Радиационные риски смертности и сокращение

Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
Радиационные риски смертности и сокращение продолжительности
жизни γ-облучённых в малых дозах дафний
Сарапульцева Е.И., Горский А.И.1, Малина Ю.Ю.
Институт атомной энергетики Национального исследовательского ядерного
университета «МИФИ», Обнинск;
1
ФГБУ МРНЦ Минздравсоцразвития России, Обнинск
Представлены результаты ежедневных наблюдений за популяциями рачков Daphnia magna,
облучёнными в дозах 0,01; 0,1 и 1,0 Гр. Проведён анализ выживаемости дафний с использованием таблиц дожития. Сопоставлена динамика доли выживших после острого γ-облучения
дафний и продолжительности жизни. Дозы облучения 0,1 и 1,0 Гр приводят к значимому увеличению риска смертности дафний и сокращению продолжительности их жизни.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, малые дозы, радиационные риски, продолжительность жизни, Daphnia magna.
Введение
Вопрос о влиянии малых радиационных воздействий на продолжительность жизни животных и человека в настоящее время далёк от разрешения. Прежде всего, это связано с требованием больших объёмов наблюдений для получения достаточной статистической мощности
эксперимента. Требуемые объёмы можно достичь, увеличивая численность популяции или
время наблюдения, что, в свою очередь, связано с техническими и финансовыми проблемами.
В этой связи особый интерес может представлять обнаруженное нами ранее устойчивое
повышение вероятности гибели рачков Daphnia magna после острого γ-облучения в дозах (0,1;
1,0 и 20 Гр), которые имеют сравнительно короткий период жизни (2-3 месяца) [2, 4-6, 10, 11].
В представленном исследовании анализируется дозовая зависимость продолжительности жизни популяции дафний и риска смертности после острого γ-облучения рачков в дозах
0,01; 0,1 и 1,0 Гр.
Материалы и методы
Продолжительность жизни D.magna в лабораторных условиях составляет 2-3 месяца.
Полулетальная доза (LD50) – около 100 Гр [7]. Размножение дафний осуществляется путём партеногенеза [8], что обеспечивает генетическую однородность популяций и, тем самым, снижает
разброс получаемых результатов.
Односуточных рачков облучали на установке «Луч-1» (Латвия,
60
Co, 21 сГр/мин) в дозах
0,01; 0,1 и 1,0 Гр. Облучение дафний проводили в пластиковых пробирках в объёме 10 мл воды
по 5 особей, а дальнейшее культивирование – в стеклянных лабораторных стаканах со 100 мл
о
водопроводной отстоянной воды при оптимальной температуре 20±2 С и постоянном освещеСарапульцева Е.И.* – доцент, к.б.н., Обнинский ИАЭ НЯУ «МИФИ»; Горский А.И. – с.н.с., к.ф.-м.н., ФГБУ МРНЦ Минздравсоцразвития
России; Малина Ю.Ю. – аспирант, Обнинский ИАЭ НЯУ «МИФИ».
*Контакты: 249040, Обнинск Калужской обл., Студгородок, 1. Тел.: +7(48439) 9-60-42; e-mail: [email protected].
34
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
нии лампой дневного света. Воду в стаканах обновляли 2 раза в неделю. Кормили раз в сутки
суспензией водорослей из расчёта 100 мкл (плотность 600-1000 млн кл/мл) на 100 мл воды.
Контрольная популяция дафний находилась в таких же условиях, что и опытные рачки, но облучению не подвергалась. В каждой выборке было по 40 дафний. Наблюдали за облучёнными и
контрольными дафниями ежедневно до полного вымирания особей – в данном эксперименте
до 90 сут.
Для анализа полученных результатов был применён метод Каплана-Мейера, описанный,
например, в работе K. Rothman & S. Greenland [9]. Весь период наблюдения М был разбит на κ
временных интервалов (стратификация по времени, в нашем случае – сутки). Предположим,
что для облучённых и необлучённых особей имеется вероятность sk пройти κ-ый интервал
времени и не погибнуть. Число умерших дафний в период времени tk равно Аk. Тогда число
выживших рачков в этот период времени равно Bk, а Nk = Ak+Bk – число наблюдаемых дафний
в период времени tk.
Вероятность выжить SМ за весь период М равна:
SM = ∏ s k = ∏
k
k
Bk
.
Nk
(1)
Тогда риск смерти (RM) в момент времени M:
R M = 1 − SM .
(2)
Дисперсия V, необходимая для определения доверительных интервалов вероятности
выживания
дафний
log it ( S ) = ln(
в
момент
времени
М
для
логарифма
отношения
шансов
SM
R
) и для log it ( R ) = ln( M ) равна:
RM
SM
V = Var (log it ( SM )) = Var (ln(
Sm
1 M 1
1
)) = 2 ⋅ ∑ (
).
−
Rm
RM k = 1 Bk Nk
(3)
Верхний и нижний доверительные пределы (+/-) вероятности избежать гибели в момент
времени М определены как:
up
Slow
= exp it (log it ( SM )) ± Z ⋅ Var (log it ( SM )) 0,5 ,
(4)
где Z=1,645 для 90 % доверительного предела, или 1,96 для 95 % доверительного предела,
expit – обратное преобразование logit:
exp it ( a ) =
1
.
1 + exp( − a )
(5)
Оценку выживаемости проводили до момента времени, когда А было больше или равно
5, согласно рекомендациям [9].
Для сравнения выживаемости дафний в облучённых и необлучённой популяциях использовали оценку разности рисков смерти и среднюю продолжительность жизни (TМ), рассчитанную на 1 дафнию по формуле:
35
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
TM =
Научные статьи
1 M
⋅ ∑ Sk ⋅ t k ,
40 k = 1
(6)
где 40 − количество дафний в каждой популяции.
Приближённая дисперсия для разности рисков смерти R1-R0 равна:
Var ( R1 − R0 ) = R12 ⋅ S12 ⋅ V1 + R02 ⋅ S02 ⋅ V0 .
(7)
Индекс 0 относится к необлучённой популяции.
Результаты и обсуждение
В таблице 1 приведено время наблюдения за облучёнными популяциями дафний, когда
их численность в эксперименте составляла не менее 5 особей.
Таблица 1
Продолжительность наблюдения за популяциями дафний, облучёнными
в дозах 0,01; 0,1 и 1,0 Гр, используемая для оценки радиационного риска смертности
Доза (Гр)
Время наблюдения (сутки)
0,01
0,1
1,0
73
63
54
При сравнении выборок с контролем продолжительность наблюдения считали равной
продолжительности наблюдения в соответствующих дозовых группах.
На рисунке 1 представлены кривые выживаемости контрольной популяции дафний и облучённых в дозах 0,01; 0,1 и 1,0 Гр, прослеженные до полного вымирания особей и рассчитанные с использованием уравнения (1).
Контроль
0.01 Гр
0.1 Гр
1 Гр
1.00
Доля выживших
0.80
0.60
\
0.40
0.20
0.00
0
3
6
9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90
Время наблюдения, сутки
Рис. 1. Динамика выживаемости контрольной и облучённых в дозах
0,01; 0,1 и 1,0 Гр популяций дафний за весь период жизни.
36
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
На рисунке видно, что в облучённых популяциях дафний смертность более интенсивна.
Следует отметить, что резкое снижение выживаемости происходит на 5-6 сутки, т.е. в период
созревания, характерный для индивидуального развития дафний [8]. В этот период происходит
формирование и закладка яиц. Величина скачкообразного снижения выживаемости в данном
эксперименте увеличивается с дозой. Можно предположить, что в ранний период после облучения в дозе в 1000 раз меньшей LD50 происходит гибель организмов, наиболее чувствительных к радиации.
На рисунке 2 для иллюстрации приведены кривые выживаемости для контрольной и облучённой в дозе 0,1 Гр популяций с 95 % доверительными пределами, рассчитанные по уравнению (2).
а)
б)
Рис. 2. Кривая выживаемости для контрольной (а) и облучённой в дозе 0,1 Гр (б) популяции
дафний с доверительными пределами.
Как видно из рисунка 2, доверительные пределы выживаемости для контроля и дозовой
группы в некоторые моменты времени (20, 60 сут) пересекаются, а в другие (40 сут) – нет. Поэтому на основании данного критерия нельзя говорить о значимости влияния облучения в исследуемых дозах на выживаемость рачков. Ответ может дать только сравнение разности или
отношения рисков смерти в облучённой и контрольной популяциях за периоды наблюдения,
приведённые в таблице 1.
В таблице 2 представлены: средняя продолжительность жизни, рассчитанная по уравнению (6), риски смерти – по уравнению (2), разности рисков смерти – по уравнению (7) и их доверительные пределы (нижний и верхний) – по уравнению (4) в контрольной и облучённых популяциях дафний.
Как следует из таблицы 2, увеличение дозы облучения приводит к уменьшению средней
продолжительности жизни для отдельной особи (возрастанию риска смерти). Эффект облучения – значимое превышение риска смерти в облучённой популяции по отношению к контролю
проявляется при дозах 0,1 и 1,0 Гр, о чем свидетельствует положительное значение нижнего
95 % доверительного предела для разности рисков.
37
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
Таблица 2
Основные результаты оценки влияния облучения в дозах 0,01; 0,1 и 1,0 Гр
на продолжительность жизни и риски смерти популяций дафний
Доза (Гр)
Продолжительность наблюдения (сут)
Средняя продолжительность жизни (сут) (контроль)*
Средняя продолжительность жизни (сут) (облучённые)
*
Риск смерти в контрольной популяции
Риск смерти в облучённой популяции
Разность рисков смерти в облучённой и контрольной
популяциях
Нижний 95 % доверительный предел разности рисков
Верхний 95 % доверительный предел разности рисков
0,01
73
36,4
29,2
0,80
0,82
0,02
0,1
63
32,2
16,7
0,62
0,88
0,26
1,0
54
27,0
10,0
0,48
0,85
0,37
-0,15
0,20
0,06
0,43
0,18
0,57
* Разные значения параметров в контроле обусловлены разной сравниваемой продолжительностью наблюдения (табл. 1).
Сравним, используя представленный подход, риски смерти в облучённых популяциях, условно принимая за контроль популяцию с меньшей дозой. Так, разность рисков в популяциях,
облучённых в дозах 0,01 и 0,1 Гр, статистически незначима, облучённых в дозах 0,01 и 1,0 Гр –
статистически значима.
Следует обратить внимание, что разность рисков смерти рачков в популяциях, облучённых в дозах 0,1 и 1,0 Гр статистически незначима. Возможно, потеря значимости обусловлена
снижением статистической мощности, связанной с сокращением продолжительности наблюдения, согласно таблице 1 (использованный нами статистический метод не может быть применён
к популяции с числом особей менее 5). Однако аналогичное независимое от дозы облучения
проявление эффекта было обнаружено нами ранее при наблюдениях за изменением физиологической активности в популяциях простейших гидробионтов инфузорий-спиростом [1, 3] и выживаемостью дафний [2, 4-6, 10, 11], облучённых в малых для этих видов дозах. Так, в исследованиях [6, 10, 11], проведённых на рачках дафниях, было показано, что облучение в дозах
0,1; 1,0 и 20 Гр приводит к значимому снижению выживаемости. В контроле имелось равномерное растянутое во времени снижение численности популяции дафний (спонтанной возрастной
гибели). Между тем в опыте форма кривых была иная. При всех использованных дозах облучения наблюдалось достоверное увеличение числа летальных событий, которое обеспечивало
независимый от величины тестируемых доз более высокий уровень возрастной смертности облучённых особей по сравнению с контролем. В результате разница между числом дафний, выживших в опыте и в контроле, увеличивалась по ходу наблюдения. Она делалась наиболее ярко выраженной в конце экспериментов к 30 суткам. Величина эффекта была близкой для всех
протестированных доз (0,1; 1,0 и 20 Гр) [6, 10, 11].
В представленной работе обращает на себя внимание, что 50-процентная летальность в
дозовой группе 1,0 Гр достигается уже на 6 сутки. Известно, что оценка ЛД50 для любого вида, а
тем более класса, представителей биоты, является средней величиной. Поэтому в отдельно
взятом эксперименте значение полулетальной дозы может существенно отличаться от среднего значения. В работе представлены результаты отдельного эксперимента, в котором время
38
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
наблюдения за облучёнными и контрольными популяциями продлено до полного вымирания
особей. Таким образом, мы получили возможность расширить временные диапазоны для оценки риска смертности дафний и анализа продолжительности жизни. Приведённые выше данные,
ранее полученные на том же объекте, не противоречат наблюдаемым нами закономерностям
действия малых доз радиации и вписываются в диапазон полулетальных для ракообразных
доз.
Проведённое исследование показало, что дозы облучения 0,1 и 1,0 Гр приводят не только
к значимому увеличению риска смертности дафний, но и к сокращению продолжительности
жизни облучённых особей в тестируемых популяциях.
Основные выводы:
1. Облучение популяции дафний в дозе 0,01 Гр не увеличивает риск смерти.
2. Значимое превышение риска смерти в облучённой популяции по отношению к контролю проявляется при дозах 0,1 и 1,0 Гр, что приводит к сокращению средней продолжительности
жизни дафний.
3. Разность рисков смерти рачков в популяциях, облучённых в дозах 0,1 и 1,0 Гр, статистически не значима. Возможно, это обусловлено недостаточной статистической мощностью
исследования, сокращением времени наблюдения и числа дафний и требует дополнительного
экспериментального подтверждения.
Научно-исследовательская работа проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и
научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
39
Радиация и риск. 2011. Том 20. № 1
Научные статьи
Литература
1.
Сарапульцева Е.И. Спонтанная двигательная активность инфузорий Spirostomum ambiguum после
γ-облучения в широком диапазоне доз как информативный метод биотестирования //Радиационная
биология. Радиоэкология. 2008. Т. 48, № 3. С. 346-348.
2.
Сарапульцева Е.И., Бычковская И.Б., Федорцева Р.Ф. Наследование дозонезависимых эффектов
относительно малых доз радиации. Модельные опыты на Daphnia magna //Мед. радиология и радиац.
безопасность. 2009. Т. 54, № 6. С. 11-15.
3.
Сарапульцева Е.И., Иголкина Ю.В. Наследование снижения спонтанной двигательной активности у
одноклеточных гидробионтов Spirostomum ambiguum после γ-облучения в малых дозах //Радиация и
риск. 2008. Т. 17, № 3. С. 54-58.
4.
Сарапульцева Е.И., Малина Ю.Ю., Сарапульцев Б.И. Линейно-пороговые эффекты γ-облучения
Daphnia magna в диапазоне малых доз //Радиация и риск. 2007. Т. 16, № 2-4. С. 32-37.
5.
Сарапульцева Е.И., Малина Ю.Ю. Изменение жизнеспособности Daphnia magna после γ-облучения в
диапазоне относительно малых доз //Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49, № 1.
С. 82-84.
6.
Сарапульцева Е.И., Федорцева Р.Ф., Бычковская И.Б. Нестохастическое снижение жизнеспособности организма после слабых лучевых воздействий. Модельные опыты на Daphnia magna //Мед. радиология и радиац. безопасность. 2008. Т. 53, № 5. С. 3-7.
7.
Сахаров В.К. Радиоэкология. СПб.-М.-Краснодар: «Лань», 2006. 311 с.
8.
Шарова И.Х. Зоология беспозвоночных. М.: ВЛАДОС, 1999. 280 с.
9.
Modern Epidemiology /Eds: K. Rothman & S. Greenland. Lippincott Williamce& Wilkins, 1998. С. 281-294.
10. Sarapultseva E.I., Bychkovskaya I.B. Peculiar low radiation effects as a risk factor. Assessment of organism viability in the model experiments with Daphnia magna //Int. J. Low Radiation. 2010. V. 7, N 1. P. 1-9.
11. Sarapultseva E.I., Bychkovskaya I.B. Unusual damaging effects of low radiation. Model experiments with
d
protozoa and invertebrates //Proceeding of the 3 European IRPA. Helsinki, Finland, 14-18 June 2010.
Р. 1-7.
Radiation risk of mortality and reduced lifespan of daphnids
gamma-irradiated at low doses
Sarapultseva E.I., Gorski A.I.1, Malina J.J.
Institute of Atomic Energy National Nuclear Research of the University "MEPhI", Obninsk;
1
Medical Radiological Research Center of the Russian Ministry of Health
and Social Development, Obninsk
The results of daily based observations for the crustaceans Daphnia magna populations, irradiated
at doses of 0.01; 0.1 and 1.0 Gy have been presented. The tables of lifespan have been used for
the analysis of the daphnids’ survival. The dynamics of the proportion of survivors after acute
γ-irradiation and the duration of daphnids' live span have been compared. Irradiation at dose of
0.1 Gy and more resulted in significant increased risk of daphnids’ mortality and shorten of their
lifespan.
Keywords: ionizing radiation, low doses, radiation risks, lifespan, Daphnia magna.
Sarapultseva E.I.* – Associate Professor, C. Sc., Biol., Obninsk Institute of Nuclear Power Engineering National Research Nuclear University
‘MEPhI’; Gorski A.I. – Lead. Researcher, C. Sc., Phys.-Math., MRRC; Malina J.J. – PG student, Obninsk Institute of Nuclear Power Engineering
National Research Nuclear University ‘MEPhI’.
*Contacts: Studgorodok-1, Obninsk, Kaluga region, 249040 Russia. Tel.: +7(48439) 9-60-42; e-mail: [email protected].
40