Изотопы, особенно радиоактивные, имеют многочисленные применения. В табл. 1.13 указаны отдельные примеры некоторых промышленных применений изотопов. Каждая методика, упоминаемая в этой таблице, используется также и в других отраслях промышленности. Например, методика определения утечки вещества с помощью радиоизотопов используется: в производстве напитков-для определения утечки из накопительных баков и трубопроводов; в строительстве инженерных сооружений -для

Таблица 1.13. Некоторые применения радиоизотопов

Стерилизованный слабым источником радиоактивного излучения самец мухи цеце маркируется для последующего обнаружения (Буркина-Фасо). Эта процедура является частью эксперимента, проводимого для изучения мухи цеце и установления эффективных мер контроля, препятствующих широкому распространению трипаносомоза (сонной болезни). Муха цеце является переносчиком этого заболевания и заражает им людей, домашних животных и дикий скот. Сонная болезнь чрезвычайно распространена в некоторых частях Африки.

определения утечки из подземных водоводов; в энергетической промышленности-для определения утечки из теплообменников на электростанциях; в нефтяной промышленности-для определения утечки из подземных нефтепроводов; в службе контроля сточных и канализационных вод-для определения утечки из магистральных коллекторов.

Изотопы также широко используются в научных исследованиях . В частности, они используются для определения механизмов химических реакций. В качестве примера укажем использование воды, меченной устойчивым изотопом кислорода 18O, для изучения гидролиза сложных эфиров, подобных этилацетату (см. также разд. 19.3). С использованием масс-спектрометрии для обнаружения изотопа 18O было установлено, что при гидролизе атом кислорода из молекулы воды переходит в уксусную кислоту, а не в этанол

Радиоизотопы широко используются в роли меченых атомов в биологических исследованиях. Для того чтобы прослеживать метаболические пути * в живых системах, используют радиоизотопы углерод-14, тритий, фосфор-32 и сера-35. Например, усвоение фосфора растениями из обработанной удобрениями почвы можно проследить, пользуясь удобрениями, которые содержат примесь фосфора-32.

Радиационная терапия . Ионизирующее излучение способно разрушать живые ткани. Ткани злокачественных опухолей более чувствительны к облучению, чем здоровые ткани. Это позволяет лечить раковые заболевания при помощи у-лучей, испускаемых из источника, в качестве которого используется радиоактивный изотоп кобальт-60. Излучение направляют на пораженный опухолью участок тела больного; сеанс лечения длится несколько минут и повторяется ежедневно в течение 2-6 недель. Во время сеанса все остальные части тела больного должны быть тщательно закрыты непроницаемым для излучения материалом, чтобы предотвратить разрушение здоровых тканей.

Определение возраста образцов при помощи радиоуглерода. Небольшая часть того диоксида углерода, который находится в атмосфере, содержит радиоактивный изотоп "бС. Растения поглощают этот изотоп в процессе фотосинтеза. Поэтому ткани всех

* Метаболизм-это совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках живых организмов. В результате метаболических реакций происходит превращение питательных веществ в полезную энергию или в составные части клеток . Метаболические реакции обычно протекают в несколько простых этапов -стадий. Последовательность всех стадий метаболической реакции называется метаболическим путем (механизмом).

Радиоизотопы используются для наблюдения за механизмами осаждения наносов в устьях рек, портах и доках.

Использование радиоизотопов для получения фотографического изображения камеры сгорания реактивного двигателя в Центре неповреждающих испытаний лондонского аэропорта Хитроу. (На плакатах надписи: Радиация. Не подходить.) Радиоизотопы широко используются в промышленности для проведения неповреждающих испытаний.

Живые ткани обладают постоянным уровнем радиоактивности, потому что его убывание из-за радиоактивного распада компенсируется постоянным поступлением радиоуглерода из атмосферы. Однако, как только наступает смерть растения или животного, прекращается поступление радиоуглерода в его ткани. Это приводит к постепенному снижению уровня радиоактивности мертвых тканей.

Метод радиоуглеродной датировки позволил установить, что образцы древесного угля из Стоунхенджа имеют возраст около 4000 лет.

Радиоуглеродный метод геохронологии разработал в 1946 г. У.Ф. Либби, получивший за него Нобелевскую премию по химии в 1960 г. Этот метод широко используется в настоящее время археологами, антропологами и геологами для датировки образцов, имеющих возраст вплоть до 35000 лет. Точность этого метода-приблизительно 300 лет. Наилучшие результаты получаются при определении возраста шерсти, семян, ракушек и костей. Для определения возраста образца измеряют активность р-излучения (число распадов в минуту) в расчете на 1 г содержащегося в нем углерода. Это позволяет установить возраст образца при помощи кривой радиоактивного распада для изотопа 14С.

Какой возраст имеют Земля и Луна?

Многие горные породы на Земле и Луне содержат радиоизотопы с периодами полураспада порядка 10-9 -10-10 лет. Измеряя и сравнивая относительное содержание этих радиоизотопов с относительным содержанием продуктов их распада в образцах таких горных пороl, можно установить их возраст. Три наиболее важных метода геохронологии основаны на определении относительного содержания изотопов К (период полураспада 1,4-109 лет). "Rb (период полураспада 6 1O10 лет) и 2I29U (период полураспада 4,50-109 лет).

Метод датировки по калию и аргону . Такие минералы, как слюда и некоторые разновидности полевого шпата, содержат небольшое количество радиоизотопа калий-40. Он распадается, претерпевая электронный захват и превращаясь в аргон-40:

Возраст образца определяется на основе вычислений, в которых используются данные об относительном содержании в образце калия-40 по сравнению с арго-ном-40.

Метол датировки по рубидию и стронцию . Некоторые из наиболее древних горных пород на Земле, например граниты с западного побережья Гренландии, содержат рубидий. Приблизительно третья часть всех атомов рубидия приходится на долю радиоактивного рубидия-87. Этот радиоизотоп распадается, превращаясь в устойчивый изотоп стронций-87. Вычисления, основанные на использовании данных об относительном содержании в образцах изотопов рубидия и стронция, позволяют устанавливать возраст таких горных пород.

Метод датировки по урану и свинцу . Изотопы урана распадаются, превращаясь в изотопы свинца. Возраст таких минералов, как апатиты, которые содержат примеси урана, можно определять, сравнивая содержание в их образцах определенных изотопов урана и свинца.

Все три описанных метода использовались для датировки земных горных пород. Полученные в результате данные указывают, что возраст Земли равен 4,6-109 лет. Указанные методы использовались также для определения возраста лунных горных пород, доставленных на Землю из космических экспедиций. Возраст этих пород составляет от 3,2 до 4,2 *10 9 лет.

ядерное деление и ядерный синтез

Мы уже упоминали, что экспериментальные значения изотопных масс оказываются меньше значений, вычисленных как сумма масс всех входящих в ядро элементарных частиц. Разность между вычисленным и экспериментальным значением атомной массы называется дефект массы. Дефект массы соответствует энергии, необходимой для преодоления сил отталкивания между частицами с одинаковым зарядом в атомном ядре и связывания их в единое ядро; по этой причине она называется энергия связи. Энергию связи можно вычислить через дефект массы при помощи уравнения Эйнштейна

где E-энергия, m-масса и с-скорость света.

Энергию связи принято выражать в мегаэлектронвольтах (1 МэВ = 106 эВ) на одну субъядерную частицу (нуклон). Электронвольт-это энергия, которую приобретает или теряет частица с единичным элементарным зарядом (равным по абсолютной величине заряду электрона), перемещаемая между точками с разностью электрического потенциала в 1 В (1 МэВ = 9,6* 10 10 Дж/моль).

Например, энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в ядре гелия приблизительно равна 7 МэВ, а в ядре хлора-35 она составляет 8,5 МэВ.

Чем больше энергия связи на один нуклон, тем больше устойчивость ядра. На рис. 1.33 показана зависимость энергии связи от массового числа элементов. Следует обратить внимание на то, что наибольшей устойчивостью обладают элементы с массовым числом, близким к 60. К таким элементам относятся 56Fe, 59Co, 59Ni и 64Cu. Элементы с более низкими массовыми числами могут, по крайней мере с теоретической точки зрения, повышать свою устойчивость в результате увеличения их массового числа. На практике, однако, представляется возможным увеличивать массовые числа только наиболее легких элементов, таких, как водород. (Гелий обладает аномально высокой устойчивостью; энергия связи нуклонов в ядре гелия не укладывается на кривую, изображенную на рис. 1.33.) Массовое число таких элементов увеличивается в процессе, называемом ядерным синтезом (см. ниже).

Радиоактивность является естественным свойством многих веществ, атомы которых находятся в нестабильном состоянии. Хотя атом каждого химического элемента характеризуется строго определенным количеством входящих в него протонов и электронов, количество нейтронов в атомном ядре может варьировать, так что атомный вес (определяемый как сумма входящих в ядро протонов и нейтронов) может быть различным у атомов одного и того же элемента.

Смесь таких атомов , получившие название изотопов, в определенной пропорции присутствует в любом чистом веществе (особенно в металлах типа железа, марганца или кобальта). Радиоактивное излучение является результатом распада нестабильных атомных ядер на более стабильные элементы. Каждый химический элемент характеризуется вполне определенным уровнем естественной радиоактивности.

Существует множество естественных радиоактивных материалов , которые излучают в диапазоне, способном вызывать ионизацию в живых тканях. Исторически принято подразделять все радиоактивные излучения на а-, b- и у-излучения, в зависимости от их характеристик. Альфа-частицы по сути являются ядрами атомов гелия, испускаемыми при распаде нестабильных радионуклидов.

Следует помнить, что, хотя многие характеристики радиоактивных излучений описываются исходя из волновой концепции излучения, каждое излучение одновременно является также потоком частиц. С этой точки зрения легче понять природу а- и b-излучений. Так, а-излучение представляет собой поток тяжелых положительно заряженных атомов гелия, а b-излучение является потоком отрицательно заряженных электронов с исчезающе малой массой. Гамма-лучи в отличие от предыдущих типов излучения не несут никакого заряда.

Хотя все эти три типа излучения способны вызывать ионизацию в живых тканях, наибольшее распространение в радиационной терапии получило именно у-излучение. В медицине очень широко используется нестабильный изотоп кобальта с атомным весом 60, который теряет один из нейтронов с испусканием у-излучения и превращается в стабильный изотоп с атомным весом 59.

Характеристики излучения при этой реакции очень стабильны, а количество распадов остается неизменным, так что за 5,33 года половина массы этого радиоактивного элемента переходит в стабильную форму, что определяет период полураспада для 60 Со. Знание времени полураспада того или иного элемента очень важно для планирования теоретических и клинических задач.

Для различных элементов этот период колеблется от нескольких секунд до сотен и тысяч лет. Радий, который интенсивно использовался в медицинской практике до нахождения более подходящих элементов, имеет период полураспада в 1620 лет, т. е. такой источник излучения практически не требует замены при его использовании. Тем не менее в настоящее время в медицине все более широко применяются бета-частицы или электроны, так как характеристики этого излучения более подходят для медицинских целей.

В настоящее время происходит изучение и других атомных частиц , так как теоретически они могут оказывать интересные биологические эффекты. Речь идет о нейтронах, протонах и пи-мезонах.

Хотя с момента открытия радия супругами Кюри медики пользовались в основном радиоактивными источниками естественного происхождения, современная физика высоких энергий позволяет производить целый ряд искусственных источников и изотопов. Эти радионуклиды обычно получают путем бомбардировки в атомных реакторах природных материалов тяжелыми частицами.

Преимущество искусственных источников излучения состоит в том, что так можно получать материалы с наиболее приемлемыми для поставленных задач характеристиками у-излучения и периода полураспада.

Разработка новых диагностических методов, например радиоизотопного сканирования , и внедрение новых подходов в терапии требуют создания искусственных источников излучения с заданными свойствами. Применительно к терапии требуется создание новых типов закрытых и открытых источников. Использование закрытых источников состоит в том, что радиоактивный материал помещается в изолирующий контейнер (например, платиновые иглы с радиоактивным цезием или радием).

В этом случае возможно введение радиоактивного материала именно в те ткани, которые требуется облучить, а по прошествии заданного времени удалить его из организма.

Открытые радиоактивные источники , такие как I, вводятся в организм перорально или в виде инъекции. Они проникают в кровяное русло и аккумулируются в органе-мишени (в случае с йодом - в щитовидной железе, где радиоактивное излучение действует как на опухолевую ткань, так и на нормальные ткани железы). Понятно, что в последнем случае изотопы невозможно использовать повторно.

Открытые источники широко используются в диагностике (радиоактивный технеций - в диагностическом сканировании костей и мозга). В терапии наиболее известно применение радиоактивных изотопов йода (обычно 131 I) для лечения рака щитовидной железы. Изотоп принимается перорально, избирательно накапливается в щитовидной железе и обеспечивает «внутреннее» облучение высокой интенсивности, практически не затрагивая близлежащие органы и ткани. Менее известным примером является использование радиоактивного фосфора (32 Р) для облучения костного мозга при стойкой красной полицитемии или истинной полицитемии.

Терапия с использованием радионуклидов характеризуется избирательностью, эффективностью и относительно малой токсичностью, что допускает многократное использование, в том числе в качестве паллиативного лечения. Ограничения, накладываемые на эти виды терапии, связаны с необходимостью содержать пациентов в изолированных помещениях, и трудностями с хранением радиоактивных отходов. Кроме того, многие современные методы радиотерапии довольно дорогостоящи. Тем не менее в последнее время в клинической практике год от года растет количество показаний к применению открытых радиоактивных источников в лечении онкологических заболеваний.

В клинической практике выбор естественных или искусственных зависит от поставленной задачи. Например, при интерстициальной имплантации, когда содержащие радиоактивный материал иглы помещаются в непосредственной близости или вообще внутри опухолевой ткани, все более широко используется радиоактивный цезий вместо ранее применяемого радия.

Дело в том, что радий характеризуется очень высокой радиационной активностью (количество радиоактивных распадов в секунду), и при работе с ним требуется уделять большое внимание защите медицинского персонала, проводящего данное лечение. Радиационная активность цезия значительно ниже, поэтому затраты времени и средств на защиту от излучения при работе с ним будут также значительно ниже.

Радиоактивные изотопы также используются в источниках внешнего облучения (дистанционная лучевая терапия). Почти все крупные онкологические центры укомплектованы установками для дистанционной гамматерапии, так как множество опухолей залегает достаточно глубоко и не может быть подвергнуто облучению с использованием прямой имплантации (брахитерапии). В настоящее время в качестве внешнего источника излучения наиболее широко применяется 60Со, радиоактивный изотоп, который излучает высокоэнергетические у-лучи (с энергией порядка 1,2 МэВ), обладающие достаточной проникающей способностью, чтобы достигать глубоко залегающие опухоли.

Период полураспада кобальта-60 составляет 5,3 года, поэтому источник на его основе может работать без замены изотопа в течение 3-4 лет.

Традиционная кобальтовая пушка представляет собой цилиндрический источник 60 Со, получаемый в атомных реакторах, помещенный в защитную оболочку. С помощью простого механизма источник выдвигается в рабочее положение на требуемое для проведения лечения время, а затем вновь убирается внутрь защитного кожуха.

Радиоактивные изотопы и ионизирующие излучения для диагностики и лечения широко применяются в медицине, а в ветеринарии для практического использования они не нашли широкого применения.

Радиоактивные изотопы, используемые для диагностики должны отвечать следующим требованиям: иметь короткий период полураспада, низкую радиотоксичность, возможность для регистрации их излучений, а также накапливаться в тканях обследуемого органа. Например, для диагностики патологических состояний костной ткани используют 67 Ga (галий), для диагностики первичных и вторичных опухолей скелета – изотопы стронция (85 Sr и 87 Sr), для диагностики печени – 99 Tc и 113 In (технеций и индий) для диагностики почек – 131 I (йода) и щитовидной железы 24 Na (натрия) и 131 I (йода), селезенки – 53 Fe (железа) и 52 Cr (хрома).

Радиоактивные изотопы используют для определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы по скорости кровотока и объему циркулирующей крови. Метод основан на регистрации перемещения меченной гамма-радиоактивной меткой крови в сердце и в разных участках сосудов. Радиоизотопные методы позволяют определять минутный объем крови в сердце и объем крови, циркулирующей в сосудах, в тканях органов. С помощью радиоактивных газов, из которых чаще используется радиоизотоп ксенона (133 Хе), определяют функциональное состояние внешнего дыхания – вентиляции, диффузии в легочном кровотоке.

Изотопный метод очень эффективен при исследовании водного обмена, как в норме, так и при нарушении обмена веществ, инфекционной и неинфекционной патологии. Метод состоит в том, что в состав молекулы водорода (1 Н) вводят его радиоактивный изотоп тритий (3 Н). Меченую воду в виде инъекций вводят в кровь, с которой тритий быстро разносится по организму и проникает во внеклеточное пространство и клетки, где вступает в реакции обмена с биохимическими молекулами. При этом, прослеживая путь и скорость обменных реакций трития, определяют динамику водного обмена.

При некоторых заболеваниях крови возникает необходимость исследования функций селезенки, для этих целей используют радиоизотоп железа (59 Fe). Радиоактивное железо вводят в кровь в виде метки в составе эритроцитов или плазмы, из которых оно поглощается селезенкой, пропорционально функциональному нарушению органа. Концентрация 59 Fe в селезенке определяется путем регистрации гамма-излучения, сопровождающего радиоактивным распадом ядер 59 Fe, с помощью гамма-щупа, приложенного к области селезенки.

Широкое применение в клинической практике получило сканирование исследуемых органов – печени, почек, селезенки, поджелудочной железы и т. д. При помощи этого метода изучают распределение радиоизотопа в исследуемом органе и функциональное состояние органа. Сканирование дает наглядное представление о месте расположения органа, о его размерах и форме. Диффузное распределение радиоактивного вещества позволяет обнаружить в органе участки интенсивного накопления («горячие» очаги) или пониженной концентрации изотопа («холодные» зоны).

Лечебное применение радиоизотопов и ионизирующих излучений основано на их биологическом действии. Известно, что наиболее радиочувствительны молодые, интенсивно делящиеся клетки, к которым также относятся раковые клетки, поэтому радиотерапия оказалась эффективна на злокачественных новообразованиях и болезнях кроветворных органов. В зависимости от локализации опухоли осуществляют внешнее гамма-облучение с помощью гамма-терапевтических установок; накладывают на кожу аппликаторы с радиоактивным калифорнием (252 Cf) для контактного действия; вводят непосредственно в опухоль коллоидные растворы радиоактивных препаратов или полые иглы, заполненные радиоизотопами; вводят внутривенно короткоживущие радионуклиды, которые избирательно накапливаются в опухолевых тканях.

Задачей лучевой терапии рака является подавление способности опухолевых клеток к неограниченному размножению . При небольшом размере опухолевого очага эта задача решается путем облучения опухоли дозой, способной очень быстро подавить клоногенную активность всех клеток опухоли. Однако в большинстве случаев при лучевой терапии в зоне облучения неизбежно оказываются не только опухоль, но и окружающие ее здоровые ткани. Часть нормальных тканей подвергается облучению специально с целью подавления роста опухолевых клеток, которые проникают в нормальные ткани.

В лучевой терапии необходимо совершенствование аппаратуры и источников облучения, способных обеспечивать лучшее пространственное распределение дозы между опухолью и окружающими ее тканями. На начальном этапе развития лучевой терапии основной задачей являлось повышение энергии рентгеновского излучения , что позволяло перейти от лечения поверхностно расположенных новообразований к глубоко расположенным в тканях опухолям. Использование кобальтовых гамма-установок позволяет улучшить соотношение глубинной и поверхностной доз. При этом максимум поглощенной дозы распределятся не на поверхности опухоли, как при рентгеновском облучении, а на глубине 3–4 мм. Использование линейных ускорителей электронов позволяет проводить облучение опухоли пучком электронов высоких энергий. Наиболее совершенные установки в настоящее время снабжаются лепестковым коллиматором, который позволяет формировать поле облучения, соответствующее форме опухоли. Более точное пространственное распределение поглощенной дозы между опухолью и окружающими ее нормальными тканями получают используя тяжелые заряженные частицы, к которым относятся протоны, ионы гелия, ионы тяжелых элементов, а также π - -мезоны. Кроме технического прогресса лучевой терапии не менее важным является повышение биологической эффективности лечения, которое предполагает проведение исследований по изучению процессов, происходящих в различных тканях при облучении. При ограниченной распространенности опухолевого процесса эффективным методом лечения является облучение опухоли. Вместе с тем, только одна лучевая терапия опухолей менее эффективна. Излечение большей части больных достигается хирургическими, лекарственными и комбинированными методами в совмещении с лучевой терапией. Улучшение результативности лучевых методов лечения простым увеличением доз облучения вызывает резкое возрастание частоты и тяжести лучевых осложнений в нормальных тканях. Преодолеть этот процесс можно, во-первых, путем углубленного изучения процессов, происходящих в тканях в условиях фракционированного облучения, во-вторых, путем изучения факторов, влияющих на радиочувствительность клеток опухолей и нормальных тканей с учетом индивидуальных особенностей больных. Эти обстоятельства требуют разработки новых методов повышения эффективности лучевой терапии, в частности, за счет использования радиомодификаторов и новых режимов фракционирования дозы. Большое влияние на эффективность лучевой терапии оказывает исходная радиоустойчивость раковых клеток, которая значительно изменяется как среди опухолей различного происхождения, так и в пределах одной опухоли. К радиочувствительным новообразованиям принято относить лимфомы, миеломы, семиномы, опухоли головы и шеи. К опухолям с промежуточной радиочувствительностью относят опухоли молочной железы, рак легкого, рак мочевого пузыря. К наиболее радиоустойчивым опухолям относят опухоли нейрогенного происхождения, остеосаркомы, фибросаркомы, рак почки. Низкодифференцированные опухоли более радиочувствительны, чем высокодифференцированные. В настоящее время имеются данные о высокой изменчивости радиочувствительности клеточных линий, полученных из одной и той же опухоли. Причины широкой вариабельности радиочувствительности раковых клеток к облучению остаются невыясненными до настоящего времени.

Важной задачей раковой терапии является разработка методов селективного (избирательного) управления тканевой радио-чувствительности, направленных на повышение радио-чувствительности опухолевых клеток и увеличение радио-устойчивости клеток здоровых тканей. Фактором, значительно увеличивающим радиоустойчивость опухолевых клеток, является гипоксия , возникающая вследствие дисбаланса в скоростях размножения клеток и роста сосудистой сети, питающей эти клетки. Это было доказано на основании того, что радиоустойчивость облученных клеток значительно возрастает при дефиците кислорода или гипоксии, а также на основании того, что развитие гипоксии является логическим следствием неуправляемого роста злокачественных опухолей. Клетки опухоли растут быстрее, питающей их сосудистой сети, поэтому сосудистая сеть опухолевых клеток, по сравнению с сосудистой сетью нормальных клеток, физиологически неполноценна. Плотность капиллярной сети неравномерно распределена по объему опухоли. Делящиеся клетки, расположенные около сосудов, раздвигают капилляры, и на расстоянии 150-200 мкм от них возникают зоны хронической гипоксии, в которые не доходит кислород. Кроме этого неуправляемое деление клеток приводит к периодическому повышению внутриопухолевого давления, из-за которого происходит временное сдавливание отдельных капилляров и прекращение в них микроциркуляции крови, при этом напряжение кислорода (рО 2) может падать до нулевых значений, и поэтому наблюдается состояние острой гипоксии. В таких условиях часть наиболее радиочувствительных клеток опухоли погибает, а радиоустойчивые клетки остаются и продолжают деление. Эти клетки называются гипоксическими опухолевыми клетками .

Методы управления тканевой радиочувствительностью при лучевой терапии основаны на различиях в кровоснабжении и кислородных режимах, метаболизме и интенсивности деления клеток опухолей и нормальных тканей. Для повышения радиочувствительности гипоксических опухолевых клеток в качестве сенсибилизатора используется кислород . В 1950 г. английскими учеными был разработан метод оксибарорадиотерапии , при котором на время сеансов лучевой терапии больной помещается в барокамеру, в которой находится кислород под давлением в три атмосферы. В этом случае кислородом насыщается гемоглобин и значительно увеличивается напряжение кислорода, растворенного в плазме крови. Использование этого метода позволило значительно улучшить лечение нескольких видов опухолей, в первую очередь рака шейки матки и новообразований головы и шеи. В настоящее время используется другой метод насыщения клеток кислородом – дыхание карбогеном, смесью кислорода и 3–5 %-ного углекислого газа , которые усиливает легочную вентиляцию за счет стимулирования дыхательного центра. Улучшению лечебного эффекта способствует назначение больным никотинамида – препарата, расширяющего кровеносные сосуды. Большое внимание уделяется разработке химических соединений, обладающих электронакцепторными свойствами, имеющих, как и кислород, не спаренный электрон, благодаря которому обеспечивается высокая реакционная способность. В отличие от кислорода, электронакцепторные сенсибилизаторы не используются клеткой в процессе энергетического метаболизма и поэтому они более эффективны.

Кроме гипоксии в радиационной онкологии используют гипертермию , т. е. кратковременный, в пределах 1 часа, локальный нагрев отдельных участков тела (локальная гипертермия) или нагрев всего тела, за исключением головного мозга до температуры 40– 43,5 0 C (общая гипертермия). Такая температура вызывает гибель некоторой части клеток, которая увеличивается в условиях пониженного напряжения кислорода, характерного для гипоксических зон злокачественных новообразований. Гипертермия применяется для лечения только отдельных злокачественных и доброкачественных новообразований (главным образом аденомы простаты). Для достижения более высоких эффектов лечения гипертермию используют в сочетании с лучевой терапией и химиотерапией, при этом гипертермию проводят до или после облучения. Сеансы гипертермии проводят 2–3 раза в неделю, при этом чаще используется прогрев опухоли после сеанса облучения, чтобы обеспечить в опухоли более высокую температуру, чем в нормальных тканях. При высокой температуре в опухолевых клетках синтезируются особые белки (белки теплового шока), которые участвуют в радиационном восстановлении клеток, поэтому часть повреждений в облученных клетках опухоли восстанавливается, а повторное облучение вызывает гибель этих восстановленных клеток и вновь образующихся клеток. Установлено, что одним из факторов усиления эффекта облучения с помощью гипертермии является подавление репарационных способностей раковой клетки.

Экспериментально доказано, что при облучении клеток, нагретых до температуры 42 0 С, поражающий эффект зависит от рН клеточной среды, при этом наименьшая гибель клеток наблюдалась при рН = 7,6, а наибольшая – при рН = 7,0 и менее. Для повышения эффективности лечения опухоли, в организм вводят большое количество глюкозы, которую жадно поглощает опухоль и преобразует ее в молочную кислоту, поэтому в клетках опухоли рН снижается до 6 и 5,5. Введение в организм повышенного количества глюкозы также увеличивает в крови содержание сахара в 3–4 раза, поэтому значительно снижается рН и усиливается противоопухолевое действие гипертермии, которое проявляется в массовой гибели клеток.

При разработке методов облучения опухоли встает проблема противолучевой защиты нормальных тканей , поэтому необходимо разрабатывать методы, способствующие повышению радиоустойчивости нормальных тканей, что в свою очередь позволит увеличить дозы облучения опухолей и повысить эффективность лечения. В настоящее время доказано, что в условиях гипоксии лучевое поражение опухолевых клеток значительно усиливается по сравнению с облучением на воздухе. Это дает основание использовать для избирательной защиты нормальной ткани методы облучения опухолей в условиях газовой (кислородной) гипоксии. В настоящее время продолжается поиск химических радиопротекторов, которые бы оказывали избирательное защитное действие только для нормальных тканей и в тоже время не защищали клетки опухолей от поражения.

При лечении многих онкологических заболеваний используется комплексная терапия, т. е. совместное применение облучения и химиотерапевтических препаратов, которые оказывают радиомоди-фицирующее действие. Облучение используется для подавления роста основной опухоли, а лекарственная терапия – для борьбы с метастазами.

В лучевой терапии широко используются тяжелые ядерные частицы – протоны, тяжелые ионы, π-мезоны и нейтроны разных энергий . Пучки тяжелых заряженных частиц создаются на ускорителях, имеют малое боковое рассеяние, что позволяет формировать дозовые поля с четким контуром по границе опухоли. Все частицы имеют одинаковую энергию и соответственно одинаковую глубину проникновения в ткань, что позволяет меньше облучать нормальные ткани, находящиеся по ходу пучка за пределами опухоли. У тяжелых заряженных частиц линейные потери энергии увеличиваются в конце пробега, поэтому создаваемая ими физическая доза в тканях не уменьшается с увеличением глубины проникновения, как при облучении редко ионизирующими излучениями, а возрастает. Увеличение поглощенной в тканях дозы излучения в конце пробега носит название пика Брэгга. Расширить пик Брэгга до размера опухоли можно при использовании на пути пробега частиц так называемых гребенчатых фильтров. На рисунке 6 приведены результаты оценки глубинного распределения дозы, создаваемого разными видами излучения, при облучении опухоли диаметром 4 см, располагающейся в теле на глубине 8–12 см.

Рис. 6. Пространственное распределение поглощенной дозы излучений разных видов излучений

Если относительная доза облучения, равная единице, приходится на середину опухоли, т. е. 10 см от поверхности тела, тогда при гамма- и нейтронном облучении доза на входе пучка (т. е. в нормальных тканях) вдвое превышают дозу в центре опухоли. При этом облучение здоровых тканей происходит и после прохождения пучка излучений через злокачественную опухоль. Иная картина наблюдается при использовании тяжелых заряженных частиц (ускоренных протонов и π-мезонов), которые основную энергию передают непосредственно опухолям, а не нормальным тканям. Доза, поглощенная в опухоли, выше, чем доза, поглощенная в нормальных тканях, расположенных по ходу пучка, как до проникновения в опухоль, так и после выхода из опухоли.

Корпускулярную терапию (облучение ускоренными протонами, ионами гелия и водорода) используют при облучении опухолей, расположенных вблизи от критических органов. Например, если опухоль локализована рядом со спинным мозгом, тканями головного мозга, вблизи радиочувствительных органов малого таза, в глазном яблоке.

Нейтронная терапия оказалась наиболее эффективной при лечении нескольких видов медленно растущих опухолей (рака простаты, саркомы мягких тканей, рака слюнных желез). Для облучения используют быстрые нейтроны с энергией до 14 МэВ. В последние годы возрос интерес к нейтронзахватной терапии , для которой используются тепловые нейтроны с низкой энергией 0,25–10 кэВ, которые образуются в атомных реакторах и по отдельным каналам выводятся в расположенные рядом с реактором процедурные помещения. Для нейтронного захвата используются атомы бора-10 и гадолиния-157. При захвате нейтрона атомами бора-10 происходит его распад на атомы лития и альфа-частицы, пробег которых в тканях равен нескольким клеточным диаметрам, поэтому зона интенсивного воздействия излучения может ограничиваться только клетками, в которых будет высокое содержание бора. Захват нейтронов гадолинием-157 также приводит к распаду его ядер, который сопровождается гамма-излучением и образованием двух типов электронов – электорнов Оже и электронов конверсии. Электроны Оже имеют очень короткий пробег, поэтому, чтобы вызвать поражение клетки гадолиний должен находиться в самой клетке, однако гадолиний в клетку не проникает, поэтому основной поражающий эффект вызывают электроны конверсии, возникающие при распаде гадолиния в межклеточном пространстве. Для нейтронзахватной терапии необходимо обеспечить доставку бора и гадолиния непосредственно в опухолевые клетки или хотя бы в межклеточное пространство. Необходимым условием при этом является обеспечение поступления этих элементов только в опухолевые ткани исключая при этом возможность поступления их в клетки нормальных тканей. Для выполнения этого условия необходимо использование синтетических носителей бора и гадолиния.

Разные виды опухоли значительно различаются по скорости роста. Скорость опухолевого роста определяется не только длительностью клеточного цикла, но и долей постоянно погибающих и удаляемых из опухоли клеток. В нормальных тканях, оказавшихся в зоне облучения также имеются клетки в разных стадиях цикла, причем соотношение между делящимися и покоящимися клетками не одинаково в начале и в конце облучения. Глубина поражения клеток опухоли и нормальных тканей после однократного облучения определяется их исходной радиочувствительностью, а при фракционированном облучении – дополнительно и эффективностью восстановления клеток от сублетальных поражений. Если перерыв до второй фракции облучения составляет 6 и более часов, тогда возможна практически полная репарация повреждений данного вида клеток, поэтому эти клетки не погибают. Одновременно с восстановлением у некоторых видов клеток регистрируется гибель. Например, клетки лимфоидного происхождения начинают погибать уже в первые сутки после облучения. Гибель летально пораженных клеток другого происхождения (т. е. нелимфоидного), как опухолевых, так и здоровых тканей, растягивается на несколько дней и происходит, как во время очередного деления, так и спустя несколько часов после него. Клетки опухолей, находящиеся вне цикла, также как и покоящиеся клетки нормальных тканей, в течение определенного времени могут не проявлять признаков летального поражения. Непосредственно после облучения большинство опухолей продолжает рост даже после облучения высокой дозой, которая впоследствии приведет к гибели значительной части клеток. Это происходит по причине деления клеток, сохранивших жизнеспособность, а также по причине нескольких делений летально пораженных клеток.

Сразу после лучевого воздействия в опухоли возрастает доля относительно радиоустойчивых клеток, находящихся в момент воздействия в состоянии гипоксии и клеток, находящихся в наиболее радиоустойчивых фазах клеточного цикла. При получении стандартного курса лучевой терапии, когда фракции проводятся с интервалом 24 часа, к моменту очередного облучения клетки проходят следующие процессы. С одной стороны, благодаря восстановлению от потенциально летальных и сублетальных поражений, радиоустойчивость опухолевых и нормальных клеток повышается. С другой стороны, одновременное возобновление деления и переход клеток из наиболее радиоустойчивых стадий в более радиочувствительные, приводит к повышению радиочувстви-тельности. Эти процессы воспроизводятся после каждой фракции облучения, поэтому через некоторое время после начала курса облучения количество погибших клеток начинает превышать количество вновь образовавшихся клеток, поэтому опухоль уменьшается в объеме. По мере продолжения курса облучения наступает момент ускоренного деления клеток опухолевой и нормальной тканей, которое приводит к репопуляции этих тканей (или к самовосстановлению). Репопуляция осуществляется благодаря сохранившимся опухолевым клеткам, способным к делению, которые при этом получают достаточное количество питательных веществ и кислорода, поэтому рост опухоли возобновляется. При фракционированном облучении необходимо знать скорость репопуляции опухолей, потому что при фракционировании дозы незначительное увеличение интервала между фракциями может привести к возникновению динамического равновесия, при котором степень подавления роста опухоли на единицу дозы будет падать.

В настоящее время наиболее широко применяют курс лечебной терапии с ежедневным облучением опухоли дозой 2 Гр, при этом общая суммарная доза составляет 60 Гр, а общая длительность курса – 6 недель. Для повышения эффективности лучевой терапии используют новые режимы фракционирования дозы – мультифракционирование – ежедневное проведение 2–3-х фракций вместо одной, что способствует снижению тяжести отдаленных лучевых поражений. При лучевой терапии большинства злокачественных опухолей пока не возможно 100 %-ное излечение онкобольных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, знание закономерностей биологического действия ионизирующего излучения на уровне клеток, микроорганизмов, а также организма растений и животных, позволяет широко применять ионизирующие излучения в различных радиационно-биологических технологиях.

Литература

1. Г р о д з и н с к и й Д. М. Радиобиология растений / Д.М. Гродзинский.Киев: Навукова думка, 1989. 384 с.

2.Г у л я е в, Г. В. Генетика. – 3-е изд., перераб. и доп. / Г.В. Гуляев. М.: Колос, 1984. 351 с.

3. И в а н о в с к и й, Ю. А. Эффект радиационной стимуляции при действии больших и малых доз ионизирующего облучения / Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Владивосток. 2006 г. - 46 С.

4. К а у ш а н с к и й, Д. А., К у з и н, А.М. Радиационно-биологическая технология / Д.А. Каушанский, А.М. Кузин. М.: Энергоатомиздат. 1984. 152 С.

5. К у з и н, А. М., Каушанский, Д.А. Прикладная радиобиология: (теоретические и технические основы) / А.М. Кузин, Д.А. Каушанский. М.: Энергоатомиздат. 1981. 224 с.

6. Р а д и о б и о л о г и я / А.Д. Белов, В.А. Киршин, Н.П. Лысенко, В.В. Пак и др. /Под Ред. Белова. М.:Колос,1999. 384С.

7.С а м с о н о в а, Н. Е. Ионизирующая радиация и сельскохозяйственное производство. 2007г.

8. Я р м о н е н к о, С. П. Радиобиология человека и животных: Учеб. Пособие / С.П.Ярмоненко. – М.: Высш. Шк., 2004.– 549 с.

9.Использование радионуклидов и ионизирующих излучений в защите растений (сборник научных трудов) / Алма-Ата, Восточное отделение ВАСХНИЛ,1980. 132 с.

10. А н д р е е в, С. В., Е в л а х о в а, А. А. Радиоактивные изотопы в защите растений / С.В. Андреев, А.А. Евлахова, .Ленинград, «Колос», 1980. 71 с.

11.Радиационная обработка пищевых продуктов / под редакцией В. И. Рогачева. Москва, Атомиздат,1971. 241 с.

П Р И Л О Ж Е Н И Е

Введение………………………………………………………………………………………..3

1.РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

1.1. Области применения радиационно-биологической технологии……………………….4

1.2. Радиационный мутагенез как основа получения новых сортов сельскохозяйственных растений, микроорганизмов…………………………………………………………………..6

1.3.Использование стимуляционного действия ионизирующего излучения в отраслях сельского хозяйства…………………………………………………………………………..12

1.4.Использование ионизирующих излучений при производстве кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных……………………………………………..19

1.5.Применение ионизирующего излучения для радиационной стерилизации………….20 ветеринарных принадлежностей, бактерийных препаратов и для получения радиовакцин

1.6.Радиационная стерилизация животных и насекомых-вредителей……………………27

1.7. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов

в животноводстве……………………………………………………………………………..29

1.8. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов

в растениеводстве…………………………………………………………………………….31

1.9. Радиационное обеззараживание навоза и навозных стоков животноводческих ферм. Дезинфекция сырья животного происхождения при инфекционных заболеваниях……..31

2. РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ………………………………………………………………………32

2.1. Использование ионизирующих излучений в пищевой промышленности для продления сроков хранения продукции животноводства, растениеводства, овощеводства и рыбоводства…………………………………………………………………………………32

2.2..Изменение качества сырья с целью улучшения его технологической обработки…..39

2.3.Ускорение медленно идущих процессов в пищевой технологии…………………….41

3. РАДИАЦИОННО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В МЕДИЦИНЕ……………..42

3.1.Использование ионизирующих излучений в медицинской промышленности, для диагностики и лечения болезней человека и животных…………………………………...42

3.2.Использование радиоактивных изотопов и ионизирующих излучений для диагностики и лечения болезней…………………………………………………………….44

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………………….54

Приложения…………………………………………………………………………………..56

Радиационная стерилизация питательных сред для культивирования микробов и вирусов способствует повышению питательных свойств для некоторых видов микроорганизмов. Например, для азотфиксирующих клубеньковых бактерий. Лучшей питательной средой является торфяной нитрагит, подвергнутый радиационной стерилизации. При радиационной стерилизации субстрата повышается содержание микробных тел в готовом препарате и снижается зараженность посторонней микрофлорой, по сравнению с тепловой стерилизацией.

Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов (меченых атомов). В настоящее время в биологии, биохимии и физиологии в качестве веществ, позволяющих проводить исследования на молекулярном уровне, широко используют радиоактивные изотопы. Они позволили изучать перемещения тел субмикроско-пически малых размеров, а также отдельных молекул, атомов, ионов среди себе подобных в организме, без нарушения его нормальной жизнедеятельности. Предложено несколько методов исследования.

Радиоиндикационный метод (метод меченых атомов) основан на использовании химических соединений, в структуру которых включены в качестве метки радиоактивные элементы. В биологических исследованиях обычно применяют радиоактивные изотопы элементов, входящих в состав организма и участвующих в его обмене веществ - 3 Н, "С, 24 Na, 32 Р, 35 S, 42 К, 45 Са, 51 Сг, 59 Fe, 125 I, 131 I и др. Введенные в организм радионуклиды ведут себя в биологических системах так же, как их стабильные изотопы. Это обстоятельство позволяет проследить судьбу не только радиоактивных изотопов, но и различных меченых органических и неорганических соединений и контролировать превращение их в процессе обмена.

Большим достоинством данного метода является его высокая чувствительность, что позволяет использовать в исследованиях ничтожно малые количества (в весовом отношении) меченого соединения, которые не могут оказать влияния и изменить нормальное течение жизненных процессов. Так, если обычными аналитическими методами удается определить изотопы массой 10 -6 г, то современные радиометрические приборы позволяют измерять радиоактивные изотопы, масса которых соcтавляет 10 -18 -10 -20 г. Применение метода радиоактивных индикаторов в изучении различных биохимических и физиологических процессов позволило описывать их на языке формул и математических уравнений, т. е. перейти от качественного описания процессов к их точному количественному выражению.

Контроль за распределением и депонированием радионуклидов в различных органах может осуществляться внешней радиометрией подопытных животных (например, регистрация гамма-излучения 131 I в щитовидной железе) или соответственно подготовленных биоматериалов (кровь, ткань органов, моча, кал и др.). Широко применяют для этих целей метод авторадиографии.

Радиоавтография - метод получения фотографических изображений в результате действия на фотоэмульсию излучения радиоактивных элементов, находящихся в исследуемом объекте. Впервые для изучения животных организмов авторадиография была применена русским ученым Е. С. Лондоном в 1904 r£J3a последние три десятилетия благодаря разработке и применению специальных ядерных эмульсий методика авторадиографии значительно усовершенствована и с ее помощью были достигнуты большие успехи в изучении обменных процессов, а также в исследовании распределения и локализации радиоактивных веществ в клетках и тканях животных и растений.

Авторадиографию делят на макроавторадиографию и микроавторадиографию. Макроавторадиография (контактная, контрастная) дает картину распределения радиоактивных изотопов в макроструктурах биологического объекта (количественную оценку концентрации радиоизотопа), по которой можно судить о характере обмена и органотропности радионуклида. Микроавторадиография (гистоавторадиография) позволяет изучать внутриклеточную локализацию радиоактивного вещества, а также клеточные структуры и сложные биохимические процессы в них (синтез белков, ферментов и т. д.).

а) к предварительному введению подопытному животному того или иного количества радиоактивного изотопа;

б) взятию у него тех или иных органов и изготовленных из них препаратов (гистосрезы, шлифы, крови и т. д.) для авторадиографии;

в) созданию в течение определенного времени тесного контакта между изготовленным препаратом, содержащим радиоактивный элемент, и фотоэмульсией;

г) проявлению и фиксации фотоматериала, как это делается в обычной фотографии.

В качестве фотоматериала для макрорадиоавтографии используют высокочувствительные рентгеновские и фотографические пленки, для гисторадиографии - специальные жидкие и съемные ядерные эмульсии (тип «Р», «К», «МР» и др.)» которыми покрывают исследуемые гистологические препараты.

Радиоавтографы представляют собой скопление черных зерен восстановленного серебра фотоэмульсии, указывающее на место расположения радиоактивного вещества в исследуемом материале.

Макрорадиоавтографы анализируют визуально, а при количественной оценке на радиоактивность проводят денситометрию оптической плотности почернения фотоэмульсии радиоавтограмм в сравнении с плотностью почернения фотоэмульсии источника излучения известной радиоактивности.

Гисторадиоавтографы изучают под микроскопом одновременно с гистологическим препаратом. При количественной оценке их подсчитывают зерна восстановленного серебра или треки альфа- или бета-частиц в эмульсии под большим увеличением микроскопа с помощью окуляр-микрометра с сеткой.

А. Д. Белов (1959) разработал методику «двойных радиоавтографов», которая в отличие от существующих методик позволяет получить раздельно радиоавтограммы от двух радиоактивных изотопов, одновременно находящихся в одном и том же исследуемом объекте. Эта методика основана на учете различия энергии излучения и продолжительности «жизни» изотопов. Так, при изучении фосфорно-кальциевого обмена в костях с помощью 32 Р и 45 Са можно получить раздельно радиоавтографы на указанные изотопы при одновременном их введении подопытному животному. Учитывая сравнительно высокую энергию излучения и малый период полураспада 32 Р, получают вначале радиоавтограф на 32 Р. Для этого между исследуемым объектом и фотоэмульсией помещают фильтр, поглощающий мягкое бета-излучение 45 Са. Радиоавтограф на 4б Са получают после распада 32 Р.

Методика «двойных радиоавтографов» позволяет не только вдвое экономнее использовать подопытных животных, но и получать более достоверные данные, так как появляется возможность сравнивать на одном и том же животном накопление и распределение сразу двух меченых веществ и избегать затруднений, возникающих при сопоставлении таких показателей, полученных от разных животных. С помощью методики «двойной радиоавтографии» изучена динамика белково-минерального обмена в костной ткани разных видов животных (собаки, овцы, свиньи, телята) в норме, при заживлении переломов и при различных способах остеосинтеза и стимуляции остеогенеза в сопоставлении с рентгеноморфологической картиной и гистохимической активностью щелочной и кислой фосфатаз в костях. Было установлено, что белковый и фосфорно-кальциевый обмен в костях в норме и при переломах находится в прямой зависимости между собой и с ферментативной активностью щелочной и кислой фосфатаз. Наибольшая интенсивность белкового и фосфорно-кальциевого обмена протекает в тех участках костного органа (периост, эндоост, костный мозг, стенки гаверсовых каналов и губчатая часть эпифизов, а также тканей костной мозоли), где сильнее проявляются энзиматическая активность фосфатаз, рост, развитие и перестройка костной ткани.

С помощью гамма-излучающих радиоизотопов 24 Na, 131 1, 42 К и др., введенных в организм, путем наружной прижизненной радиометрии были получены принципиально новые данные измерения скорости кровотока, массы крови, функционального состояния щитовидной железы и других органов и систем животных. Эти радиоизотопные исследования прочно вошли в клиническую практику.

Для прижизненного изучения обмена веществ в различных органах и тканях с помощью (З-излучающих изотопов, обладающих слабой проникающей способностью, А. Д. Белов (1968) предложил методику экспериментальных исследований с предварительным вживлением малогабаритных радиометрических датчиков типа СБИ-9. В последующем эта методика была дополнена одновременным вживлением терморегистрирующих датчиков (микротермистеров) для синхронного прижизненного изучения обмена веществ и температурной реакции в условиях хронического опыта. Применение радиотермометрического метода исследования позволило установить скорость течения обменной и температурной реакции в печени, костях, мышцах и других органах, а также выявить коррелятивные их изменения в норме и при костной патологии у разных видов животных. При синхронном исследовании различных физических, химических и физиологических процессов выявляются те взаимосвязи явлений, обнаруживаются те коррелятивные взаимодействия процессов, о необходимости которых говорил И. П. Павлов как о задаче «синтетической физиологии». Следовательно, метод радиоактивных индикаторов открыл необозримые перспективы для прижизненного исследования обмена веществ - своего рода витальной биохимии.

Очень важным достижением современной биохимии, полученным с помощью радиоактивных веществ, можно считать представление о постоянном динамическом состоянии обменных процессов в живом организме, о взаимопревращаемости многих веществ, о непрерывном распаде и ресинтезе, непрерывном обновлении химических соединений живых клеток, происходящем даже при состоянии равновесия обменных процессов. Белки, нуклеопротеиды, хромопротеиды, жиры, углеводы, минеральные соединения находятся в состоянии постоянного распада и синтеза. Характер обмена, направленность его часто зависят от преобладания процессов синтеза или распада. Так, при изучении злокачественных опухолей было выяснено, что рост их обусловлен не усиленным синтезом, а задержкой распада белковых веществ опухоли. Благодаря радиоизотопным индикаторам удалось определить скорость обновления различных составных частей тканей и органов. Доказано, что белки мышц заменяются медленнее других, а печени, плазмы крови, особенно слизистой кишечника, обладают большой скоростью обновления. Были получены также прямые доказательства обмена между белками мышц, плазмы, печени и других органов.

В сочетании с другими методами исследования радиоизотопные методы сыграли огромную роль в развитии молекулярной биологии и позволили вплотную подойти к решению многих важных проблем биологии. К ним, в частности, относятся механизмы накопления и использования энергии в живых организмах, пути биосинтеза белков, биологического фотосинтеза, сокращения мышц, нервного возбуждения, размножения и

наследственности.

С помощью многих химических соединений, меченных радиоактивными изотопами (меченые аминокислоты, жирные и нуклеиновые кислоты, глюкоза, фосфатиды, минеральные соли), удалось выяснить такие важные вопросы, как влияние веществ пищевого рациона на продуктивность животных, вопросы промежуточного обмена и взаимопревращаемости соединений, пути распада и синтеза химических веществ в живом организме животного, определить строение химических соединений и пр. Была доказана взаимопревращаемость пальмитиновой и стеариновой кислот, установлено превращение орнитина в аргинин, фенилаланина в тирозин, образование креатина за счет метальных групп, синтезированных из метионина или холина, создание глицина из аргинина (при распаде белков и амидина), адреналина из фенилаланина, углеродной цепочки цистина из серина, возникновение фосфолипидов печени из фосфатов плазмы крови и пр.Радиоиндикационный метод позволил выяснить особенности обмена и синтетической роли микрофлоры рубца и других отделов желудочно-кишечного тракта жвачных животных, которые не могли быть определены другими методами. Большой интерес представляет установление возможности синтеза аминокислот из аммиака, кето- и оксикислот в рубце жвачных и снабжение такими соединениями организма, в частности молочной железы, в связи с образованием ею молока. Наряду с этим удалось изучить еще одну интересную область обменных процессов в животном организме - роль пищеварительного тракта и пищеварительных желез в круговороте веществ в системах: кровь - стенки пищеварительного тракта; пищеварительные железы - содержимое пищеварительного канала. При определении всасывания, так называемой переваримости, были найдены пути устранения ошибок, вносимых эндогенными факторами- постоянным примешиванием к содержимому кишечника веществ, выделяемых цищеварительными железами и желчью.

Изучение обмена веществ в организме путем применения метода радиоизотопной индикации подтвердило положение об обратимости многих процессов промежуточного обмена, о возможной изменчивости путей промежуточного обмена при различных биологических состояниях организма и при изменении условий внешней среды. Лабильность внутренних сред и процессов обмена служит основой приспособления организма к меняющейся внешней среде. Радиоизотопные индикаторы дают возможность улавливать приспособительные, изменения обмена веществ в животном организме и открывают в этом отношении новые перспективы.

Радиоактивные изотопы позволили изучить обмен макро- и микроэлементов без введения в рацион избытка веществ, без нарушения естественного содержания изучаемых веществ в организме. В результате удалось достоверно установить быстроту накопления минеральных веществ различных органах и тканях и выведения их из организма, а также исследовать химические соединения, в которых фиксируется элемент в процессе переноса его или локализации. Другой важный результат применения радиоактивных изотопов при изучении минерального обмена - установление скорости обновления минерального состава органов и некоторых соединений костной ткани. К настоящему времени получено много данных по обмену и накоплению в тканях радиоактивных изотопов таких элементов, как кальций, фосфор, кобальт, медь, цинк, марганец, берилий, барий, стронций, йод и др. Общий результат этих исследований подтверждает, что проникновение в отдельные ткани минеральных веществ, например, микроэлементов, управляется не просто закономерностями диффузии, но прежде всего клеточным обменом, связанным со специфическими химическими процессами в клетке, зависящими от действия ферментов.

Метод радиоизотопной индикации при исследовании обмена минеральных веществ позволил проникнуть в процессы промежуточного обмена, совершающегося с участием минеральных веществ, в том числе микроэлементов (131 I, 60 Co, 64 Cu и др.).

Со времени внедрения в биологию и медицину электрофоретического метода для разделения белков сыворотки крови человека и животных накопилось много данных, указывающих на неспецифическую реакцию в сдвигах белковой формулы при различных состояниях организма. Однако те или иные количественные изменения в белках сыворотки крови по-разному интерпретируются различными авторами. Это обусловлено тем, что один метод электрофоретического разделения белков позволяет установить лишь количественные сдвиги в белковой формуле, но он не в состоянии вскрыть интимных сторон динамики белкового обмена, роли и значения различных белковых фракций, интенсивность их синтеза и распада при том или ином заболевании. С помощью радиоактивных изотопов стало возможным проследить указанные процессы. Для этого А. Д. Белов (1972) предложил методику количественной авторадиографии белков сыворотки крови, подвергнутых электрофорезу (методика авторадиоэлектрофореза), а также принцип математической обработки радиоавтограмм для определения скорости биосинтеза и распада белков и их функциональной способности. Для определения синтеза белков применяют меченые аминокислоты (35 S-метионин, 14 С-глицин и др.), а функциональной способности- 32 Р, 45 Са и др. Эта методика позволила автору получить не только наглядный документ (радиоавто-грамму), характеризующий интенсивность включения меченых веществ в ту или иную белковую фракцию, но и количественно оценить по показателям относительной удельной активности биосинтез, распад и функциональную способность каждой белковой фракции, расшифровать интимные стороны механизма количественных сдвигов в белковой формуле сыворотки крови у животных в норме и при костной патологии.

С помощью 51 Сr, включенного в молекулу гемоглобина, и 75 Se - в состав метионина, был определен срок жизни эритроцитов в периферической крови различных сельскохозяйственных животных.

Радиоактивный изотоп 32 Р был применен для выявления темпов созревания спермиев, сроков перемещения их по половым путям самцов и изменения этих сроков при различной половой нагрузке.

В последнее десятилетие бурное развитие получили методы in vitro радиоизотопных исследований, при которых радиоактивные вещества не вводят в организм. Это обстоятельство значительно расширило возможность применения радиоиндикационного метода в лабораторно-клинической практике. Методы in vitro нашли широкое применение в эндокринологии и иммунологии. Ведутся перспективные разработки их использования и в исследовании других систем. При изучении гормонального статуса у человека и животных применяют радиоиммунный (радиоконкурентный) метод, основанный на способности немеченого гормона в исследуемой пробе сыворотки крови конкурировать с меченым гормоном за антитела и тем самым блокировать связывание меченого гормона. В конечном итоге определяется процент связывания общего меченого антигена с антителами, который находится в обратно пропорциональной зависимости от количества немеченого антигена, т. е. от количества гормона в исследуемой пробе. Метод отличается высокой специфичностью и чувствительностью. В настоящее время таким образом определяют инсулин, гормон роста, АКТГ, пептидные и многие другие гормоны. В последние годы широко используют при проведении in vitro диагностики тесты стандартных наборов (киты), специально приготовленных для определения гормонов.

Е. А. Нежиковой (1979) впервые удалось проследить радиоиммунологическим методом динамику гонадотропных гормонов гипофиза - лютеинизирующего гормона (ЛГ) и фолликулостимулирующего гормона (ФСГ) в сыворотке крови коров по месяцам стельности и сезонам года. Выявлено влияние этих гормонов не только на физиологическое состояние животных, но и на продуктивности. Так, если у коров со средней продуктивностью в осенний период количество ЛГ на первом месяце стельности достигает 32,1 нг/мл, то у высокопродуктивных оно составляет 24,77 нг/мл. Такая же закономерность прослеживается и по другим периодам стельности. При этом отчетливо выступает зависимость уровня ЛГ от месяца стельности и сезона года. Так, у коров на третьем месяце стельности в весенний период уровень ЛГ составляет 4,33 нг/мл, в летний - 30,9 нг/мл, осенний - 34,8 нг/мл и в зимний - 63,2 нг/мл.

Серьезного внимания заслуживает радиоизотопный метод исследования функционального состояния щитовидной железы у животных при диспансеризации, а также для определения дозы добавок йодистого калия в районах йодной недостаточности, профилактики нарушения обмена веществ и повышения продуктивности. При йодной недостаточности отмечаются у коров ановуляторный цикл, у свиней-рождение мертвых бесшерстных или маложизнеспособных поросят, у кур - резкое снижение яйценоскости. Для практики животноводства и ветеринарии наибольший интерес представляют методы in vitro радиоизотопных исследований, основанных на определении включения в эритроциты трийодтиронина, меченного 125 I или 131 I, или же по степени связывания меченного радиойодом тироксина с белковыми фракциями сыворотки крови. Эти методы позволяют косвенно определить количество гормона, выделенного щитовидной железой и тем самым судить о ее функциональной активности.

В. П. Остапчук, А. Д. Белов и Н. А. Ковалев (1979) разработали радиоиммунный метод диагностики бешенства, который основан на связывании меченых радионуклидом специфических антител рабическим антигеном в мазках-отпечатках мозга больных животных и измерении радиоактивности образовавшегося комплекса. Достоинством этого метода в сравнении с традиционными патоморфологическими является его высокая специфичность, чувствительность, быстрота выполнения и возможность исследования несвежего уже разложившегося патологического материала, а также количественное выражение результатов исследования.

Все вышеописанные радиоиммунологические и радиоизотопные методы исследования доступны для широкой лабораторной практики областных радиологических отделов и республиканских радиологических ветеринарных лабораторий.

Нейтронно-активационный анализ является перспективным высокочувствительным методом определения ультрамикроколичеств стабильных изотопов в различных биологических материалах (кровь, лимфа, ткани различных органов и т. д.). Он заключается в том, что исследуемый материал подвергают воздействию в условиях ядерного реактора потока нейтронов. В результате этого образуются радиоактивные продукты (продукты активации), которые затем подвергают радиохимическому анализу и радиометрии.

Самые разнообразные вопросы биологии, физиологии, динамической биохимии и экологии микроорганизмов могут быть решены методом радиоактивных индикаторов. Включение меченых соединений в микробную клетку происходит в результате активного вовлечения их в обмен веществ при культивировании микробов в питательной среде, содержащей радионуклиды. Микробы можно пометить даже двойной меткой, например 32 Р и 35 S. Они усваивают радионуклиды и, размножаясь, передают их потомству. Меченую патогенную культуру вводят животным, которых убивают через определенные интервалы времени и радиометрически выявляют скорость и пути распространения микробов в организме по удельной активности его органов. Таким путем доступно проследить судьбу патогенных микробов и вакцин в организме подопытных животных.

Можно пометить и вирусы, вводя в тканевые культуры и другие питательные среды растворы радиоактивных изотопов 32 Р, 35 5-метионин, 35 5-цистин, 14 С-глицин и др. Радиоактивная метка активно включается в компоненты вируса в процессе его размножения. Надо заметить, что 32 Р включается в РНК и фосфолипиды вируса, а меченые аминокислоты - в его белковую оболочку.

Метод радиоактивных индикаторов нашел применение в энтомологии при изучении путей и скорости миграции, мест резервации мух, комаров, клещей и других насекомых - переносчиков патогенных микроорганизмов и эффективности предпринимаемых мер борьбы с ними, а также для прослеживания перехода инсектицидов в насекомых. Организмы метят путем введениярадиоизотопа внутрь с пищей, или же путем выращивания их на соответствующих средах, содержащих радиоизотопы. Выбор радиоактивного индикатора зависит от задачи исследования.

Использование радиоактивных изотопов для диагностики и лечения животных. В настоящее время радиоактивные изотопы широко применяются в медицине при сердечно-сосудистых заболеваниях, злокачественных новообразованиях, заболеваниях крови (миэлолейкоз, лимфолейкоз, полицитомия и др.), периферической нервной системы (невриты, радикулиты), кожи (экземы, дерматиты, фурункулы), щитовидной железы (тиреотоксикоз), а также для подавления трансплантационного иммунитета при пересадке органов и т. д.

При заболеваниях сердечно-сосудистой системы резко изменяется скорость кровотока. Для определения ее используют 24 Na, 131 I, 42 К, 32 Р. У здоровых людей в состоянии покоя скорость кровотока составляет в малом круге 5-6 с, в большом-12-16 с. Лечебное применение радиоизотопов и излучений при новообразованиях основано на их биологическом действии. Наиболее радиопоражаемы молодые, энергично размножающиеся клетки. Это обстоятельство позволило разработать радиотерапию больных со злокачественными и доброкачественными опухолями, болезнями кроветворных органов. В зависимости от локализации опухоли осуществляют внешнее гамма-облучение с помощью гамма-терапевтических установок. Применяют аппликации на кожу для контактного действия; вводят в толщу опухоли коллоидные растворы радиоактивных препаратов непосредственно или в виде полых игл, наполненных радиоизотопами; инъецируют внутривенно короткоживущие радионуклиды, избирательно накапливающиеся в опухолевых тканях и критических органах.

А. Д. Белов (1968) создал глазной аппликатор и разработал методику его применения при заболеваниях глаз у животных. С помощью аппликатора заряженного 32 Р и 89 Sr были получены положительные результаты при язвенных и инфекционных конъюнктивокератитах, васкуляризации роговицы у телят и собак. Разовая доза составляла 50-100 Р, на полный курс лечения - 200-2000 Р. Автор успешно применял малые дозы фосфора-32 (0,01 мкКи/кг массы животного) для ускорения регенерации костной ткани и нормализации минерального обмена у животных при переломах костей путем введения радиоактивного раствора в зону перелома.

Стимулирующее действие рентгеновского и гамма-облучения можно использовать для повышения хозяйственно-полезных качеств кур (яйценоскости, жизнестойкости и прироста цыплят).

Неоценимую услугу оказывает радиоиндикационный метод в изучении фармакодинамики лекарственных препаратов, скорости и путей проникновения их и выведения из организма в норме и при различных патологических состояниях. Ценные данные были получены при испытании сильнодействующих лекарственных веществ, а также препаратов, которые ранее считались безвредными.

Стерилизация с помощью ионизирующих излучений. Их используют для холодной стерилизации биологических препаратов (вакцины, сыворотки, витамины, питательные среды и т. д.), хирургического шовного и перевязочного материалов, которые не выдерживают температурной обработки.

Методы бестермической обработки применяются в пищевой промышленности для консервирования пищевых продуктов. Хорошие результаты получают при гамма-облучении дозой 1,8 млн. Р.

Большое значение стерилизация приобретает для обеззараживания навоза на крупных животноводческих комплексах, на предприятиях по переработке кожевенного и мехового сырья, шерсти, щетины, пера и пуха. Лучевую стерилизацию используют в борьбе с вредными насекомыми (амбарные клещи, жалящие мухи и др.).

Изложенное, конечно, далеко не исчерпывает всего многообразия областей применения радиоактивных изотопов и ионизирующей радиации в биологии, ветеринарии и животноводстве. Однако из приведенных примеров видно, что радиоактивные изотопы и ионизирующие излучения, являясь принципиально новыми в исследовании природы, открывают большие возможности в изучении жизненных процессов, патогенеза заболеваний диагностике и терапии сельскохозяйственных животных а также в решении других важных народнохозяйственных задач.

Слайд 2

В биологии и медицине- в промышленности-в сельском хозяйстве- в архиологии

Слайд 3

Изотопы в медицине и биологии

Слайд 4

Таблица 1.Основные характеристики радионуклидов – γ-излучателей для использования в диагностических целях

Слайд 5

Слайд 6

Со60 применяется для лечения злокачественных опухолей, расположенных как на поверхности тела, так и внутри организма. Для лечения опухолей, расположенных поверхностно (например, рак кожи), кобальт применяется в виде трубочек, которые прикладываются к опухоли, или в виде иголочек, которые вкалываются в нее. Трубочки и иголочки, содержащие радиокобальт, держатся в таком положении до тех пор, пока не наступит разрушение опухоли. При этом не должна сильно страдать здоровая ткань, окружающая опухоль. Если опухоль расположена в глубине тела (рак желудка или легкого), применяются специальные γ-установки, содержащие радиоактивный кобальт. Такая установка создает узкий, очень мощный пучок γ-лучей, который направляется на то место, где распола­гается опухоль. Облучение не вызывает никакой боли, больные не чувствуют его.

Слайд 7

Камера радиографическая цифровая для флюорографических аппаратов КРЦ 01- "ПОНИ"

Слайд 8

Маммограф современная маммографическая система, с низкой дозой облучения и высокой разрешающей способностью, которая обеспечивает высококачественное изображение молочной железы необходимое для точной диагностики

Слайд 9

Цифровой флюорографический аппарат ФЦ-01 «Электрон» предназначен для проведения массового профилактического рентгенологического обследования населения в целях своевременного выявления туберкулеза, онкологических и других легочных заболеваний при малой лучевой нагрузке.

Слайд 10

компьютерный томограф Компьютерная томография – метод послойного рентгенологического исследования органов и тканей. Она основана на компьютерной обработке множественных рентгеновских изображений поперечного слоя, выполненных под разными углами.

Слайд 11

Брахитерапия - не радикальная, а практически амбулаторная операция, в ходе которой в пораженный орган мы вводим титановые зерна, содержащие изотоп. Этот радиоактивный нуклид убивает опухоль насмерть. В России пока только четыре клиники выполняют такую операцию, две из которых в Москве, в Обнинске и в Екатеринбурге, хотя страна нуждается в 300-400 центрах, где применяли бы брахитерапию.

Слайд 12

Изотопы в промышленности

Слайд 13

Контроль износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания. Облучая поршневое кольцо нейтронами, вызывают в нем ядерные реакции и делают его радиоактивным. При работе двигателя частички материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла после определенного времени работы двигателя, определяют износ кольца.

Слайд 14

Мощное y-излучение препаратов используют для исследования внутренней структуры металлических отливок с целью обнаружения в них дефектов.

Слайд 15

Радиоактивные материалы позволяют судить о диффузии материалов, процессах в доменных печах и т.д

Слайд 16

Изотопы в сельском хозяйстве

Слайд 17

Облучение семян растений (хлопчатника, капусты, редиса и др.) небольшими дозами y-лучей от радиоактивных препаратов приводит к заметному увеличению урожайности.

Слайд 18

Большие дозы радиации вызывают мутации у растений и микроорганизмов, что в отдельных случаях приводит к появлению мутантов с новыми ценными свойствами (радио селекция). Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур. Так выведены ценные сорта пшеницы, фасоли и других культур, а также получены высокопродуктивные микроорганизмы, применяемые в производстве антибиотиков.

Слайд 19

Гамма-излучения радиоактивных изотопов используется также для борьбы с вредными насекомыми и для консервации пищевых продуктов.

Слайд 20

Изотопы в архиологии

Слайд 21

Интересное применение для определения возраста древних предметов органического происхождения (дерева, древесного угля, тканей и т. д.) получил метод радиоактивного углерода. В растениях всегда имеется B-радиоактивный изотоп углерода 166C с периодом полураспада Т=5700 лет. Он образуется в атмосфере Земли в небольшом количестве из азота под действием нейтронов. Последние же возникают за счет ядерных реакций, вызванных быстрыми частицами, которые поступают в атмосферу из космоса (космические лучи). Соединяясь с кислородом, этот углерод образует углекислый газ, поглощаемый растениями, а через них и животными. Один грамм углерода из образцов молодого леса испускает около пятнадцати B-частиц в секунду.

Слайд 22

После гибели организма пополнение его радиоактивным углеродом прекращается. Имеющееся же количество этого изотопа убывает за счет радиоактивности. Определяя процентное содержание радиоактивного углерода в органических остатках, можно определить их возраст, если он лежит в пределах от 1000 до 50000 и даже до 100000 лет. Таким образом, узнают возраст египетских мумий, остатков доисторических костров и т. д.

Посмотреть все слайды