Становление русской радиобиологической науки

радиобиологический мутагенез наука русский Становление русской радиобиологической науки связано с организацией в 1918 г в Ленинграде, по предложению М. И. Неменова и содействии Наркомпроса в лице А. В. Луначарского, научного центра «…для всестороннего изучения действия рентгеновых лучей и радия на организм человека, животных и растений и для создания научно-образованных специалистов рентгенологов и радиологов». Этот центр тогда назывался Государственным рентгенологическим, радиологическим и раковым институтом и явился ленинградской школы радиобиологов.

Таким образом, ранние наблюдения хотя и имели фундаментальное значение, но носили качественный описательный характер; какая-либо теория, объясняющая механизм действия ионизирующих излучений на живые объекты, отсутствовала.

Одним из важнейших открытий того времени было обнаружение действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, сопровождающееся наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Впервые эти наблюдения были сделаны русскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 г. в опытах на дрожжах. Работами этих выдающихся ученых было показано, что под влиянием излучения радия и рентгеновых лучей возникают новые микроорганизмы, названные ими радиои рентгенорасами. Возникающие расы отличались от родоначальной формы как по своему строению и развитию, так и по жизненным свойствам.

К сожалению, это крупнейшее открытие не получило должной оценки и лишь после работ американского ученого Г. Меллера, установившего мутагенный эффект ионизирующих излучений в экспериментах на дрозофиле, радиационно-генетические исследования стали широко проводиться во всем мире.

За открытие радиационного мутагенеза Г. Меллер был удостоен Нобелевской премии, судьбы выдающихся отечественных пионеров радиационной генетики сложились иначе.

Ученый — самородок Г. С. Филиппов родился в бедной крестьянской семье в 1898 г. С 1922 г. во время учебы в медицинском институте одновременно работал в лаборатории Г. А. Надсона. Тогда и были выполнены ставшие известными всему миру работы по получению радиорас, но выполнялись они тяжелобольным человеком в крайне неудовлетворительных бытовых условиях. В 1933 году Г. С. Филиппов погиб от туберкулеза. Вскоре после его смерти последовал арест, а затем и смерть в тюрьме Г. А. Надсона.

Репрессии 30−40-х годов и длительный период безраздельного царствования в науке лысенковщины надолго приостановили дальнейшее развитие радиационной генетики в Советском Союзе. И лишь работы выдающегося русского ученого Н.В. Тимофеева-Ресовского, который избежал ареста, не вернувшись из зарубежной командировки, в значительной степени поддержали отечественный авторитет в этой области.

Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский является одним из основоположников современной радиационной генетики и теоретической радиобиологии. Его основные исследования в этих областях были выполнены в Отделе генетики Института мозга в Берлин-Бухе, в Лаборатории биофизики Института биологии Уральского филиала АН СССР (Свердловск) и в Отделе общей радиобиологии и радиационной генетики НИИ медицинской радиологии АМН СССР.

Классические исследования Н.В. Тимофеева-Ресовского по мутагенному действию ионизирующих излучений, проведенные в 30−40-х годах ХХ столетия, привели к двум крупным обобщениям: биофизической концепции мутационного процесса и применению принципов попадания и мишени в радиобиологии. Эти представления сформулированы в классических работах: Н.В. Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер, М. Дельбрюк «О природе генных мутаций и структуры гена» (1935); Н.В.Тимофеев-Ресовский, К. Г. Циммер «Биофизика. Часть 1. Принцип попадания в биологии» (1947).

Велики заслуги Н.В. Тимофеева-Ресовского в создании им крупной школы учеников и последователей, с именами которых связаны успехи и дальнейшее развитие радиобиологии. К их числу относятся Н. В. Лучник, В. И. Иванов, В. И. Корогодин, Л. С. Царапкин, О. В. Малиновский, В. Г. Капульцевич, Н. П. Бочков и ряд других ученых.

Работы Н. В. Лучника в области радиационной генетики связаны с изучением явления репарации генетических повреждений.

Значительные достижения советской радиационной генетики связаны с именами таких крупных ученых как Н. П. Дубинин, Б. Л. Астауров, Н. И. Шапиро.

Центральным вопросом, вокруг которого разгорались дискуссии на самых первых этапах развития мировой радиобиологии, оказался вопрос о роли повреждения ядра, цитоплазмы или всей клетки в целом в качестве мишени, определяющей исход радиационного поражения. И если в США и Европе, под влиянием достижений радиационной генетики этот вопрос вскоре решился в пользу определяющего значения ядра и ядерной ДНК, то правильная позиция в Советском Союзе запаздывала из-за господства сторонников лысенковщины, не признававших существования ДНК в качестве материального носителя наследственности.

Однозначные доказательства, определяющей роли поражения ядра в клеточной гибели, были получены в блестящих экспериментах Б. Л. Астаурова (1948) при получении андрогенетического потомства у тутового шелкопряда.

Затем было уточнено, что существуют два типа радиационной гибели клеток — репродуктивная — в процессе деления и интерфазная (без деления). В обоих случаях решающее значение имеет повреждения ядерного материала: при репродуктивной форме гибели — структурные повреждения ДНК, реализующиеся в виде хромосомных аберраций (Н.П. Дубинин, Н.В. Лучник), а при интерфазной — повреждение хроматина (С.Р. Уманский, К. П. Хансон и др.).

Интенсивное развитие радиоэкологии началось с 50-х годов, когда произошло поступление большого количества искусственных радионуклидов в биосферу после испытаний ядерного оружия. В 50−60-х годах были развернуты в разных странах крупномасштабные исследования переноса радионуклидов по пищевым цепочкам и накопления их в живых организмах. Тогда же, в 1956 г., советскими учеными А. М. Кузиным и А. А. Передельским и американским экологом Ю. Одумом был введен и сам термин радиоэкология. Результаты радиоэкологических исследований оказали большое влияние на принятие международных договоров о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, под водой и в космическом пространстве. А вскоре перед радиобиологами ряд задач поставили и космические исследования.

При Организации Объединенных Наций были созданы специальные комитеты по сбору и обсуждению всей научной информации о действии ионизирующей радиации на организм человека и о путях противолучевой защиты.

В 1962 г. в Советском Союзе был учрежден специальный Научный Совет АН СССР по проблемам радиобиологии, координировавший фундаментальные исследования, направленные на решение практических задач, в том числе медицинских. Первым председателем Научного Совета был А. В. Лебединский, а с 1964 г. Советом руководил А. М. Кузин.

Создание и деятельность Научного Совета сыграли большую роль в развитии отечественной радиобиологии и объединении сил, так как к участию в нем были привлечены ведущие радиобиологи страны, работающие не только в системе АН СССР, но и из других ведомств.

В области радиационной генетики крупные научные обобщения были сделаны в 1961 г в монографии Н. П. Дубинина «Проблемы радиационной генетики». Под руководством В. А. Шевченко в эти годы разрабатывались такие важные вопросы генетики популяций как принципы радиационногенетического нормирования, а также генетических критериев оценки радиационного фактора. Эти работы обобщены в сборниках «Мутагены при действии физических факторов», 1980, и «Радиационный мутагенез и его роль в эволюции и селекции», 1987, а также в монографии В. А. Шевченко и М. Д. Померанцевой «Генетические последствия действия ионизирующих излучений», 1985.

В конце 60-х — начале 70-х годов В. И. Корогодин вместе с К. М. Близником и другими сотрудниками показали, что возникновение радиорас также происходит после облучения у диплоидных клеток. Явление, в основе которого лежит повышенная нестабильность хромосомного аппарата нелетально поврежденных излучением клеток, было названо «каскадным мутагенезом». Результаты исследований В. И. Корогодина содержатся в монографии «Проблемы пострадиационного восстановления», 1966.

И.Б. Бычковской в модельных экспериментах на одноклеточных организмах, было обнаружено «нестохастическое» наследование летальных эффектов. Этим работам посвящена ее монография «Проблемы отдаленной радиационной гибели клеток», 1986.

Большой вклад в клеточную радиобиологию был внесен сотрудниками лаборатории радиационной цитологии Института цитологии АМН СССР, организованного В. П. Парибоком в 1959 г. В. П. Парибок первым в СССР организовал изучение процессов репарации ДНК на молекулярном уровне и начал анализ восстановления клетки в целом, сопоставляя клеточные и молекулярные процессы (В.П. Парибок «Пострадиационная репарация», 1970).

Начиная с 1970 г. лабораторией радиационной цитологии руководил В. Д. Жестяников, а основными направлениями работ являлись: изучение молекулярных механизмов репарации ДНК после воздействия ионизирующего излучения, УФ-света, химических мутагенов и канцерогенов, включая энзимологию репарации и ее генетический контроль; исследование роли репарации ДНК в восстановлении жизнеспособности клетки и целостности хромосом; исследование роли репарации ДНК в поддержании стабильности генетического материала и в нормальной жизнедеятельности клетки; регуляция процессов репарации ДНК в клетках млекопитающих.

Постановка и решение многих принципиальных вопросов молекулярной и клеточной радиобиологии связаны с работами Л. Х. Эйдуса и сотрудников руководимой им лаборатории Института биологической физики АН СССР.

В области клеточной радиобиологии большое признание получили исследования, проводившиеся в Институте биологии развития АН СССР под руководством Э. Я. Граевского, и продолженные М. М. Константиновой (Э.Я. Граевский «Сульфгидрильные группы и радиочувствительность», 1969).

Широко известны исследования сотрудников лаборатории Института химической физики во главе с И. И. Пелевиной, посвященные изучению клеточно-кинетических параметров восстановления от потенциальнолетальных поражений, а также механизмов действия электрон-акцепторных сенсибилизаторов гипоксических клеток (И.И. Пелевина, Г. Г. Афанасьев, Г. Г. Готлиб «Клеточные факторы реакции опухолей на облучение и химиотерапевтические воздействия», 1978).

Важные результаты в области радиобиологии стволовых клеток системы кроветворения и кишечника выполнены А. Г. Коноплянниковым с сотрудниками (монография «Радиобиология стволовых клеток», 1984).

Весьма важные исследования выполнены отечественными радиобиологами при выяснении молекулярных и клеточных механизмов, определяющих различия в биологической эффективности излучений с разной величиной линейной передачи энергии (Е.А. Красавин «Проблема ОБЭ и репарация ДНК»).

Работы по молекулярным механизмам репарации ДНК и модификации клеточной радиочувствительности выполнены А. С. Саенко и В. Г. Петиным. В значительной степени они освещены в монографии В. Г. Петина «Генетический контроль модификаций радиочувствительности», 1987.

В области радиобиологии организма следует упомянуть А. В. Лебединского, М. Н. Ливанова, Ю. Г. Григорьева.

Видным представителем патофизиологического направления советской радиобиологии был академик П. Д. Горизонтов. С именем П. Д. Горизонтова и его учеников связаны три крупных раздела радиобиологических исследований: разработка патогенеза острой лучевой болезни; проблема поражения и восстановления кроветворных тканей; разработка способов профилактики и терапии острой лучевой болезни. Результаты приведены в работах: О. И. Белоусова, П. Д. Горизонтов, М. И. Федотова «Радиация и система крови», 1979; П. Д. Горизонтов, О. И. Белоусова, М. И. Федотова «Стресс и система крови», 1983; работы Г. П. Груздева «Проблема поражения кроветворной ткани при острой лучевой патологии», 1968 и «Острый радиационный костномозговой синдром», 1988.

Огромный фактический материал по отдаленным последствиям облучения и, прежде всего, радиационному канцерогенезу при воздействии разных видов ионизирующих излучений, включая инкорпорирование радионуклидов, получен в результатах многолетних исследований Ю. И. Москалева и В. Н. Стрельцовой. Ими непосредственно и под их редакцией опубликовано большое количество обзоров и книг, среди которых наибольший интерес, представляет предпринятое авторами обобщение в монографии «Лучевой канцерогенез в проблеме радиационной защиты», 1982.

К числу современных исследователей в области молекулярных в клеточных механизмов радиационного канцерогенеза относится М. М. Виленчик, обобщивший совокупность полученных данных в монографии «Радиобиологические эффекты и окружающая среда», 1983, а также в совместной с А. М. Кузиным работе «Проблема синергизма в радиационном канцерогенезе и возможные пути снижения канцерогенного риска», 1985.

И.Г. Акоевым и Н. Н. Матлохом была предпринята попытка описать закономерности формирования предраковых состояний, нашедшая выражение в их монографии «Биофизический анализ предпатологических и предлейкозных состояний», 1984.

Возникновение космической радиобиологии, являющейся одновременно одной из ветвей рожденных второй половиной XX века космической биологии и медицины, произошло в двух крупных центрах — Институте авиационной и космической медицины и Институте биофизики, и связано с именами А. И. Бурназяна, П. П. Саксонова, В. В. Антипова и Ю. Г. Григорьева. Становление этой области знаний в качестве самостоятельной научной дисциплины обязано созданному в 1964 г. Институту медико-биологических проблем и его первому директору — А. В. Лебединскому.

Две основные задачи, определявшие особенности космической радиобиологии на ранних этапах ее развития, остаются решающими и в настоящее время. Одна из них состоит в разработке вопросов комбинированного действия факторов космического полета и ионизирующих излучений на организм человека. Другая — обеспечение радиационной безопасности пилотируемых космических полетов.

По инициативе руководителя этих работ Ю. Г. Григорьева был проведен крупномасштабный 14-летний эксперимент по хроническому облучению собак, результаты которого позволили оценить степень опасности длительного облучения организма в широком диапазоне доз.

Под руководством Ю. Г. Григорьева выполнен ряд экспериментов в космосе, в том числе уникальные исследования в области космической физиологии на искусственном спутнике Земли «Космос-690» с животными на борту в целях изучения физиологических реакций организма при комбинированном действии невесомости и других факторов космического полета. Разработки Ю. Г. Григорьева обобщены в ряде монографий, посвященных проблемам космической экспериментальной физиологии и радиобиологии: «Радиационная безопасность космических полетов», 1975; «Руководство по физиологии. Экологическая физиология человека. Адаптация человека к экстремальным условиям», 1979; «Космическая радиобиология», 1982.

В.В. Антипов является одним из пионеров в разработке системы мероприятий по обеспечению радиационной безопасности космических полетов, в области изыскания методов и средств противорадиационной защиты космонавтов, а также нормирования лучевого фактора в условиях полета. В соавторстве с сотрудниками В. В. Антиповым опубликовано три монографии по различным вопросам космической радиобиологии: «Очерки космической радиобиологии», 1968; «Биологическое действие электромагнитных излучений микроволнового диапазона», 1980, «Влияние факторов космического полета на центральную нервную систему», 1988.

В становлении космической радиобиологии и противолучевой защиты от космического излучения значительную роль сыграли модельные эксперименты с использованием протонов и других тяжелых ядерных частиц, генерируемых на ускорителях, Пионерами этих работ в СССР были Ю. Г. Григорьева, В. В. Антипов, С. П. Ярмонснко, В. С. Шашков, Н. И. Рыжов и И. Г. Акоев, который с 1977 г. возглавил секцию космической радиобиологии.

Пионерами в области расстройств иммунитета и их роли в патогенезе радиационных поражений были П. Н. Киселев в Ленинграде, а в Москве — Н. Н. Клемпарская. Основные достижения сегодняшней радиационной иммунологии связаны с именами Р. В. Петрова и его школы, а также А. Я. Фриденштейна, И. Л. Черткова, А. А. Ярилина и В. Б. Климовича. Результатам их фундаментальных исследований в области клеточных механизмов иммунитета мы обязаны возможностями практического использования ряда достижений, как в лечении лучевых поражений, так и в лучевой терапии злокачественных опухолей.

Наиболее интенсивные исследования в области профилактики и лечения радиационных поражений начались в СССР только в 50-х годах уже после опубликования данных о противолучевых препаратах (протекторах) американскими и бельгийскими исследователями. В создание противолучевых препаратов огромный вклад внесли: М. Н. Щукина, Ф. Ю. Рачинский, Н. Н. Суворов, И. Л. Кнунянц, О. В. Кильдышева, В. Г. Яковлев, В. В. Федосеев, Ф. А. Трофимов, А. Г. Тарасенко. Наиболее значительное обобщение этих работ было предпринято Н. Н. Суворовым и В. С. Шашковым в монографии «Химия и фармакология средств профилактики радиационных поражений», 1975.

Научному становлению проблемы способствовали теоретические работы Э. Я. Граевского, Е. Ф. Романцева, Н. И. Шапиро и Л. Х. Эйдуса. Е. Ф. Романцевым опубликовано несколько монографий, в том числе три непосредственно в области противолучевой защиты: «Химическая защита от ионизирующей радиации», 1968, «Радиация и химическая защита», 1971, «Биохимические основы действия радиопротекторов», 1980.

Значительный вклад в историю проблемы профилактики радиационных поражений внесли советские радиобиологи самого различного профиля и направлений исследований. Основными работами в этой области являются: П. П. Саксонов, П. В. Сергеев, В. С. Шашков «Радиационная фармакология», 1976; А. С. Мозжухин, Ф. Ю. Рачинский «Химическая профилактика острой лучевой болезни», 1961 и «Химическая профилактика радиационных поражений», 1964; В. Г. Владимиров Т. К Джаракьян «Радиозащитные эффекты у животных и человека», 1982; П. Г. Жеребченко «Противоопухолевые свойства индолилалкиламинов», 1971; Л. М. Рождественский «Механизмы радиозащитного эффекта и индикация эффективности радиопротекторов», 1985.

Широко известны многолетние исследования Ю. В. Кудряшова и Е. Н. Гончаренко, обобщенные авторами в монографии «Гипотеза эндогенного фона радиорезистентности», 1980.

Глубокие отечественные исследования патогенеза и клеточных механизмов лучевого поражения, классификации лучевой болезни человека и ее терапии связаны с именами А. К. Гуськовой и Г. Д. Байсоголова и отражены в монографии «Лучевая болезнь человека», 1970. Основной заслугой авторов является установление четкой связи развития того или иного радиационного синдрома с поглощенной дозой ионизирующего излучения, объемом критического органа. На этой основе А. К. Гуськовой и Г. Д. Байсоголовым осуществлена классификация разнообразных форм лучевой болезни и локальных лучевых поражений и обоснованы рациональные схемы патогенетической терапии, правильность которых была подтверждена при лечении пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС.

Из теоретических исследований последнего времени важные результаты были получены в цикле работ С. Е. Бреслера и Л. А. Носкина, продемонстрировавших зависимость между эффектом противолучевой защиты и функционированием ферментативных систем пострадиационной репарации.

История теоретического осмысления механизмов биологического действия ионизирующих излучений после работ Б. Л. Астаурова связана с именами О. Хуга и Ю. Г. Капульцевича. Предложенная ими стохастическая теория и вероятностная модель отражали кризис принципа попадания и в настоящее время могут рассматриваться как дополнительное его развитие.

Б.Н. Тарусов и Н. М. Эмануэль независимо друг от друга предложили так называемую «теорию цепных первичных механизмов лучевого поражения клетки» по аналогии с цепными реакциями радиационного окисления жира. А. М. Кузин известен как автор структурно-метаболической теории.

А.М. Кузин долгие годы возглавлял Научный совет АН СССР по проблемам радиобиологии, а также редколлегию журнала «Радиобиология». Им и большим числом его учеников выполнен целый цикл работ, посвященных стимулирующему действию ионизирующих излучений.

До недавнего времени к клинической или медицинской радиобиологии относили самые различные аспекты радиобиологии человека. Сравнительно недавно, однако, интерпретация этого термина приобрела более четкие границы. Сегодня под клинической радиобиологией понимают биологические основы лучевых методов лечения злокачественных новообразований.

Собственная история советской клинической радиобиологии ведет свое начало с конца сороковых годов, будучи связанной с именем онкорадиолога М. П. Домшлака, которому принадлежит разработка методов фракционированного и пролонгированного облучения опухолей с использованием количественных закономерностей биологического действия ионизирующих излучений. М. П. Домшлак основал целую школу советских радиобиологов, среди его учеников известные исследователи, например, Ю. Г. Григорьев, Н. Г. Даренская, Г. М. Аветисов и др. Основные научные результаты приведены в следующих работах: А. Г. Коноплянников «Локальная гипертермия в терапии злокачественных опухолей», 1983; С. П. Ярмоненко, А. А. Вайнсон, Ю. И. Рампан, Г. С. Календо «Биологические основы лучевой терапии», 1976; С. П. Ярмоненко, А. Г. Коноплянников, А. А. Вайнсон «Кислородный эффект и лучевая терапия опухолей», 1990; И. И. Пелевина, Г. Г. Афанасьев, В. Я. Готлиб «Клеточные факторы реакции опухоли на облучение и химиотерапевтические воздействия», 1978; А. Н. Деденков, И. И. Пелевина, А. С. Саенко «Прогнозирование реакции опухолей на лучевую и лекарственную терапию», 1988; Н. Н. Александров, Н. Е. Савченко, С. З. Фрадкин и Э. А. Жаврид «Применение гипертермии и гипергликемии при лечении злокачественных опухолей», 1980; Э. А. Жаврид, С. П. Осинский, С. З. Фрадкин «Гипертермия и гипергликемия в онкологии», 1987.

Современный этап развития радиоэкологии неразрывно связан с решением задач охраны окружающей человека среды в свете интенсивного роста атомной энергетики и расширения использования атомной энергии в мирных целях.

Радиоэкология в настоящее время представляет дифференцированную область науки. Основоположником отечественной общей и сельскохозяйственной радиоэкологии является академик ВАСХНИЛ В. М. Клечковский. Сельскохозяйственная радиоэкология изучает закономерности защита популяций, практика санитарного надзора и законодательств и др.) охватываются радиационной гигиеной. Ее основоположниками в нашей стране были А. А. Летавет и Ф. Г. Кротков. Ранние этапы становления радиационной гигиены связаны с именами Д. И. Закутинского, Э. Б. Курляндской, Н. А. Запольской, В. А. Саноцкого, А. Н. Марея, Н. Ю. Тарасенко, Г. М. Пархоменко, С. М. Городинского, К. П. Кедрова, Ю. М. Штукенберга и других исследователей, разрабатывавших вопросы нормирования ионизирующих излучений и токсикологии радионуклидов.

Принципы нормирования и регламентации радиационного фактора, основанные на современных позициях радиобиологии, с конца 60-х годов и по настоящее время эти вопросы разрабатываются в двух крупных центрах — Институте биофизики МЗ СССР (Л.А. Ильин) и Ленинградском институте радиационной гигиены (П.В. Рамзаев).

Широкую известность и международное признание в области радиобиологии растений получили исследования Д. М. Гродзинского и его учеников. Основные работы в этой области Д. М. Гродзинский: «Методика применения радиоактивных изотопов в биологии», 1962; «Естественная радиоактивность растений и почв», 1970; «Биофизика растений», 1972; «Радиобиология растений» 1989; И. Н. Гудков «Защита растений от лучевого поражения», 1973; И. Н. Гудков, Д. М. Гродзинский и др. «Клеточные механизмы пострадиационного восстановления растений», 1985.

В настоящее время к проблемам радиобиологии, как и к биологии вообще, привлечено внимание большого числа естествоиспытателей смежных специальностей, прежде всего физиков и химиков. Поэтому современный этап развития радиобиологической науки можно охарактеризовать как период всестороннего изучекния реакций на облучение отдельных биологических объектов, систем и популяций разной степени сложности. Развитие ядерной физики делает возможным изучение таких взаимодействий с помощью новых видов ионизирующих излучений, в том числе ядерных частиц высоких энергий. Это, в свою очередь, создает не только перспективу решения традиционных задач радиобиологии, но позволяет надеяться на определение оригинальных подходов к изучению фундаментальных закономерностей биологической формы существования и развития материи.