Сравнительный анализ цитогенетических нарушений в культуре лимфоцитов человека после воздействия импульсного и непрерывного излучений реактора БАРС-6

Актуальность работы. В современной радиобиологии относительно мало исследованы эффекты импульсного облучения, особенно на цитогенетическом уровне. Практически не изучены особенности биологического действия импульсного нейтронного излучения, хотя в отдельных работах и делалась попытка оценить цитогенетический эффект на культуре лимфоцитов крови человека при использовании импульсных источников электронов [168], а в других — при различных режимах импульсного облучения нейтронами [41- 58].

В последние годы в МРНЦ РАМН начаты биологические исследования с использованием уникального импульсного реактора БАРС-6 (ФГУП ГНЦ РФ — ФЭИ), позволяющего получать отдельные импульсы нейтронного излучения (с сопутствующим у-излучением) длительностью около 70 мкс, с максимальной мощностью дозы< (МД) нейтронов порядка 109 Гр/мин при вкладе у-излучения в дозу 15% [46]. Важной технической особенностью этого реактора является его способность генерировать нейтронное излучение в непрерывном режиме работы при сохранении всех физико-дозиметрических характеристик импульсного излучения, что позволяет проводить сравнение биологических эффектов в зависимости от вида излучения. Следует подчеркнуть, что, несмотря на импульсный характер нейтронного излучения, генерируемого на циклотронах, отсутствие непрерывного режима облучения на этих источниках не позволяет адекватно исследовать эффекты импульсного воздействия. Кроме того, реактор БАРС-6 предоставляет также возможность исследовать закономерности и механизмы действия смешанного у-нейтронного излучения, что является актуальной задачей современной радиобиологии и радиотерапии [33- 34- 37- 71- 194].

Важность проблемы, исследования импульсного нейтронного воздействия^ обусловлена не только фундаментальными аспектами, но и некоторыми актуальными практическими задачами. В частности, на основе теоретических предпосылок обосновывается целесообразность применения излучения, с высокой МД, в том числе импульсных источников, для повышения эффективности лучевой терапии онкологических больных.

Цель и основные задачи исследования. Целью настоящей работы являлось сравнительное изучение закономерностей образования структурных повреждений хромосом в культуре лимфоцитов1 крови человека при действии непрерывного излучения реактора БАРС-6 и импульсного со сверхвысокой МД. При этом оценивались особенности реакции клеток на облучение в стадии «покоя» (Go). Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методологию облучения образцов крови человека для сравнения цитогенетических эффектов в наиболее адекватных, условиях воздействия непрерывного нейтронного излучения и импульсного^ со сверхвысокой МД.

2. Изучить закономерности индукции аберраций хромосом (АХ) при воздействии различных доз в обоих режимах облучения и возможность модификации цитогенетического эффекта.

3. Определить относительную биологическую, эффективность (ОБЭ) нейтронного излучения реактора БАРС-6 в зависимости от вида радиационного воздействия — импульсного или непрерывного.

Научная новизна. В работе впервые установлена различная цитогенетическая эффективность реакторного нейтронного излучения (с сопутствующим у-излучением) при воздействии на лимфоциты крови человека в режиме одиночных импульсов со сверхвысокой МД и в режиме непрерывного облучения, обеспечивающем сравнение в максимально возможных адекватных условиях, а также исследованы закономерности проявления обратного эффекта мощности дозы (ЭМД).

Показано, что величина наблюдаемого эффекта во впервые исследованном диапазоне сверхвысоких МД (0,5−2,7)4 О6 Гр/мин при дозах 0,5−2,5 Гр зависит от используемого цитогенетического показателя, которая оказалась максимальной для частоты межхромосомных обменов (дицентриков) и суммарной частоты АХ и минимальной для частоты интерстициальных делеций и числа поврежденных клеток.

Величина цитогенетического эффекта при облучении клеток при комнатной температуре (20°С) оказалась такой же, как и при их облучении при температуре 0 °C, ингибирующей ферментативные процессы в клетке. Это может указывать, что различия в цитогенетических эффектах импульсного и непрерывного облучения формируются на начальных (физико-химической и химической) стадиях радиационного воздействия, и/или они не связаны с ферментативными процессами во время облучениякоторые ингибируются низкой температурой.

Получены новые экспериментальные данные о закономерностях формирования отдельных типов АХ и их распределения по клеткам. Впервые показано, что при импульсном облучении, по сравнению с непрерывным, спектр обменных АХ смещается в сторону внутриплечевых типов АХ, свидетельствуя о проявлении эффекта «близости», связанного, возможно, как со смешанным составом излучения (нейтроны и у-лучи), так и с конформационными изменениями хроматина вследствие облучения.

Научно-практическая значимость работы. Полученные новые данные о закономерностях возникновения различных типов>АХ в клетках человека при действии нейтронов со сверхвысокой МД, в сравнении с непрерывным их воздействием, вносят определенный вклад как в теоретическую, так и прикладную современную радиобиологию. Фундаментальное значение полученных фактов важно для понимания механизмов реализации первичных повреждений в клетках млекопитающих в зависимости от длительности радиационного воздействия, роли пространственной организации хромосом и взаимодействия индуцированных в них повреждений при действии смешанного у-нейтронного излучения.

Проведенная оценка ОБЭ нейтронов реактора БАРС-6 в зависимости от режима облучения, в сопоставлении с ОБЭ близкого по средней энергии нейтронов пучка Б-3 реактора БР-10, свидетельствует об определенной специфике импульсного облучения, что необходимо учитывать при терапевтическом применении нейтронов. ОБЭ нейтронов по выходу асимметричных хромосомных обменов, с учетом их однозначного соотношения с симметричными обменами, может быть использована для оценки канцерогенных и мутагенных последствий облучения.

Результаты исследований позволили впервые получить радиобиологические параметры для оценки норм радиационной безопасности при работе в условиях воздействия импульсного нейтронного излучения.

Полученные данные могут быть использованы в научных исследованиях учреждений, занимающихся проблемой биологического действия различных видов ионизирующих излучений, а также в медицинских учреждениях при использовании лучевой нейтронной терапии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использованная в работе методология проведения парных экспериментов, заключающаяся в облучении образцов крови в одинаковых пространственных точках и при одинаковом числе делений ядер в активных зонах в непрерывном и импульсном режимах работы реактора, является наиболее адекватной для сравнительного изучения биологического действия смешанного у-нейтронного излучения со сверхвысокой МД.

2. Импульсное нейтронное воздействие в режиме одиночных импульсов в исследованном диапазоне доз (0,5−2,5 Гр) и мощностей доз ((0,5−2,7)-106 Гр/мин) характеризуется относительно меньшим цитогенетическим эффектом по сравнению с непрерывным облучением (<0,05 Гр/мин), то есть проявляется обратный эффект мощности дозы.

3. Установленный обратный эффект сверхвысокой МД обусловлен процессами, протекающими на начальных (физико-химической и химической) стадиях радиационного воздействия, а также связан с существенным вкладом сопутствующего у-излучения в суммарную дозу (-35−40%).

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на IV съезде по радиационным исследованиям (Москва,.

2001) — III съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология и радиоэкология» (Киев, 2003) — Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 25-летию НИИ онкологии «Современное состояние и перспективы развития экспериментальной и клинической онкологии» (Томск, 2004) — II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика — 2005» (Москва, 2005) — 15th.

International Biophysics Congress «Environmental Biophysics» (Каир, 2005);

V съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология, th радиоэкология, радиационная безопасность» (Москва, 2006) — 4 international Workshop on Space Radiation Research and 17th Annual NASA Space Radiation Health Investigators' Workshop (Москва — Санкт-Петербург, 2006).

По теме диссертации опубликовано 2 научных статьи в рецензируемых журналах и 8 тезисов докладов.

ВЫВОДЫ.

1. Разработана методология проведения парных экспериментов на реакторе БАРС-6, включающая облучение in vitro лимфоцитов крови человека в импульсном и непрерывном режимах работы на одних и тех же расстояниях от активных зон реактора и при одинаковом числе делений ядер в активных зонах, позволяющая наиболее корректно оценивать биологическую эффективность сравниваемых видов нейтронного облучения.

2. Установлен обратный цитогенетический эффект сверхвысокой мощности дозы при действии излучения реактора БАРС-6 на лимфоциты крови человека в исследованном диапазоне доз (0,5−2,5 Гр) и мощностей доз ((0,5−2,7)-106 Гр/мин). Его величина (отношение эффективностей непрерывного и импульсного режимов облучения) зависит от исследованногоцитогенетического показателямаксимальна для частоты дицентриков и суммарной частоты аберраций хромосом, составляй 1,45 и 1,43 соответственно, и минимальна для числа поврежденных клеток и частоты интерстициальных делеций — 1,26 и 1,13, а также не зависит от температуры (0° и 20°С) во время облучения.

3. Дозовые кривые действия излучения реактора БАРС-6 в импульсном и непрерывном режимах, так же как и излучения пучка Б-3 реактора БР-10, характеризовались линейными зависимостями как по выходу суммарного числа аберраций хромосом, так и их отдельных типов, что свидетельствует о преимущественно внутритрековом механизме их образования и незначительности вклада сопутствующего у-излучения в цитогенетический эффект.

4. Установлено различие в спектре аберраций хромосом при разных режимах облучения на реакторе БАРС-6 — перераспределение межхромосомных и внутриплечевых обменов в пользу последних при импульсном облучении по сравнению с непрерывным.

5. Распределения аберраций хромосом и дицентриков по клеткам при действии смешанного у-нейтронного излучения реактора БАРС-6 не зависели от вида облучения (импульсного или непрерывного), характеризовались отличным от пуассоновского распределением аберраций по клеткам и занимали промежуточное положение по величине средней относительной дисперсии между сверхдисперсным распределением для излучения пучка Б-3 реактора БР-10 и пуассоновским распределением у-излучения 60Со.

6. ОБЭ трех видов исследованных реакторных излучений — непрерывного (МД <0,05 Гр/мин) и импульсного со сверхвысокой мощностью дозы (~106 Гр/мин) реактора БАРС-6 и пучка Б-3 реактора БР-10 (МД ~ 0,2 Гр/мин) — в зависимости от уровня цитогенетического эффекта (0,01−1 аберрация на клетку) варьируют соответственно в диапазоне 13−60, 10— 42 и 11—53 для суммарной частоты аберраций хромосом и 20−80, 15−70, 17—75 для частоты дицентриков, не отличаясь значимо один от другого.

7. На основании анализа всей совокупности полученных результатов обосновывается гипотеза, что наблюдаемый обратный эффект сверхвысокой мощности дозы обусловлен процессами, протекающими на начальных (физико-химической и химической) стадиях радиационного воздействия, а также связан с существенным вкладом сопутствующего у-излучения в суммарную дозу (-35−40%).