CC BY
32
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ПУЧКА ЭЛЕКТРОНОВ В СУСПЕНЗИИ ЭРИТРОЦИТОВ
Близнюк У.А., Алексеева П.Ю., Черняев А.П.
Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова
Анализ и исследование явлений, возникающих в результате воздействия радиации на биологические объекты, представляет собой одно из актуальных направлений прикладной ядерной физики и радиобиологии. Для оценки степени поражения живого объекта важен учет характера, способа его облучения, т.е. распределения поглощенной энергии во времени и пространстве. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию пространственного распределения эффективности воздействия пучка электронов различных энергий на биологические мембраны при его распространении в суспензии эритроцитов.
Учет всех параметров облучения особенно необходим при проведении лучевой терапии, где необходимо минимизировать воздействие на здоровые окружающие ткани при максимальном поражении опухолевых клеток. При этом принято считать, что эффективность воздействия ионизирующего излучения на ткани в основном определяется величиной поглощенной дозы. Величина поглощенной дозы учитывает среднюю энергию, абсорбированную облучаемым объектом, и не учитывает способность производить различные радиационные эффекты в зависимости от физических характеристик излучения [1].
Данная работа посвящена экспериментальному исследованию распределения биологического эффекта при распространении пучка электронов различных энергий в суспензии эритроцитов.
Эксперименты проводились на Разрезном микротроне импульсного действия в НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына с максимальной энергией пучка 70 МэВ.
Энергия генерируемого пучка электронов в экспериментах составляла 20, 30 и 40 МэВ. Сечение пучка на выходе микротрона имело форму эллипса с осями: а ~ 2 мм, Ь ~ 6 мм.
Объектом исследований служили эритроциты капиллярной крови человека. В опытах использовали суспензию эритроцитов в 0,9% растворе №С1 с оптической плотностью 1,0 при 750 нм. Эксперименты с препаратами эритроцитов
о
проводили при 20 С. Информацию о количестве эритроцитов в суспензии в данный момент времени получали путем измерения оптической плотности суспензии с помощью фотоэлектроколориметра. Суспензию эритроцитов облучали в специально разработанном измерительном цилиндре, который состоял из элементарных ячеек - полностью заполненных суспензией объемом 5 мл и герметично закрытых полипропиленовой пленкой полипропиленовых цилиндров длиной 3 см и диаметром 1,6 см. Ячейки с суспензией укладывали вплотную торцами в направляющую кювету, фиксированную таким образом, чтобы ось пучка электронов проходила через центры оснований всех цилиндров (рис.1). Вплотную перед первой ячейкой помещали рассеивающее стекло толщиной d=3 мм, что позволило увеличить сечение пучка соответственно до а ~ 7 мм и Ь ~ 12 мм. После прохождения рассеивающего стекла энергия электронов уменьшилась с 40 МэВ примерно до 37 МэВ, с 30 МэВ до 27,3 МэВ, с 20 МэВ до 18 МэВ.
Рис.1 Цилиндр для облучения суспензии эритроцитов
Пучок электронов, действуя на мембраны эритроцитов, вызывал неявные, скрытые повреждения мембран. Для выявления скрытых повреждений применяли метод калиброванной электропорации мембран эритроцитов с помощью импульсного электрического поля. В качестве источника импульсного электрического поля использовали клинический дефибриллятор «Lifepak» 7 (США). Скорость гемолиза эритроцитов после электропорации оценивали по изменению оптической плотности суспензии Н. Зависимость Н(() (кинетическая кривая
гемолиза) аппроксимировали экспоненциальной функцией Н = Н0 + Н1 * е в, где
в - константа скорости гемолиза. Н0, Н1, в - параметры кинетической кривой. Эффективность воздействия ускоренных электронов на мембраны эритроцитов оценивали по величине константы скорости гемолиза эритроцитов в. В опытах вычисляли усредненную по объему ячейки относительную константу скорости
гемолиза эритроцитов (5{:
пе иэп _
~ _ Pi пе + ИЭП пИЗП
в = —тйэп—, где А и рк - константы скорости гемолиза эритроцитов в
облученной ^ячейке и контрольной необлученной k ячейках. Таким образом, получали пространственное распределение количественной оценки
биологического эффетка Pi в зависимости от расстояния, пройденного пучком
электронов в суспензии.
Для аналитического расчета характеристик пучка электронов в веществе, а именно энергетического спектра пучка электронов при прохождении электронов и распределения поглощенной дозы для различных энергий пучка использовали компьютерную программу EGS.
По расчетным данным оценили количество ячеек, необходимых для полного поглощения пучка электронов: для энергии 37 МэВ - 11 ячеек в измерительном цилиндре, для энергии 27,3 МэВ -8 ячеек, для 18 МэВ - 7 ячеек.
На рис.2 представлен график зависимости усредненной по объему ячейки
относительной константы скорости гемолиза от расстояния х (координаты
середины каждой ячейки, 0 - начало слоя суспензии), пройденного пучком электронов в суспензии для энергий электронов 37 МэВ, время облучения 15 минут, время между облучением и проведением электропорации 30 минут, пунктирная линия - статистический разброс для контрольной суспензии. Как показано на рис.2, величина биологического эффекта в начале пробега электронов уменьшается с увеличением расстояния. В конце пробега электронов наблюдалось локальное возрастание биологического эффекта. Аналогичные результаты были получены для энергии электронов 27,3 и 18 МэВ.
б)
л
п
s ц
о г ш
о о о. о
о га
6,0-,
5,55,04,54,03,53,02,52,01,51,0-
0
т—
10
^ I | I | I | 1.НЬ1
I 1 I 1 I 1 I 1 I I 1
х, см
15
"Г
20
т
25
30
—I
35
Расстояние
Рис.2. Зависимость (х) для энергии электронов 37 МэВ
На рис. 3 представлены спектры пучка электронов без учета вторичных частиц на расстоянии 1,5 см; 7,5 см; 16,5 см; 22,5 см вдоль распространения пучка,
т.е. величины F(Ж)dE = ^(Е^Е, где F - флюенс пучка, N - количество
электронов, проходящих через поперечное сечение площадью £, перпендикулярное первичному направлению распространения пучка, нормированной на F0 для энергии электронов 37 МэВ. На основании данных рис.13 следует, что средняя по спектру энергия электронов E уменьшается с расстоянием: при х= 1,5 см E = 36,6 МэВ; при x=7,5 см Ж =21 МэВ; при x=16,5 см Ж =1 МэВ; при x= 22,5 см Ё = 0,3 МэВ и т.д. При увеличении номера ячейки площадь под кривыми на рис.3 уменьшается, т.е. уменьшается коли
Константа скорости гемолиза эритроцитов определяется количеством центров повреждения в мембранах эритроцитов, зависящих от количества и плотности ионизаций, приходящихся на мембрану эритроцита. Биологический эффект зависит от дозы облучения D, а также от характерного расстояния между центрами ионизации. Характерное расстояние между центрами ионизации обратно пропорционально ионизационным потерям. Ионизационные потери увеличиваются с уменьшением энергии электронов. На основе аналитического исследования спектральных характеристик пучка электронов (рис.3) проведены оценки количества электронов с малыми энергиями от 0,2 МэВ до 10 кэВ. Аналитически показано, что на некотором расстоянии наблюдается максимум количества электронов с малыми энергиями, соответственно с высокими ионизационными потерями и сильным рассеянием. Медленные электроны могут обладать особенностями воздействия на биологические наноструктуры, вызывая в них локально возмущения электрического состояния. Механизм взамодействия медленных электронов с мембранами может быть принят во внимание при объяснении возрастания биологического эффетка в конце пробега электронов.
Е, МэВ
Рис. 3 Спектр пучка электронов с начальной энергией 37 МэВ на расстоянии 1,5 см (кривая 1); 7,5 см (кривая 2); 16,5 см (кривая 3); 22,5 см (кривая 4)
1. Ю.Б.Кудряшов. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения)/ М.; ФИЗМАТЛИТ, 2004.
The research of processes in the biological systems induced by ionization radiation is an actual direction of the modern nuclear physics and radio-biology. It is important to consider the type and the mode of the irradiation. It is necessary to know the time and space distribution of the absorbed dose. This topic is about the experimental research of the space distribution of the effectiveness of the electron beam's action on the biological membranes during its diffusion in the suspension of erythrocytes.
