Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Дифрактометрический анализ популяции эритроцитов белых крыс при лучевом поражении

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Дифрактометрический анализ популяции эритроцитов белых крыс при лучевом поражении"

ЕРЕВ^СКИЙ' >ЩЯ/ДШЯВЕНШй УНИВЕРСИТЕТ

правах рукописи

• .'//К" -Г"

1^'С • МКСЯН ФИАЛЕТА АГВАНОВНА

ДОЙМТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОПУЛЯЦИИ ■ ЭРИТРОЦИТОВ БЕЛЫХ КРЫС ПРИ ЛУЧЕВОМ 'ПОРА1КЕНИИ

03.00.02 - биофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканиа ученой степени кандидата биологических наук

ЕРЕВАН-1994

Работа выполнена в лаборатории биофизики Научно-исследовательского иистигута радиационной и народной медицины Мшшстерства Здравоохранения Рпспуб.шки Армения <г. Ереван). (Выражаю глубокую благодарность профессору Рему Григорьевичу Хлебопросу за руководство работой).

Научные руководителе доктор медицинских паук,

профессор |РШвртТу~ргоно¥№Г"^1фТшТ] кандидат физико-математических наук Грачья Паргевович Саркисян

Официзльныэ оппоненты: доктор физико-математических каук,

профессор Юрик Степанович Бабаян кандидат биологически паук, старший научный сотрудник Цовак Минасович Авакян

Ведущая организация - Научно-исследовательский центр Ереванского госмединсттуга имени Мхитара Гсраод.

Защита диссертации состоится ■ "ЛкЬвЫ'Г 19Э4Г. в Хэсчасов на заседании специализированного совета К055.01.08 по присуждению ученой степе ни _ кандидата биологических наук при Ереванском Государственной Университете (375048, Ереван, ул. 'Алека Макукнна.I).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕГУ.

Автореферат разослан

1994г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук,

старпий научный сотрудник, м-г,Ананш

- 3 -

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы ранней диагностики лучевого порэже-ния, определения степени его тяжести (установление поглаценной организмом дозы ионизирующей радиации), разработка недорогостоящих и нетрудоемких методов для решения этих задач, а также прогнозирования исхода лучевой болезни, являются самыми насущными проблемами современной медицинской и радиобиологической науки. Существование таких методов приобретает первостепенную значимость дан ранней диагностики и группировки пострадавших по степени пораженности при ЧП в атомной индустрии и в военное время.

Существующие методы биоиндикаши лучевого поражения (цито-генетические, гематоморфологическш, биофизическ'/о, биохимические, иммунологические) трудоемки, дорогостонаше, требуют специальной подготовки и, следовательно, они не пригодны для группировки пострадавших по степени тяжести поражения в военное время, а также при ЧП в атомной индустрии.

При решении этих конкретных задач, во-первых, очень важным-является правильный выбор объекта, чувствительного к лучевому воздействию в ранние сроки пострадиационного периода, во-вторых, выбор метода чувствительного к объекту.

Наряду с другими методами диагностики лучевого поражения,-' делались также попытки разработки способов, основанных на изучении специфических изменений морфо-функщппальных показателей периферической крови. В частности, был предложен дифрактомо-тричоский метод оценки измонопий среднего досмотра популяции зритрощггов п пострадиационном периоде. Однако, метод но находил широкого применения, по-видимому, из-за низкой чувствительности, а также низкого технического уровня реализации.

Обзорные работы последних лет по теме разработки методов равной биошщикащга лучевого поражония организмов свидетельствуют, что к настоящему времени не существуют достаточно адекватные, отвечающие современным требованиям решения 'этой задачи. Вместе с тем, недостаточно разработаны также методы оценки эффективности средств и схем спецификации терапии лучевой болезни.

Таким образом, тема разработки методов ранней биоиндикации лучевого поражения и прогнозирования исхода острого душевого

I

синдрома является восъма актуальной.

Целью настоящей диссертационной работы является исследования' лоиросл прпмоГшмости дафрактомспрййТия экспресс-анализа ПОПУЛЯЦИИ ДрШ'рОЦПТОВ ^ЭМУЛИРУЮЩИХ ft крови (lia приморо белых крыс) и обнаружения изменений величины главной мода их распределит« по размерам (а дальнейшем - модального размера) при лучевом поражении. Ставится задача оценки возможности применения дифрзетояритромотрии для разработки штода ранной биоинда-кпции .лучевого поражения, а ташке определений степени ого тя-кести и пропюзирования исхода острого лучевого синдрома.

В соответствии с поставленной целыо в работе сформулированы следуйте основные задачи:

1. Творвттпоская оцонкаТзозмомнозти обнаружения и измерения измеяекиа модального размера эритроцитов периферической крови (МРЭ1Ж ) крыс при лучевом поражении методом дкфрактоэригро-мзтрии.

?.. Разработка математических моделей дифракции лазерного излу- • чения на сухих мазках периферической крови при различных характеристиках распределения эрэтроцитов по размерам..

3. Сконструировзниз автоматизированного лазерного дифракто-метра микрообьектов (JUiM) ДДя EKCiipecc-анализа сухих мазков периферической крови.

4. Экспериментальное исследование на установке- оценка изменений МРЭЯК крыс, как отклик на лучевое воздействие в ранние сроки пострадиационного периода, при облучении дозами 50 Р, -100 Р, 150 Р, 200 Р. 300 Р, 600 Р, 1000 Р.

Научная новизна. Показано, что в двумерном приближении, модельное описание фраунгоферовой дифракции лазерного излучения на сухих мазках эритроцитов, основанное на математическом аппарате Кирхгофа-Гельмгоца, позволяет адекватно оценить МРЭПК по экспериментально полученным дифракгограммак.

Установлено, что МРЭПК крыс претерпевает изменения по сравнению с нормой, ужа в первые часы сутки после лучевого поражения. Показано, что при рассмотренных уровнях дозы облучения, достоверные изменения МРЭ1К крыс наблюдаются через трое суток после лучевого поражения.

С помощью разработанного метода получено экспериментальное подтверждение предположения об индивидуальном характере степени порзженности организмов при определенном уровне радаации в

окружающей среде.

Впервые экспериментально установлен критерий разделения жи > . вотиых с противоположным исходом (выживание или гибель) острого лучевого синдрома по характеру изменения МРЭПК в ранном пострадиационном периоде при уровнях дозы облучения ld 50/30 (доза при которой половина облучошшх жипотиых б точонио первых 30 суток погибают) и вышо. Получоно, ЧТО Ч0[Х)3 троп (¡.уток' . после лучевого поражения этими дозами .у погибающих животных МРЭПК достоверно уменьшается, а у выживающих - достоверно увеличивается.

Получоно, что радиационное поражонио при дозо облучения 300 Р, вызывает достоверное, с тондонциой нарастания, уноличо-НИО МРЭПК КрЫС УЖО ИЗ Ш'ОрЫО СУТКИ ШСТрЛДИЧЦИГЛШОП) ППрИОДЯ.

Установлено, что при срашитшыю малых дозах облучения (150 Р, ТОО Р, 50 Р) характерно достоверное уменьмонга МРЭПК крыс через двое суток после поражения. Обнаружено, что на с третьи сутки после лучевого поражения при уровнях дозы облу- ' .' чения 50 Р, 100 Р, 150 Р МРЭПК крыс проявляет выраженную тенденцию к восстановлении и на тридцатые сутки-приближается . к норме, ■ ' '

Установлено, что при дозе облучения 200 Р изменонш МРЭПК пораженных крыс проявляет ряд эффектов, наблюдающихся при других уровнях доз. За первые сутки наблюдается выраженная тен- ^ денция к уменьшению МРЭПК, сравнимая и с малыми дозами и с абсолютно смертельной дозой. В течение вторых суток имеет место сравнимая с дозой 300 Р выраженная тенденция к увеличению МРЭПК. Через 3-е суток после поражения в этой дозе регистрируется достоверное увеличение МРЭПК крыс по сравнению с нор- '' л мой.

Научная и практическая ценность. Полученные результаты но- • ' ¡ гут служить основой для создания нового метода биодозихетрии, j

позволяющего

быстро, без больших материальных затрат осуществить индивидуальный подход к вопросу ранней биоиндинаши факта облученности организма, прогнозирования исхода острого лучевого синдрома, . что вообще говоря, более приемлем к эффектам лучёвого пораже- ¡

ния сомы проявляющим стохастический характер. I .

Метод может быть пригоден для создания банка данных об из- '

менениях МРЭПК определенного контингента, находящегося под

i

постоянным воздействием некоторого малого уровня радиации в окружающей сродо, а такта ретроспективного анализа существующих соответствующих мазков с цолью оцошси стопони риска гоне-ТИЧОСКИХ оффжгов.

Нродлояшный дифрактомотричоский метод экспресс-анализа сухих мазков микрообьоктов весьма удобен, например, при исследовании зависимости размор-позраст, или размор-рост, дан различных клеточных подуляцкй, особенно, когда правильнее всего прш'отовить мазки без транспортировки обьокта.

Б сочетании с другими методами (например, раздолошо крови на фракции путем мшероцентрифугирования), дифрактоэритрометрия моют быть пригодной для исследования различных свойств клеточных момбран.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доклода-ваЖГь~нзГ монщународаои симпозиуме "Применонда лазоров в медицине и биологии" (Самарканд, 1888); на 5-ом Всесоюзном симпозиуме "Актуальные вопросы патогенеза, диагностики и лечения кокб1Я1крованпык радиационных порашний (Ереван,сентябрь 1988); на годовых научных сессиях IШ радиационной и народной медицины N3 РА (Ереван, 1088-1933): па очередной сессии проблемной комиссия АМН СССР по рэдаобкологии (Обнинск, 1989): на объединенных семинарах Института биофизики СО РАН (Красноярск, 1984, МУЗ); на семинарах лаборатории математического моделирования Института леса и древесины СО РАН (Красноярск, 1984,.1086). Кроме того, часть результатов была представлена (и опубликована в сборнике тезисов) на*первом научно-практическом съезде медиков Армении (Ереван, 1991), на всероссийской конференции "Здоровье населения России" (Москва, 1993).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах с1-73.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из трех глав, предисловия, заключения и выводов. В конце приведены приложения к диссертации и список основной использованной литературы (180 наименований работ на русском и английском языках). Содержание диссертации изложено на 125 страницах, имеют- -ся 10 рисунков и 12 таблиц).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии обоснована актуальность темы диссертационной работы, указана ее цель и определено место настоящего исследования в ряду других. Здесь же сформулированы основные положения, результаты и выводы, выносимые к а защиту.

Первая глава состоит из пяти разделов и посвящена обзору -литературы, оценке уровня разработанности данной области исследований, выделению основного круга нерешенных вопросов, к числу которых относятся рассмотренные в диссерта;дои задачи.

Во второй главе, состоящей из пяти разделов, разработаны теоретические аспекты дифрактоэритрометрии - {юшенио задачи эритроцитомотрии путем дифрактометричоского анализа с.ухих мазков периферической крови. В иорвом раздало строится модпль дифракции монохроматического излучения лазера на монослоо случайно расположенных в плоскости N одинаковых клеток с круглым (ш достаточно близким к кругу) поперечным сечением. При допустимости пренебрежения толщины клетки по сравнению с ее поперечным размером, получается, что вклад интерференционного взаимодействия вторичных волн от соседних клеток в области первого максимума картины дифракции Фраунгофора незначителен и можно ограничиваться случаем одной метки с «-кратным увеличением интенсивности. Во втором разделе этой главы строится модель дифракции лазерного излучения на множестве • эритроцитов с гауссовским распределением их по размерам. В рамках этой модели получается, что форма картины' дифракции в области первого максимума отличается от случая одина/гл-мх клеток тем больше, чем значительнее отношение где ло-средний диаметр эритроцитов, о- дисперсия по размерам.

Величина среднего диаметра гауссовского распределения оценивается по местоположению первого максимума дафрактограммы (аналоговая кривая распределения интенсивности) с точностью до •малого параметра (сЛ10)2, который в реальных популяциях не всегда много меньше единицы. Глубина первого минимума дифракционной картины меняется обратно пропорционально малому параметру (<*А10)2.

Третий раздел второй главы посвящен построению модели фра-унгоферовой дифракции излучения лазера на эритроцитах с асимметричным распределением их по размерам. В основу модели по» I

- а -

ложонз функция распределения в вадз асимптотического разложении функции Гаусса. Такой выбор проследует две основные цеди: во-первых, дать возможное обыюнотю существующим противоречиям ярйдсташюниш о форме зритровдтомотрической кривой в -

которая первоначально считалась сходной с гауссовс1(ой; ьи-г>го}«х, изыскать путл оценки степени чувствительности краов ар.т1р1п;;гтомот1.'ШОской кривой, кате мера отклика организма на влпдейстаия внешней среда. Ксно.льзуотся четырехпарамотрический с.\уч;)'Д, когда любую одаош1«шиую кривую распредолопин можно характеризовать набором из четырех параметров: среднего диаметра, стандартного отклонения, коэффициента асимметрии и коэффициента эксцесса. Вычисление основного интеграла, устанавливающего зависимость суммарной интенсивности в некоторой точке экрана наблюдения от указанных выше параметров проведено в шнло:1;окии П.2. Далее з третьем разделе выписано условие применимости приближения асимметрии Шарлье для четырехпараметри-ческсй функции распределения. В этом приближении имеет место простая связь между средним.размером, стандартным отклонением, коэффициентом асвшютрии и главной-модой распределения - модальным размером: с1тос1= где - главная мода, -коэффициент асимметрии. В рамках этой модели получается, что дифракционная картина весьма чувствительна к асимметрии, а значит в общем случае принятая в литературе галометрическая ■ схема оценки среднего диаметра по местоположению первого максимума "дкфрактограмш неточна. По шетополошнио первого максимума более правильно оценить модальный размер распределения.

Б четвертом разделе второй главы предложон алгоритм выявления асимметрии в распределении эритроцитов по размерам. Алго-р5-гтм основан на решении задачи экстремумов для функции распределения интенсивности в дифракционной картине в рамках по-, строенных в прэдыдадих двух разделах моделях дифракций.

В третьей главе, состоящей из пяти разделов, изложено описание днфрактсметркческого метода анализа сухих мазков крови, з также результат экспериментальных исследований по оценке изменения МРЭПК крыс в ранниз сроки пострадиационного периода. Облучение животных проводили однократно и тотально на аппаратах "Луч-1" и "РУМ-17". В первом разделе этой главы представлен общий объем выполненной экспериментальной работы в широком диапазоне уровней доз облучения, изложены материалы проведен-

пых комиссионных испытаний разработанного способа. Второй раз-дол посвящои списанию блок-схоми сконструированного о

дифр'нсюкетра мгасрообьоктоЪ (ЛДМ) и принципа ort) \vfvnn. Оло-дуот отмотать, что сконструировано ЛДМ било связано С. ПТС.-/Т -станем иючошгюипых аналогов для ро копия иосггашшшиг • римонталышх шпросов. Ii тротюм раздело описан способ улегу/,>-ропки оксиоримситалыш порученных да*р''ш'01рамм и ц&моъш таблицы, необходимые доя оцошш величины МРЭПК по in одло-гонно--му спосибу. В чотвортом раздало главы три наложены ]лг/л1-/гатн зкепоркмонтальных исследовании. Он состоит из днух nopajjia^on. В первом параграфе изложены результаты сорки окспоркмолтоп при уровнях дозы облучения: 300 Р, 600 Р, 1000 Р. Во втором параграфе 'излояюны результаты ощо чотырох сорий окспорккгнтов по сравнительно малым дозам облучения: 50 Р, 100 Р, 150 Р. 200 Р.

Результата каждой серии опытов для оггродплонной дозы облучения приведены в виде таблицы. Изготовления мазков провод/ли через 3 часа, через одни, двое, трое суток после радиационного поражения. В сериях опытов по сравнительно малым дозам, были проведены исследования также и"на традцатые сутки после облучения.

В пятом раздолэ третьей главы, с точки зрения основных пршципов радиационной гематологии, обсуждаются полученные экспериментальные данные. На рис Л продстаплона динамика относительных изменений МРЗПК. крыс (норма 100%) в рассмотренных сраках, послэ облучения дозами от 50 Р до IOOO Р.

Данные по сравнительно малым дозам на тридцатые сутки здесь не приводятся. Для сравнительно малых доз облучения, чорез 30. суток характерно сближение МРЭПК к норме.

Из рис Л явствует, что МРЭПК чувствителен к облучению.уяю через три часа после поражения. Через 24 часа после облучения почти всеми дозами (кроме части животных, пораженных при уровне дозы облучения 600 Р к погибающих з течение тридцати суток) кмзот место достоверное изменение МРЭПК крыс по сравнению с нормой. При облучении полусмертельной дозой (доза ld 50/33) наблюдаются два противоположные изменения. У Еепогибаюдпх животных МРЭПК достоверно увеличивается уже через 3 часа после поражения. У погибающих же животных на третьи сутки после облучения имеет место достоверное уменьшение МРЭПК.

Ка рис.2 представлена дозовзя'зависимость относительных из-

F-лс. 2. Лозовая. зззясимость' разности относительных изменений модаль-

50р 1 Ьор i50p ZOOp 30 Op

6Щ>

—t-.

iÙOOp

меною® МРЭПК крыс мовду разными сроками пострздаадаснного по-риодэ. Кз рисунка видно, что по данным шрпых и вторых суток почти новопмояаю отличить животных, обдучсллыл сроинитлглю малыми и абсолютно смертельными дозами. В этом пострада-лт/он-ном гориодо достаточно точно выделяются ижгатпь:о, облучонныо . при уровнях ДОЗ ОТ 200 ? И 300 Р. По ДШНШМ гюрьых И ТрйТЬИХ суток достаточно точно можно выделить животных, облученных дозами 200 Р, 300 Р и 600 Р,. а также »квотных со смортсльяым исходом острого лучевого синдрома. Наиболее кифор.73тивным яа-ЛЯО'ГСЯ срзвшяио данных вторых И третьих суток. Eco К'ИВОТНЬЮ, имоющиэ достоверную положетольп.ую разницу, аж'/лшт, а животные, имеющие достоверную, отрицательную разницу, погибают.

Анализ полученных экспериментальных данных о динамике отно-ситольных изменений МРЭПК облученных ?срыс показал, что на третьи сутки пострадиационного периода проявляется некоторые,специфические по уровню дозы облучения, закономерности.

На рис.3 представлена дозозая зависимость относительных изменений МРЭПК.через 72 часа после лучевого поражения (норма 100%). Получается, что через трое суток после лучевого пора- . жения имеет место дозовое различие этих изменений. Установленная дозовая зависимость позволяет осуществить достоверную оценку факта поранэнности организма, а также прогнозировать исход острого дучевохо синдрома.

В заключении подытожены собственные исследования.

В выводах сформулированы основные результата работы.

В приложении П.1 проведено описание дифракции Фраунгофора монохроматического излучения лазера нз отдельной клетке в рамках математического аппарата, развитого Кирхгофом. В приложении П. 2 в двумерном приближении решена прямая задача дифракции монохроматического излучения лазера на множестве эритроцитов с распределением их по размерам в виде асимптотического.разложения функции Гаусса, с учетом первых четырех моментов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Покзззно, что в Двумерном приближении, модельное описание фраунгоферовоа дифракции лазерного излучения на сухих мазках эритроцитов,основанное на математическом аппарате Кирхго-фа-Гельмгойца, позволяет адекватно оценить МРЭПК по'зкепери-

ментально полученным дифракгограммам. Установлено, что МРЭПК крыс претерпевает изменения уже в первые часы-сутки после лучевого поранения. Получено, что достоверные изменения МРЭПК наблюдаются чорэз трое суток после лучевого поражения.

2. С помещью разработанного метода получено экспориментальнов подтверждение предположолия об индивидуальном характере степени поражэшости организма при определенном урозне радиации в окружающей среде. Полученные данные могут служить основой для еыявления новых интегральных критериев по выделению группы с минимальной вероятностью выживания, группы с определенной возмоимостью выживания, группы с большой вероятностью выжвания, а также гарантированно выживающой группы.

3. Впервые экспертоенталыго установлен критерий разделения животных с противополо:кшм исходом (выживание или гибель) острого лучевого синдрома по характеру изменений МРЭПК в раннем пострадиационном периоде. Получено, что при уровне дозы облучения и? 50/30 (голусмертелънзя доза) и выше, чорез трое суток после лучевого поражения у погибающих животных МРЭПК достоверно уменьшается, а у зыяизагщих - достоверно увеличивается.

4. Получено,что радиационное поражение при уровне дозы облучения 300Р вызывает достоверное увеличение МРЭПК крыс уже на вторые сутки пострадиационного периода. Установлено, что при сравнительно малых дозах облучения (150 Р, 100 Р, 50 Р), характерно достоверное уменьшение МРЭПК крыс чероз двое суток после, лучевого поражения. Обнаружено, что на тротио сутки после поражения этими дозами', МРЭПК проявляет выраженную тенденции к восстанов-донию и на тридцатые сутки приближается к норме. "

5. Установлено, что при уровне дозы облучения 200 Р, изменение МРЭПК пораженных крыс проявляет большинство аффектов, наблюдаемые при других уровнях дозы облучения на ранних стадиях пострадиационного периода.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Саркисян Г.П., Дубинин D.H., Мкоян O.A., Хяобоярос Р.Г. Теоретические аспекты дифрзктозритрометрии. - Красноярск, 198-4. - 30 С. (Пропрюгг N ЗББ/ИФ СО АН СССР).

2. Мкртчян Р.Г., Мкоян Ф.А., Саркисян Г.П. Математическое моделирование дифракции снотя на клетках красной кропи. // Биофизика, 1988, Т. ХХХ111, ВЫП. 4. - С.КЗ4-fVjß.

3. Мкртчян Р.Г., Мкоян Ф.А,, Саркисян Г.П., Хлебопрос Р.Г. Выявление асимметрии в распределении эритротгитов по размо-рам методом дкфрактоэритрЬмотрии. // Биолог, ж. Армении, 1988, т.41, N 4. - С. 332-33!;").

4. Мкоян Ф.Л., Мкртчян Р.1'., Саркисян Г.П. О радиочувствительности эритроцитов периферической крови. // Жури, зксиор. и клинич. медицины, 1989, т. XXIX, N I. - С. 40-44.

5. Мкоян Ф.А., Саркисян Г.П., Алавердян К.Г., Думикян I'.iiJ., Мкртчян Р.Г. Лазерный дифрактометр для эритроцитов периферической крови. //В сб.: Тезисы докладов I научно-практического съезда медиков Армении, Ереван, 1991. - С. 169. (на армянском языке).

6. Мкоян Ф.А., Саркисян Г.П., Мкртчан Р.Г. Действие малых доз ионизирующего излучения на размерный состав эритроцитов периферической крови. /В сборнике научных трудов: Современные аспекты радиационной медицины, Ереван, 1992. - С.21-28.

7. Мкоян Ф.А., Мкртчян Р.Г., Саркисян Т.П.г Хлебопрос Р.Г. Дифрактометрическм способ ранней биоиндикации лучевых по-, ражент организмов. //Тезисы докладов всероссийской конференции "Здоровье населения России". 21-22 декабря 1993.-Москва: ВШИ, 1993.

Заказ 76

Тирах 50

Цех "Ротапринт" Ереванского госуниверситета. Ереван, ул. Ал.Манукяна й I. ' ■