Определение биологической дозиметрии (по M . L . Mendelsohn , 1991)

Федеральный медицинский Федеральный медицинский биофизический центрбиофизический центр

им. А.И. Бурназянаим. А.И. Бурназяна

В.Ю. Нугис В.Ю. Нугис

Цитогенетические методы оценки Цитогенетические методы оценки неравномерности радиационного неравномерности радиационного

воздействиявоздействия

Определение биологической дозиметрии(по M.L.Mendelsohn, 1991)

Оценка величины дозы предшествующего воздействия путём измерения любыми методами (физическими, химическими,

биологическими, клиническими) произошедших изменений в биологических

объектах или извлечённых из них субстратов

К вопросу о терминахК вопросу о терминахНеобходимость развития методов биологической дозиметрии Необходимость развития методов биологической дозиметрии обусловлена тем, что объективно более точная физическая обусловлена тем, что объективно более точная физическая дозиметрия после случайного воздействия радиации часто дозиметрия после случайного воздействия радиации часто бывает недоступна, т.к., если и есть физический дозиметр (у бывает недоступна, т.к., если и есть физический дозиметр (у профессионалов, у других лиц он отсутствует), то он скорее профессионалов, у других лиц он отсутствует), то он скорее всего не предназначен для учёта высоких воздействий, всего не предназначен для учёта высоких воздействий, расчётный же метод ограничен наличием достоверных расчётный же метод ограничен наличием достоверных сведений о временных и геометрических характеристиках сведений о временных и геометрических характеристиках облучения, обычно воспроизводимых со слов пострадавшего.облучения, обычно воспроизводимых со слов пострадавшего. Биологическая дозиметрия Биологическая дозиметрия это часто применяемый термин это часто применяемый термин, , но но он некорректен с физической точки зренияон некорректен с физической точки зрения. . Действительно, Действительно, доза есть количество энергии, поглощённой единицей массы доза есть количество энергии, поглощённой единицей массы веществавещества. . Однако величина биологического эффекта зависит не Однако величина биологического эффекта зависит не только от дозытолько от дозы. . Другие характеристики облученияДругие характеристики облучения, , напримернапример, , его видего вид, , энергияэнергия, , длительность и фракционированностьдлительность и фракционированность, , влияют на величину пострадиационных изменений влияют на величину пострадиационных изменений биологического материалабиологического материала. . Также и состояние самого этого Также и состояние самого этого биологического материалабиологического материала влияет на пострадиационные влияет на пострадиационные эффектыэффекты. . Поэтому более правильно говорить о биологической индикации Поэтому более правильно говорить о биологической индикации дозыдозы..

Цитогенетическая оценка дозы по средней частоте Цитогенетическая оценка дозы по средней частоте дицентриков в культурах лимфоцитов периферической кровидицентриков в культурах лимфоцитов периферической крови

Оценка средней поглощённой дозы на всё Оценка средней поглощённой дозы на всё тело основана на определении средних тело основана на определении средних частот дицентриков в культурах лимфоци-частот дицентриков в культурах лимфоци-тов периферической крови. В качестве ка-тов периферической крови. В качестве ка-либровочной кривой применяется линейно-либровочной кривой применяется линейно-квадратичная зависимость доза-эффект, квадратичная зависимость доза-эффект, построенная после гамма-облучения (построенная после гамма-облучения (6060Со) Со) крови здоровых доноров крови здоровых доноров in vitroin vitro, так как , так как показано, что радиочувствительность хро-показано, что радиочувствительность хро-мосом лимфоцитов при воздействии радиа-мосом лимфоцитов при воздействии радиа-ции ции in vivo in vivo и и in vitroin vitro примерно одинакова. примерно одинакова. Каждой лаборатории предлагается иметь Каждой лаборатории предлагается иметь свои собственные калибровочные кривые. свои собственные калибровочные кривые. Это связано с существенной межлабора-Это связано с существенной межлабора-торной вариабельностью, наблюдающейся торной вариабельностью, наблюдающейся при анализе радиационно-индуцированных при анализе радиационно-индуцированных хромосомных повреждений в культурах хромосомных повреждений в культурах лимфоцитов периферической крови. При лимфоцитов периферической крови. При этом очень важную роль играют различия в этом очень важную роль играют различия в критериях отбора метафаз для анализа и критериях отбора метафаз для анализа и идентификации аберраций хромосом. идентификации аберраций хромосом. Такая оценка дозы наиболее эффективна в Такая оценка дозы наиболее эффективна в случаях острого относительно равномер-случаях острого относительно равномер-ного радиационного воздействия. ного радиационного воздействия.

Прогноз тяжести костномозгового синдромаПрогноз тяжести костномозгового синдромаПри обследовании пациентов с ОЛБ При обследовании пациентов с ОЛБ

оценка полученной дозы важна для выбора оценка полученной дозы важна для выбора тактики лечения на основе определения тактики лечения на основе определения тяжести заболевания и прогноза течения тяжести заболевания и прогноза течения основных синдромов острого основных синдромов острого радиационного поражения, к которым радиационного поражения, к которым относится и костно-мозговой синдром. относится и костно-мозговой синдром.

Ещё в дочернобыльский период были Ещё в дочернобыльский период были построены дозовые зависимости для построены дозовые зависимости для пострадиационной динамики числа пострадиационной динамики числа нейтрофилов, лимфоцитов и тромбоцитов в нейтрофилов, лимфоцитов и тромбоцитов в крови после терапевтического и крови после терапевтического и аварийного гамма-облучения (этим аварийного гамма-облучения (этим частично обусловлено использование частично обусловлено использование гамма-эффективного эквивалента дозы). На гамма-эффективного эквивалента дозы). На верхнем рисунке представлены такие верхнем рисунке представлены такие дозовые кривые для нейтрофилов, на дозовые кривые для нейтрофилов, на нижнем – для лимфоцитов. Отметим, что нижнем – для лимфоцитов. Отметим, что картина изменения числа нейтрофилов картина изменения числа нейтрофилов является интегральным показателем является интегральным показателем тяжести перенесенного поражения тяжести перенесенного поражения кроветворения, однако в целом она кроветворения, однако в целом она относится к поздним индикаторам дозы, и, относится к поздним индикаторам дозы, и, собственно говоря, и является объектом собственно говоря, и является объектом предсказания для таких ранних предсказания для таких ранних показателей как аберрации хромосом и показателей как аберрации хромосом и динамика числа лимфоцитов.динамика числа лимфоцитов.

Прогноз тяжести костномозгового синдрома: ЧАЭСПрогноз тяжести костномозгового синдрома: ЧАЭС

В Таблице приведена группи-В Таблице приведена группи-ровка 158 пострадавших в зави-ровка 158 пострадавших в зави-симости от цитогенетически оценен-симости от цитогенетически оценен-ной дозы. Из Рисунка видно, что у ной дозы. Из Рисунка видно, что у них была обнаружена тесная корре-них была обнаружена тесная корре-ляция между оценками доз по ляция между оценками доз по цитогенетическим и гематологиче-цитогенетическим и гематологиче-ским данным, причем длительность ским данным, причем длительность пребывания пациентов в зоне пребывания пациентов в зоне облучения не влияла на эту зависи-облучения не влияла на эту зависи-мость. Также можно заметить и мость. Также можно заметить и систематическое отклонение дозовых систематическое отклонение дозовых показателей кривых нейтрофилов в показателей кривых нейтрофилов в данной группе пациентов от данной группе пациентов от полученных ранее зависимостей. Это полученных ранее зависимостей. Это стало особенно явно, когда на данном стало особенно явно, когда на данном материале были получены новые материале были получены новые дозовые кривые нейтрофилов. Не дозовые кривые нейтрофилов. Не ясно, связаны ли эти различия с ясно, связаны ли эти различия с простым увеличением числа пациен-простым увеличением числа пациен-тов, или с особенностями радиацион-тов, или с особенностями радиацион-ного воздействия при аварии на ного воздействия при аварии на Чернобыльской АЭС (фракциониро-Чернобыльской АЭС (фракциониро-вание и пролонгирование).вание и пролонгирование).

Диапазон средних оценок доз на всё тело, Гр

Число пациентов

10,4 – 15,2 6,1 – 10,04,0 – 5,82,0 – 3,71,0 – 1,90,2 – 0,8

дицентрики не найдены

10161833223326

Неравномерное облучениеНеравномерное облучение: : метод метод DolphinDolphin

Y / (1 – eY / (1 – eYY) = X / (N – n) = X / (N – n00) (1)) (1)

YY××f = X / N, (2)f = X / N, (2)

гдегде

f f –– доля облучённых клетокдоля облучённых клеток,,Y Y –– частота дицентриковчастота дицентриков нана 1 1 клеткуклетку, , N N –– число сосчитанных клетокчисло сосчитанных клеток, , X X –– число наблюдаемых дицентриковчисло наблюдаемых дицентриков, , nn00 –– число клеток без дицентриковчисло клеток без дицентриков..

Неравномерное облучениеНеравномерное облучение: Qdr-: Qdr-методметод

Qdr = X / NQdr = X / NUU = Y = YDRDR / [1 / [1 exp( exp(YYDRDRYYAcAc)],)], (3) (3)

гдегде X X –– наблюдаемое число дицентриков + наблюдаемое число дицентриков + центрических колеццентрических колец,,NNU U –– число клеток с нестабильными число клеток с нестабильными аберрациями хромосомного типааберрациями хромосомного типа,,YYDRDR ии YYAc Ac –– функциифункции дозовой дозовой (D)(D) зависимости зависимости частотчастот дицентриков + центрических колецдицентриков + центрических колец ии ацентриковацентриков соответственносоответственно..

QdrQdr = (с = (сDRDR++aaDRDR××DD + +bbDRDR××DD22) / [1 – ) / [1 – expexp (-с (-сDRDR --aaDRDR××DD - -bbDRDR××DD22 -с -сAcAc --aaAcAc××DD - -bbAcAc××DD22)])]

(D)(D)

Неравномерное облучениеНеравномерное облучение: : соотношениесоотношение

F =(NF =(Ndd/NP/NPdd))×10×1044, , где где FF процент облучённых лимфоцитов во всей их процент облучённых лимфоцитов во всей их

популяции, популяции, N N общее число проанализированных клеток, общее число проанализированных клеток, NNdd на- на-

блюдаемое число клеток с дицентриками, блюдаемое число клеток с дицентриками, PPdd % клеток с дицентри- % клеток с дицентри-

ками, соответствующий наблюдаемой частоте дицентриков на 1 ками, соответствующий наблюдаемой частоте дицентриков на 1 клетку с дицентриками при равномерном облучении.клетку с дицентриками при равномерном облучении.

Неравномерное облучениеНеравномерное облучение: : компьютерный методкомпьютерный метод

F(n) = ∫ f(D)F[n, Y(D)]dD, (4)F(n) = ∫ f(D)F[n, Y(D)]dD, (4)гдегде f(D) f(D) –– искомое распределение лимфоцитов по искомое распределение лимфоцитов по полученной дозеполученной дозе, F(n) , F(n) –– эмпирическое распределение эмпирическое распределение лимфоцитов по числу содержащихся в них лимфоцитов по числу содержащихся в них дицентриковдицентриков, n , n –– частота дицентриков на 1 клеткучастота дицентриков на 1 клетку,, F[n, Y(D)] F[n, Y(D)] –– аналитически заданное распределение аналитически заданное распределение ПуассонаПуассона со средней величинойсо средней величиной Y, Y,Y(D) Y(D) –– аналитически заданная калибровочная аналитически заданная калибровочная зависимость от дозызависимость от дозы среднегосреднего числачисла дицентриков на дицентриков на 1 клетку1 клетку, D – , D – дозадоза, , ГрГр. . ∫ ∫ f(D)dD = f(D)dD = F[n, Y(D)] = F[n, Y(D)] = F(n) = 1 F(n) = 1 (5) (5)

Неравномерное облучение:Неравномерное облучение:компьютерный методкомпьютерный метод

Неравномерное облучение:Неравномерное облучение:компьютерный методкомпьютерный метод

Пример предсказания кинетики нейтрофилов кровиПример предсказания кинетики нейтрофилов крови методом парциальных методом парциальных кривыхкривых у пациента с неравномерным облучениему пациента с неравномерным облучением (Baranov A.E. et al., 1990): (Baranov A.E. et al., 1990):A) A) парциальные кривыепарциальные кривые ( (сплошные линиисплошные линии)),, соответствующиесоответствующие следующим долям следующим долям костного мозга, облучённым в дозахкостного мозга, облучённым в дозах: 1.0 : 1.0 ГрГр – 0.10; 1.5 – 0.10; 1.5 ГрГр – 0.15; 2.0 – 0.15; 2.0 ГрГр – 0.25; 2.5 – 0.25; 2.5 ГрГр - 0.20; 5.5 - 0.20; 5.5 ГрГр – 0.15 – 0.15 ии 9.5 9.5 ГрГр – 0.15 ( – 0.15 (этаэта парциальная кривая не показанапарциальная кривая не показана) ) и и суммарная предсказываемая криваясуммарная предсказываемая кривая ( (пунктирпунктир);); B) B) реальная кривая пациентареальная кривая пациента ((сплошная линиясплошная линия); ); суммарная предсказываемая криваясуммарная предсказываемая кривая ( (пунктирпунктир); ); стандартная стандартная кривая нейтрофиловкривая нейтрофилов для средней поглощённой дозыдля средней поглощённой дозы 3.4 3.4 ГрГр

Неравномерное Неравномерное --облучениеоблучение: : восстановлениевосстановление кривых кривых нейтрофилов с помощью компьютерного методанейтрофилов с помощью компьютерного метода








Цитогенетическая оценка дозы: неравномерность облученияЦитогенетическая оценка дозы: неравномерность облучения

Дозы непосредственно на гемопоэти-Дозы непосредственно на гемопоэти-ческую ткань могут быть определены по ческую ткань могут быть определены по результатам цитогенетического исследо-результатам цитогенетического исследо-вания пунктатов костного мозга, получен-вания пунктатов костного мозга, получен-ного из участков, доступных для пункции ного из участков, доступных для пункции (грудина, передняя и задняя ости под-(грудина, передняя и задняя ости под-вздошных костей справа и слева, вздошных костей справа и слева, остистые отростки грудных позвонков). остистые отростки грудных позвонков). Для оценки дозы цитогенетический Для оценки дозы цитогенетический анализ производится в «прямых» (т.е. без анализ производится в «прямых» (т.е. без культивирования) препаратах хромосом культивирования) препаратах хромосом клеток костного мозга, взятого из клеток костного мозга, взятого из различных участков. На верхнем рисунке различных участков. На верхнем рисунке приведена дозовая зависимость в приведена дозовая зависимость в диапазоне 0,5-5 Гр для процента абер-диапазоне 0,5-5 Гр для процента абер-рантных клеток через 24 после облуче-рантных клеток через 24 после облуче-ния. Однако костный мозг является ния. Однако костный мозг является активно пролиферирующей клеточной активно пролиферирующей клеточной системой, что приводит к быстрой элими-системой, что приводит к быстрой элими-нации аберрантных клеток. На нижнем нации аберрантных клеток. На нижнем рисунке представлен пример изменения рисунке представлен пример изменения их частоты в различные промежутки их частоты в различные промежутки времени от 1 до 168 ч после локального времени от 1 до 168 ч после локального гамма-облучения в дозе 2,5 Гр.гамма-облучения в дозе 2,5 Гр.

Цитогенетическая оценка дозы: неравномерность облученияЦитогенетическая оценка дозы: неравномерность облучения

Возникает необходимость учесть Возникает необходимость учесть элиминацию аберрантных клеток с течением элиминацию аберрантных клеток с течением времени и иметь возможность использовать времени и иметь возможность использовать метод анализа “прямых” препаратов хромо-метод анализа “прямых” препаратов хромо-сом клеток костного мозга для оценки сом клеток костного мозга для оценки локальных доз в сроки, превышающие 24 ч локальных доз в сроки, превышающие 24 ч после облучения. Поэтому была получена после облучения. Поэтому была получена единая зависимость доли клеток с аберраци-единая зависимость доли клеток с аберраци-ями хромосом в костном мозге от величины ями хромосом в костном мозге от величины поглощённой дозы и времени, прошедшего поглощённой дозы и времени, прошедшего после облучения. Эта зависимость после облучения. Эта зависимость представлена в виде номограммы, позволяю-представлена в виде номограммы, позволяю-щей производить оценку доз графически, не щей производить оценку доз графически, не прибегая к вычислениям. Ошибка при прибегая к вычислениям. Ошибка при расчете дозы не должна быть больше расчете дозы не должна быть больше 11%. 11%. Однако возможность дозовых оценок по Однако возможность дозовых оценок по данной схеме не превышает 4 суток после данной схеме не превышает 4 суток после воздействия, так как при больших сроках воздействия, так как при больших сроках обнаруживаемая частота аберрантных клеток обнаруживаемая частота аберрантных клеток может не отличаться от спонтанных может не отличаться от спонтанных значений. Также имеется дозовое значений. Также имеется дозовое ограничение в связи с тем, что частота ограничение в связи с тем, что частота аберрантных клеток при анализе через 24 ч аберрантных клеток при анализе через 24 ч после облучения достигает 100% уже при после облучения достигает 100% уже при дозе 5 Гр. При больших дозах возможна дозе 5 Гр. При больших дозах возможна только экспертная оценка.только экспертная оценка.

Аберрации хроматидного типа в клетках костного мозгаАберрации хроматидного типа в клетках костного мозга

Аберрации хроматидного типа в клетках костного мозгаАберрации хроматидного типа в клетках костного мозга

Аберрации хроматидного типа в клетках костного мозгаАберрации хроматидного типа в клетках костного мозга(дозы 4-6 Гр)(дозы 4-6 Гр)



Аберрации хроматидного типа в клетках костного мозгаАберрации хроматидного типа в клетках костного мозга(дозы больше 8-9 Гр)(дозы больше 8-9 Гр)

НЕРАВНОМЕРНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ:НЕРАВНОМЕРНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ:КУЛЬТУРЫ ЛИМФОЦИТОВ КОСТНОГО МОЗГАКУЛЬТУРЫ ЛИМФОЦИТОВ КОСТНОГО МОЗГА

НЕРАВНОМЕРНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ:НЕРАВНОМЕРНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ:КУЛЬТУРЫ ЛИМФОЦИТОВ КОСТНОГО МОЗГАКУЛЬТУРЫ ЛИМФОЦИТОВ КОСТНОГО МОЗГА

Цитогенетическая оценка дозы: неравномерность облученияЦитогенетическая оценка дозы: неравномерность облученияТаким образом, метод подсчёта аберрантных клеток в костном мозге Таким образом, метод подсчёта аберрантных клеток в костном мозге

позволяет оценивать дозы, полученные отдельными участками костного мозга, позволяет оценивать дозы, полученные отдельными участками костного мозга, что важно для прогноза тяжести пострадиационного костномозгового что важно для прогноза тяжести пострадиационного костномозгового синдрома. Однако он имеет существенные дозовые и временные ограничения. синдрома. Однако он имеет существенные дозовые и временные ограничения.

Анализ аберраций хромосом в лимфоцитах периферической крови менее Анализ аберраций хромосом в лимфоцитах периферической крови менее связан этими параметрами. Он не требует коррекции на время, прошедшее связан этими параметрами. Он не требует коррекции на время, прошедшее после облучения, примерно в течение 1 месяца и позволяет оценивать дозы, по после облучения, примерно в течение 1 месяца и позволяет оценивать дозы, по крайней мере, до 15 Гр гамма-излучения. Однако, даже если не учитывать крайней мере, до 15 Гр гамма-излучения. Однако, даже если не учитывать чисто математические неопределённости метода компьютерного перевода чисто математические неопределённости метода компьютерного перевода распределений клеток по числу дицентриков в распределения лимфоцитов по распределений клеток по числу дицентриков в распределения лимфоцитов по дозе, серьёзные ошибки могут возникнуть, если распределение дозы по массе дозе, серьёзные ошибки могут возникнуть, если распределение дозы по массе тела будет плохо отражать распределение дозы по красному костному мозгу.тела будет плохо отражать распределение дозы по красному костному мозгу.

Определённый эффект могло бы дать некое объединение двух методик Определённый эффект могло бы дать некое объединение двух методик цитогенетического анализа в виде использования для оценки локальных доз на цитогенетического анализа в виде использования для оценки локальных доз на гемопоэтическую ткань гемопоэтическую ткань культур лимфоцитовкультур лимфоцитов костного мозга, взятого из костного мозга, взятого из различных участков. Однако здесь возникает своя трудность, связанная с различных участков. Однако здесь возникает своя трудность, связанная с трудно устранимым разведением костного мозга кровью при его взятии, что трудно устранимым разведением костного мозга кровью при его взятии, что приводит к завышению оцениваемой дозы на наименее поражённые участки и приводит к завышению оцениваемой дозы на наименее поражённые участки и её занижению на облучённые в наибольшей дозе участки костного мозга. Это её занижению на облучённые в наибольшей дозе участки костного мозга. Это связано с наличием в культуре лимфоцитов как из костного мозга, так и из связано с наличием в культуре лимфоцитов как из костного мозга, так и из крови.крови.

Следовательно, имеющиеся преимущества и недостатки всех Следовательно, имеющиеся преимущества и недостатки всех рассмотренных подходов требуют их совместного использования. рассмотренных подходов требуют их совместного использования.

Documents

Определение биологической дозиметрии (по M . L . Mendelsohn , 1991)