Проведенные нами научно-исследовательские работы в лаборатории сравнительной радиочувствительности Института биофизики АН СССР (с 1969-1990 г.г.), а затем в лаборатории радиационной биофизики Института биофизики клетки РАН (1990-2009 г.г.) позволили нам получить ряд новых экспериментальных данных и составить определенные представления о различных проблемах в области радиобиологии: 1. О закономерностях формирования и механизмах действия острого радиационного поражения, возможностях и путях его профилактики и лечения, действия вторичных биогенных излучений (ВБИ). 2. О закономерностях развития радиационных последствий (онкологических заболеваний) на тканевом, клеточном и молекулярном уровнях, которое можно описать «потенциально-патологическими кругами» взаимосвязанных процессов. 3. Об определяющей роли в радиационных последствиях специфических и неспецифических по отношению к ионизирующей радиации процессов, связанных с нарушением ионного гомеостаза, структуры ДНК, синтеза АТФ и путей регуляции в различных физиологических и внутриклеточных системах. 4. О значении для профилактики и терапии радиационных последствий адаптивных процессов и регенерации клеток в костном мозге, стволовых клетках, периферической крови, эндокринных органах, в иммунной, ретикулоэндотелиальной и центральной нервной системе. 5. О механизмах действия модификаторов биологических мембран и ДНК (РНК) (радиопротекторов, радиосенсибилизаторов, антиоксидантов), методах тестирования и синтеза более эффективных и менее токсичных соединений для защиты от γ- и электромагнитных излучений (ЭМИ). 6. О механизмах действия низкоинтенсивного радиочастотного ЭМИ на водную фазу и на различных уровнях организации живой системы - молекулярном (ферменты, в т.ч. моноаминооксидаза мозга, ионный транспорт, белки, липиды), субклеточном (мембраны, митохондрии), клеточном (эритроциты), тканевом (АКЭ, нейроны, синапсы) и организменном (семена, растения, животные). 7. О некоторых вопросах фундаментальных исследований по космической биофизике - об изменении биоритмов, о влиянии реликтового и солнечного излучения на биосферу Земли, о естественнонаучных законах зарождения жизни в космосе и на Земле, путях увеличения ее продолжительности и устойчивости биологических систем. 8. О биологическом действии сверхжесткой компоненты космического излучения, моделируемой на Серпуховском протонном ускорителе (коллайдере) с энергией до 76 ГэВ, состоящей из ядерноактивных частиц, в том числе адронов высоких энергий (АВЭ), в космосе представленных в основном протонами.
Нами было исследовано действие различных физических факторов на биологические системы и целый организм. Мы исследовали влияние низкоинтенсивного радиочастотного ЭМИ на активность фермента моноаминооксидазы (МАО) мозга, играющего важную роль в метаболическом и функциональном состоянии организма. МАО осуществляет защиту митохондрий (энергетических станций клетки) от деэнергизации при высоких эндогенных концентрациях катехоламинов. Локализация фермента на наружной мембране митохондрий определяет его высокую чувствительность к факторам внешней и внутренней сред организма. МАО играет в клетке защитную роль, окисляя катехоламины по пути, отличному от их свободного окисления и удаляя избыточное количество катехоламинов, при котором уровень образованных из катехоламинов как мономеров нейромеланинов высок и, резонансно воспринимая энергию ЭМИ, они вызывают дегенерацию нейронов и ишемический церебральный инсульт. МАО является сверхчувствительным ферментом нервной регуляции, ответственным за регуляцию уровня нескольких нейромедиаторов - катехоламинов (дофамина, норадреналина, адреналина) и серотонина, поэтому его активность может определять проведение нервного импульса, поддержание нормального функционального состояния мозга. При изучении влияния низкоинтенсивного (10 мкВт/см2) радиочастотного (915 МГц) ЭМИ в опытах in vivo и in vitro на ферментную систему дезаминирования моноаминов и интегральную деятельность мозга нами была выявлена зависимость активности фермента МАО гипоталамуса от частоты модуляции ЭМИ (2-20 Гц). ЭМИ с частотой модуляции 4, 6 и 12 Гц увеличивали активность МАО на 45% (4 Гц) и 60% (6 и 12 Гц), а 16 и 20 Гц понижали ее на 30%. Обнаружена корреляция действия ЭМИ определенной частоты модуляции на активность МАО и эмоциональное поведение животных. При частотах модуляции 4 и 6 Гц наблюдалось эмоционально положительное, а при 20 Гц, наоборот, эмоционально негативное состояние животных, связанные с интегративной деятельностью мозга. Возможность регуляции активности МАО адренергической системой мозга с помощью модулированного сверхслабого ЭМИ имеет важное значение для проявления поведенческих реакций и повышения индивидуальной устойчивости организма в экстремальных условиях.
Биологическая активность воды и водных растворов электролитов, электрохимически активированных (ЭХА) в электролизере, сохранялась во времени более длительное время, чем при воздействии ЭМИ - в основном в течение трех суток (до месяца). Активность проявлялась в стимуляции прорастания семян католитом и анолитом бидистиллированной воды, католитом электролита NaCl и ингибировании - анолитом электролита. Активность воды и растворов была обусловлена сложным комплексом воздействий ионов, молекул и радикалов, образующихся на электродах, а «память» - сохранением этих компонентов и измененной пространственной структуры воды во времени. Скорость уменьшения активности растворов увеличивалась при их перемешивании, снижалась при понижении температуры и увеличении их минерализации, в закрытых сосудах с меньшей площадью поверхности среды. ЭХА растворы применяются в медицине, сельском хозяйстве и технике. Терапевтическое действие катодной воды обусловлено сильными антиоксидантными свойствами воды, влияние анодной воды - окислительными.
В последние годы было предпринято сравнительное изучение особенностей и механизмов действия АВЭ и γ-облучения. Они сходны своими ионизирующими, свойствами, способностью существенно стимулировать перекисное окисление липидов и вызывать электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия материальных объектов, но не гравитационные. Адронные взаимодействия, в отличие от γ-излучения, приводят к распаду ядер любого химического элемента и рождению до сотен заряженных вторичных частиц с необычными химическими и биологическими свойствами, в том числе тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ). Мы полагаем, что АВЭ, взаимодействуя с химическими элементами в вакууме или разряженной атмосфере, могли бы инициировать возникновение молекул воды, белков, липидов, АДФ-АТФ, РНК-ДНК как в космосе, так и на Земле на начальных этапах зарождения жизни. Биологический эффект АВЭ, в отличие от γ-излучения, не зависит от дозы, интенсивности и времени облучения биологического объекта. В отдельных случаях биологические эффекты адронов могут зависеть от времени - продолжительности космического полета. АВЭ и ТЗЧ обладают локальным характером действия. АВЭ вызывают редкие, но значительные макролокальные повреждения на уровне тканей и целых организмов, вызывая, например, гибель клеток бактериофага Т4Br+ в наших экспериментах. Воздействие ТЗЧ на фагочастицы проявлялось в виде специфических макроповреждений ДНК (протяженных и множественных делеций), известны значительные множественные микролокальные повреждения на уровне субклеточных структур (мембран). γ-излучение не оказывало макролокальных изменений в клетках Т4Br+ и обладало иным микролокальным мутагенным действием. Высокая локальная биологическая эффективность АВЭ связана с большой плотностью ионизационных треков в локальных участках начальной части узкого пучка вторичных частиц, получаемых на ускорителе. Ионизация и выделение тепла при действии γ-облучения в высоких дозах происходит равномерно и менее эффективно в объеме клеток и тканей. Соматические и цитогенетические тесты (Юров и др., 2008; Кожокару и др., 2008) (множественные аберрантные клетки, крупные и протяженные делеции) позволили рассчитать величины относительной биологической эффективности, показавшие более высокую эффективность АВЭ для неметаболизирующих бактериофагах Т4Вг+ по сравнению с метаболизирующими объектами (бакте-рии, растения). Известно, что эффект γ-излучения на метаболизирующие и пролиферирующие клетки и ткани, наоборот, выше, что свидетельствует о различном механизме действия АВЭ и γ-излучения.
Эксперименты, проведенные нами на семенах томатов, экспонированных в условиях длительного орбитального полета на космическом комплексе «Мир» показало, что биологические объекты не могут быть полностью изолированы от действия жестких космических излучений. У полетных семян значительно снижалась всхожесть - на 31,5 % (от 58,3% в контроле) и в 3 раза увеличивалось количество генетических мутаций, выявленных у растений, полученных из семян, прорастание которых на 48,2% (до 75%) было индуцировано с помощью вторичного биогенного излучения (ВБИ), исходящего от культуры дрожжей Sporobolomyces alborubescens Derx., облученной низкими дозами γ-излучения 137Cs 10-2 - 5.10-8 сГр, сравнимого с природным радиационным фоном. Эти условно-летальные мутации обнаружены морфологическими и генетическими исследованиями. Среди них выявлены специфические мутации. ВБИ - это электромагнитное биополе живых организмов, которое увеличивается при облучении и передается через воздушную среду и стекло. Нами впервые разработана концепция реликтового излучения, которая объясняет образование ВБИ, изменчивость (мутагенез) и устойчивость (консерватизм) биологического вида.
Важным этапом является поиск эффективных средств защиты от физических факторов окружающей среды - высокоинтенсивных ЭМИ, сублетальных и сверхлетальных доз γ-излучения, АВЭ, ТЗЧ, стрессовых воздействий, высоких и сверхнизких температур. Нами был разработан и апробирован «Комплексный биофизический экспресс-метод исследования первичных механизмов действия радиации и биологически активных соединений», проявляющих специфическое радиопротекторное и радиосенсибилизирующее действие на ионный транспорт и эффективность образования энергии в биологических мембранах клеток, а также неспецифическое - на биологические системы различного уровня организации. Для повышения общей устойчивости клеток, клеточных систем и целого организма к физическим и химическим факторам окружающей среды удалось найти пути направленной модификации структурно-функционального состояния бислойных липидных нативных мембран с помощью общих биофизических подходов к проблеме и направленного синтеза эффективных и малотоксичных препаратов. Поиск защиты от АВЭ, от которых нет надежной защиты, затруднен в связи с тем, что биообъекты обладают неэффективными репарационными системами и эволюционно не приспособлены к воздействию этого фактора в земных условиях, в связи с вариабельностью результатов. Нами был получен достаточно высокий антимутагенный радиозащитный эффект от γ-излучения и АВЭ в дозе 0,2-10 Гр при выращивании бактерий E.coli и бактериофага Т4Br+ в пептонном бульоне. Действие антиоксидантов оказалось также более эффективным при защите от γ-излучения, чем от АВЭ. При γ-облучении белых беспородных мышей в летальной дозе 7,5 Гр дибунол в концентрации 10-4 -10-5 М на 60-70% увеличивал выживаемость животных, а убихиноны Q-6, Q-9, Q-10 в ДМСО в концентрации 10-2 М при введении за час до облучения - на 80-90%. Был показан высокий профилактический и терапевтический эффект также для других природных нетоксических антиоксидантов при действии сублетальных и летальных доз γ-облучения 5-8 Гр - эхинохрома, бетта-каротина, ликопина, флавонолов, антоцианов и дигидрокверцетина, взятых в концентрации 10-6 - 10-3 М. Для антиоксидантов первичные механизмы действия на молекулярно-клеточном уровне реализуются в их способности связывать свободные радикалы. Экзогенные и эндогенные природные вещества (гликозиды, сапонины в составе женьшеня, элеутерококка, флавоноиды и др.), являющиеся адаптогенами и актопротекторами, могут осуществлять субстратную, энергетическую и регуляторную функцию, они регулируют транспорт ионов Са2+, К+, Na+, Cl-, изменяют структуру липидной части мембран, активируют ферменты и пролиферацию клеток. Первичное действие исследованных нами разобщителей проявлялось в увеличении протонной проводимости, ингибировании окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ в мембранах митохондрий и хлоропластов, что подтверждало хемиосмотическую гипотезу Нобелевского лауреата П.Митчела. Низкие нетоксические концентрации (10-9-10-5 М) высокоэффективных синтетических разобщителей (замещенные салициланилиды, одно- и двухосновные кислоты, бензимидазолы, нитрофураны) и различные концентрации (10-4-10-3 М) низкоэффективных разобщителей (эпигаллокатехины, полифенолы) in vitro стимулировали дыхание митохондрий, незначительно ингибировали синтез АТФ, вызывая в организме незначительный «окислительный стресс», активируя защитные силы и межсистемные пути запасания энергии. При высоких концентрациях эффективных разобщителей (10-3-10-1 М), снижающих дыхательную активность митохондрий, синтез АТФ ингибируется значительно и необратимо, эти концентрации являются токсическими для метаболизма живого организма. Среди синтетических и природных веществ с низкой токсичностью обнаружены анестетики, радиозащитные, адаптогенные, противоопухолевые и бактерицидные препараты, обладающие пролонгированностью действия и высоким протекторным индексом. Воздействуя на молекулы воды и рецепторы, препараты, обладающие донорно-акцепторными свойствами, способны направленно изменять ряд биофизических параметров биомембран - протонную проводимость, электропроводность, микровязкость. Эффективность соединений зависела от концентрации, химической структуры, наличия и коэффициента подвижности диссоциированных форм в мембране, коэффициента их распределения липид/вода (Кожокару А.Ф.1976; 1992; 2002; 2008). Нами показано также радиозащитное и противоопухолевое действие низкоинтенсивных (ППМ 5 мкВт/см2), модулированных низкими частотами ЭМИ см и мм диапазона от различных генераторов, сконструированных по нашему заказу.