УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
RADIATION PROTECTOR FOR BIOLOGICAL OBJECTS IN EXPERIMENT

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для тотальной защиты биологических объектов, т.е. для радиозащиты всего тела. Такая защита может понадобиться в некоторых производственных ситуациях, когда тело человека подверглось случайному воздействию ионизирующего излучения или для обработки пострадавших людей после радиационных аварий. Устройство может быть использовано также в процессе лучевой терапии при лечении онкологических заболеваний, когда поверхность облученного участка тела большая или у больного наблюдается угнетенное кроветворение.
2
2
Известно изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ" (патент на изобретение RU 2428228 С2). Суть этого изобретения состоит в том, что создано устройство лазерного облучения биологических объектов при повреждающем действии на них ионизирующего излучения в эксперименте. Устройство включает излучатель и блок питания - адаптер. Излучатель состоит из лазерного модуля с длиной волны 650 нм и рассеивающей линзы. Между блоком питания и излучателем расположен переменный резистор. На входе питания устройства находится подключенный к адаптеру таймер. На таймере установлено время, обеспечивающее облучение биологических объектов дозой лазерного излучения в 1 мДж/см. Использование устройства позволяет облучить объекты в точной эффективной дозе. Это устройство идеально подходит для радиозащиты какой-либо области тела, в частности кожного покрова или слизистых оболочек носоглотки или ротоглотки и языка. Такая необходимость нередко возникает в процессе лучевой терапии или хирургии онкологических заболеваний, а также в некоторых производственных ситуациях, когда какая-то часть тела человека подверглась случайному воздействию ионизирующего излучения. Несмотря на то что один запуск, который занимает всего несколько секунд, достаточен для облучения сегмента тела площадью ≈25 см, данный вариант устройства не очень удобен для радиозащитного облучения всего тела человека.
Техническая задача изобретения состоит в увеличении площади радиационной защиты биологического объекта за один запуск устройства.
2
2
2
Ранее нами было показано (1), что для оказания на биологические объекты радиозащитного действия с помощью лазерного излучения с длиной волны 633 нм не обязательно облучить всю поверхность биологических объектов, нуждающихся в радиозащите. В указанной работе монослой клеток фибробластов, выращенный на поверхности стенки пластикового флакона, подвергали гамма-облучению, затем лазерным излучением облучали всю поверхность стенки флакона (25 см) или только ее центральную часть с площадью 1 см (для изучения возможности передачи радиозащитного действия лазерного излучения по типу "bystander" эффекта (2)). Проведенные эксперименты показали, что независимо от размера поверхности монослоя клеток, облученной лазером, наблюдается практически одинаковый радиозащитный эффект лазерного излучения. Эти результаты показали возможность передачи радиозащитного воздействия лазерного излучения по механизму "bystander" эффекта. Этот эффект был использован при создании вышеуказанного устройства (патент на изобретение RU 2428228 С2, 10.09.2011). Однако позже нами были проведены подобные эксперименты с использованием лазерных излучений (633 нм) разной мощности, а также флаконы для выращивания клеток фибробластов большого размера - площадь поверхности стенки флакона, на которой выращивали монослой клеток, имела размер 75 см. Результаты этих экспериментов приведены в таблице 1 (неопубликованные результаты).
2
2
Из таблицы хорошо видно, что величина получаемого радиозащитного эффекта не зависит от мощности лазера, а также от размера облучаемой лазерным излучением поверхности. Кроме того, показано, что для радиозащиты всего клеточного монослоя лазерному воздействию можно подвергать только центральную часть монослоя фибробластов размером 1 см даже при общей поврежденной ионизирующим излучением поверхности 75 см. В связи с этим хочется отметить, что в настоящее время нет никаких научных данных о максимально возможном расстоянии передачи по механизму "bystander" эффeктa даже для повреждающего воздействия ионизирующих излучений.
Очень важно отметить в данной заявке факт, что для достижения оптимального радиозащитного воздействия на клетки фибробластов важна доза облучения, но не мощность дозы. Если обратить внимание на формулу изобретения RU 2330695 С2 -"Способ защиты в эксперименте от повреждающего действия ионизирующего излучения", то можно увидеть, что там фигурирует конкретная мощность дозы - 0,5 мВт.
Хорошо известно, что одной из наиболее быстро возникающих и закономерно протекающих реакций организма на воздействие ионизирующего излучения является реакция кроветворной системы, поэтому большой интерес представляет исследование воздействия лазерного излучения на митотический индекс (показатель митотической активности) клеток костного мозга.
Таблица 1
Значения выживаемости клеток С3Н10Т1/2 при различных условиях облучения
Доза облучения гамма-лучами, Гр
Мощность лазерного излучения, Вт
Доза облучения лазерным излучением, мДж/см<sup>2</sup>
Размер поверхности флакона, облученного лазерным излучением, см<sup>2</sup>
Выживаемость, %
4
0
0
26,3±1,3
4
0,5
0,99
1
49,4±2
4
0,5
0,99
75
48±3,4
4
0,7
0,99
1
50,3±5,2
4
0,7
0,99
75
52±4,4
В связи с этим нами было исследовано также действие γ-лучей в дозах 3 Гр и 5 Гр, а также комбинированного действия лазерного излучения с длиной волны 650 нм (использовали "УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ" - патент на изобретение RU 2428228 С2, 10.09.2011) и гамма-излучения на общий митотический индекс клеток костного мозга (митотический индекс всех ядросодержащих клеток костного мозга) мышей линии C57BL/6 (3). Оказалось, что митотическая активность клеток костного мозга мышей, облученных только лазерным излучением, а также мышей, облученных лазерными и γ-лучами, на 15 сутки выше активности клеток интактных мышей. Через год после облучения митотический индекс клеток костного мозга комбинированно облученных мышей был выше, чем у мышей, облученных только гамма-излучением. Полученные результаты показывают, что лазерное излучение красной спектральной области не только улучшает восстановление кроветворения после воздействия на биологические объекты ионизирующих излучений, как было показано нами ранее [4], но и повышает митотическую активность клеток костного мозга. Необходимо также отметить, что угнетенное кроветворение - одно из наиболее серьезных последствий радиационного облучения человека. Поэтому в терапии лучевых поражений чрезвычайно важную роль играют процедуры и лекарственные средства, способные восстановить кроветворные функции организма. Для этого применяют пересадку костного мозга, переливание крови, а также лекарственные препараты. В связи этим способность лазерного излучения повышать митотическую активность клеток костного мозга может найти применение как в радиационной защите, так и терапии лучевой болезни.
2
На основании всего вышеприведенного, нами был создан новый излучатель для предлагаемого устройства. Учитывая результаты, приведенные в таблице 1 по "bystander" эффекту, мы сконструировали излучатель, который состоит из четырех излучающих узлов, включающих лазерные модули с длиной волны 650 нм, имеющие одинаковую мощность благодаря индивидуальным переменным резисторам, через которые они подключены к адаптеру, и рассеивающие линзы. Каждый из этих излучающих узлов при одном запуске устройства может защитить от воздействия ионизирующего излучения площадь тела размером 75 см.
2
Сущность предложенного решения состоит в том, что излучатель нового устройства для радиационной защиты биологических объектов в эксперименте состоит из четырех излучающих узлов, каждый из которых содержит лазерный модуль с длиной волны 650 нм и рассеивающую линзу, при этом лазерные модули имеют одинаковую мощность благодаря индивидуальным переменным резисторам, через которые они подключены к адаптеру, а на входе питания устройства находится таймер, связанный с кнопкой запуска и подключенный к выходу адаптера исполнительными контактами, на котором установлено время, обеспечивающее облучение биологических объектов дозой лазерного излучения в 1 мДж/см при определенном, указанном на приборе расстоянии излучателя от облучаемого объекта.
2
2
Такое изменение конструкции излучателя привело к следующему положительному эффекту: за один запуск, который также как и в случае предыдущего изобретения (УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ЗАЩИТЫ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ" - патент на изобретение RU 2428228 С2, 10.09.2011) занимает всего несколько секунд, позволяет защитить от воздействия ионизирующего излучения площадь тела размером не 25 см, а ≈300 см.
Излучатель имеет форму линейки размером 600×47×29 мм (фиг.2). Такая форма удобна при облучении спины человека для повышения митотической активности клеток костного мозга.
На фиг.1 показана предложенная схема устройства для профилактики биологических объектов при радиационных поражениях в эксперименте, где
1 - Таймер;
2 - Блок питания - адаптер;
3 - Кнопка запуска;
4 - Лазерный модуль;
5 - Рассеивающая линза;
6 - Переменный резистор;
7 - Излучающий узел;
8  - Панель излучателя, включающая четыре излучающих узла.
Устройство работает следующим образом. Перед запуском устройство находится в режиме ожидания, таймер (1) и сетевой адаптер (2) обесточены. При нажатии кнопки «запуск» (3) на реле таймера подается напряжение промышленной сети ≈220 В, вследствие чего коммутируются контакты реле, которые замыкают цепь питания адаптера. Выходное напряжение адаптера +4 В через переменные резисторы (6) подается на лазерные модули (4), которые расположены в излучающих узлах (7). Лазерные модули начинают генерировать оптическое излучение, которое, проходя через рассеивающую линзу (5), выходит из излучающего узла. После отсчета заданного времени таймер отключается, и подача напряжения на лазерные модули прекращается.
Излучатель состоит из четырех излучающих узлов, в каждый из которых вмонтированы лазерный модуль, рассеивающая линза и переменный резистор для настройки мощности излучения лазерного модуля.
Наличие рассеивающей линзы в излучающем узле обеспечивает на выходе из него расширяющийся лазерный пучок, имеющий разные размеры в зависимости от расстояния от излучателя.
Наличие переменного резистора в каждом из четырех излучающих узлов позволяет точно настроить и фиксировать мощность излучения лазерного модуля данного узла.
Все четыре лазерных модуля, находящиеся в четырех излучающих узлах панели излучателя, настраиваются и фиксируются на одну (одинаковую) мощность излучения.
Питание к панели излучателя подается через переходной разъем от адаптера.
На приборе указано расстояние от излучателя до биологического объекта, на котором значение площади лазерного пучка (S), обеспечивает необходимую плотность энергии (Р) при имеющейся мощности лазерного излучения (J) и времени облучения лазером (t). Формула зависимости между вышеуказанными параметрами:
2
S=tJ/Р, где t - время облучения лазером, S=πr - площадь лазерного пучка в точке облучения, J - мощность излучения, Р - плотность энергии.
На фиг.2 представлено фото конкретного исполнения данного устройства. В данном образце устройства использованы:
таймер - TH3D-NA 1-999 с;
блок питания - адаптер - ROBITON SN 1000S (1,5-12 В, 1 А, 12 Вт);
лазерные модули - IF75-05PF;
рассеивающие оптические линзы из оргстекла с диаметром - 6,5 мм;
переменные резисторы - СП-22 1 Вт;
панель излучателя выполнена из оргстекла с внешними размерами 600×47×29 мм. Для измерения мощности излучателя использовали измеритель мощности лазерного излучения LP 1.
2
В данном исполнении устройство выдает лазерное излучение мощностью 0,8 мВт и позволяет на расстоянии 64 см от излучателя (диаметр расширенного с помощью рассеивающей линзы лазерного пучка в точке облучения составляет ~2,6 см) за 7 секунд облучить биологический объект в нужной для радиозащиты дозе в 1 мДж/см. К задней стороне панели излучателя прикреплена ручка (держатель, переноска).
Такое техническое решение позволяет в случае необходимости облучения с целью радиозащитного воздействия лазерным излучением большого количества сегментов биологического объекта свободно перемещать излучатель.
В перспективе можно создать подобное устройство с излучателем, который состоит из большего количества излучающих узлов, позволяющего за один запуск облучить все тело человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. К.Ш.Восканян, Г.В.Мицын, В.Н.Гаевский. Некоторые особенности комбинированного действия гамма-лучей и лазерного излучения на выживаемость мышиных фибробластов IN VITRO // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2009, т.43, №2, с.32-37.
2. Hall E.J. The bystander effect // Health Phys. 2003. Jul; 85(1). P. 31-35.
3. Karine Voskanyan, Svetlana Vorozhtsova, Alia Abrosimova, Gennady Mitsyn and Victor Gaevsky. Laser Device for the Protection of Biological Objects from the Damaging Action of Ionizing Radiation // Journal of Physical Science and Application 2 (6) (2012) 152-157.
4. Восканян К.Ш., Ворожцова С.В., Абросимова А.Н., Мицын Г.В., Гаевский В.Н., Шипулин К.Н. Модификация воздействия гамма-излучения на уровень гемоглобина и лейкоцитов периферической крови и кариоцит костного мозга мышей лазерным излучением красной спектральной области // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2010. Т. 44. №5. С.33-37.