиобиология опухолей Прикладная радиобиология: сельскохозяйственная радиобиология Радиобиология неионизирующих излучений

Литература

• Александер П., Бак З., Основы радиобиологии, М., 1963
• Гродзинский Д. М. Радиобиология. Биологическое действие ионизирующих излучений, М., 1961
• Барабой В. А. Популярная радиобиология, Киев, 1988.
• Белов А. Д., Киршин В. А. Ветеринарная радиобиология. М.: Агропромиздат, 1987. 287с.
• Бесядовский Р. А., Иванов К. В., Козюра А. К. Справочное руководство для радиобиологов, М., 1978
• Василенко И. Я., Василенко О. И. Биологическое действие продуктов ядерного деления, М., Бином, 2011, 384 с.
• Владимиров Ю. А. и др.- Биофизика мембран-," М., Медицина", 1983
• Конопля Е.Ф и др. — Радиобиология. Энциклопедический словарь — Гомель, 2005, 252 с.
• Коггл Дж. -Биологическе эффекты радиации -М..Энергоатомиздат, 1986
• Красавин Е. А. — Мутагенное действие излучений с разной ЛПЭ — М., Энергоатомиздат, 1991, 183 с.
• Красавин Е. А. — Проблема ОБЭ и репарация ДНК — М., Энергоатомиздат, 1989, 193 с.
• Кузин А.М — Прикладная радиобиология. М., «Энергоиздат», 1981
• Кузин А. М.- Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. М., «Наука», 1988.
• Кузин А. М., Вторичные биогенные излучения — лучи жизни, Пущино, 1997
• Лебединский А. В. Влияние ионизирующей радиации на организм животного и человека, М., 1957
• Лучник Н. В. Биофизика цитогенетических поражений и генетический код 1968. 296 с.
• Лондон Е. С., Избранные труды, Л., 1968
• Пелевина И. И. и др.- Выживаемость облученных клеток млекопитающих и репарация ДНК -М., Энергоатомиздат,1985
• Поливода Б. И. и др.- Радиационное поражение биологических мембран. М., «Медицина», 1990.
• Радиация, Дозы, эффекты, риск. М.,"Мир", 1990
• Тимофеев-Ресовский Н. В., Иванов В. И., Корогодин В. И. Основы радиационной биологии, М., 1964;
• Тимофеев-Ресовский Н. В. и др., Применение принципа попадания в радиобиологии-М., Атомиздат, 1968.
• Токин И. Б. Проблемы радиационной цитологии. Л.: Медицина, 1974.
• Хансон К. П., Комар В. Е. Молекулярные механизмы радиационной гибели клеток. М., Энергоатомиздат, 1985.
• Цыб А. Ф., Будагов Р. С. и др. Радиация и патология: Учеб. пособие. М.:Высш. шк., 2005. 341 с.
• Эйдус Л. Х. Мембранный механизм биологического действия малых доз, М., 2001
• Ядерная Энциклопедия . М., Благотворительный фонд Ярошинской,1996
• Ярмоненко С. П., Вайнсон А. А., Радиобиология человека и животных, М., Высшая школа, 2004

Периодические издания

• АНРИ (журнал)
• Радиационная биология. Радиоэкология

Учебные заведения и научные учреждения

Радиобиологией занимаются во многих научных центрах и университетах. Вот некоторые из них:

• Лаборатория радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований
• Кафедра биофизики, радиационной физики и экологии Национальныого исследовательского ядерного университета (МИФИ)
• Лаборатория радиационной биофизики МГУ
• Медицинский радиологический научный центр Минздравсоцразвития России
• Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси