Ретроспективная биодозиметрия. Проблема конвертации частоты хромосомных транслокаций в дозу на органы

ВВЕДЕНИЕ

Ретроспективная биодозиметрия применяется, когда необходимо восстановить дозу облучения человека, не имевшего дозиметра в момент радиационного воздействия. Одним из методов биодозиметрии является учет стабильных хромосомных аберраций (транслокаций) в Т-лимфоцитах периферической крови человека [1–3]. Применение метода базируется на следующих допущениях: частота хромосомных транслокаций в Т-лимфоцитах пропорциональна дозе облучения; частота остается постоянной в течение длительного времени (не снижается со временем); доза облучения, полученная Т-лимфоцитами, приведшая к образованию транслокаций, соответствует дозе воздействия на другие органы и ткани, в частности на красный костный мозг (ККМ). Последний постулат верен в случае равномерного внешнего или внутреннего облучения. Однако при неравномерном внутреннем облучении, например за счет ^89,90Sr, когда дозы на ККМ и другие органы могут различаться на порядок величины, возникают трудности в интерпретации результатов применения цитогенетических методов. Эта проблема подробно обсуждалась в ряде обзоров [1][2]. Для целей биодозиметрии была разработана модель облучения Т-лимфоцитов в случае накопления ^89,90Sr в минерализованных тканях тела человека [4–6].

Для оценки частоты транслокаций в клетке используется метод FISH (fluorescence in situ hybridization). Ниже перечислены основные параметры, которые необходимы для ретроспективной оценки доз с использованием метода FISH в случае внутреннего неравномерного и пролонгированного β-облучения.

(1) Число транслокаций y_i в n_cell, просчитанных в Т-лимфоцитах испытуемого лица или группы испытуемых, оценивается с использованием метода FISH. Особенности применения и требования к унификации метода описаны в ряде нормативно-правовых документов, таких как [1][7]. Для оценки уровня доз используется частота транслокаций (μ_i), которая должна быть представлена в расчете на один геном-эквивалент (Genomic Equivalent GE), по другой терминологии — на один клеточный эквивалент (Cell Equivalent CE). Коэффициент (G_j) перехода от числа просчитанных клеток (метафаз) n_cell к числу геномных эквивалентов n_ge зависит от набора окрашенных хромосом и типа окраски (одноцветный или многоцветный). Если используется 24-цветная окраска, то пересчета на GE не требуется.

(2) Фоновая (нерадиационная) частота транслокаций μ₀(τ), зависящая от возраста. Поправка на фоновые значения (вычитание фоновых значений) необходима, поскольку транслокации могут возникать под воздействием иных (нерадиационных) неблагоприятных эндогенных и экзогенных факторов. Число транслокаций в Т-лимфоцитах накапливается с возрастом в течение жизни. По данным научной литературы, пол не оказывает существенного влияния на формирование транслокаций, влияние курения и алкоголя также не является значительным. В качестве уже известных фоновых значений используется зависимость частоты транслокаций, полученная в объединенном международном исследовании необлученных доноров, в терминах «число транслокаций на GE» [8].

(3) Коэффициенты зависимости «доза-эффект» (С — свободный член, α — линейный коэффициент, β — квадратичный коэффициент), комбинация которых позволяет перейти от скорректированной на возраст частоты транслокаций μ_{i_age} к дозе, поглощенной в Т-лимфоцитах (D_L). Коэффициенты определяются на основании калибровочной кривой (линейно-квадратичной или линейной). Для построения калибровочной кривой принципиальное значение имеет надежность оценки доз облучения и единообразие критериев подсчета транслокаций. Форма и параметры калибровочной кривой зависят от типа излучений (линейной передачи энергии, ЛПЭ), а для редко ионизирующих гамма- и бета-излучений — от мощности дозы. Калибровочные кривые подробно обсуждаются в литературе [1][7][9].

(4) Коэффициент перехода (B_rbm) от дозы облучения лимфоцитов (D_L) к дозе на красный костный мозг (D_rbm). Для остеотропных ^89,90Sr этот коэффициент зависит от возраста на момент начала облучения (τ₁) и времени после начала облучения (τ_s – τ₁), где τ_s — возраст донора на момент забора крови. Кроме того, коэффициент зависит от пола, поскольку от пола зависит метаболизм стронция и его накопление в костной ткани [10].

Цель работы — рассмотреть основные параметры¹, которые необходимы для ретроспективной оценки доз с использованием метода FISH в случае внутреннего неравномерного и пролонгированного β-облучения.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Хромосомные транслокации, которые учитываются при ретроспективной биодозиметрии

Для хорошей воспроизводимости метода биодозиметрии важно, чтобы типы хромосомных транслокаций, которые учитываются исследователями, были однозначно определены. В радиационной цитогенетике используются разные номенклатурные подходы, чаще PAINT (Protocol for Aberration Identification Nomenclature Terminology) [11], S&S (Savage and Simpson) [12], а также комбинированный подход с применением терминологии медицинской генетики ISCN (The International System for Human Cytogenomic Nomenclature) [13]. В русскоязычной литературе это приводит к большому числу синонимов для обозначения транслокаций.

При действии редкоионизирующего β-излучения, характерного для ^89,90Sr, большинство регистрируемых транслокаций являются реципрокными (синонимы: полными, двусторонними, two-way). В этом случае происходит взаимный обмен концевыми участками между двумя негомологичными хромосомами без потери генетического материала. Несмотря на то что в процесс вовлекаются две хромосомы, реципрокная транслокация рассматривается как одно событие, т.е. одна транслокация. Небольшую долю составляют нереципрокные (неполные, односторонние, one-way) транслокации, когда перенос материала происходит только от одной негомологичной хромосомы к другой, т.е. однонаправленно, и учитывается как одно событие. Предполагается [1][14][15], что неполная транслокация может в действительности быть полной, но второй участок хромосомы, участвующий в обмене, слишком мал для визуализации. Реципрокные и нереципрокные (полные и неполные) транслокации также называют простыми. Именно их частота является основным показателем, на основании которого рассчитывается доза облучения при использовании метода FISH.

Сложные/комплексные транслокации, когда в обмен вовлекаются три и более хромосомы, составляют небольшую долю от общего числа транслокаций при пролонгированном редкоионизирующем излучении [14][16]. Cложные транслокации учитывают как сумму простых транслокаций, число которых определяют по количеству цветовых переходов, что может вызвать затруднения [17]. При плотноионизирующем излучении доля сложных (комплексных) транслокаций значительно увеличивается [18][19].

В публикации International Atomic Energy Agency, 2011 [1], к хромосомным транслокациям также относят инсерции в случае, если наблюдается видимая вставка участка одной хромосомы в плечо негомологичной хромосомы. Частота инсерций может учитываться или не учитываться при оценке дозы облучения, что всегда отмечается авторами.

При цитогенетическом анализе также можно учитывать инверсии — внутрихромосомные аберрации, при которых происходит разворот на 180° участка хромосомы. Индикация инверсий требует более сложной окраски, например методом Многоцветного бендинга индивидуальных хромосом (Multicolor Banding Probes, mBAND) или комбинированием зондов на целую хромосому совместно с теломерными зондами. Частота инверсий значительно повышается при воздействии плотноионизирующего излучения [18][19]

Если несколько лимфоцитов содержат одинаковые транслокации (совпадают номера вовлеченных в обмен хромосом и длина перемещенных участков), то такие клетки считаются клонами [1]. В этом случае принимается, что произошла одна транслокация в одной клетке, независимо от числа клеток с одинаковыми транслокациями.

Оценку частоты хромосомных транслокаций для целей ретроспективной биодозиметрии обычно производят в так называемых стабильных клетках, то есть в клетках, в которых отсутствуют нестабильные хромосомные аберрации типа колец и дицентриков, препятствующих нормальному прохождению клеточного цикла. Нестабильные клетки содержат вышеназванные аберрации.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕХОДА ОТ ЧАСТОТЫ РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫХ ТРАНСЛОКАЦИЙ К ДОЗЕ НА Т-ЛИМФОЦИТЫ

Общие подходы

Описание зависимостей «доза-эффект» для частоты транслокаций и подходы к определению параметров подробно описаны в литературе [1, 7, 9, 13, 20]. В нашем случае интерес представляют зависимости для редкоионизирующего излучения.

Как показали многочисленные эксперименты, при высокой мощности дозы (время облучения менее 2-х часов) имеет место линейно-квадратичная зависимость частоты радиационно-индуцируемых транслокаций (μ_i) от дозы облучения лимфоцитов D_L:

μ_i = C + α ∙ D_L + β ∙ D_L², (1)

где С — свободный член зависимости «доза-эффект»;

α — линейный коэффициент зависимости «доза-эффект»

β — квадратичный коэффициент зависимости «доза-эффект».

Подобная форма зависимости объясняется следующим образом. Предполагается, что квадратичный член β учитывает повреждения ДНК (источник формирования транслокаций Tr), возникающих при повторных попаданиях ионизирующих частиц в ядро клетки с небольшим промежутком времени (<2 ч). Другими словами, коэффициент β учитывает аберрации, которые могут быть изменены механизмами репарации в случае, если они успевают «сработать» в ходе длительного воздействия или в периоды между прерывистыми (фракционированными) острыми воздействиями. Большинство повреждений, которые приводят к хромосомным аберрациям, либо репарируются, либо становятся недоступными для репарации в течение примерно 5–6 часов после облучения. Поэтому для квадратичного члена был предложен дополнительный коэффициент в виде G-функции [1][21][22], которая учитывает время, необходимое для репарации повреждений, то есть учитывает мощность дозы:

μ_i = C + α ∙ D_L + β ∙ G(x) ∙ D_L², (2)

G(x) = 2/x² ∙ [x – 1 + e^–x], (3)

при этом x = t / t₀, (4)

где t — время (длительность) облучения,

t₀ — среднее время жизни разрывов, которое, как было показано, составляет порядка 2-х часов.

Когда доза накапливается в течение длительного времени, G(x) уменьшается практически до нуля. Следовательно, даже если пролонгированное облучение происходит с высокой дозой (>1,0 Гр), зависимость частоты транслокаций от дозы становится линейной:

μ_i = C + α ∙ D_L. (5)

Кроме того, очевидно, что при действии редкоионизирующего излучения в небольших дозах (<0,3 Гр), но с высокой мощностью большинство аберраций возникает при прохождении одиночных ионизирующих треков, так что зависимость приближается к линейной.

Таким образом, зависимость, близкая к линейной, наблюдается, когда имело место пролонгированное облучение (длительность облучения составляла сутки, месяцы, годы), в том числе с высокими накопленными дозами (до 2–3 Гр), или в случае острого облучения с низкими дозами, когда не было выявлено острого лучевого синдрома. Поэтому для ретроспективной оценки доз в случае внутреннего воздействия ^89,90Sr принципиальное значение имеет оценка линейного коэффициента α.

Как показывает анализ экспериментальных данных [1], линейный коэффициент в формуле 5 будет одинаков как при исследовании зависимости частоты транслокаций от дозы, так и при анализе зависимости выхода нестабильных аберраций (дицентриков, колец) от дозы. Как отмечается в публикациях [23][24], соотношение дицентриков и транслокаций, индуцированных облучением, составляет примерно 1:1, поэтому можно ожидать схожих коэффициентов в зависимости «доза-эффект». Согласно данным по дицентрикам, для высокоэнергетических гамма-лучей линейный коэффициент для транслокаций в случае равномерного пролонгированного облучения составляет 0,015–0,020 Tr/GE на Гр [25], что может быть использовано для перехода от частоты транслокаций к дозе на лимфоциты. В работе [26] рекомендованная величина составляет ~0,015.

Таким образом, на основании (5) и с учетом фоновых значений для соответствующего возраста (μ₀(τ_s)), доза на Т-лимфоциты находится по формуле:

 (6)

Поскольку свободный член С обусловлен в основном частотой фоновых транслокаций, то выражение [С – μ₀(τ_s)] принимается близким к нулю, поэтому:

 (7)

Ниже рассматриваются подходы к оценкам коэффициентов α.

Оценки параметра α, полученные при остром внешнем гамма-облучении лимфоцитов доноров in vitro

В последнее время появился ряд исследований, направленных на получение калибровочных кривых для транслокаций, оцененных методом FISH при условии стандартизации [1][9][20], которая предполагает острое облучение, применение линейно-квадратичной модели, стандартные статистические подходы и т.д. Для использования параметров этих зависимостей для ретроспективной дозиметрии нужно, чтобы транслокации были просчитаны в стабильных клетках, где отсутствуют нестабильные аберрации, препятствующие прохождению клеточного цикла. Поскольку при пролонгированном облучении зависимость выхода транслокаций от дозы близка к линейной, то из полученных параметров линейно-квадратичной зависимости для перехода от частоты транслокаций к дозе на лимфоциты следует рассмотреть линейный коэффициент α.

В статье [9] приводится обзор параметров калибровочных кривых для транслокаций (определяли коэффициенты α и β линейно-квадратичной зависимости), полученных методом FISH после вычитания фоновых значений. Такие работы единичны, они также отличаются подходами к учету транслокаций (Tr). В таблице 1 приведены результаты наиболее подходящих цитогенетических исследований, где коэффициент α был статистически значимо определен при облучении лимфоцитов in vitro. Во всех случаях авторы проводили облучение донорской крови от источника ⁶⁰Co с высокой мощностью дозы, время облучения — минуты, доза-эффект описывалась линейно-квадратичной зависимостью (формула 1). Как следует из таблицы 1, разброс значений α значительный (от 0,012 до 0,0447), при этом медианное значение равно 0,0178 (95% 0,012–0,044) Tr/GE на Гр.

Оценки параметра α, полученные при облучении человека in vivo

При облучении in vivo доза на Т-лимфоциты и другие органы рассчитывается на основе дозиметрических измерений. При этом измерения дозы проводятся не непосредственно в клетках или тканях-мишенях, а с помощью расположенного близко к телу дозиметра (у профессионалов), или при измерении содержания радионуклида в организме у населения (измерение содержания ⁹⁰Sr в организме жителей прибрежных сел реки Теча), или при восстановлении гамма-полей и спектров излучений, как в случае ядерной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки.

Острое внешнее облучение сложного спектра с высокой мощностью (население Хиросимы и Нагасаки)

При атомной бомбардировке имело место острое однократное облучение населения с высокой мощностью дозы и разной ЛПЭ. Поэтому для анализа дозовой зависимости необходимо вводить коэффициенты, учитывающие относительную биологическую эффективность (ОБЭ) излучения, что вносит дополнительную неопределенность в оценки доз. Кроме того, известно, что плотноионизирующее излучение приводит к большому числу комплексных (сложных) повреждений ДНК и хромосом [18][19]. Это затрудняет прямое использование этих данных для случаев редкоионизирующего излучения. С другой стороны, когорта облученных вследствие атомных бомбардировок является наиболее изученной, поэтому результаты цитогенетических исследований заслуживают внимания. Анализ зависимости от дозы частоты стабильных хромосомных аберраций для жителей Хиросимы и Нагасаки проводился начиная с 60-х годов ХХ века. Результаты публиковались по мере накопления цитогенетических данных и/или улучшения системы расчета индивидуальных доз [31–34]. Анализ цитогенетических данных в интересующем нас ключе (но с использованием рутинной окраски хромосом по Гимзе) был выполнен в работе [34], где в качестве стабильных учитывались реципрокные транслокации, перицентрические инверсии или небольшие делеции (или их комбинации). Подсчитывались транслокации в стабильных клетках, то есть в клетках без дицентриков и колец. Зависимость «доза-эффект» описывалась линейно-квадратичной функцией (формула 1). Всего в исследование включили 1703 человека. Индивидуальные эквивалентные дозы рассчитывались с поправкой на ОБЭ нейтронов и γ-излучения. Максимальные индивидуальные дозы составляли 1,5 Зв. Получены следующие значения линейного коэффициента:

Для жителей Хиросимы α = 0,03915 ± 0,00315 Tr на клетку на Зв.

μ_i = (0,01274 ± 0,01399) +(0,03915 ± 0,00315) D_L + (0,00970 ± 0,00155) D_L².

Для жителей Нагасаки α = 0,02350 ± 0,00246 Tr на клетку на Зв.

μ_i = (0,01274 ± 0,11399) +(0,02350 ± 0,00246) D_L +(0,01870 ± 0,00099) D_L².

В целом эти значения выше, чем те, которые получены для калибровочных кривых (табл. 1), но попадают в диапазон разброса их значений.

Последний анализ данных, полученных с использованием FISH и обновленной версии дозиметрической системы, был выполнен в работе [35]. Учитывались реципрокные и нереципрокные транслокации, вставки (инсерции) и сложные обмены. Рассчитывался относительный показатель частоты транслокаций ERR (excess relative rate) с поправкой на фон. Параметры «доза–эффект» для ERR не могут быть напрямую использованы для количественного сравнения с данными литературы, однако авторами были найдены интересные закономерности. Показано, что линейно-квадратичная зависимость частоты транслокаций (в терминах ERR) от дозы наблюдалась до 1,25 Гр. Далее зависимость имела более сложный характер. Было показано, что возраст на момент облучения является значимым фактором, влияющим на параметры «доза-эффект». Минимальные значения частоты транслокаций на 1 Гр наблюдались в группе детей 0–5 лет, затем частота возрастала и вновь снижалась после 25 лет.

Длительное внешнее γ-облучение с низкой мощностью дозы (профессионалы)

Анализ выполнен в работе [36], в исследование были включены рабочие-мужчины (n = 459), доза до 1,6 Гр (накопленную дозу определяли на основании данных индивидуальных дозиметров как дозу на ККМ). Используя метод FISH, подсчитывали простые транслокации Tr в стабильных клетках в расчете на GE. Данные описывались линейной регрессией (распределение Пуассона по частоте транслокаций проверялось для каждой дозовой группы). Для расчетов использовали модуль AMFIT программы EPICUR: α = 0,01174 ± 0,00164

Эти значения попадают в нижнюю границу интервала оценок коэффициента α по калибровочным кривым in vitro.

Длительное внешнее и внутреннее облучение жителей прибрежных сел реки Теча (Южный Урал) со снижающейся мощностью дозы

Жители прибрежных сел реки Теча пострадали от радиационного воздействия (смешанное γ-, β-облучение с низкой мощностью дозы, как внешнее, так и внутреннее) после сбросов радиоактивных отходов ПО «Маяк» в реку Течу в 50-е годы прошлого века. Внешнее облучение было более выражено в верховьях реки Теча, недалеко от места сбросов радиоактивных отходов. Однако на всем протяжении реки основной вклад в дозу внутреннего облучения ККМ вносили ^89,90Sr. Анализ дозовых зависимостей был выполнен в 2023 г. и подробно описан [37]. Использовали объединенные данные за длительный период исследований с 1994 по 2021 г. (197 доноров, 212 проб крови). Для каждого донора рассчитывали дозу на Т-лимфоциты с учетом возрастной динамки и кинетики Т-клеточных популяций. Учитывали простые транслокации и комплексные обмены в стабильных клетках. Как и в упомянутом выше исследовании [33], зависимость частоты транслокаций от дозы описывали линейной регрессией (распределение Пуассона по частоте транслокаций проверяли для каждой дозовой группы); для расчетов использовали модуль AMFIT программы EPICUR.

В таблице 2 представлены значения линейных коэффициентов α-зависимости «доза-эффект» для доноров разного возраста на момент начала облучения в 1950 г.

Наиболее низкие значения частоты транслокаций на 1 Гр дозы на Т-лимфоциты получены для детей первых лет жизни (табл. 2). Максимальные значения наблюдались в группе от 5 до 18 лет. Данные таблицы 2 не противоречат результатам, полученным in vitro (табл. 1) и in vivo для профессионалов [36]. Следует отметить, что эти данные согласуются с результатами по оценке влияния возраста на момент облучения на частоту транслокаций в японской когорте [35], где наблюдались относительно низкие значения ERR на 1 Гр у детей первых лет жизни, последующее возрастание частоты транслокаций и последующее снижение у взрослых после 25 лет.

Подводя итоги, следует отметить, что описанные в литературе калибровочные кривые in vitro были получены при облучении проб крови с высокой мощностью дозы (облучение длится минуты). В качестве доноров были взяты взрослые люди в возрасте от 25 до 45 лет. Число доноров для построения одной калибровочной кривой невелико (максимум 11 человек [7], из которых для двух доноров были получены резко выпадающие значения, отличающиеся от остальной группы почти в 10 раз). International Organization for Standardization (ISO) [7] рекомендует лабораториям, занимающимся биодозиметрией, разрабатывать собственные калибровочные кривые, учитывающие методы окраски и подсчета транслокаций, принятые в лаборатории, и возрастной диапазон испытуемых. Примерами такой работы можно считать [20][30].

Оценки, полученные in vivo, базируются на исследовании большого числа доноров, но точность дозовых оценок значительно ниже. В этих исследованиях значения параметров могут меняться при усовершенствовании дозиметрических подходов, как это делается при исследованиях японской когорты и исследованиях на реке Тече.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕХОДА ОТ ДОЗЫ НА Т-ЛИМФОЦИТЫ (ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ДОЗЫ) К ДОЗЕ НА КРИТИЧЕСКИЕ ОРГАНЫ И ТКАНИ

В случае неравномерного внутреннего облучения доза на Т-лимфоциты не совпадает с дозой на другие органы и ткани, из которых наибольший интерес представляет доза на ККМ. Коэффициент (B_org) позволяет перейти от дозы на лимфоциты (D_L) к дозе на орган (D_org). Таким образом, с учетом формулы (7) доза на конкретный орган на основе цитогенетических данных будет рассчитываться по формуле:

 (8)

Формирование дозы на различные популяции Т-клеток при длительном внутреннем неравномерном облучении (на примере ⁹⁰Sr)

Если облучение произошло десятилетия назад, то в крови донора находится смесь Т-лимфоцитов, которые являются потомками Т-клеток, облучившихся в разной дозе. Можно выделить две группы Т-лимфоцитов, доза на которые различается наиболее существенно в случае локального облучения ККМ ⁹⁰Sr:

(1) Т-лимфоциты — потомки лимфоцитов, сформированных (вышедших из тимуса) до начала облучения. Их доля может быть весьма существенна, если облучение произошло в подростковом и зрелом возрасте. Несмотря на то что продолжительность жизни отдельных лимфоцитов составляет несколько лет (варьирует в различных субпопуляциях) [38–40], Т-лимфоциты способны пролиферировать в периферических лимфоидных органах, поддерживая количественное постоянство периферического пула Т-клеток [41][42] на фоне резкого возрастного снижения продукции тимуса [39][40][43]. Эти Т-лимфоциты облучаются только при циркуляции в организме, проводя определенное время, в том числе и в костном мозге.

(2) Т-лимфоциты, потомки прогениторов (стволовых клеток), облучившихся в ККМ после попадания ⁹⁰Sr в организм. Дозовая нагрузка на них значительно выше, чем на Т-лимфоциты из первой группы, поскольку ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани и локально облучает ККМ, включая Т-прогениторы. После прохождения стадий дифференцировки, пролиферации в ККМ и в тимусе сформированные Т-лимфоциты продолжают циркулировать в организме, часть из них пролиферирует, и их потомки оказываются в пробе крови донора через десятилетия после начала облучения.

В работах [4][6][37][44] подробно описаны подходы к моделированию динамики и биокинетики Т-клеток на основе концепции Т-клеточного рода, когда единицей моделирования является прогенитор и все его потомки (потенциальные носители стабильной аберрации). Модельные подходы позволяют определить взвешивающие коэффициенты для этих двух групп Т-лимфоцитов и оценивать средневзвешенную дозу на Т-лимфоциты. Оценки опираются на расчеты доз на ККМ и другие органы и ткани на основе дозиметрических и биокинетических моделей для ⁹⁰Sr [45][46].

Оценка коэффициентов перехода от дозы на Т-лимфоциты (D_L) к дозе на критические органы на примере ⁹⁰Sr

Оценка коэффициентов перехода от дозы на Т-лимфоциты к дозе на критические органы (B_org) на примере ⁹⁰Sr была описана нами ранее [10]. Этот коэффициент представляет собой отношение соответствующих дозовых коэффициентов, то есть значений накопленной дозы в случае единичного поступлении радионуклида. Для однократного поступления используется формула:

 (9)

где τ₁ — возраст донора на момент поступления ⁹⁰Sr (лет),

τ_s — возраст донора на момент забора крови для цитогенетического исследования FISH,

ДК_org(sex, τ₁, τ_s) — доза, накопленная в органе org за период времени (τ_s – τ₁) после однократного поступления с пищей 1 Бк ⁹⁰Sr; рассчитывается с использованием дозиметрической [45] и биокинетической моделей [46], учитывающих пол (sex) и возраст индивида;

ДК_L(sex, τ₁, τ_s) — средневзвешенная доза, накопленная за период времени (τ_s – τ₁) в ряду поколений Т-клеток после однократного поступления с пищей 1Бк ⁹⁰Sr; рассчитывается с использованием модели возрастной динамики и кинетики Т-клеток, а также известных значений доз D_org для органов и тканей, где Т-клетки проводят какое-то время [47]; Гр/Бк. Для расчетов использовалась компьютерная программа «Лимфоциты». Численные значения ДК_L(sex, τ₁, τ_s) для ⁹⁰Sr представлены в работе [47].

В случае хронического поступления рассчитывали сумму значений доз от поступления активности A_i(t) в каждый выделенный период времени. Поэтому для B_org имеем:

 (10)

Очевидно, что в случае равномерного поступления значения A_i(t) в числителе и знаменателе формулы (10) сокращаются, поэтому:

 (11)

Однако если хроническое поступление было неравномерным (функция A_i(t) не является константой), коэффициент B_org должен рассчитываться с учетом этой функции.

Численные значения коэффициентов B_org, связывающих дозу на Т-лимфоциты и дозу на ККМ, были рассчитаны и проанализированы для ^89,90Sr (B^Sr_rbm) [10]. Оказалось, что коэффициенты B^Sr_rbm существенно зависят от возраста на момент поступления ^89,90Sr. Чем старше человек на начало облучения, тем в большей мере цитогенетическая доза отличается от дозы на ККМ, так как коэффициент B^Sr_rbm увеличивается с возрастом и может превышать значения 5. Это связано с возрастной динамикой Т-клеточных популяций. Только для новорожденных и детей первых лет жизни правомерно допущение, что цитогенетическая доза соответствует дозе на ККМ, а значения B^Sr_rbm близки к единице.

Пол не оказывает существенного влияния на B^Sr_rbm. Если однородное поступление было растянуто во времени на полгода, то это существенно не влияло на значение B^Sr_rbm. Изучение влияния более длительного поступления ⁹⁰Sr на B^Sr_rbm (до 5 лет) показало, что наиболее чувствительной группой являются подростки 15 лет. Для них различия B^Sr_rbm в случае однократного и 5-летнего равномерного поступления ⁹⁰Sr составляют около 13%.

НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ ОЦЕНОК ДОЗ ПРИ РЕТРОСПЕКТИВНОЙ БИОДОЗИМЕТРИИ, НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В случае острого гамма-облучения всего тела подходы к неопределенности оценки доз подробно описаны в [7]. Учитываются неопределенности всех входящих параметров: неопределенность оценки частоты транслокаций, неопределенность калибровочной кривой и неопределенность оценки фоновой частоты транслокаций, характерной для конкретного возраста. Эти подходы позволяют оценивать границы 95% доверительного интервала (ДИ) дозы облучения Т-лимфоцитов, которая мало отличается от дозы на ККМ и другие органы и ткани. Наиболее простой метод [48] основан на оценках нижней и верхней границы ДИ частоты хромосомных аберраций (в приближении распределения Пуассона) и сопоставления их с ДИ калибровочной кривой. При этом ширина ДИ для частоты хромосомных аберраций выбирается равной 83%, что дает 95% ДИ при переходе к оценке неопределенности доз [49]. Более сложным является метод распространения неопределенностей, или дельта-метод [1][7], который основан на оценках вариаций (и ковариаций) параметров калибровочной кривой и дисперсии частоты аберраций в терминах стандартного отклонения. При этом 95% ДИ оценки дозы рассчитывается в приближении нормального распределения. Это консервативный метод, применяемый, например, при использовании «чужих» калибровочных кривых.

Необходимость перехода от дозы облучения Т-лимфоцитов к дозе на другие органы и ткани актуальна для неравномерного внешнего и внутреннего облучения.

Для случая неравномерного (частичного) внешнего облучения рассматриваются сценарии локального облучения различных сегментов тела человека, содержащих ККМ (например, грудина, область таза, голова и др.). Однако все предложенные статистические методы оценки дозы, накопленной тканями в облученном участке (с оценкой их неопределенности), базируются на анализе дицентриков, то есть должны применяться в короткий период времени после воздействия [1][50]. Методы базируются на использовании «загрязненного» метода Пуассона, который позволяет оценить дозу, учитывая распределение дицентриков среди всех пораженных клеток, и дает дополнительную информацию об облучаемом объеме тела и ККМ. Вышеназванные методы, в частности, с использованием Байесовского подхода [51], реализованы в компьютерных программах BiodoseTool, DoseEstimate, CABAS [50–53]. Применимость этих статистических методов для ретроспективной дозиметрии внутреннего облучения (с использованием частоты транслокаций) вызывает большие сомнения, поскольку, как отмечалось выше, к моменту забора крови различные субпопуляции лимфоцитов накопили разные дозы в зависимости возраста донора на момент поступления ⁹⁰Sr, и распределение Пуассона невозможно разделить на две составляющие.

При неравномерном внутреннем облучении, как в случае с ⁹⁰Sr, суммарная неопределенность должна включать в том числе неопределенность оценок коэффициента B_org (формула 11). В настоящее время подходы к ее оценке разрабатываются. Это является одним из важных направлений нашей работы. Следует отметить, что свой вклад в неопределенность дозовых оценок вносят индивидуальные различия доноров по способности репарировать повреждения ДНК (индивидуальные различия в эффективности ферментов репарации), а также стиль жизни доноров, который определяет встречаемость иных эндогенных и экзогенных факторов, влияющих на фоновую частоту транслокаций.

Суммарная неопределенность определяет порог индивидуальных доз, которые можно детектировать с использованием метода FISH (минимально детектируемая величина). В обзоре Edwards et al. [26] указывается, что с применением FISH могут быть измерены надфоновые индивидуальные дозы порядка 0,5 Гр. В целом в обзорах по применению методов ретроспективной дозиметрии отмечается детектируемая величина индивидуальной дозы 0,25–0,3 Гр [54–57] или 0,25–0,4 Гр [3]. Для случая внутреннего облучения ⁹⁰Sr эта величина должна быть ожидаемо выше.

Для целей ретроспективной дозиметрии востребованы не только индивидуальные, но и среднегрупповые оценки доз с использованием метода FISH. Такие оценки используются в случае радиационных аварий, в которых пострадали большие группы населения, или есть необходимость оценить средние дозы в каком-либо населенном пункте с условно равномерным уровнем загрязнения/облучения. При таком среднегрупповом подходе суммируется общее число транслокаций, обнаруженных у всех доноров из группы, а также суммируется число фоновых транслокаций в соответствии с возрастом каждого донора группы. Разность этих показателей считается радиационно индуцируемыми транслокациями и относится к общему числу просчитанных в группе геном-эквивалентов. Такой подход позволяет избежать нулевых и отрицательных значений, которые часто возникают при вычитании фона на индивидуальном уровне при низких дозах облучения, что позволяет значительно снизить порог обнаружения надфоновой дозы. Однако среднегрупповой подход требует тщательного формирования групп с максимально схожими условиями облучения.

Среднегрупповые оценки могут быть также использованы для валидации индивидуализированных дозовых оценок, полученных с использованием моделей и/или других методов ретроспективной дозиметрии, к которым относятся: восстановление внешней дозы в органах и тканях человека по уровню загрязнения почвы (включает расчеты с использованием фантомов тела человека); восстановление внутренних доз по загрязнению рационов питания (включают использование дозиметрических и биокинетических моделей); использование других методов биодозиметрии, таких как метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) применительно к эмали зубов; дозиметрия с использованием материалов, чувствительных к ионизирующему излучению (например, термолюминесцентная дозиметрия с использованием образцов керамики). Примером использования цитогенетических данных для целей валидации доз внешнего облучения являются исследования на реке Тече [58][59], где показана хорошая сходимость результатов оценки доз облучения членов эпидемиологических когорт, оцененных на основе прямых измерений гамма-полей, моделей облучения тела человека, данных цитогенетических исследований FISH, исследований зубной эмали методом ЭПР и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Переход от частоты транслокаций к дозовым оценкам является сложной задачей, особенно в случае неравномерного внутреннего облучения с низкой мощностью дозы. Коэффициенты перехода от частоты хромосомных транслокаций к дозе на Т-лимфоциты (α) и далее от дозы на Т-лимфоциты к дозе на органы и ткани (B_org) определяются по независимым наборам данных и опираются на разные подходы.

Коэффициент α требует экспериментального определения параметров калибровочных кривых, его оценки широко варьируют, зачастую отличаясь в разы; кроме того, значения зависят от конкретной методики FISH. Не описаны калибровочные кривые, полученные in vitro, для детей и подростков на время облучения, хотя параметры для них могут отличаться от параметров для взрослых. Нет калибровочных кривых, полученных in vitro, при длительном облучении с низкой мощностью дозы. Ввиду небольшого числа доноров кривые могут давать систематическое смещение параметров «доза-эффект».

Оценка коэффициента B_org опирается на набор моделей, которые, в свою очередь, базируются на большом объеме экспериментальных данных по физиологии человека, его минеральном обмене, анатомическом строении органов и т.д. Коэффициенты существенно зависят от возраста на момент облучения. На настоящий момент остаются не разработанными подходы к оценке их неопределенностей.