WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Рис. 2. Эпюра регистрируемого импульса в растворе. Калибровка: ось х, время - 1кл = 5 мс, ось у, напряжение на входе звуковой карты - 1кл = 34 мВ Экспериментально показано, что электрическое поле по всему объему было практически однородно (различия амплитуды не превышали значения ~ 10%) и падение напряжения происходит на 85% именно в объеме растворе, а не в приповерхностных к электродам слоям.

Измерена величина порога электрического пробоя. На рис. 3 представлены экспериментальная зависимость константы скорости гемолиза от амплитуды импульса напряжения U в растворе между электродами. Как подтверждают полученные кривые, эффект воздействия электрического поля на мембраны клеток является пороговым. При достижении определенного (пробойного) значения напряженности поля на мембране, происходит пробой мембраны (электропорация) в местах ее дефектов и, как следствие, гемолиз эритроцитов. Трансмембранная разность потенциалов для клетки радиуса r равна Um=1,5Epr, Ep – напряженность электрического поля в растворе. Полученные данные из экспериментов хорошо согласуются с известными значениями пробойного трансмембранного потенциала (300-500 мВ).

Все эксперименты по облучению суспензии эритроцитов с последующей калиброванной электропорацией проводились при энергии импульса 180 Дж, о объем наливаемой суспензии равнялся 2,4 мл, температура суспензии 20 С. При этих параметрах наведенный трансмембранный потенциал превышал пороговое значение и происходила необратимая электропорация мембран эритроцитов.

Рис. 3. Экспериментальная зависимость константы скорости гемолиза от амплитуды импульса напряжения в растворе между электродами Результаты экспериментов по воздействию -излучения в широком диапазоне доз и импульсного электрического поля на мембраны эритроцитов Приготовленные образцы суспензии эритроцитов человека подвергались воздействию -излучения в широком диапазоне доз от 2 до 1000 Гр. Мощности облучения равнялась 2,75 Гр/мин. Дозу облучения устанавливали путем варьирования времени облучения (от нескольких минут до нескольких часов).

Суспензию выдерживали некоторое время (от нескольких часов до суток) для того, чтобы проследить эволюцию повреждений во времени. Образцы, получившие различные дозы, подвергали воздействию импульсного электрического поля для выявления скрытых повреждений мембран.

На рис. 4 (а,б) представлены примеры нормированных кинетических кривых гемолиза после электропорации образцов, облученных в дозах от 2 до 500 Гр (2, 20, 100, 180, 260, 340, 420, 500 Гр): а) электропорация через несколько часов после облучения; б) электропорация через сутки после облучения. При этом облученные образцы для этого диапазона доз сохраняли исходное значение оптической плотности (исходная суспензия имела оптическую плотность 1,0 при толщине слоя 5 мм), то есть гемолиза эритроцитов не происходило после воздействия излучения. Облученные образцы имели немного повышенное значение начальной (до электропорации) оптической плотности на 5-15 % в отличие от контрольной (необлученной) суспензии.

а) б) Рис. 4. Нормированные кинетические кривые гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии на суспензию -излучения (в диапазоне доз от 2 до 500 Гр) и импульсного электрического поля (электропорация).

а - электропорация через несколько часов после облучения;

б - электропорация через сутки после облучения На рис. 5 в качестве примера приведены кинетические кривые для трех различных случаев: 1) облученной суспензии (420 Гр) без электропорации – значение оптической плотности суспензии в течение суток после облучения не изменялось, константа скорости гемолиза ; 2) не облученной суспензии, после электропорации, эл; 3) облученной суспензии (420 Гр), после электропорации, +эл. Наблюдается неаддитивность скоростей гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии:

+эл > + эл Этот факт и лежит в основе возможности экспериментально детектирования скрытых повреждений мембран после воздействия ионизирующего излучения.

Рис. 5. Регистрация скрытых повреждений мембран эритроцитов после воздействия на суспензию ионизирующего излучения с помощью дополнительного воздействия импульсного электрического поля:

1 – облученная (420 Гр) суспензия без электропорации 2 – без облучения, после электропорации 3 – после облучения (420 Гр) и электропорации (комбинированное воздействие) Для анализа полученных результатов были построены кривые зависимости относительных (относительно контроля) констант скорости гемолиза облученных образцов в зависимости от полученной ими дозы -излучения (рис. 6 а,б). Отметим, что вследствие зависимости развития повреждений биологических систем с течением времени после облучения, скорость гемолиза облученных образцов после электропорации тоже изменялась и зависела от того через какое время после облучения воздействовали импульсным электрическим полем.

а) б) Рис. 6. Кривые зависимости относительных констант скорости гемолиза (+ИЭП/ ИЭП) при комбинированном воздействии на суспензию -излучения и импульсного электрического поля (ИЭП) от полученной ими дозы излучения (в диапазоне доз от 2 до 500 Гр).

а - электропорация через несколько часов после облучения;

б - электропорация через сутки после облучения Образцы, получившие дозы 700-1000 Гр сразу же после облучения имели значение оптической плотности существенно ниже исходной, что свидетельствует о частичном гемолизе эритроцитов. В образце получившем дозу 600 Гр наблюдалось снижение оптической плотности только через несколько часов после облучения.

Таким образом, из полученных зависимостей видно, что воздействие излучением на суспензию в дозах вплоть до величины порядка 500-600 Гр не привело к гемолизу эритроцитов. Также видно, что в широком диапазоне доз (до величины ~ 350 Гр), даже после дополнительного воздействия импульсного электрического поля с целью выявления скрытых повреждений мембран после их облучения, не наблюдалось явного увеличения скорости гемолиза эритроцитов по сравнению с необлученной суспензией. Это свидетельствовало о том, что даже такие большие дозы -излучения не приводили к существенным дефектам мембран, которые могли бы заметно снизить порог электропорации. Небольшие изменения скорости гемолиза после электропорации (лежащие практически для всех этих доз в пределах ошибки эксперимента), носящие не монотонный характер колебаний возле контроля в этом диапазоне, указывают на то, что в мембранах происходят сложные биологические процессы после облучения, носящие отчасти флуктуационный характер.

И только образцы получившие дозы порядка 350-550 Гр, проявили заметное увеличение константы скорости гемолиза после электропорации (в 1,5-3 раза) относительно контроля и увеличение ее с ростом поглощенной дозы. Это свидетельствовало о наличии значительных скрытых дефектов мембран, которые проявились при электропорации, и степень которых пропорциональна величине поглощенной дозы -излучения. При этом гемолиз эритроцитов после облучения не происходил, и облученные образцы в течение длительного времени поддерживали значение оптической плотности близкое к исходному. На рис. 7 представлено изменение оптической плотности облученных образцов и контроля в течение длительного времени после приготовления суспензии без воздействия импульсного электрического поля. Из этих зависимостей видно, что образцы, получившие дозы до ~ 350 Гр вели себя в течение нескольких суток практически как контроль.

Образцы, получившие дозы порядка 350-500 Гр в течение многих часов после облучения также трудно было отличить от контроля и тем более дифференцировать по величине поглощенной дозы. И только начиная с доз ~ Гр происходили явные повреждения мембран эритроцитов, приводящие через несколько часов после облучения или сразу к гемолизу без электропорации. На рис. 8 представлена зависимость относительной константы скорости гемолиза (без электропорации) от величины поглощенной дозы (и указаны диапазоны доз для выше описанных эффектов).

Рис. 7. Зависимость оптической плотности суспензии от времени после воздействия -излучения (в диапазоне доз от 2 до 1000 Гр) и в контрольной суспензии без облучения Рис. 8. Зависимость относительной константы скорости гемолиза (без электропорации) от величины поглощенной дозы, за единицу принята константа скорости гемолиза контрольной (необлученной) суспензии Результаты экспериментов по воздействию пучка ускоренных ионов бора на мембраны эритроцитов Специально для проведения данных экспериментов была рассчитана кривая Брэгга ионизационных потерь ионов бора (с энергией 32 МэВ/нуклон) в суспензии.

Пик Брэгга находился на глубине 4,4 мм. Поэтому для облучения было необходимо использовать кюветы малой глубины (3 мм). Диаметр кювет равнялся диаметру коллиматора (14 мм). Кюветы заклеивались сверху тонкой пленкой (для проходящих ионов она была почти прозрачна) и через специальное отверстие сбоку кюветы туда заливалась суспензия крови. После этого кюветы размещались в специальном барабане (по 10 штук) и их подвергали воздействию пучка ускоренных ионов бора B (ядра бора с зарядом Z=5). При этом линейные потери энергии частицы вдоль облучаемого образца составляли от 50 до 90 кэВ/мкм.

Облучение образцов происходило в широком диапазоне поглощенных доз от 50 до 750 Гр. Мощности облучения варьировались от 1,4 до 10,7 Гр/с. Поглощенные дозы в исследуемых образцах суспензии составляли значения 50, 200, 400, 550, Гр. Непосредственно сразу после облучения гемолиза эритроцитов не происходило (для всех значений доз). Электропорация проводилась через несколько часов после облучения. На рис. 9 представлены примеры кинетических кривых гемолиза эритроцитов после электропорации.

Рис. 9. Кинетические кривые гемолиза эритроцитов при комбинированном воздействии на суспензию пучка ускоренных ионов бора (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) и импульсного электрического поля (электропорация) Для анализа полученных результатов была построена кривая зависимости относительных констант скорости гемолиза в зависимости от дозы (рис. 10).

Рис. 10. Кривая зависимости относительных констант скорости гемолиза (бор+ИЭП/ ИЭП) при комбинированном воздействии на суспензию пучка ускоренных ионов бора и импульсного электрического поля (ИЭП) от полученной ими дозы облучения (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) Из полученных зависимостей следует видно, что облучение суспензии пучком ионов бора привело к увеличению скорости гемолиза эритроцитов после электропорации в 2-3 раза по сравнению с необлученной суспензией (контролем).

Это свидетельствовало о том, что облучение в указанном диапазоне доз приводит к существенным дефектам мембран, которые проявляются при электропорации.

Небольшие различия значений скоростей гемолиза в зависимости от полученной дозы носят немонотонный характер и почти лежат в пределах ошибки эксперимента. Это, как и в случае -облучения, указывает на то, что в мембранах после облучения происходили сложные процессы на биологическом уровне и носящие отчасти флуктуационный характер.

На рис. 11 представлено изменение оптической плотности облученных образцов и контроля в течение длительного времени после приготовления суспензии без воздействия импульсного электрического поля. Из этих зависимостей видно, что облученные образцы ведут себя практически как контроль в течении суток (а для большинства доз даже более). И только через несколько суток можно явно сказать о наличии повреждений мембран и дифференцировать повреждения по величине дозы. При этом скорость гемолиза (а следовательно и повреждения мембран) растет с ростом величины поглощенной дозы (рис. 12).

Рис. 11. Зависимость оптической плотности суспензии от времени после облучения пучком ускоренных ионов бора (в диапазоне доз от 50 до 750 Гр) и в контрольной суспензии без облучения Рис. 12. Зависимость относительной константы скорости гемолиза (без электропорации) от величины поглощенной дозы Обсуждение результатов экспериментов В работе обсуждаются основные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом биомембран и приводятся теоретические оценки числа ионизаций, приходящихся на мембрану эритроцита при действии -излучения и пучков ионов бора для условий поставленного эксперимента. Предложена математическая модель, которая удовлетворительно описывает процессы взаимодействия гамма-излучения с мембраной эритроцита, учитывающая развитие перекисного окисления липидов мембраны во времени.

Сечение полного поглощения -квантов атомами вещества складывается из сечений фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования электроннопозитронных пар и фотоядерных реакций. Cечение фотоэффекта при малых энергиях –квантов h<

7/13, = 1, 251,0910-16 Z, h Z – заряд атомов среды, h – в эВ, сечение в см2 ;

а при больших энергиях:

Z = 1,25 1,34 10-33, h h – в МэВ.

Полное сечение комптоновского рассеяния описывается выражением:

1+ 2(1+ ) 1 1+ = 2 re2 - ln 1+ 2 + ln 1+ ( ) 1 ( ), 1+ 2 2 (1+ 2 ) где = h / mec2, re = e2 / mec2 - классический радиус электрона.

В проведенных экспериментах энергии квантов равнялись 1,17 и 1,33 МэВ. Для этих энергий ф ~ 10-5 б (для атомов кислорода), а к ~ 0,1 б. Для атомов железа сечение фотоэффекта становится сравнимо с величиной сечения комптоновского рассеяния. Но концентрация атомов железа в молекуле гемоглобина составляет величину порядка 10-4 по сравнению с более легкими атомами. Поэтому основную роль при взаимодействии –квантов с суспензией играет комптоновское рассеяние.

Процесс образования электронно-позитронных пар для таких энергий также несущественен по сравнению комптоновским рассеянием.

Электроны отдачи, высвобождаемые в результате комптоновского взаимодействия –квантов с энергией около 1 МэВ, теряют около 0,2 кэВ на 1 мкм пути в суспензии и образуют ~10 пар ионов/мкм. На толщину мембраны эритроцита будет приходиться 0,1 первичных ионизаций. Средняя же ЛПЭ ионов бора в облучаемом образце для поставленных условий эксперимента составляет величину ~ 70 кэВ/мкм, что соответствует величине около 1000 первичных ионизаций на 1 мкм пути вдоль трека частицы. На толщине мембраны будет около 10 первичных ионизаций. При такой высокой плотности ионизации в мембране по сравнению -излучением, прямое действие ионов бора оказывается более эффективным, что особенно проявляется при регистрации скрытых повреждений с помощью электропорации и находится в согласии с проведенными экспериментами.

На основе композиционного закона Брэгга для удельных тормозных способностей:

1 dE 1 dE 1 dE - = 2- +16- H O H2O dx dx dx и формулы Бете-Блоха:

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»