03.01.01 – радиобиология

Специальность
Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 14 июля 2010 г. № 167
 

Цели и задачи программы-минимум

Настоящая программа-минимум предназначена для обучения и контроля  знаний аспирантов по радиационной биологии. Она включает современные представления, касающиеся молекулярных и клеточных механизмом действия ионизирующих излучений, а также данные о средствах профилактики поражений, связанных с вышеуказанным воздействием. Данная программа-минимум подчеркивает, что современная радиобиология — это самостоятельная фундаментальная комплексная динамическая наука, получившая широкое практическое применение в народном хозяйстве и медицине.

Требования к знаниям, умениям и навыкам аспиранта

Цель изучения дисциплины – формирование у аспиранта представлений о радиобиологических эффектах ионизирующих излучений на молекулярном, клеточном и организменном уровнях. В результате изучения дисциплины аспирант должен иметь представление:

  • о роли радиобиологии в системе естественных наук;
  • об основных видах ионизирующих излучений и механизмах  их взаимодействия с веществом и биообъектами;
  • о критериях оценки радиочувствительности различных организмов, о размахе
  • радиочувствительности в природе;
  • об основных радиобиологических эффектах, реализуемых на молекулярном,
  • субклеточном, клеточном и организменном уровнях организации;
  • о ближайших и отдаленных последствиях облучения;
  • о процессах восстановления в облученном организме;
  • о средствах профилактики поражений, связанных с воздействием ионизирующих излучений

должен уметь:

  • использовать полученные знания для анализа структурных и функциональных изменений в организме, вызванных воздействием радиации;
  • использовать теоретические представления о механизмах биологического действия
  • ионизирующих излучений для объяснения эффектов облучения на различных уровнях;
  • использовать основные принципы профилактики возможных последствий облучения населения
  • должен иметь навыки:
  • использования современных биохимических, молекулярно-биологических и биофизических методов исследования в оценке последствий действия ионизирующих излучений;
  • использования дозиметрических и радиометрических приборов для оценки радиационной обстановки;
  • практического применения основных положений норм радиационной безопасности для населения, проживающего в условиях с повышенным радиационным фоном.

Введение

Предмет, методы и цели исследования. Исторические этапы развития радиобиологии. Связь с другими науками. Теоретическое и практическое значение. Вопросы этики эксперимента.

Характеристика ионизирующих излучений и их взаимодействия с веществами. Источники ионизирующих излучений. Дозиметрия

Ключевые слова: ионизирующие излучения, линейная передача энергии, относительная биологическая эффективность, доза излучения, мощность дозы, методы дозиметрии, радиоактивность, закон радиоактивного распада.

Физическая характеристика разных видов ионизирующих излучений (ИИ) электромагнитной и корпускулярной природы. Особенности взаимодействия разных видов излучения с биологическими веществами. Пробег заряженных частиц в разных материалах. Механизмы потери энергии в веществе. Линейная передача (потеря) энергии (ЛПЭ). Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) и «качество» разных ИИ. Связь ОБЭ с ЛПЭ.

Доза излучения. Экспозиционная, поглощенная, эквивалентная доза, единицы их измерения. Мощность дозы. Методы дозиметрии ионизирующих излучений. Естественные и искусственные радиоактивные вещества. Радиоактивность, единицы ее измерения. Связь активности с массой радиоактивного вещества. Радиоактивный распад, его виды. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Методы получения искусственных радиоактивных веществ. Ядерные реакции, цепная ядерная реакция. Основные характеристики продуктов ядерного деления при мгновенном делении и управляемой цепной реакции.

Естественный радиационный фон, его источники. Внутренние облучатели. Характеристики основных радиоактивных элементов, представляющих биологическую опасность. Принципы дозиметрии при внутреннем облучении.

2. Действие ионизирующих излучений на биологически важные молекулы: физико-химические механизмы защиты и репарации; усиление первичного повреждения молекул

Ключевые слова: «прямое» действие ионизирующих излучений, косвенное действие ионизирующих излучений, радиолиз воды, свободные радикалы, кислородный эффект.

Особенности проявления действия ИИ на структуру и функцию нуклеиновых кислот, белков, углеводов, липидов и их предшественников. «Прямое» действие ИИ на биологические макромолекулы, миграция энергии и заряда. «Теория мишеней» и «принцип попадания», условия их применения для расчета размера макромолекул. Косвенное действие ИИ. Радиолиз воды. «Эффект разведения». Свободные радикалы в облученных макромолекулах. Образование перекисей и других продуктов окисления. Скрытые повреждения и процессы последействия. Физико-химические механизмы защиты, репарации и усиления поражения макромолекул. «Прямой» и «обратный» кислородный эффект.

3. Радиочувствительность как основное понятие радиобиологии

Ключевые слова: радиочувствительность, критические органы.

Определение понятия радиочувствительности как различий в степени радиопоражаемости объектов. Диапазон радиочувствительности для разных токсонометрических групп организмов при общем однократном их облучении.

Критерии сравнительной оценки радиочувствительности. Радиочувствительность различных тканей, органов и систем. Видовые, возрастные, половые  различия в радиочувствительности.

Критические органы. Факторы, модифицирующие радиочувствительность.

4. Действие ионизирующих излучений на клетку и модификация репродуктивной гибели клеток

Ключевые слова: репродуктивная  гибель, «теория мишени», интерфазная гибель, Генетическое действие ионизирующих излучений, действие ионизирующих излучений  на метаболизм клетки, структурно-метаболическая теория, репарация, «биохимический шок».

Летальное действие ИИ – репродуктивная и интерфазная гибель клеток, их критерии и методы регистрации. Классификация клеток по типам гибели.

Репродуктивная  гибель. Дозовая  кривая  выживаемости  и ее  параметры.  Зависимость радиочувствительности от мощности и фракционирования дозы («фактор времени»), от ЛПЭ данного вида ИИ (проблема ОБЭ). Зависимость радиочувствительности клеток от их таксономической группы, числа и  размера хромосом (радиотаксоны), от стадии клеточного цикла.

Повреждения  уникальных структур клетки - причина репродуктивной  гибели  – специфика действия ИИ. «Теория мишени», условия и пределы ее применимости.

Интерфазная гибель клеток, ее критерии, классификация основных форм, временные и дозовые характеристики, молекулярные механизмы.

Генетическое действие ИИ. Генные мутации, хромосомные аберрации; их количественные закономерности, связь с репродуктивной гибелью. Роль повреждений ДНК в генетических эффектах ИИ.

Действие ИИ на метаболизм клетки и ее физиологические функции – проницаемость мембран, дыхание, рост, деление, продвижение по циклу. Морфологические и функциональные изменения органоидов под влиянием ИИ. Обратимость ряда изменений и их неспецифический характер. Структурно-метаболическая теория действия радиации на клетку.

Репарация повреждений ДНК и ее молекулярные механизмы. Фотореактивация. Процессы темновой репарации. Репарация  повреждений, ведущих к гибели, к хромосомным и генным мутациям; методы ее изучения. Генетический контроль репарации. Концепция потенциальных повреждений. Сублетальные и потенциально летальные повреждения.

Зависимость радиочувствительности клеток от условий  культивирования (до и после облучения). Роль процессов репарации в радиочувствительности клеток.

Химическая модификация (ослабление и усиление) репродуктивной гибели.

Модификация физическими агентами. Фактор увеличения дозы (ФУД). Фактор изменения дозы (ФИД).

Гипотеза «биохимического шока». Корреляция защитного эффекта с уровнем эндогенных SH-групп, антиоксидантов, окислительно-восстановительным потенциалом, морфологическими изменениями. Теория неспецифической реакции и ее роль в модификации репродуктивной гибели.

Гипотеза «эндогенного фона радиорезистентности».

Особенности проявления эффектов низкоинтенсивных излучений и малых доз радиации на уровне систем, тканей клеток и в целом организме (радиобиологический парадокс, нелинейность эффектов от величины дозы, гормезис, адаптивный ответ, эффект свидетеля). Значимость радиоактивного фона Земли для живых организмов.

5. Действие ионизирующих излучений на растения

Ключевые слова: действие ионизирующих излучений на растения, радиационный мутагенез.

Особенности растений как модели для изучения радиобиологических закономерностей. Действие ИИ на основные физиологические процессы у растений – дыхание, поглощение питательных веществ, фотосинтез, рост, формообразование, цветение, плодообразование. Дозовые зависимости.

Влияние ионизирующей радиации на иммунитет растений. Изменение радиочувствительности в процессе онтогенеза. Радиационный мутагенез у высших растений. Условия получения новых сортов растений с помощью ионизирующих излучений. Характеристика методов радиационной селекции и генетики. Специфичность действия мутагенных факторов (радиационных и химических). Основные механизмы действия мутагенных факторов.

6. Действие ионизирующих излучений на животных и человека и их защита от ионизирующих излучений

Ключевые слова: тотальное облучение, нарушение иммунных функций, отдаленные последствия, кривая выживаемости, сочетанное радиационное воздействие; костно-мозговой, желудочно-кишечный, геморрагический синдромы; терапия лучевой болезни, химическая защита.

Общие закономерности поражения при тотальном облучении животных. Первичные лучевые реакции, скрытый период и основные синдромы поражения. Изменения в периферической крови и их диагностическое значение. Нарушения нуклеинового, белкового, углеводного, липидного и минерального обмена веществ. Изменения в нервной и эндокринной системах и их значение в развитии поражения и восстановления.

Нарушение иммунных функций и значение инфекционных осложнений в исходе поражения. Отдаленные последствия (сокращение продолжительности жизни, злокачественные опухоли, лейкемия, катаракта).

Зависимость гибели животных от величины, мощности, фракционирования и равномерности распределения поглощенной дозы. Дозовая кривая выживаемости и ее параметры. Зависимость радиочувствительности от вида, пола и возраста. Последствия действия ионизирующей радиации на плод. Особенности внутриутробного облучения и облучения родителей. ОБЭ разных видов излучений. Особенности реакции на локальное облучение.

Особенности реакции на хроническое облучение. Проблема кумуляции повреждения. Предельно допустимые дозы.

Сравнительная характеристика реакции животного организма на локальное и хроническое облучение. Типы и последствия сочетанного радиационного воздействия. Клеточные основы костно-мозгового, желудочно-кишечного и геморрагического синдромов. Закономерности восстановления «критических» систем и целостного организма. Теория Блера-Дэвидсона.

Комбинированные радиационные поражения организма – сочетание облучения с действием механических и термических факторов.

Радиобиологическое обоснование методов терапии лучевой болезни (трансплантации костного мозга, переливания крови, введения антибиотиков и др.).

Основные закономерности химической защиты от разных типов гибели – количественное выражение, зависимость от концентрации протекторов, времени воздействия, величины и фракционирования дозы; радиопротекторы «гипоксического» и иного действия. Наиболее изученные защитные соединения. Другие способы защиты организма. Защита при локальном облучении.

7. Проблемы радиоэкологии

Ключевые слова: радиоэкология, радиационный фон, естественный фон, миграция радионуклидов, нормирование, популяция, экосистема, биогеоценоз, атомная энергетика, радиационная безопасность, АЭС, радиационный мониторинг, критерии нормирования.

Предмет, методы и основные задачи радиоэкологии. Природный радиационный фон - космические лучи, излучение рассеянных в среде естественных радионуклидов – К, семейства "' U, J Th, b Ra. Биологическое значение естественного фона. Источники радиоактивного загрязнения внешней среды. Миграция радионуклидов в биосфере. Понятия биологических и пищевых цепочек миграции радионуклидов. Принципы нормирования содержания радионуклидов в объектах внешней среды, меры по ограничению их миграции в биологических и пищевых цепочках, способы очистки внешней среды от радиоактивного загрязнения.

Радиочувствительность основных типов природных биогеоценозов, их прямое и косвенное повреждение и процесс восстановления. Действие малых доз ИИ на природные популяции, экосистемы и биогеоценозы.

Развитие атомной энергетики и проблемы радиоэкологии. Радиационная безопасность АЭС. Гигиенические и экологические проблемы воздействия отходов АЭС и других предприятий ядерного топливного цикла. Система и методы радиационного мониторинга. Специфические особенности системы радиологического контроля сферы сельскохозяйственного производства. Принципы ведения сельскохозяйственного производства на территориях, загрязненных радиоактивными веществами. Методы прогнозирования накопления радионуклидов в продукции растениеводства и животноводства. Критерии нормирования содержания радионуклидов в сельскохозяйственной продукции. Способы снижения уровней радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции.

Проблемы математического моделирования процессов миграции радиоактивных веществ в природных средах. Математическое моделирование процессов радиационного воздействия на объекты природной среды.

8. Использование биологического действия ионизирующих излучений в практике

Ключевые слова: лучевая терапия опухолей, лучевая стерилизация, облучение семян, борьба с насекомыми-вредителями, лучевая консервация, атомная техника, метод изотопных индикаторов, индивидуальные средства защиты.

В медицине. Радиобиологические основы лучевой терапии опухолей

(дифференцированная модификация чувствительности опухоли  и нормальных тканей, принцип фракционированного облучения, использование различий в чувствительности разных стадий клеточного цикла).

Лучевая стерилизация медикаментов, медицинских препаратов и инструментов, лучевые методы приготовления вакцин. Лучевое преодоление несовместимости тканей при пересадке органов и тканей.

В сельском хозяйстве. Использование радиационного мутагенеза для выведения новых сортов сельскохозяйственных культур.

Основы метода предпосевного облучения семян, корнеплодов, клубней и т.п. Принципы использования метода в сельском хозяйстве.

Использование ионизирующих излучений для предотвращения прорастания клубней, овощей при длительном хранении. Радиационные методы снижения несовместимости тканей и стимуляции срастания при вегетативных прививках.

Стимулирующее действие ионизирующего излучения на организм животных.

Автоцидный метод борьбы с насекомыми-вредителями. Уничтожение насекомых облучением.

В промышленности. Лучевая консервация пищевых продуктов, ее возможности и ограничения. Использование радиационного мутагенеза для получения новых  форм продуцентов антибиотиков, биологически активных веществ.

Использование атомной техники в науке и производстве. Радиационные источники контроля и автоматизация технологических процессов. Облучающие и рентгеновские установки, их классификация. Ускорители  нейтронов. Атомные и  молекулярно-спектрометрические методы анализа.

Метод изотопных индикаторов в биологии и сельском хозяйстве. Основы метода.

Основы техники радиационной безопасности. Правила работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений. Индивидуальные средства защиты.

Рекомендуемая литература

Основная литература

  1. Будаков В.А. "Радиобиологический справочник " Мн., "Ураджай" 1992.
  2. Бутомо Н.В., Гребенюк А.Н., Легеза В.И. и др. Основы медицинской радиобиологии / Под ред. И.Б. Ушакова .- Спб: ООО «Изд-во Фолиант», 2004.-384с.
  3. Виленчик М.М. "Радиобиологические эффекты и окружающая среда". М., 1982.
  4. Гончаренко Е.Н. "Химическая защита от лучевого поражения, (практическое руководство и лекции)". МГУ. 1985.
  5. Коггл Дж. "Биологические эффекты радиации". М, 1986.
  6. Кудряшов Ю.В. "Радиационная биофизика". М., 1972.
  7. Кузин A.M. "Структурно-метаболическая теория в радиобиологии". М., 1986.
  8. Куна П. Химическая радиозащита: Пер. с чешск. -М.: Медицина, 1989,- 192 с.
  9. Куценко С.А., Бутомо Н.В., Гребенюк А.Н. и др. Военная токсикология, радиобиология и медицинская защита: Учебник / Под ред . С. А.Куценко,-Спб: ООО «Изд-во ФОЛИАНТ», 2004- 528с.
  10. Москалев Ю.И. "Радиобиология инкорпорированных радионуклидов". М., 1989.
  11. Радиобиология. Энциклопедический словарь // Сост. Е.Ф. Конопля, Г.Г. Верещако, А.М. Ходосовская. – Гомель: Учреждение образования «Гомельский государственный медицинский университет», 2005. – 252с.
  12. Стожаров А.Н., Квиткевич Л.А., Солодкая Г. А. и др. Радиационная медицина -Учебное пособие.-2000г. -154с.
  13. Стожаров А.Н. «Радиационная медицина», Мн., 2010.
  14. Усманов М. «Радиация. Справочные материалы». М., 2001.
  15. Филимонов М.М. Радиобиология: курс лекций Минск: БГУ, 2008.-111с.
  16. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 2004.-549 с.

Дополнительная литература

  1. Буланова К.Я., Лобанок Л.М. Системный подход в радиобиологических исследованиях // Радиац. биология. Радиоэкология. 2004, Т. 44, № 1, С. 5-14.
  2. Буланова К.Я., Лобанок Л.М., Конопля Е.Ф., Кундас С.П. Новый подход к оценке механизмов и последствий действия оинизирующих излучений в малых дозах на организм // Весцi НАН Беларусi. Серыя медыцынскiх навук. 2006, № 1. С. 109-122.
  3. "Актуальные проблемы современной радиобиологии в свете оценки и прогнозирования последствий аварии на ЧАЭС' Р/б. 1990. 30.
  4. Борисова В.В. и др. "Биологические эффекты при длительном поступлении радионуклидов". М., 1988.
  5. Гусев Н. Г., Беляев В. А. Радиоактивные выбросы в биосфере: Справочник.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Энергоатомиздат, 1991.
  6. "Жизнеспособность клеток, облученных в малых дозах". Под ред. Т.Альпер. М., 1980.
  7. Защита от ионизирующих излучений. В 2-х томах. Под ред. Н.Г. Гусева. М.: Энергоатомиздат, 1990.
  8. Ильин Б.И. "Отдаленные биологические эффекты комбинированного действия радионуклидов". М., 1991.
  9. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) / Под ред. В.К. Мазурика, М.Ф. Ломанова.- М.: ФИЗМАТЛИТ; 2004.-448с.
  10. Международная комиссия по радиологической защите. Рекомендации МКРЗ 1990. Публикация 60 МКРЗ, часть 2. Пер. с англ. Под ред. И.Б. Керим-Маркуса. М.: Энергоатомиздат, 1994.
  11. Нормы радиационной безопасности – НРБ-99//Государственные санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СПб.: Минздрав России, 1999. 115 с.
  12. Потин В.Г. "Количественное описание модифицированной радиочувствительности". М., 1989.
  13. Radiotion Research Congress Proceesiongs, 1995. Edited by Hagen U et al.
    1 1. Biological Radiation Effects. Y.Riefer, 1987.