Космическая радиобиология изучает влияние космического излучения на жизнедеятельность земных организмов в условиях космического пространства и при полетах на космических летательных аппаратах, биологические системы жизнеобеспечения на космических кораблях и станциях; одно из направлений радиобиологии и тесно связано космической биологией.
История развития В 1910 году Доменико Пачини предположил, что фоновый шум, измеряемый электроскопами Кюри, вызван излучением Земли. Теодор Вульф продемонстрировал, что на высоте 300 метров на Эйфелевой башне излучение Земли уменьшается вдвое. Виктор Гесс, используя воздушные шары, обнаружил, что плотность ионизации атмосферы уменьшается до 1000 м, но увеличивается выше 1800 м, предположив существование земного и космического излучения («космические лучи»), за что в 1936 году получил Нобелевскую премию по физике.
Между 1930 и 1940 годами благодаря экспериментам с воздушными шарами были получены новые доказательства того, что космические лучи состоят из частиц очень высокой энергии (10⁸–10²⁰ электронвольт). Кроме того, данные указывали на неожиданно высокую долю элементов, связанных с железом, в галактическом космическом излучении (ГКИ).
В 1952 году профессор Корнелиус А. Тобиас предсказал, что космическая радиация может вызывать необычные световые ощущения при взаимодействии со зрительной системой. Первые сообщения о восприятии световых вспышек поступили от астронавта Эдвина (Базза) Олдрина во время миссии "Аполлон-11" в 1969 году.
Работы Уильяма Гильберта, Карла Фридриха Гаусса и Анри Пуанкаре о магнетизме предполагали, что на заряженные частицы может влиять магнетизм Земли, и что вокруг Земли должно существовать кольцевое течение. В 1958 году Джеймс Ван Аллен и Луи А. Франк, основываясь на данных, собранных спутниками Explorer I и Pioneer IV, указали на существование радиационного пояса Земли (пояса Ван Аллена), основными составляющими которого являются протоны и электроны.
В ходе краткосрочных (менее 2 недель) космических миссий на низкой околоземной орбите (НОО) в 1960-х годах астронавты подвергались облучению в несколько миллигрей, со средней мощностью дозы около 0,17 микрогрей в минуту (245 микрогрей в сутки). Неравномерность облучения обусловлена прохождением через радиационные пояса Ван Аллена и Южно-Атлантическую аномалию (ЮАА), где мощность дозы может увеличиваться в шесть раз.
В рамках экспериментов Biostack на космических кораблях Apollo 16 и 17 впервые были получены данные о характеристиках HZE-частиц (тяжелых заряженных частиц высоких энергий с высоким атомным номером) с помощью ядерных эмульсий, пластиков, кристаллов AgCl (хлорида серебра) и термолюминесцентных дозиметров из LiF (фторида лития). Параллельно изучалось биологическое воздействие HZE-частиц на различные биологические объекты. Аналогичные эксперименты проводились на космических кораблях "Спейс шаттл", спутниках (LDEF, EURECA, BIOPAN 1–6), космической станции "Мир" и МКС.
Цитогенетические исследования впервые выявили существенные биологические последствия воздействия космической радиации: наблюдалось увеличение количества хромосомных разрывов после полёта. Данные по вспышкам в глазах и шлемах космонавтов указывали на наличие неучтённой доли тяжёлых ионов, вероятно, вторичных частиц, образующихся при взаимодействии высокоэнергетических частиц с металлическими материалами. К концу 1960-х годов вклад этих тяжёлых ионов в общую дозу облучения оставался неизвестным.
С 1990-х годов, когда сроки пребывания человека в космосе достигли 6+ месяцев, проблема радиационной защиты стала критической.
Защита от космического излучения Космические экипажи на МКС подвергаются дозе ионизирующего излучения около 20 мкЗв/ч, что примерно в 100 раз выше, чем на поверхности Земли. В глубоком космосе эффективная доза излучения достигает 75 мкЗв/ч, на Луне - 30 мкЗв/ч, на Марсе - 25 мкЗв/ч. Во время марсианской миссии астронавты могут получить суммарную эффективную дозу порядка 1 Зв, что увеличивает риск развития рака на несколько процентов и более 10% в зависимости от пола и возраста.
В настоящее время для снижения уровня радиации в космических аппаратах используется экранирование материалами. В качестве меры сравнения различных материалов используется поверхностная плотность, выражаемая в г/см². В современных космических аппаратах в основном применяются конструкционные материалы, например, алюминий. Взаимодействие галактических космических лучей с алюминием приводит к распаду его ядер и образованию вторичного космического излучения.
На низкой околоземной орбите (НОО) с наклонением 51,6° и высотой 390 км, аналогичной орбите Международной космической станции (МКС), эффективность защиты от галактических космических лучей и протонов радиационных поясов Ван Аллена выше при использовании водородосодержащих материалов, например, воды, по сравнению с алюминием. При одинаковой поверхностной плотности 20 г/см² водная защита толщиной 20 см обеспечивает более выраженный защитный эффект, чем алюминиевая толщиной 7,4 см. Несмотря на разную толщину, оба материала вносят одинаковый вклад в общую массу космического аппарата, что критично при запуске с Земли.
В космических кораблях невозможно снизить эффективную дозу облучения до уровня поверхности Земли. Для защиты от галактических космических лучей (GCRs) требуется около 1000 г/см² экранирования, тогда как из-за массовых ограничений космических аппаратов возможно использование защиты лишь порядка нескольких десятков г/см².
Для будущих длительных миссий на Луну или Марс необходимо значительно снизить радиационное облучение астронавтов, что возможно с использованием местного грунта в качестве защитного материала. Несколько метров лунного или марсианского грунта достаточно для снижения эффективной дозы радиации до уровней, сопоставимых с поверхностью Земли, путем строительства иглу, использования пещер или лавовых трубок. Помимо использования материалов для блокировки радиации, исследуется возможность применения сильных электромагнитных полей в качестве защиты, однако масса и энергопотребление таких систем делают эту концепцию практически нереализуемой при современном уровне технологий.
Национальный институт рака (NCI) предложил фармакологическую классификацию агентов, модифицирующих воздействие ионизирующего излучения (ИИ). Согласно этой классификации, радиопротекторы предотвращают вредные эффекты радиационного воздействия, радиосенсибилизаторы делают опухолевые клетки более восприимчивыми к радиации, а радиомитигаторы способны ослаблять радиационные повреждения даже при введении одновременно с облучением или после него. Использование модификаторов радиационного эффекта может смягчить побочные эффекты и повысить эффективность лучевой терапии у онкологических пациентов.
Радиопротекторы Радиопротекторы — это противорадиационные препараты, повышающие устойчивость организма к действию ионизирующего излучения. Они делятся на препараты кратковременного действия (серосодержащие соединения, биологически активные амины, метгемоглобинообразователи), эффективные в течение нескольких часов, и пролонгированного действия (анаболические гормоны, полимеры полиионных структур, витамины, аминокислотные комплексы), действующие сутки и более. Защитная активность радиопротекторов измеряется фактором уменьшения дозы — отношением доз излучения, вызывающих одинаковый эффект в присутствии препарата и без него, который для современных радиопротекторов не превышает 3.
Исследования радиопротекторов (веществ, защищающих от радиационного повреждения) начались в 1949 году. Радиопротекторы способны уменьшать прямые и косвенные радиационные повреждения, восстанавливать поврежденные клетки и клеточные популяции. Ранние разработки фокусировались на тиоловых соединениях (например, амифостин), однако их применение ограничено из-за токсичности и других факторов. В настоящее время активно исследуются как синтетические, так и природные соединения растительного происхождения, которые могут обладать меньшей токсичностью и стоимостью. Радиопротекторы реализуют защиту через множественные механизмы, включая нейтрализацию свободных радикалов (подавление их образования или детоксикацию), индукцию гипоксии для предотвращения синтеза реактивных форм кислорода (РВК) и повышение уровня антиоксидантов, таких как глутатион (GSH), супероксиддисмутаза (SOD), глутатионпероксидаза (GPx) и каталаза (CAT). Дополнительные механизмы охватывают активацию репарации ДНК, ингибирование апоптоза, модуляцию экспрессии редокс-чувствительных генов, контроль воспалительных реакций и хелатирование радионуклидов. Отдельные препараты способны стимулировать регенерацию тканей (например, кишечника или гематопоэтической системы) при поддержке генной или стволовой терапии. Постэкспозиционное применение таких агентов классифицирует их как радиомитигаторы. Оптимальная радиационная защита требует комплексного подхода, объединяющего перечисленные механизмы, что актуально в радиотерапии онкологических заболеваний и при ликвидации последствий радиационных аварий.
В Российской Федерации для медицинской противорадиационной защиты официально разрешен к применению только один радиопротектор - препарат Б-190 (индралин). В США и странах Западной Европы основным радиопротектором является амифостин, также известный под коммерческими названиями Ethyol и WR-2721.
Радиомитигаторы Радиомитигаторы — агенты, применяемые во время или после радиотерапии либо воздействия ионизирующего излучения (ИИ) для снижения последствий облучения здоровых тканей до появления симптомов. В отличие от радиопротекторов (средств, уменьшающих прямое повреждение от излучения), они эффективны даже после завершения облучения. К одобренным FDA препаратам относятся филграстим (рекомбинантная форма гранулоцитарного колониестимулирующего фактора, G-CSF), пегфилграстим (ПЕГилированная форма G-CSF) и сарграмостим (рекомбинантный гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор, GM-CSF). Наибольшая эффективность достигается при введении во время или вскоре после облучения. Основные области применения рэдиомитигаторов включают предотвращение канцерогенеза при тотальном облучении организма (TBI) в контексте радиологического терроризма и космических исследований.
В Российской Федерации беталейкин (рекомбинантный интерлейкин-1β человека) является единственным зарегистрированным радиомитигатором для применения в ранние сроки после радиационного воздействия. Препарат активирует миелопоэз и тканевые процессы репарации, обладает как радиозащитными, так и лечебными противолучевыми свойствами. За рубежом разработаны другие перспективные радиомитигаторы, включая 5-андростендиол, генистеин, флагеллин, ON01210, интерлейкин-12, беклометазон и гранулоцитарный колониестимулирующий фактор, некоторые из которых уже получили одобрение FDA для применения при острых радиационных поражениях.
Радиосенсибилизаторы Радиосенсибилизаторы — фармакологические агенты или химические соединения, повышающие цитотоксический эффект ионизирующего излучения (ИИ) при радиотерапии (РТ) за счет ускорения повреждения ДНК, генерации свободных радикалов, подавления антиоксидантных защитных механизмов или ингибирования репарации биомолекул. Большинство радиосенсибилизаторов демонстрируют селективность в отношении опухолевых клеток, сохраняя низкое воздействие на здоровые ткани; отдельные препараты могут применяться после облучения для снижения отсроченных побочных эффектов.
Влияние космической радиации на организм
Острые эффекты