Advertisement

Interaction of Radiation and Other Environmental Stresses in Biological Systems

  • C. A. Tobias
  • N. M. Amer
  • J. K. Ashikawa
  • J. T. Lyman
  • L. W. McDonald
  • J. V. Slater
  • C. A. Sondhaus
  • P. W. Todd
Conference paper

Abstract

Interaction of Radiation and Other Environmental Stresses in Biological Systems. The cellular and molecular effects of heavily ionizing radiation are being studied in order to understand radiobiological aspects of present and past life on the planets and to provide a basis for assessment of radiation hazards of manned spaceflight. Since solar flares consist of high energy protons and alpha particles, the Van Allen belt has many protons and since many heavier nuclei strike the top of the atmosphere, their effects are studied in the laboratory with the aid of accelerated protons, He, Li, B, C, N, O, Ne and A nuclei. In the Berkeley Hilac monoenergetic beams of about 8.4 Mev per nucleon are available. At the cellular level, the biological effects depend strongly on the linear energy transfer (LET) of the particles; this is allowed to vary between 0.2 kev/micron and about 1400 kev/micron. The effectiveness of a single particle crossing a cell increases with increasing LET for enzymes, phage articles, bacterial spores, yeast cells and mammalian cells. There appear two types of radiobiological effects which are clearly discernible. The first is an oxygen dependent effect, probably due to single ion pairs, delta rays and small clusters. A single such event is able to inactivate a phage article or enzyme molecule, but several of these events cooperate to inactivate a mammalian cell. As shown with TODD the efficiency of this effect, as measured by a “cross section”, increases proportionally with LET until saturation is reached. Cellular injury caused by this effect is at least partially reversible.

The second type of effect, probably due to the heavily ionizing core of particle tracks is almost dependent of ambient oxygen concentration. The cross section for this effect increases as the square of LET until saturation occurs, so that this “direct” effect appears to be the major cause of lethality for mammalian cells at high LET. Though this effect is only slightly (if at all) modified by oxygen it is shown with Manney, that high concentration of glycerol in yeast protects by a factor of two even at the highest LET tested. Bauendson has shown glycerol protection for mammalian cells as well. Low LET radiation effects are in part reversible, as shown for mammalian cells by Elkind and in yeast by Korogodin. Lyman demonstrated that dark recovery of this type can occur for the highest Let particles in diploid yeast.

There is also a synergism of radiation and high temperatures at the cellular level; this effect is at least in part due to an adverse effect of high temperatures on the cytochrome system, which is needed for post irradiation recovery. The sensitivity of cells for heavy ions at high Let increases nearly in proportion to the nuclear area of the cells, though ploidy is a modifying factor.

The effects of protons, alpha particles and heavier ions are also being studied on mammals. The solar flare dose distribution as well as cellular sensitivity has directed our attention to the more rapidly proliferating tissues as limiting acute radiation tolerance: epithelial tissue, bone marrow and tissues of reproductive organs. With Sondhaus and Ashikawa it was demonstrated that acute doses of 730 Mev protons and 900 Mev alpha particles cause a predominance of the intestinal syndrome in mouse lethality, with the hematological syndrome less marked. With Chase and Straile, data were obtained on the increasing sensitivity of mouse hair follicles with Let and the work of D’angio on the skin of rabbit ear confirmed the ideas with respect to increasing sensitivity of skin epithelium. Recently McDonald, et al., demonstrated nystagmus effects following bilateral 500 rad localized proton radiation of the rabbit vestibular apparatus. Vestibular effects of radiation may attribute to the vertigo of radiation sickness.

It appears to us that tests of synergism between radiation effects on intestinal epithelium, vestibular system, weightlessness and acceleration are essential for full evaluation of the response of astronauts in space environment.

Keywords

Solar Flare Semicircular Canal Space Flight Linear Energy Transfer Radiation Injury 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Résumé

L’Interaction de la radiation et d’autres facteurs de stress du milieu ambiant dans des systèmes biologiques. Les effets cellulaires et moleculaires des rayonnements ionisants intenses ont ete etudies afin de comprendre les aspects radiobiologiques de la vie actuelle et passee sur les planetes et afin d’obtenir une base pour l’éevaluation des risques de radiation au cours des vols spatiaux habités. Du fait que les eruptions solaires consistent en protons à haute énergie et en particules alpha, la ceinture de Van Allen comprend de nombreux protons et, du fait que de nombreux noyaux lourds heurtent le haut de l’atmosphère, leurs effets sont etudies en laboratoire à l’aide de protons accélérés, de noyaux He, Li, B, C, N, O, Ne, et A. Dans l’hilac de Berkeley, on dispose de faisceaux monoenergetiques d’environ 8,4 MeV par noyau. Au niveau cellulaire, les effets biologiques dependent fortement du Transfert Lineaire d’Energie (Tle) des particules; ce dernier peut varier entre 0,2 keV/micron et environ 1400 keV/micron. L’efficacité d’une particule unique traversant une cellule augmente avec le Tle pour les enzymes, les particules ulcérantes, les spores de bacteries, les cellules de levure et les cellules de mammiferes. Deux types d’effets radiobiologiques apparaissent de façon nettement discernable. Le premier est un effet dependant de l’oxygène, probablement dû à des paires d’ions simples, aux rayons delta et à de petits faisceaux. Un seul de ces événements est capable de desactiver une particule ulcerante ou une molecule enzyme, mais plusieurs de ces evenements contribuent à désactiver une cellule de mammifere. Ainsi que l’a montréTodd, l’efficacité de cet effet, mesurée en termes de «section» efficace, augmente proportionnellement au Tle jusqu’à ce que la saturation soit atteinte. Les degats cellulaires provoquès par cet effet sont au moins partiellement reversibles.

Le second type d’effet, probablement du au noyau fortement ionisant des trajectoires de particules est pratiquement dependant de la concentration d’oxygene ambiant. Pour cet effet, la section efficace augmente comme le carre du Tle jusqu’àce que la saturation se produise, de sorte que cet effet «direct» apparait comme etant la cause principale de la destruction des cellules de mammiferes en presence de niveaux eleves de TLE. Bien que cet effet ne soit que faiblement modifie (s’il l’est) par l’oxygene,Manney a pu montrer que des concentrations elevees de glycerole dans la levure donnent un coefficient de protection égal à deux, même aux essais effectues avec le TLE le plus élevé. Barenson a montré que la glycérole protège egalement les cellules de mammiferes. Les effets des rayonnements à faible TLE sont en partie reversibles, comme l’ont montréElkind pour les cellules de mammiferes etKorogodin pour la levure. Lyman a démontré qu’un retablissement obscur de ce type peut se produire pour les particules TLE les plus elevees dans la levure diploïque.

Il y a également une Synergie du rayonnement et des températures élevées au niveau cellulaire; cet effet est dû au moins en partie à un effet defavorable des températures élevées sur le systeme cytochromatique, necessaire au retablissement après irradiation. La sensibilite des cellules aux ions lourds aux niveaux eleves de TLE augmente approximativement en proportion de la surface du noyau des cellules, bien que la ploïdicité soit un facteur modificateur.

Les effets des protons, des particules alpha et des ions plus lourds ont egalement ete étudies sur des mammiferes. La distribution des doses d’eruption solaires, ainsi que la sensibilite cellulaire, ont attire notre attention vers les tissus à prolifération plus rapide comme limitant la tolérance aux rayonnements intenses: tissus épithélial, moelle osseuse et tissus des organes reproducteurs. Sondhaus et Ashikawa ont demontre que des doses intenses de protons de 730 MeV et de particules alpha de 900 MeV provoquent une prédominance du syndrome intestinal dans la mortalité des souris, avec le syndrome hematologique moins marqué. Chase et Strale ont obtenu des données sur la sensibilité accrue des follicules de poil avec le TLE. Les travaux deD’Angio sur la peau de l’oreille du lapin ont confirmé les idees sur la sensibilité accrue de l’épithélium de la peau. Recemment,McDonald, et al., ont demontre les effets de nystagme, consécutifs à une irradiation bilaterale localisee de protons à 500 rad, de l’appareil vestibulaire du lapin. Les effets vestibulaires de l’irradiation peuvent etre imputes au vertige du mal des irradiations.

Il nous apparaît que des tests de la synergie entre les effets des rayonnements sur repithelium intestinal, le système vestibulaire, l’apesanteur et l’acceleration sont essentiels à une évaluation complète de la réponse des astronautes en ambiance spatiale.

Аннотации

Взаимодействие радиации и прочих нагрузок среды н биологических системах. Изучается воздействие интенсивной ионизирующей радиации на клетки и молекулы в целях понимания радиобиологических аспектов существующей и существовавшей в прошлом жизни на планетах и получения основных данных для оценки опасностей радиации при пилотируемых космических полетах. Поскольку солнечные вспышки состоят из протонов высокой энергии и альфа-частиц, пояс Ван Аллена содержит много протонов, и в связи с тем, что верхний слой атмосферы бомбардируется большим количеством тяжелых ядер, их воздействие изучается в лабораторных условиях с помощью ускоренных протонов, ядер Не, Li, B, C, N, O, Ne и A.

В лаборатории Беркли могут быть получены моноэнергетические пучки порядка 8,4 мегаэлектронвольт. На клеточном уровне биологические эффекты в значительной степени зависят от линейного переноса энергии (LET) частиц; в этом отношении допускаются колебания между 0,2 килоэлектронвольт/микрон и примерно 1400 килоэлектронвольт/микрон. Эффективность одной частицы, проходящей через клетку, усиливается с повышением LET для ферментов, частиц бактериофагов, бактериальных спор, дрожжевых клеток и клеток млекопитающих. Проявляется два четко различных типа радиобиологических эффектов. Первый представляет собой зависимый от кислорода эффект, по-видимому вызываемый одной парой ионов, дельта-лучами и небольшими пучками. Единичное явление подобного рода способно инактивировать частицу бактериофага или молекулу фермента, однако ряд таких явлений в своей совокупности приводит к инактивации клетки млекопитающего. Как показал Тодд, действенность этого эффекта, измеренного в „поперечном сечении” возрастает пропорционально LET, пока не достигнуто насыщение. Повреждение клеток, вызванное этим эффектом, обратимо, по крайней мере частично.

Второй тип воздействия, вызываемый по-видимому сильно ионизирующей центральной частью потока частиц, почти полностью зависит от концентрации окружающего кислорода. Поперечное сечение этого эффекта возрастает пропорционально квадрату LET до достижения насыщения, так что этот „непо- средственный” эффект очевидно является основной причиной гибели клеток млекопитающих при высокой степени LET. Хотя кислород весьма слабо (если вообще) влияет на этот эффект, в работах Манни было показано, что при высокой концентрации глицерина в дрожжах достигается фактор защиты, равный двум, даже при самой высокой степени LET. Барендсон показал, что глицерин служит защитой также для клеток млекопитающих. Эффекты низкой радиации LET частично обратимы, как это показано Элкиндом на клетках млекопитающих и Корогодиным на дрожжах. Лиман продемонстрировал, что темное восстановление такого типа может иметь место в отношении частиц самой высокой степени LET в диплоидных дрожжевых клетках.

Наблюдается также синергизм радиации и высоких температур на клеточном уровне; этот эффект по крайней мере частично вызывается отрицательным воздействием высоких температур на цитохромную систему, необходимую для восстановления после облучения. Чувствительность клеток к тяжелым ионам с высокой степенью LET возрастает примерно пропорционально району ядра клетки, хотя число хромосом (плоидность) и является модифицирующим фактором.

Воздействие протонов, альфа-частиц и тяжелых ионов исследовано также на млекопитающих. Распределение доз солнечных вспышек, а также чувствительность клеток обратили наше внимание на быстрее пролиферирующие ткани, как ограничивающие стойкость к острой радиации: эпителиальную ткань, костный мозг и ткани органов размножения, Сондхауз и Ашикава показали, что сильные дозы в 730 мегаэлектронвольт протонов и 900 мегаэлектронвольт альфа-частиц вызывают преобладание кишечного синдрома в смертности мышей при менее выраженном гематологическом синдроме. У Чейза и Стрейла были получены данные о повышении чувствительности корней волос мышей с повышением LET, а опыты д’Анжио на коже уха кролика подтверждают идеи о повышении чувствительности эпителия кожи. Недавно Макдональд продемонстрировал явления нистагма при двустороннем локализованном протонном облучении в 500 рад вестибулярного аппарата кролика. Вестибулярные эффекты радиации могут вызывать головокружение при лучевой болезни.

Нам представляется, что опыты по изучению синергизма между воздействием радиации на кишечный эпителий и вестибулярную систему, невесомостью и ускорением имеют существенное значение для полной оценки реакции космонавтов в космических полетах.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    Cowan, C., C. R. atluri, and W. F. Libby: Nature (in press).Google Scholar
  2. 2.
    Tobias, C. A., and P.W. Todd: Proc. Symp. on Biol. Effects of Neutron and Proton Irradiations, IAEA, Vienna, Vol. II (1964), p. 410.Google Scholar
  3. Also C.A. Tobias, and T. Manney: Some Molecular and Cellular Effects on Heavily Ionizing Radiations. Ann. N. Y. Acad. Sci. 114, Art. 1, 16 (1064).ADSCrossRefGoogle Scholar
  4. 3.
    Todd, P. W.: Reversible and Irreversible Effects of Ionizing Radiations on the Reproductive Integrity of Mammalian Cells Cultured in vitro. Lawrence Radiation Laboratory Report UCRL-11614, Aug. 1964.Google Scholar
  5. 4.
    Bateman, J. L., and V. P. Bond: The Effects of Radiations of Different LET on Early Responses in the Mammal. Ann. N. Y. Acad. Sci. 114, Art. 1, 32 (1964).ADSCrossRefGoogle Scholar
  6. 5.
    Slater, J. V., and C. A. Tobias: Effects of Cosmic Radiation on Seen Differentiation and Development. Radiation Res. 19, 218 (A) (1964).Google Scholar
  7. 6.
    Curtis, H. J., and H.H. Smith: Corn Seeds Affected by Heavy Cosmic Ray Particles. Science 141, 158 159 (1963).Google Scholar
  8. 7.
    Manney, T. R., T. Brustad, and C. A. Tobias: Effects of Glycerol and Anoxia on the Radiosensitivity of Haploid Yeasts to Densely Ionizing Particles. Radiation Res. 18, 374 (1963).CrossRefGoogle Scholar
  9. 8.
    Lyman, J. T.: Dark Recovery of Yeast Following Ionizing Radiations. Lawrence Radiation Laboratory Report UCRL-16030, March 1965. Also Radiation Res. 19, 237 (A) (1963).Google Scholar
  10. 9.
    Korogodin, V.I.: Certain Irregularities in the Growth of Microcolonies after Irradiation of Yeast Cells with Gamma Rays from Radiocobalt. Biofisika.Google Scholar
  11. 10.
    Freifelder, D.M.: Mechanism of Inactivation of Coliphage T7 by X-rays. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S. (July 1965) (in press).Google Scholar
  12. 11.
    Slater, J., A. Rescigno, N. M. Amer, and C. A. Tobias: Temperature Dependence of Wing Abnormality in Tribolium confusum. Science 140, 408 (1963).ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 12.
    Burns, V.: Reversible Sonic Inhibition of Protein, Purine, and Pyrimidine Biosynthesis in the Living Cell. Science 146 (No. 3647), 1056–1058 (1964).ADSCrossRefGoogle Scholar
  14. 13.
    Amer, N.: Modification of Radiation Injury with Magnetic Fields. Radiation Res. 19, 215A (1963). Also Lawrence Radiation Laboratory Report UCRL-10683, Suppl., Fall 1962, p. 15. Also Radiation Res. 25, 172 (A) (1965).Google Scholar
  15. 14.
    Moskalev, I. V., et al.: The Biological Effects of Fast Neutrons and High Energy Protons. Proc. Symp. on Biol. Effects of Neutron and Proton Radiation, Vienna, Vol. 1, 197 (1964).Google Scholar
  16. 15.
    Chase, H., V. Straile, J. Lyman, and C. A. Tobias: In Preparation.Google Scholar
  17. 16.
    D’angio, G. J., J. H. Lawrence, A. Gottschalk, and J. T. Lyman: The Relative Efficiency of High LET Radiations (Bragg-peak Lithium Ions) on Normal Rabbit Skin, Using Integral Dose as a Basis for Comparison. Lawrence Radiation Laboratory Report UCRL-11387 (Spring 1964), p. 127-139.Google Scholar
  18. 17.
    McDonald, L. W., G. A. King, and C. A. Tobias: Radiosensitivity of the Vestibular Apparatus of the Rabbit. Radiation Res. 25, 215 (A) (1965).Google Scholar
  19. 18.
    Sondhaus, C. A., et al.: Effect of High Energy Charged Particle Irradiation on Mice. Radiation Res. 25, 242 (A) (1965).Google Scholar
  20. 19.
    Kelemen, G.: Radiation and the Ear. Experimental Studies, Suppl. 184, Acta Oto-Laryngol. Stockholm (1963), p. 1-48.Google Scholar
  21. 20.
    Sveshnikov, A. A.: The Effect of Proton and Gamma Radiation on the Functional State of the Vestibular Analyzer. Med. Radiol. 8(9), 48–52 (1963).Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Wien 1967

Authors and Affiliations

  • C. A. Tobias
    • 1
  • N. M. Amer
    • 1
  • J. K. Ashikawa
    • 1
  • J. T. Lyman
    • 1
  • L. W. McDonald
    • 1
  • J. V. Slater
    • 1
  • C. A. Sondhaus
    • 1
  • P. W. Todd
    • 1
  1. 1.Donner Laboratory, Lawrence Radiation LaboratoryUniversity of CaliforniaBerkeleyUSA

Personalised recommendations