Архив номеров
Радиобиологическая модель расчёта вероятности гибели клеток млекопитающих при облучении их ионизирующим излучением с разной линейной потерей энергии
DOI: 10.21870/0131-3878-2022-31-2-97-110
Долгих А.П.1, Павлик Т.И.2
«Радиация и риск». 2022. Том 31. № 2, с.97-110
Сведения об авторах
Долгих А.П. – гл. специалист, к.ф.-м.н., Технологический филиал АО «Концерн Росэнергоатом».
Павлик Т.И. – инженер, ФГБУН ИОФ РАН. Контакты: 119991, Москва, ул. Вавилова, 38. Тел. +7 (499) 503-87-34, +7-916-020-50-98; e-mail:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
.
2 ФГБУН Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва
Аннотация
Одной из фундаментальных проблем радиобиологии является прогнозирование количественной связи между возникновением заданного радиационно-индуцированного эффекта и дозой облучения ионизирующим излучением (ИИ) биологического объекта в различных условиях (для ИИ разного качества при различных временных режимах облучения). Цель данной работы – решение частной задачи общей проблемы: разработка математической модели вероятности гибели клеток млекопитающих в зависимости от дозы ИИ с произвольно заданными линейными потерями энергии (ЛПЭ) при однократном облучении этих клеток in vitro. Для решения поставленной задачи использованы микродозиметрические подходы, основанные на теории дуального действия радиации. При разработке модели использовались следующие допущения: 1) в клетке имеются чувствительные объёмы (ЧО), повреждение которых может при-вести к гибели клетки; 2) вероятность гибели клетки зависит от числа повреждённых ЧО; 3) вероятность повреждения ЧО зависит от энергии, поглощённой в нём; 4) для расчёта энергии, поглощённой в ЧО, использовалась простая модель взаимодействия ионизирующих частиц с веществом: частицы двигаются по прямой, ЛПЭ частиц совпадают с линейной энергией, поглощаемой в веществе. Разработанная математическая модель зависимости вероятности гибели клеток от дозы в явном виде содержит ЛПЭ. Таким образом, в предложенной модели удалось разделить биологические параметры, ответственные за появление радиационно-индуцированного эффекта, от радиационных характеристик условий облучения. Для обоснования модели использовались классические радиобиологические данные, лежащие в основе рекомендаций МАГАТЭ по определению относительной биологической эффективности ИИ разного качества. На примере экспериментальных данных по облучению клеток Т1 почки чело-века в данной работе показано, что разработанная модель позволяет рассчитать вероятность гибели клеток в зависимости от дозы ИИ с произвольно заданными ЛПЭ для фотонов, электронов, альфа-частиц с ЛПЭ от 0,4 до 200 кэВ/мкм. Из предложенной модели следует, что линейно-квадратичная зависимость может возникать не только при поражении ДНК, но и других биологически важных молекул. Использование данной модели может быть расширено для прогнозирования других радиационно-индуцированных эффектов, а также вероятности возникновения радиационно-индуцированных эффектов при различных временных режимах облучения.
Ключевые слова
теоретическая радиобиология, радиобиологическая модель, ионизирующее излучение, вероятность гибели клеток млекопитающих, дуальное действие радиации, микродозиметрия, линейные потери энергии, относительная биологическая эффективность, клетки Т1 почки человека, прогнозирование выживаемости, облучение клеток in vitro.
Список цитируемой литературы
1. Хуг О., Келлерер А.М. Стохастическая радиобиология. М.: Атомиздат, 1969. 184 с.
2. Kellerer A.M., Rossi H.H. A generalized formulation of dual radiation action //Radiat. Res. 1978. V. 75, N 3. P. 471-488.
3. Иванов В.И., Лысцов В.Н. Губин А.Т. Справочное руководство по микродозиметрии. М.: Энергоатом-издат, 1986. 184 с.
4. Иванов В.И. Курс дозиметрии, 3-е изд. М.: Атомиздат, 1978. 392 с.
5. Кеирим-Маркус И.Б., Савинский А.К., Чернова О.Н. Коэффициенты качества ионизирующих частиц. М.: Энергоатомиздат, 1992. 320 с.
6. Столбовой А.В., Залялов И.Ф. Радиобиологические модели и клиническая радиационная онкология //Онкология. Журнал им. П.А. Герцена. 2016. Т. 5, № 6. С. 88-96.
7. Коротовских О.И., Вазиров Р.А., Агданцева Е.Н., Баранова А.А. Математическое моделирование фактора изменения дозы при радиационно-индуцированной адаптации //АНРИ. 2019. № 4. С. 57-63.
8. Губин А.Т., Сакович В.А. Дуальная теория действия ионизирующего излучения и спонтанный рак //Радиационная гигиена. 2015. Т. 8, № 1. С. 30-34.
9. Bodgi L., Canet A., Pujo-Menjouet L., Lesne A., Victor J.-M., Foray N. Mathematical models of radiation action on living cells: From the target theory to the modern approaches. A historical and critical review //J. Theor. Biol. 2016. V. 394. P. 93-101.
10. Barendsen G.W., Beusker T.L. Effects of different ionizing radiations on human cells in tissue culture. I. Irradiation techniques and dosimetry //Radiat. Res. 1960. V. 13. P. 832-840.
11. Barendsen G.W., Koot C.J., Van Kersen G.R., Bewley D.K., Field S.B., Parnell C.J. The effect of oxygen on impairment of the proliferative capacity of human cells in culture by ionizing radiations of different LET //Int. J. Radiat. Biol. Relat. Stud. Phys. Chem. Med. 1966. V. 10, N 4. P. 317-327.
12. Barendsen G.W., Walter H.M.D., Fowler J.F., Bewley D.K. Effects of different ionizing radiation on human cells in tissue culture: III. Experiments with cyclotron-accelerated alpha-particles and deuterons //Radiat. Res. 1963. V. 18, N 1. P. 106-119.
13. Todd P. Fractionated heavy ion irradiation of cultured human cells //Radiat. Res. 1968. V. 34, N 2. P. 378-389.
14. Todd P. Reversible and irreversible effects of ionizing radiations on the reproductive integrity of mammalian cells cultured in vitro. Dissertation for Ph.D. degree. University of California, Radiation Laboratory, Report UCRL-11614. Berkeley, 1964.
15. Scaife J.F. The RBE of 137Cs-, 250 kV and 100 kV X-rays for mitotic delay and survival in human kidney cells //Int. J. Radiat. Biol. 1969. V. 15, N 3. P. 278-283.
16. Broerse J.J., Barendsen G.W. Effects of monoenergetic neutron radiation on human cells in tissue culture. In: Biological effects of neutron and photon irradiations. Vienna: IAEA, 1964. V. 1. P. 309-324.
17. Barendsen G.W., Broerse J.J. Measurement of relative biological effectiveness and oxygen enhancement ratio of fast neutrons of different energies. In: Biophysical aspects of radiation quality. Vienna, 1968. V. 2. P. 55-63.
18. Broerse J.J., Barendsen G.W. Recovery of cultured cells after fast neutron irradiation //Int. J. Radiat. Biol. 1969. V. 15, N 4. P. 335-339.
19. Todd P., Gerci J.P., Furcinitti P.S., Rossi R.M., Mikage F., Theus R.B., Schroy C.B. Comparison of the effect of various cyclotron-produced fast neutrons on the reproductive capacity of cultured human kidney (T-1) cells //Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1978. V. 4, N 11-12. P. 1015-1022.
20. Raju M.R., Gnanapurani M., Richman C., Martins B.I., Barendsen G.W. RBE and OER of - mesons for damage in cultured T-1 cells of human kidney origin //Br. J. Radiol. 1972. V. 45, N 531. P. 178-191.
21. Blakely E.A., Tobias C.A., Yang T.C.H., Smith K.C., Lyman J.T. Inactivation of human kidney cells by high-energy monoenergetic heavy-ion beams //Radiat. Res. 1979. V. 80. P. 122-160.
Полная версия статьи