Содержание к диссертации
ВВЕДШИЕ 5
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Физические представления о взаимодействии
нейтронов и тяжелых заряженных частиц с
веществом 10
1.1.1. Источники нейтронов, используемые для медико-биологических целей 10
1.1.2. Основные процессы взаимодействия нейтронов с элементами тканеэквивалент-
ной среды 12
1.1.3. Способы описания радиационного поля, создаваемого в веществе нейтронами 15
1.1.4. Потеря энергии быстрыми тяжелыми заряженными частицами 21
1.1.5. Потеря энергии тяжелыми заряженными частицами малых энергий 23
1.2. Биологическое действие нейтронов на
бактерии 27
1.2.1. Летальные эффекты 27
1.2.2. Влияние модифицирующих факторов 33
1.2.3. Генетические эффекты 36
1.2.4. Влияние пространственного распределения вторичных тяжелых заряженных
частиц 39
1.3. Радиационные эффекты в органических ве
ществах под действием нейтронов и тяжелых
ионов малых энергий 44
1.3.1. Изучение с помощью ЭПР-спектроскопии
свободных радикалов, образующихся под
действием шготноионизируюших излучений
и нейтронов 44
1.3.2. Действие тяжелых ионов малых энергий
на биомакромолекулы и синтетические
полимеры 46
ГЛАВА 2. МАТЕВЇАШ И МЕТОДЫ
2.1. Источники излучений. Дозиметрия . 54
2.2. Микробиологические методики 60
2.3. ЭПР-спектроскопил . 65
2.4. Определение ферментативной активности пероксидаш 66
ГЛАВА 3. РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕК1Ы ДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНОВ РЕАКТОРА БР-Ю СО СРЕДНИМИ ЭНЕРГИЯМИ 0,85 МэВ И 0,35 МэВ НА КЛЕТКИ Е.СОЫ
3.1. Летальные эффекты нейтронного облучения клеток Е.соїі в суспензии и их модификация 75
3.2. Сравнительная эффективность нейтронов и
f -излучения по образованию мутаций у
Е.соїі 84
3.3. Облучение клеток Е.соїі нейтронами в
условиях наличия и отсутствия равновесия
вторичных тяжелых заряженных частиц 92
ГЛАВА 4. РАДЙАЦЙОННО-ХИМИЧЕСКИЕ ШЕКШ ДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНОВ И МЕДЛЕННЫХ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАШЦ НА ШОМАКРОМОЛЕШЫ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ
4.1. Сравнительная эффективность образования свободных радикалов в ДНК и пероксидазе под действием нейтронов и Г-излучения «... 105
4.2. Повреждающее действие протонов и ионов с энергиями I-I50 кэВ на пероксидазу и
полимеры III
ГЛАВА 5. ЗАШСИМОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОНОВ НА БАКТЕШИ ОТ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ ВТОРЙЧНЬМ ТЯЖЕЛЫМИ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ (ОБСУВДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ) .
5.1. Биофизические подходы к интерпретации
закономерностей действия нейтронов на
бактерии» 133
5.1.1. Подход на основе ЛПЭ 134
5.1.2. Микродозиметрический подход 138
5.1.3. Подход на основе распределения частиц
по энергиям « 142
5.1.4. Роль упругих ядерных столкновений 147
5.2. Сравнительные биологические эффекты нейт
ронного облучения и их молекулярная
природа • • 149
ЗАКЛЕНЕНИЕ . 160
ВЫВОДЫ • • •*»»«*••••*•»•#••••••• loo
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .
Введение к работе
Актуальность проблемы. Все более широкое использование нейтронов для лучевой терапии опухолей, интенсивное развитие атомной энергетики и другие практические задачи определяют необходимость тщательного изучения радиобиологических и дозиметрических характеристик нейтронов. В настояшее время установлен целый ряд феноменологических закономерностей биологического действия нейтронов (Б.М.Исаев, Ю.И.Брегадзе; 1967; Н.А. Троицкий и соавт., 1971; А.Г.Свердлов, 1974; catteraii, Bewley, 1979; Sinclair , 1982; Cunther , 1983 и др.). Однако их более эффективное использование ограничивается из-за отсутствия удовлетворительной теории, связывающей процессы выделения энергии нейтронного излучения с возникновением радиационных повреждений в клетках и конечными радиобиологическими эффектами. Создание такой теории требует изучения пространственных характеристик выделения энергии вторичными тяжелыми заряженными частицами, образуемыми нейтронами, и определения эффективности различных первичных механизмов передачи энергии излучения веществу. Это возможно только на основе комплексного подхода к исследованию радиационно-химических и биологических эффектов нейтронов и при использовании объектов и тест-систем, для которых наиболее полно изучены реакции на действие редкоионизи-руюших излучений. К числу таких объектов относятся клетки бактерий Є. coli , позволяющие одновременно изучать летальные и генетические эффекты излучений. У этих бактерий выделен ряд радиочувствительных мутантов, дефектных по способности к репарации повреждений ДНК. Радиационные эффекты у бактерий легко модифицируются условиями облучения и культивирования. Развития и совершенствования требуют методы количествен
ной оценки эффективности повреждающего действия короткопробеж-ных тяжелых заряженных частиц, формирующих существенную долю спектра вторичных частиц, образованных нейтронами. Особую значимость при этом приобретает соотнесение наблюдаемых эффектов с результатами современных подходов к описанию физических параметров радиационного поля и созданных на их основе биофизических моделей. Все это определяет актуальность вопросов, рассматриваемых в диссертации, как для теоретических, так и для прикладных аспектов радиобиологии нейтронов.
Цель и задачи работы. Целью данной работы явилось экспериментальное изучение закономерностей биологического действия нейтронов с различными энергиями на клетки бактерий, а также радиационных эффектов, вызываемых тяжелыми заряженными частицами в биомакромолекулах (ДНК, фермент) и тканеэквивалентных полимерах. Для этого необходимо было решить следующие задачи.
1. Разработать методы облучения нейтронами реактора БР-Ю клеток Є. coli в виде суспензии и в виде монослойных препаратов, а также методы облучения микроколичеств фермента (1-Ю мкг) и полимеров тяжелыми ионами малых энергий.
2. Изучить радиобиологические характеристики летального и мутагенного действия нейтронов на различные штаммы клеток
. coli и влияние на них модифицирующих факторов.
3. Исследовать биологическую и радиационно-химическую эффективность протонов и тяжелых ионов малых энергий, а также эффективность образования свободных радикалов в биомакромолекулах при нейтронном облучении.
4. Проанализировать полученные результаты с позиций современных биофизических моделей, основанных на концепциях ЛПЭ
и микродозиметрии, и оценить их применимость к описанию эффектов нейтронного облучения бактерий.
Научная новизна, В работе впервые получены радиобиологи-ческие характеристики летального и мутагенного действия реакторных нейтронов со средними энергиями 0,85 МэВ и 0,35 МэВ на различающиеся по радиочувствительности штаммы бактерий Є. col г . Установлено, что быстрые и промежуточные нейтроны спектра деления обладают высокой эффективностью летального действия на радиоустойчивые штаммы дикого типа и примерно равной эффективностью с редкоионизируюшим излучением при действии на радиочувствительные штаммы. Продемонстрировано, что характер летального действия нейтронов отличается от действия другого вида плотноионизирующих излучений - тяжелых ионов высоких энергий. Впервые показано, что нейтроны спектра деления обладают значительно меньшей генетической эффективностью по тесту образования точковых мутаций у бактерий, чем редкоионизирующие излучения.
Разработаны экспериментальные методы изучения биологического и радиационно-химического действия медленных тяжелых заряженных частиц. При этом обнаружена высокая биологическая эффективность компонента медленных протонов и тяжелых ядер отдачи спектра вторичных частиц, образованных нейтронами. Изучена энергетическая зависимость образования радиационных повреждений в биомакромолекулах и полимерах при облучении медленными ионами. Тем самым, получены новые аргументы в пользу высокой эффектов ности механизма упругих ядерных столкновений в повреждении макромолекул и необходимости их учета при оценке эффектов нейтронного облучения. При использовании ЭПР-спектроскопии получены ранее неизвестные данные о спектрах и относительных выходах свободных радикалов биомакромолекул при действии нейтронов.
Эксперименты были спланированы и проведены в условиях тщательного дозиметрического обеспечения и на основе расчетно-теоретических данных, полученных с использованием современных
методов расчета и моделирования радиационных процессов на ЭВМ. Результаты работы дополняют современные фундаментальные представления о природе радиобиологических эффектов нейтронов.
Практическая значимость работы. В практическом плане полученные результаты могут представлять интерес для целей радиационной гигиены и лучевой терапии плотноионизируюшими излучениями. Предложенные в работе способы определения поглощенной дозы и оценки качества излучений в микрометрических слоях вещества могут быть использованы для совершенствования методов граничной дозиметрии и дозиметрии излучений со сложным спектром ЛПЭ. Количественные данные о выходе точковых мутаций при облучении нейтронами спектра деления дополняют и уточняют сведения, содержащиеся в существующих нормативных документах, связанных с оценкой генетического риска ионизирующих излучений. Разработанный на уровне изобретения (авторское свидетельство $ 1037767) комплекс радиационно-микробиологических методик используется в НИИМР АШ СССР для изучения радиобиологических характеристик гамма-нейтронного излучения калифорния-252 терапевтического аппарата АНЕТ-В в рамках научной темы "Теоретические и экспериментальные исследования биологических эффектов нейтронов" (№ 8I0II466); для оценки мутагенной эффективности новых фама-кологических препаратов, а также в исследованиях радиобиологических характеристик нейтронов реактора ИБР-2 (Дубна) по Программе ГКНТ СССР 06902 "Злокачественные новообразования" (задание 04II3).
Основные результаты работы отражены в 8 опубликованных статьях, 2 экспозициях на ВДНХ СССР и 6 тезисах докладов, которые доложены на 5 Всесоюзных съездах, конференциях и совещаниях.
Основные положения, выдвигаемые на защиту
1. Нейтроны спектра деления более эффективны по летальному действию на клетки радиоустойчивых штаммов 6. coli , чем редкоионизируюшие излучения, а реакция клеток радиочувствительных штаммов при действии нейтронов слабо отличается от реакции на редкоионизирующие излучения,
2. Нейтроны обладают меньшей эффективностью образования точковых мутаций у бактерий и меньшей эффективностью образования свободных радикалов в биомакромолекулах, чем редкоионизируюшие излучения.
3. Результаты, полученные с помощью разработанных методов облучения монослоев клеток нейтронами и облучения макромолекул медленными ионами, свидетельствуют о высокой биологической и радиационно-химической эффективности медленных тяжелых заряжен ных частиц.
4. Реакции бактерий на воздействие двух видов плотноиони-зируюших излучений-нейтронов и высокоэнергетичных тяжелых ионов - существенно различаются, что обусловлено характером пространственного распределения выделенной энергии и особенное тями первичных процессов энерговыделения.
