Исследования биологического действия ионизирующих излучений

с разными физическими характеристиками

Участвующие страны и международные организации:

Армения, Беларусь, Болгария, Вьетнам, Египет, Италия, Куба, Монголия, Россия, Румыния, Сербия, Словакия, Узбекистан, ЮАР.

Изучаемая проблема и основная цель исследований:

Теоретические и экспериментальные исследования биологического действия тяжелых заряженных частиц различных энергий на базовых установках ОИЯИ.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Целью проекта является исследование закономерностей и механизмов молекулярных, генетических и организменных эффектов действия ионизирующих излучений с различными физическими характеристиками. Использование в радиобиологических экспериментах ионизирующих излучений широкого диапазона линейных передач энергии позволяет получать уникальную информацию о характере нарушений структуры ДНК клеток при облучении, механизмах формирования генных и структурных мутаций в клетках с различным уровнем организации генома, закономерностях действия корпускулярных излучений на опухолевые образования при лучевой терапии.

В рамках Проекта будут решаться фундаментальные и прикладные вопросы современной радиационной биологии: формирование и репарации кластерных повреждений ДНК в нормальных и опухолевых клетках при действии ускоренных заряженных частиц; исследование радиосенсибилизирующего действия модификатора репарации ДНК арабинозидцитозина (АраЦ) в комбинации с различными молекулярно-биологическими комплексами при облучении опухолевых клеток и  тканей; изучение закономерностей индукции генных и структурных мутаций у нормальных и опухолевых клеток при действии заряженных частиц; исследование первичных и отдаленных морфологических и функциональных изменений в центральной нервной системе млекопитающих при действии излучений с различными физическими характеристиками.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Изучить закономерности формирования кластерных ДР ДНК при действии ускоренных заряженных частиц различных энергий в ядрах фибробластов кожи человека, опухолевых клетках и нейронах различных отделов центральной нервной системы облученных животных.

2. Исследовать кинетику репарации кластерных ДР ДНК в пострадиационный период в ядрах фибробластов кожи человека и радиорезистентных опухолевых клетках.

3. Исследовать закономерности и механизмы радиосенсибилизирующего действия АраЦ в комбинации с различными молекулярно-биологическими комплексами на нормальные и опухолевые клетки при действии излучений с различной ЛПЭ.

4. Исследовать количественные закономерности выживаемости нормальных и опухолевых клеток при облучении в условиях комбинации модификаторов репарации ДНК.

5. Изучить закономерности индукции точечных и структурных мутаций у клеток дрожжей Saccharomyces cerevisiae излучениями с разной ЛПЭ.

6. Изучить влияние гетерогенности клеточной популяции у гаплоидных дрожжей на радиационно-индуцированный мутагенез. Оценить мутагенез в различных фазах клеточного цикла.

7. Изучить влияние нарушения дыхания в результате повреждения митохондриальной ДНК на чувствительность к мутагенному действию излучения.

8. Исследовать механизм радиорезистентности и его влияние на радиационно-индуцированный мутагенез у дрожжевых мутантов.

9. Выполнить исследование радиационно-индуцированного мутагенеза и сопоставить выход хромосомных аберраций в клетках китайского хомячка при максимальном и минимальном уровне мутагенеза в зависимости от времени экспрессии и ЛПЭ ускоренных ионов.

10. Провести анализ структурных нарушений в hprt-гене и их проекции на нарушения хромосомного аппарата клеток.

11. Выполнить исследование биологической эффективности протонных пучков методом mFISH.

12. Методом mFISH изучить биологическую эффективность низкоэнергетического рентгеновского излучения при облучении in vitro лимфоцитов крови человека.

13. Оценить вклад комплексных хромосомных аберраций в биологическую эффективность плотноионизирующих изучений при облучении нормальных и опухолевых клеток человека in vitro.

14. Выполнить исследование первичных и отдаленных морфологических и функциональных изменений в центральной нервной системе крыс при действии излучений с различными физическими характеристиками.

15. Провести исследования средств фармакологической защиты при воздействии ионизирующих излучений.

16. Провести исследование влияния излучений с различной ЛПЭ на патогенез в органах и тканях организма мелких лабораторных животных.

17. Исследовать активацию микроглиальных клеток в культуре клеток и маркеров воспаления в мозге мышей при действии ионизирующих излучений разного качества.

18. Исследовать возможность модуляции активации микроглиальных клеток в облученной культуре и нейровоспаления в мозге облученных мышей с использованием ингибиторов к рецепторам сигнальных путей, вовлеченных в эти процессы.

19. Исследовать in vivo закономерности радиосенсибилизирующего влияния арабинозидцитозина в комбинации с другими молекулярно-биологическими комплексами на рост опухоли меланомы у мышей при комбинированном действии этих соединений и протонного излучения.

20. Изучить влияние комбинированного действия АраЦ и других молекулярно-биологических комплексов на выживаемость различных линий нормальных и опухолевых клеток по критерию клонообразования при облучении рентгеновскими лучами и протонами.

21. Исследовать кинетику формирования и элиминации повреждений ДНК в культуре клеток глиобластомы и других радиорезистентных линий при облучении протонами и рентгеновскими лучами в присутствии АраЦ и других молекулярно-биологических комплексов.

22. Изучить закономерности формирования двунитевых разрывов ДНК в различных отделах центральной нервной системы при облучении in vivo протонами и рентгеновскими лучами в условиях влияния комбинации радиомодификаторов.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Продолжить анализ закономерностей формирования и репарации кластерных двунитевых разрывов ДНК при действии ускоренных заряженных частиц и фотонного излучения в ядрах фибробластов человека, опухолевых клетках (U87, В16) и нейронах различных отделов центральной нервной системы животных.

2. Продолжить анализ закономерностей формирования и структуры сложноорганизованных кластерных повреждений ДНК методом иммуноцитохимического окрашивания белков репарации γН2АХ, 53ВР1, OGG1, XRCC1 в ядрах фибробластов человека и в опухолевых клетках (U87, В16) при действии ускоренных заряженных частиц и фотонного излучения.

3. Продолжить изучение закономерностей индукции апоптоза в фибробластах кожи человека, в опухолевых клетках (U87, В16) и в нейронах ЦНС млекопитающих при действии ускоренных заряженных частиц и фотонного излучения.

4. Исследовать закономерности и механизмы радиосенсибилизирующего действия арабинозидцитозина в комбинации с различными молекулярно-биологическими комплексами на выживаемость и формирование и элиминацию повреждений ДНК в нормальных и опухолевых клетках in vivo и in vitro при действии ускоренных заряженных частиц и фотонного излучения.

5. Продолжить изучение закономерностей индукции структурных перестроек в клетках дрожжей при действии излучений с разной ЛПЭ.

6. Исследовать влияние гетерогенности популяции дрожжевых клеток на чувствительность к летальному и мутагенному действию ионизирующего излучения.

7. Исследовать влияние различных путей репарации на радиационно-индуцированный мутагенез у низших эукариот.

8. Продолжить исследование влияния повреждений митохондриальной ДНК на радиочувствительность и мутагенез у одноклеточных эукариот.

9. Продолжить анализ хромосомных нарушений, выявленных у радиационно-индуцированных мутантов в отдаленные сроки после облучения культуры клеток млекопитающих.

10. Сопоставить выход структурных нарушений и уровень HPRT-мутагенеза в клетках китайского хомячка (линия
    V-79) при действии ионизирующих излучений с различными физическими характеристиками.

11. Продолжить анализ метафазным и mFISH методом хромосомных аберраций, индуцированных в лимфоцитах периферической крови обезьян (Macaca mulatta) при действии ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками.

12. Продолжить исследование индукции комплексных аберраций в нормальных и опухолевых клетках человека при действии ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками методом mFISH.

13. Продолжить исследование нарушений долговременной памяти и обучаемости крыс в тесте Морриса при тотальном облучении животных протонами.

14. Исследовать процессы демиелинизации и морфологические изменения в ЦНС крыс при тотальном облучении протонами.

15. Разработать методику оценки радиационно-индуцированной клеточной гибели в криптах кишечника и проведения пилотных экспериментов с использованием рентгеновского излучения в комбинации с АраЦ.

16. Провести электроэнцефалографию и оценить поведенческие реакции и морфологические изменения у крыс после локального рентгеновского облучения их головного мозга на установке SARRP.

17. Провести эксперименты по компьютерной томографии и конформному облучению перевитых опухолей у лабораторных животных рентгеновскими лучами на установке SARRP.

18. Разработать методику определения АраЦ и других радиомодификаторов в плазме крови, тканях и опухолях лабораторных животных с использованием жидкостной хроматографии с целью изучения фармакокинетики и метаболизма этих соединений.

Краткая аннотация и научное обоснование:

Наличие в ОИЯИ широкого спектра источников ионизирующих излучений, в особенности пучков тяжелых ионов различных энергий, предоставляет уникальную возможность для решения целого ряда фундаментальных проблем радиобиологии и астробиологии, а также практических задач, связанных с исследованиями космоса и развитием радиационной медицины.

В связи с высокой сложностью и стоимостью проведения биологических экспериментов на ускорительных комплексах первостепенное значение имеет совершенствование методик эксперимента, обеспечение дозиметрии и радиационной безопасности, а также проведение соответствующего компьютерного моделирования. Наиболее актуальными проблемами здесь являются необходимость экспериментального воспроизведения энергетического и спектрального состава космических и иных видов ионизирующих излучений, поиск способов неразрушающего анализа уникальных образцов и автоматизированной обработки данных биологических экспериментов, а также высокая сложность и ресурсоемкость компьютерного моделирования процессов в живых системах.

Настоящий проект направлен на решение комплекса вышеперечисленных проблем, возникающих в радиобиологических и астробиологических исследованиях. В ходе его реализации предполагается провести разработку новых установок для облучения и систем дозиметрии, внедрить методы неразрушающего анализа уникальных образцов, разработать и протестировать системы для автоматизированной компьютерной обработки биологических данных, сформулировать новые математические модели и вычислительные подходы для радиобиологии, биоинформатики и радиационной медицины, выявить механизмы и пути каталитического синтеза пребиотических соединений при действии радиации.

Ожидаемые результаты по завершении проекта:

1. Обеспечение дозиметрии и организация облучения биологических образцов на ускорителях ОИЯИ.

2. Модернизация и введение в эксплуатацию установки «Геном-3».

3. Развитие мультимодальной системы томографии мелких лабораторных животных.

4. Оборудование помещения для радиобиологических экспериментов с использованием радионуклидов.

5. Создание прототипа симулятора космического излучения.

6. Разработка и тестирование приборов дозиметрии и спектрометрии нейтронов.

7. Развитие информационной системы работы с экспериментальными данными в виде двумерных изображений, данных компьютерной томографии и видеозаписей.

8. Разработка протоколов разметки двумерных изображений и видеоматериалов, формирование размеченной базы данных.

9. Тестирование реализованных алгоритмов анализа, разработка и регистрация программного обеспечения, предназначенного для автоматизированной обработки данных.

10. Разработка математической модели формирования различных типов повреждений ДНК и их репарации, модели формирования мутаций и хромосомных аберраций.

11. Моделирование нарушений структуры и функций мутантных и оксидированных форм белков методом молекулярной динамики.

12. Разработка математической модели радиационно-индуцированной гибели опухолевых клеток и прогнозирования роста опухолей в ходе применения перспективных методов лучевой терапии.

13. Теоретическая оценка радиационно-индуцированных нарушений работы ЦНС на основе математических моделей нейронных сетей с учетом повреждения синаптических рецепторов, оксидативного стресса, нарушения нейрогенеза и глиогенеза.

14. Выявление возможных путей и условий формирования пребиотических соединений при облучении космического вещества или земных горных пород в сочетании с простейшими органическими молекулами.

15. Проведение структурного и элементного анализа микрофоссилий и органических соединений в различных метеоритах ядерно-физическими методами.

Ожидаемые результаты по проекту в текущем году:

1. Провести математическое моделирование формирования и кинетики репарации повреждений ДНК в фазах клеточного цикла, при действии тяжелых заряженных частиц различных энергий на нормальные и опухолевые клетки млекопитающих.

2. Продолжить математическое моделирование динамики популяции опухолевых клеток при действии ионизирующих излучений в присутствии ингибиторов синтеза ДНК.

3. Продолжить математическое моделирование нарушений структуры и функций белков синаптических рецепторов методом молекулярной динамики и, как следствие, поведения нейронной сети ЦНС.

4. Продолжить математическое моделирование радиационно-индуцированных нарушений нейрогенеза и глиогенеза, нейровоспалительных процессов в структурах центральной нервной системы.

5. Продолжить математическое моделирование индукции хромосомных аберраций в клетках млекопитающих и человека при действии ионизирующих излучений с различными характеристиками.

6. Применить алгоритмы компьютерного зрения для обработки биологических данных, в гистологии и поведенческих экспериментах.

7. Обеспечить проведение радиобиологических экспериментов на рентгеновских установках Лаборатории (SARRP, CellRad).

8. Принять участие в проектировании и создании станции Genom-3 на прикладных пучках циклотрона U400M.

9. Принять участие в модельном расчете радиационных полей комплекса NICA для обеспечения радиационной защиты персонала.

10. Совместно с ОРБ принять участие в работах по прогнозированию радиационной обстановки и исследованию радиационных полей ускорительного комплекса NICA с использованием метода сфер Боннера в процессе пуско-наладочных работ.

11. Принять участие в проектировании и создании станции SIMBO на прикладных пучках ARIADNA комплекса NICA.

12. Разработать прототип нового нейтронного дозиметра широкого диапазона энергий.

13. Пополнить коллекцию образцов земных горных пород и метеоритов.

14. Сопоставить минеральные составы земных горных пород и углистых хондритов с помощью СЭМ.

15. Провести элементный анализ земных биологических образцов и фоссилий различных геологических периодов.

16. Классифицировать и систематизировать образцы микрофоссилий в углистых хондритах.

17. Описать возможные механизмы контаминации метеоритов земным материалом.

18. Проанализировать результаты экспериментов по синтезу пребиотических соединений из формамида.

Сотрудничество по теме: