Еженедельник
Объединенного института ядерных исследований
(Электронная версия с 1997 года)
Архив Содержание номера О газете На главную Фотогалерея KOI8

№ 20(3959) от 15 мая 2009:

Версия № 20 в формате pdf (~1.6 Mb)

Горизонты научного поиска

Задачи космического масштаба

На сессии Комитета полномочных представителей правительств государств-членов ОИЯИ 27-28 марта был представлен доклад профессора Е.А.Красавина "Радиобиологические исследования на ускорителях тяжелых ионов ОИЯИ. Проблемы и перспективы". Доклад вызвал большой интерес и получил высокую оценку членов Комитета. Сегодня мы знакомим читателей с основными положениями доклада, представленными автором для газеты.

Полвека назад...

Первые радиобиологические эксперименты на ускорителях заряженных частиц в ОИЯИ были начаты в конце 50-х годов на синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем. Под руководством основателей космической биологии и медицины академиков Н.М.Сисакяна, А.В.Лебединского, В.В.Парина, О.Г.Газенко были развернуты широкомасштабные исследования биологического действия протонов высоких энергий. Они были обусловлены подготовкой первых пилотируемых космических полетов и связанной с этой эпохальной задачей необходимостью оценки опасности действия на организм космонавтов протонов космического происхождения. В экспериментах на разных животных (крысы, мыши, собаки и даже обезьяны), растительных объектах, а также культивируемых клетках млекопитающих и человека изучались реакции клеточных и тканевых систем при воздействии острого, фракционированного и хронического протонного облучения. Исследовалось модифицирующее влияние разных видов физических и химических агентов на радиационные эффекты. Большой объем работ был выполнен по оценке радиационной опасности при кратковременных и длительных космических полетах человека, по установлению допустимых уровней облучения космонавтов, велась разработка методов физической защиты от космической радиации и т.д. Все эти разработки активно поддерживались дирекцией ОИЯИ и, прежде всего, В.П.Джелеповым.

На ускорителях ионов

Позднее, после создания сектора биологических исследований в ОИЯИ начались многоплановые радиобиологические исследования с более тяжелыми ускоренными ядрами различных элементов на ускорителях многозарядных ионов в Лаборатории ядерных реакций. Эти работы были направлены на решение ряда фундаментальных задач современной радиобиологии, радиационной генетики и молекулярной биологии.

Прежде всего, радиобиологические исследования на пучках тяжелых ионов были связаны с решением одной из центральных задач радиационной биологии - проблемы относительной биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками. Проблема ОБЭ - одна из старейших в радиобиологии - сводилась к выяснению важного научного и практического вопроса: почему разные типы ионизирующих излучений при действии на живые клетки в одинаковых поглощенных дозах индуцируют различные эффекты (например, клеточную гибель, возникновение мутаций и т.д.), различающиеся по частоте проявления во много раз? В лабораториях мира пытались решить эту проблему на основе учета переданной энергии излучений формальным микрообъемам, соответствующим размерам определенных генетических структур. Возникла целая область науки - микродозиметрия, где с использованием современных расчетных методов производились вычисления, связанные с передачей энергии различных видов излучений веществу живых клеток.

Однако на основе этих подходов решить проблему не удавалось. В экспериментах на ускорителях тяжелых ионов Лаборатории ядерных реакций впервые было показано, что различия в биологической эффективности излучений с разными физическими характеристиками определяются не только фактором физической природы, но и биологическими свойствами живых клеток - их способностью к репарации повреждений ДНК. Хотя влияние биологического фактора на величины ОБЭ было известно и ранее, в работах радиобиологов ОИЯИ было установлено, что степень и характер влияния биологического фактора на коэффициенты ОБЭ сами зависят от фактора физической природы. На основании этого принципиального положения было установлено, что резкое подавление процессов репарации повреждений ДНК при действии излучений с высокой линейной передачей энергии (ЛПЭ), каковыми являются ускоренные тяжелые ионы (или нейтроны определенного диапазона энергий), обусловлено не подавлением репарации как биохимической системы, а возникновением повреждений ДНК, отличающихся по своим характеристикам от возникающих при гамма- и рентгеновском облучении. Как оказалось, ими являются повреждения "кластерного типа", включающие в себя множественные разрывы химических связей во фрагменте ДНК при прохождении плотно ионизирующей частицы. С учетом этого были построены математические модели, проведены микродозиметрические расчеты выхода таких повреждений при различных условиях. Таким образом, исследования с пучками моноэнергетичных тяжелых ионов позволили выяснить механизмы, определяющие различия в летальном действии ионизирующих излучений разного качества на клетки различных организмов. Многолетние исследования по этой проблеме постоянно поддерживались руководством Лаборатории ядерных реакций - академиками Г.Н.Флеровым и Ю.Ц.Оганесяном.

По рекомендациям классиков

Выполненные разработки оказались исключительно плодотворными при выяснении механизмов мутагенного действия излучений разного качества на клетки. Как известно, фундаментальными свойствами живых систем являются наследственность и изменчивость. Один из главных механизмов, лежащий в основе изменчивости, - это мутационный процесс, и изучение механизмов образования мутаций у разных организмов является одной из главных задач современной биологии. Эффективным инструментом в расшифровке механизмов мутагенеза оказались излучения широкого диапазона ЛПЭ - ускоренные тяжелые ионы. На необходимость и плодотворность применения тяжелых заряженных частиц в изучении механизмов генетического действия радиации давно указывали классики количественной радиобиологии - Н.В.Тимофеев-Ресовский, К.Г.Циммер, Д.Е.Ли. В экспериментах на ускорителях тяжелых ионов были изучены закономерности и механизмы образования генных и хромосомных мутаций у различных клеток, показано влияние репарационных процессов на мутагенез. Выяснилось, что важную роль в формировании генных мутаций у клеток играют кластерные однонитевые разрывы ДНК, максимальный выход которых наблюдается при действии ускоренных ионов с ЛПЭ 20-50 кэВ/мкм. На основе полученных экспериментальных материалов были разработаны математические модели образования генных мутаций у бактерий и впервые прослежен весь путь от возникновения первичного повреждения структуры ДНК до закрепления его в мутацию. Описание процесса ответа клетки на повреждающее действие было выполнено в терминах моделирования сложных генетических сетей.

Проводимые в ЛРБ на ускорителях тяжелых ионов радиационно-генетические исследования носят не только фундаментальный характер, но имеют важную практическую направленность. Последние десятилетия выдвинули ряд актуальных практических задач, решение которых требует детального изучения механизмов биологического действия тяжелых ионов высоких энергий. Ускоренные тяжелые ионы (преимущественно ядра углерода с энергией 200-300 МэВ/нуклон) начали успешно применяться при лечении онкологических заболеваний. Оптимальное распределение поглощенной дозы излучения в опухоли при облучении тяжелыми ионами делает этот вид лучевого воздействия весьма перспективным в клинике лучевой терапии. С учетом этого обстоятельства задача детального изучения механизмов биологического действия тяжелых ионов весьма актуальна. Важным остается решение вопросов нормирования лучевых нагрузок на персонал, работающий в смешанных полях ионизирующих излучений, что связано с изучением стохастических эффектов радиационного воздействия, индуцируемых излучениями, различающимися по величине ЛПЭ.

Марсианская "одиссея"

Одна из важных задач изучения механизмов биологического действия тяжелых ионов высоких энергий связана с проблемами космической радиобиологии. Увеличение дальности и длительности космических полетов выдвинули на первый план проблему оценки опасности биологического действия высокоэнергетичных тяжелых ионов и разработку мер радиационной безопасности экипажей кораблей. В ходе реализации межпланетных пилотируемых полетов, например, к Марсу экипажи будут подвергаться воздействию тяжелых ядер высоких энергий, исходящих из глубин Галактики. Как известно, в спектре галактического космического излучения (ГКИ) преобладают ядра группы углерода и железа. Энергетический спектр ядер ГКИ весьма широк, и такие частицы с высокой эффективностью могут индуцировать неблагоприятные последствия для экипажей космических кораблей. Моделирование биологического действия тяжелых ядер ГКИ в наземных условиях возможно на ускорителях тяжелых ионов высоких энергий. С учетом этого радиобиологи ЛРБ совместно со специалистами Института медико-биологических проблем РАН на протяжении ряда лет успешно проводили исследования на синхрофазотроне, а позднее начали работы на нуклотроне ЛФВЭ. Радиобиологические исследования на этих установках активно поддерживались академиком А.М.Балдиным.

Решение проблемы "радиационного барьера" для успешной реализации марсианской программы представляется исключительно важным. Обеспечить защиту экипажей от действия высокоэнергетичных ядер ГКИ техническими средствами на современном этапе, по-видимому, невозможно. Изотропный поток ядер группы углерода и железа в ходе полета вне магнитосферы Земли будет составлять около 107/см2 в течение года. Эта величина радиационного воздействия довольно значительна, поскольку характер энерговыделения в треках тяжелых заряженных частиц коренным образом отличается от передачи энергии веществу тканей электромагнитными видами излучений. В треке одного тяжелого иона сосредоточена энергия, которая электромагнитными видами излучений может быть передана единице массы вещества лишь множественными квантами энергии, статистически равномерно распределенными по всему облучаемому объему. Важно заметить, что в области сердцевины трека тяжелой частицы выделяется энергия, достигающая миллионов Грэй/см. С учетом специфики взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом тканей можно ожидать возникновение различного рода неблагоприятных последствий для организма космонавтов в ходе длительного межпланетного полета от действия тяжелых ядер ГКИ. Такими последствиями могут быть различного рода мутации генов, раковые заболевания, нарушения структур глаза (развитие катаракты и повреждения сетчатки), повреждения центральной нервной системы.

Невидимая опасность

Исследования закономерностей возникновения мутаций генетических структур при действии ускоренных тяжелых ионов на ускорителях ОИЯИ, как уже указывалось, свидетельствуют о высокой биологической эффективности тяжелых заряженных частиц по сравнению с фотонами (гамма- и рентгеновским излучением). Об аномально высоких коэффициентах ОБЭ тяжелых ионов (аргона, железа) говорят данные, касающиеся индукции у экспериментальных животных раковых заболеваний. Они достигают значений 100 и выше. Результаты экспериментов показывают, что тяжелые ионы ГКИ высоких энергий представляют собой крайне канцерогенный тип радиационного воздействия, и это необходимо учитывать при оценке радиационной опасности тяжелых ядер ГКИ в условиях длительного межпланетного полета.

Ускоренные тяжелые ионы обладают и высоким катарактогенным влиянием. Коллегами из Колумбийского университета, которые неоднократно бывали в нашем Институте и обсуждали с радиобиологами ЛРБ проблемы биологического действия тяжелых ионов высоких энергий, получены важные данные в этом направлении. Они свидетельствуют о том, что облучение животных ускоренными ионами аргона в очень малых дозах (около 0,01 Гр) спустя несколько недель после воздействия приводит к развитию катаракты. При этом формирование катаракты происходит не так, как это наблюдается в случае действия рентгеновского и гамма-излучения - после накопления некоторой дозы излучения, а беспорогово. Это указывает на то, что катаракта может возникнуть спустя некоторое время после прохождения через хрусталик даже единичных тяжелых заряженных частиц. Полученные результаты чрезвычайно важны и требуют дальнейшего тщательного изучения. В ЛРБ под руководством академика М.А.Островского ведутся дальнейшие эксперименты как на животных, так и in vitro с целью выяснения механизмов радиационно индуцированного катарактогенеза.

К числу наименее изученных относятся вопросы повреждающего действия ускоренных тяжелых ионов на центральную нервную систему и сетчатку как часть нервной системы. По оценкам специалистов NASA, в ходе марсианской миссии от 2 до 13 процентов нервных клеток будут пересекаться по крайней мере одним ионом железа, от 8 до 46 процентов нервных клеток - по крайней мере одной частицей с Z 15, каждое ядро клетки в течение трех дней будет пересекаться протоном и в течение 30 дней - альфа-частицей. С учетом того, что клетки центральной нервной системы и сетчатки, в отличие от активно пролиферирующих тканей, не восстанавливаются, повреждения структур нервной системы могут неблагоприятно отразиться на ее интегративных функциях. Действительно, как показывают опыты с облучением области головного мозга экспериментальных животных ускоренными ионами железа в сравнительно малых дозах, у животных спустя месяц после лучевого воздействия наблюдаются невосстанавливаемые нарушения различных поведенческих реакций, угнетение познавательных функций. Это может свидетельствовать о большой опасности тяжелых ядер ГКИ для правильного выполнения операторских функций космонавтами в ходе осуществления марсианской миссии и поставить под угрозу само выполнение миссии. Такого рода исследования с ускоренными тяжелыми ионами на нуклотроне запланированы специалистами ЛРБ и Института медико-биологических проблем.

***

Таким образом, ускорители тяжелых заряженных частиц ОИЯИ представляют собой уникальный инструмент для решения многих фундаментальных и прикладных задач общей радиобиологии, радиационной физиологии, и, конечно, космической радиобиологии. В семилетней программе исследований Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ до 2016 года отражены направления работ, касающиеся затронутых проблем. И, конечно, в значительной степени они связаны с решением задач космической радиобиологии. Моделирование биологического действия космических видов радиации и, особенно, тяжелых ядер ГКИ на ускорителях тяжелых ионов высоких энергий, как можно надеяться, позволит решить проблему "радиационного барьера" при длительных космических полетах вне магнитосферы Земли. И, в этой связи, реализация проекта NICA в ОИЯИ в свете вышеизложенных задач представляется исключительно актуальной. Дубна, наш Институт через полвека вновь выходят по своим задачам на космические орбиты, и будем надеяться, что, как и пятьдесят лет назад, слова ОИЯИ и космос будут стоять рядом.


Редакция Веб-мастер