Предмет и задачи радиобиологии

10 декабря 1901 г. В.К. Рентгену присуждена первая из Нобелевских премий по физике.

О значении самого открытия и глубине произведенного Рентгеном экспериментального анализа нового вида излучения написаны тома. Все это, однако, можно легко подытожить словами нашего замечательного соотечественника академика А.Ф. Иоффе, проработавшего около трех лет ассистентом Рентгена. В воспоминаниях, посвященных 50-летию открытия рентгеновских лучей, Иоффе писал: «Из того, что Рентген опубликовал в первых трех сообщениях, не может быть изменено ни одного слова. Многие тысячи исследований не могли прибавить ни йоты к тому, что сделал сам Рентген в самых элементарных условиях с помощью самых элементарных приборов».

Рентгеновские лучи немедленно стали не только предметом глубокого изучения во всем мире, но и быстро нашли практическое применение. Кроме того, они послужили непосредственным импульсом к обнаружению нового явления – естественной радиоактивности, которое потрясло мир менее чем через полгода после открытия рентгеновских лучей.

Это были невидимые глазу человека первые проблески атомной зари. Они появились на фотографической пластинке, оставленной в столе профессором физики Парижского музея естественной истории Анри Беккерелем. Он – признанный авторитет в области люминесценции – в это время, как и многие, заинтересовавшись природой всепроницающих рентгеновских лучей, проверял связь между возникновением рентгеновских лучей и люминесценцией стеклянной стенки разрядной трубки. В разрядных трубках не было антикатода, как в современных рентгеновских трубках, и источником рентгеновских лучей служило стекло, которое при этом еще и люминесцировало. Беккерель помещал на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, различные люминесцирующие материалы, выставлял их на солнечный свет, а затем, проявляя пластинку, пытался обнаружить почернение, вызванное Х-лучами, предположительно сопровождавшими процесс люминесценции. Искомая связь была вскоре «обнаружена», когда действию солнечного света подвергли соли урана. Беккерель повторил «удачный» эксперимент, но в тот день погода оказалась пасмурной, и после короткой экспозиции фотопластинка с лежащими на ней солями урана была убрана в стол. Через два дня – 1 марта 1896 г. – снова выдался солнечный день, и можно было воспроизвести опыт. Движимый интуицией, ученый решил проявить пластинку, не выставляя ее на солнце, и, к удивлению, обнаружил на ней точные очертания креста, выложенного из солей урана. Так было установлено, что уран произвольно, независимо от солнечного освещения, испускает невидимые глазу «урановые лучи».

Итак, оба великих открытия в значительной мере обязаны счастливым случайностям. Но напомним мудрые слова Луи Пастера о том, что «случай помогает лишь умам, подготовленным к открытиям». Действительно, еще задолго до Рентгена и одновременно с ним многие исследователи работали с катодными лучами, – наблюдали даже свечение экрана, и, следовательно, «видели» рентгеновское излучение, но «увидел» (распознал) его только Рентген и не потому, что ему повезло, а потому, что «...при великих открытиях на случай наталкиваются те, кто его заслуживают» (Д. Лагранж).

Десятки исследователей после открытия Рентгена были заняты поиском новых таинственных излучений. Но лишь пытливому и талантливому Анри Беккерелю удалось отличить от индуцируемой солнечным светом люминесценции самопроизвольное испускание ураном проникающего излучения.

Уже в 1897 г. Э. Резерфорд разделил излучение урана на две составляющие, названные им α- и β-лучами. Он же показал, что α-частицы идентичны ядрам гелия, и высказал мысль, что β-частицы представляют собой электроны с атомных орбит, что позднее было подтверждено Дж. Томсоном в другого рода экспериментах.

Изучение радиоактивности стало предметом страстных исканий вначале великого польского ученого Марии Склодовской-Кюри, а вскоре и ее мужа, блестящего французского исследователя Пьера Кюри. Одиннадцать лет их любви и совместного творчества – одна из замечательных и красивейших страниц истории науки – ознаменованы открытием и выделением в 1898 г. нескольких радиоактивных (испускающих излучение) элементов, в том числе двух наиболее активных – полония и радия.

Андрей Белый в поэме «Первое свидание» воспел эти гениальные искания словами: «Мир рвался в опытах Кюри».

Величие открытия радиоактивности было ознаменовано присуждением в 1903 г. Нобелевской премии по физике Анри Беккерелю, Пьеру и Марии Кюри.

В 1911 г. Мария Кюри за работы в области радиационной химии была награждена второй Нобелевской премией. Всего Марии Кюри присуждено 10 премий и 16 медалей; она была избрана почетным членом 106 различных научных учреждений, академий и обществ.

В 1935 г., спустя 32 года после открытий родителей, Нобелевскую премию получает их дочь Ирен вместе с мужем Фредериком Жолио-Кюри за исследования в той же области, теперь – за открытие искусственной радиоактивности. История не знает примера, чтобы две супружеские пары в двух последовательных поколениях внесли столь большой вклад в науку, как семья Кюри. Три Нобелевские премии и четыре ее лауреата в одной семье, один из них – дважды.

Чрезвычайный интерес и уважение человечества к двум поколениям Кюри-ученых объясняется еще и их высокими моральными качествами. Преданность науке привела к тому, что жизнь их была в прямом смысле принесена ей в жертву. Мария, Ирен и Фредерик умерли вследствие облучения, и есть все основания полагать, что лишь трагическая ранняя гибель Пьера избавила его от той же участи.

Три этапа развития радиобиологии

Изучение биологического действия ионизирующих излучений началось тотчас после открытия рентгеновских лучей. Среди самых ранних работ известны классические исследования нашего соотечественника И.Ф. Тарханова, установившего уже в 1896 г. в опытах на лягушках и насекомых реакции на облучение во многих системах организма, на основании чего им было высказано сбывшееся вскоре предположение о возможности лечебного применения рентгеновского излучения. Достаточно указать, что лишь за год после этого было издано 49 книг и более 1000 статей об использовании Х-лучей в медицине.

В 1896 г. в печати появились сообщения о поражениях кожи (эритемах, дерматитах, выпадении волос) у лиц, подвергавшихся частым и продолжительным воздействиям Х-лучей при проведении экспериментов, а в 1902 г. Г. Фрибен описал первый случай лучевого рака кожи. Первые сведения о лучевом раке, повидимому, восходят к XVI в. Известные медики средневековья Т. Парацельс и Г. Агрикола писали о загадочной болезни легких у горняков, работавших в рудниках, где впоследствии стали добывать уран и радий. В 1879 г., еще до «эры радиации», в этом заболевании распознали рак легких.

О действии радия на кожу впервые сообщили немецкие ученые Г. Вальхов и Г. Гизель. Пьер Кюри тотчас проверил это на собственном предплечье, и, к его великой радости, участок кожи, соприкасавшийся с радием, оказался пораженным. 3 июня 1901 г. Анри Беккерель на протяжении 6 ч носил в кармане жилета ампулу с радием и тоже получил ожог. Об этом через 10 дней, когда появилась эритема (а потом и долго не заживающая язва), он, одновременно обуреваемый восторгом и яростью, прибежав к Марии Кюри, воскликнул: «Радий я люблю, но сердит на него».

Эти наблюдения, а также эксперименты на животных, свидетельствовавшие о повреждающем действии радия на ткани, позволили Пьеру Кюри вместе с известными учеными-медиками К. Бушаром и В. Бальтазаром прийти к выводу о лечебном действии радия на волчанку и некоторые формы рака, что и послужило началом кюритерапии.

Первой в истории попыткой рентгенотерапии рака была, очевидно, работа доктора Дж. Джиллмана из Чикаго. К нему обратился за помощью физик Е. Груббе, который, узнав об открытии Рентгена, начал опыты с Х-лучами и получил сильные ожоги руки. Джиллмана поразил эффект Х-лучей, и он отправил на облучение к Груббе больную с неоперабельным раком молочной железы. Этот сеанс лечения был проведен 29 января 1896 г., т. е. спустя неделю после доклада Рентгена. По-видимому, был получен хороший эффект, так как Груббе продолжил практику рентгенотерапии после медицинской подготовки. Позже и он стал жертвой лучевого рака.

Долгое время объектом наблюдения оставалась главным образом кожа, так как никто не предполагал, что рентгеновские лучи могут влиять на глубоко расположенные ткани. В 1903 г. Г. Альберс-Шонберг обнаружил дегенеративные изменения семяродного эпителия и азооспермию у морских свинок и кроликов, а в 1905 г. Л. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облученных животных. Вскоре П. Броун и Дж. Осгоуд выявили азооспермию, явившуюся причиной бесплодия у людей – молодых рабочих завода рентгеновских трубок, проработавших на производстве более трех лет.

В 1903 г., в значительной степени под влиянием экспериментов отечественного исследователя Е.С. Лондона, обнаружившего летальное действие лучей радия на мышей, Г. Хейнеке применил с этой же целью рентгеновские лучи. Ему также удалось вызвать гибель животных, причем он впервые описал лучевую анемию и лейкопению, а также обратил внимание на поражение органов кроветворения, видимое даже невооруженным глазом (атрофия селезенки). Детально описанные Г. Хейнеке типичные изменения клеток костного мозга и лимфатических узлов при гистологическом исследовании являются классическими и по сей день.

В многочисленных экспериментах Е.С. Лондон продемонстрировал действие излучения радия на многие системы организма, в частности, на кроветворение. В 1911 г. вышла его книга «Радий в биологии и медицине». Она считается первой в мире монографией по радиобиологии (опубликована на немецком языке).

Приведенные примеры, а также многочисленные наблюдения других исследователей ознаменовали собой первый этап развития радиобиологии, характеризующийся работами описательного характера. Но уже в этом периоде установлены два кардинальных факта – вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления и различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено в 1903 г. французскими исследователями И. Бергонье и Л. Трибондо, которые в ходе тщательных экспериментов обнаружили разную чувствительность к излучению отдельных видов семяродных клеток. Наиболее чувствительными оказались сперматогонии, наиболее резистентными – сперматозоиды, облучение которых вообще не вызывало морфологических изменений. На основании этих экспериментов были сформулированы положения, вошедшие в историю под названием «закона» или «правила» Бергонье и Трибондо. Суть этих положений состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т. е. чем они менее дифференцированы. Несмотря на ряд исключений, феноменологически это правило не утратило своего значения и по сей день.

Таким образом, уже в самый ранний период первоначальных наблюдений была подмечена наиболее важная особенность ионизирующих излучений – избирательность их действия, определяемая не столько характеристиками самих лучей, сколько свойствами тех или иных клеток, т. е. их чувствительностью к излучению – радиочувствительностью.

Очень рано – в 1903 г. – была выявлена роль поражения ядра в клеточной радиочувствительности. Заключение об этом сделал Д. Бун, отметивший примерно одинаково выраженное губительное действие на развивающихся головастиков облучения сперматозоидов лягушек или неоплодотворенных икринок, резко отличающихся между собой по количеству цитоплазмы. Он пришел к заключению, что облучение последней не играет особой роли в развитии зародыша.

Уже в первое десятилетие XX в. началось изучение действия ионизирующей радиации на эмбриогенез, позволившее обнаружить возникновение различных аномалий при облучении на определенных стадиях развития эмбриона.

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

Второй этап развития радиобиологии связан со становлением ее количественных принципов, имевших целью связать биологический эффект с дозой излучения. Этот этап характеризовался массовыми экспериментами на различных популяциях клеток и животных с количественным отражением результатов на кривых доза–эффект. Такой способ анализа результатов радиобиологических экспериментов остается ведущим и в настоящее время, хотя интерпретация самих кривых изменилась.

Одна из знаменательных дат этапа – 1922 г., когда Ф. Дессауэром была предложена первая теория, объяснявшая радиобиологический эффект дискретностью событий – актов ионизации в чувствительном объеме. Эти взгляды в последующем получили развитие в виде принципа попаданий и теории мишеней в трудах Н.В. Тимофеева-Ресовского; К. Циммера, Д. Ли и других исследователей.

Одно из эпохальных событий радиобиологии – обнаружение действия ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, сопровождающегося наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Впервые эти наблюдения были сделаны нашими соотечественниками Г.А. Надсоном и Г.Ф. Филипповым (1925) в результате опытов на дрожжах. К сожалению, это крупнейшее открытие не получило тогда должной оценки, и лишь после работ Г. Мюллера, описавшего в 1927 г. мутагенный эффект ионизирующих излучений в экспериментах на дрозофиле, радиационно-генетические исследования стали проводиться во всем мире и во многом послужили становлению количественной радиобиологии.

1927 г. был обозначен еще одной  практически важной вехой – результаты экспериментов на яичках кроликов позволили К. Риго предложить использование фракционирования дозы при лучевой терапии, что уже в 1928 г. и было реализовано А. Кутаром при лечении опухолей человека.

В 1928 г. была введена единица экспозиционной дозы – рентген, принятая затем как международная единица для рентгеновского и гамма-излучения.

Мощным импульсом к бурному развитию радиобиологии явились успехи ядерной физики, обозначившие перспективу овладения энергией атомного ядра. В 1932 г. Чедвик сообщил об открытии нейтрона. В том же году Э. Лоуренс изобрел циклотрон, а уже в 1933 г. им, совместно с М. Ливингстоном, был построен первый циклотрон, генерировавший дейтроны с энергией 5 МэВ.

Особо интенсивное развитие радиобиологических исследований началось в 1946 г. после взрывов атомных бомб – 16 июля в США в штате Нью-Мексико, 6 августа в Хиросиме и 11 августа в Нагасаки. Это выдвинуло в качестве неотложной задачи разработку способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, что, в свою очередь, потребовало детального изучения механизмов радиобиологического эффекта и патогенеза лучевой болезни. Поэтому в 40–50-е годы в Европе и на других континентах начали создаваться крупные исследовательские центры. Зачастую их организовывали при институтах и госпиталях, как правило, онкологических, ибо стало очевидным, что лучевая терапия рака может быть научно обоснована лишь в результате тщательного изучения радиочувствительности опухолей и нормальных тканей, а также овладения методами ее направленного изменения.