Метод радиоавтографии в биологии

Метод радиоавтографии в биологии

Реферат:

Метод радиоавтографии

Радиоавтография, определение, история.

Метод радиоавтографии основан на введении в исследуемый объект соединения, "меченого" радиоактивным атомом и выявлении места его включения путем фотографической регистрации излучения. Основой получения изображения является воздействие ионизирующих частиц, образующихся при распаде радиоактивного атома, на ядерную фотоэмульсию, содержащую кристаллы галоидного серебра.

Открытие метода радиоавтографии напрямую связано с открытием явления радиоактивности. В 1867 году было опубликовано первое наблюдение о влиянии солей урана на галогениды серебра (Niepce de St.Victor). В 1896 году Генри Беккерель наблюдал засвечивание фотопластинки солями урана без предварительной экспозиции на свету. Этот эксперимент считается моментом открытия явления радиоактивности. Радиоавтографию применительно к биологическому материалу впервые использовали Лакассань и Латтье (Lacassagne, Lattes 1924) в 20-х годах прошлого века; гистологический блок от различных органов животных после введения им изотопов прижимали плоской стороной к рентгеновской пластинке и экспонировали. Заранее получали гистологический срез и подвергали стандартной процедуре окраски. Полученный автограф изучали отдельно от среза. Этот метод позволяет оценить интенсивность включения изотопа в биологический образец. В сороковых годах Леблон использовал радиоавтографию для демонстрации распределения изотопа иода в срезах щитовидной железы (Leblond C.P. 1943).

Первые попытки сочетать радиоавтографию с электронной микроскопией были сделаны в 50-е годы (Liquir-Milward, 1956). Электронно-микроскопическая радиоавтография представляет собой частный случай обычной радиоавтографии, при котором также подсчитываются зерна серебра и учитывается их распределение. Особеннось метода состоит в применении очень тонкого слоя эмульсии. В настоящее время достигнуто разрешение около 50 нм, что в 10-20 раз выше в сравнении со световой микроскопией.

В настоящее время метод радиоавтографии дополнен возможностью автоматической оценки количества зерен серебра с помощью видеоанализаторов. Часто для усиления сигнала метки (как правило это изотопы с высокими энергиями) применяются различные виды сцинтиляторов, нанесенные на пластины (усиливающий экран с фосфорным покрытием), или импрегнированные в эмульсию (PPO) – в таком случае излучение фотонов засвечивает обычную фотопластину или фотопленку.

Фотографический принцип получения изображения, фотоэмульсии

В радиографическом исследовании роль детектора ядерных распадов выполняет фотоэмульсия, в которой при прохождении ионизирующей частицы остается скрытое изображение, выявляемое затем в процессе проявки, аналогично обработке обычной фотопленки.

Фотоэмульсия представлет из себя взвесь микрокристаллов галоидного серебра в желатине. Микрокристаллы имеют дефекты в структуре, называемые центрами чувствительности. Согласно модели Гэрни-Мотта эти нарушения ионной решетки кристалла способны захватывать электроны, высвободившиеся при прохождении альфа- или бета-частицы в зоне проводимости кристалла, в результате чего ион превращается в атом. Образовавшееся скрытое изображение может быть выявлено с помощью процедуры, в результате которой активированные кристаллы галоидного серебра превращаются в зерна металлического серебра (этот процесс называется химической проявкой). В качестве проявителя может быть использован любой агент с достаточной восстанавливающей активностью (типично в фотографии и авторадиографии используются метол, амидол или гидрохинон). После проявления экспонированных кристаллов остальные микрокристаллы галоидного серебра удаляют из эмульсии при помощи фиксатора (обычно - гипосульфит). Ядерные фотоэмульсии характеризуется разрешающей способностью (зернистостью) и чувствительностью. Первая определяется размером микрокристаллов соли серебра и обратно пропорциональна последней. Фотоэмульсия характеризуется пониженной чувствительностью к видимому свету, но работа с ней, тем не менее, должна производится в темноте, чтобы исключить появление артефактов.

Эмульсия может наносится на препарат в виде  готовой пленки с подложкой или погружением препарата в разогретую жидкую эмульсию – таким образом получается тонкий равномерный слой, который проявляется обычным способом. Перед нанесением эмульсии для световой микроскопии препарат обычно окрашивают требуемой гистологической окраской, но более бледно, чем обычно, чтобы сделать возможным подсчет  зерен серебра на всех участках. Определенное время препарат экспонируют, затем проявляют.

Изотопы, используемые в радиоавтографии.

В радиоавтографии в зависимости от целей исследования и доступных материалов возможно применение различных изотопов. Изображение, создаваемое ионизирующей частицей на ядерной фотоэмульсии зависит от энергии частицы и типа ее взаимодействия с веществом.

Альфа-частицы, испускаемые одинаковыми радиоактивными ядрами обладают одинаковой энергией (E) и одинаковой длиной пробега (R), связанными следующим соотношением:

R = kE3/2

Где  k – константа, характеризующая среду, в которой распространяются частицы. Величина пробега частиц в серде определяется ее плотность и элементарным составом. Соотношение Брегга-Климена позволяет по величине пробега альфа-частиц в воздухе (R0 ) оценить пробег в веществе с атомной массой A и плотностью d:

R=0,0003 ( R0 / d ) A1/2

Поскольку ионизирующая способность альфа-частиц очень высока, это облегчает фотографическую регистрацию распределения изотопа, а так же позволяет использовать для регистрации неэмульсионные материалы. След альфа-частиц, испускаемых одним источником, на автографах выглядит как пучок прямолинейных отрезков, обычно длиной 15-50 мкм, исходящих из одной точки, что позволяет точно локализовать участок включения радиоактивной метки. Однако, альфа-частицы испускаются изотопами с большими атомными номерами, что ограничивает возможность их применения в качестве биологической метки.

Треки альфа-частиц часто наблюдаются в гистологических радиовтографах как артефакт – результат собственного излучения изотопов, находящихся в предметном стекле.

Бета излучение характеризуется непрерывным спектром начальной энергии частиц – от нуля до определенной для каждого изотопа E max. Формы спектра существенно отличаются. Так, наиболее вероятная энергия частиц, излучаемых тритем составляет 1/7 от E max, 14C – около ¼,  32P – около 1/3. Максимальная энергия бета-излучения различных изотопов меняется в пределах от 18 кэВ до 3.5 МэВ – в гораздо более широких пределах, чем альфа излучения. Как правило, максимальная энергия выше у  короткоживущих изотопов.

Прохождение бета-частиц и моноэнергетических электронов через вещество сопровождается двумя основными типами взаимодействия. При взаимодействии с орбитальным электроном частица может передать ему энергию, достаточную для ионизации атома (удаления электрона с орбиты). В редких случаях эта энергия настолько велика, что можно наблюдать трек освобожденного электрона. Из-за равенства масс частицы и электрона происходит отклонение от первоначального движения. Взаимодествие второго типа , с атомными ядрами, приводит к возникновению тормозного рентгеновского излучения. Хотя последнее и не регистрируется эмульсией, акт взаимодейтсвия частицы с ядром может быть обнаружен по резкому излому траектории.

Многократное взаимодействие с орбитальными электронами приводит к искривлению траектории, которая обычно выглядит как извилистая линия, особенно в конечной части, когда скорость частицы падает, а ионизирующая способность возрастает. Длина траектории заметно превышает расстояние от начальной до конечной точки трека – пробег. По этой причине даже для моноэнергетических электронов характерно наличие спектра пробегов, ограниченного сверху  R max, харакерным для данного излучения. Из-за более низких ионизационных потерь бета частицы регистрируются с большими сложностями, чем альфа-частицы. Они не образуют сплошных треков (кроме самого мягкого излучения трития – однако в этом случае мала вероятность прохождения более чемп через один кристалл эмульсии), плотность и число проявленных кристаллов варьируют в различных пределах. Пробег бета-частицы в другом элементе может быть оценен по формуле:

R = RA1 (Z/A)A1/ (Z/A)

В широком диапазоне значений Emax максимальный пробег связан с максимальной энергией соотношением:

Rm = 412 Emax1.265 – 0,0954 ln Emax

Различие в пробегах, ионизационной способности и плотности проявленных эмульсионных кристаллов у частиц с различной энергией может быть использовано для дискриминации распределения элементов, эсли их изотопы существенно отличаются по E max, как в случае с тритием и 14С. Дискриминацию распределения двух изотопов осуществляют с помощью нанесения на образец двух эмульсионных слоев,  первый слой регистрирует преимущественно мягкое излучение, второй – жесткое. Согласно некоторым работам различные изотопы могут быть надежно выделены по размеру проявленных эмульсионных кристаллов -  кристаллы, затронутые бета-частицей трития, обладающей большей ионизационной способностью, имеют большие размеры.

 Электроны внутренней конверсии образуются при поглощении гамма кванта с очень низкой энергией излучения и удалении электрона с внутренней оболочки атома. Эти электроны подобны мягким бета-частицам, но в отличие от последних являются моноэнергетическими. Наличие  электронов внутренней конверсии позволяет использовать такие изотопы как 125I.

В настоящее время чаще всего используются изотопы, излучающие бета-частицы. Как правило для метки в гистологических исследованиях используется тритий. Первые автографы с использование трития были изготовлены еще в 50-е годы (Fitzgerald et al. 1951), однако широкое его применение началось после того, как в Брукхэвенской лаборатории был получен меченый тритием тимидин. Поскольку водород входит в состав всех органических веществ, то, используя тритий, можно получать самые разные соединения, несущие радиоактивную метку. Чем меньше энергия испускаемой частицы, тем короче трек, оставляемый ей при движении в фотоэмульсии и тем точнее можно локализовать расположение меченого атома. Длина пробега бета-частиц трития около 1-2 мкм, наиболее вероятная энергия 0,005 МэВ, а трек состоит в большинстве случаев из одного зерна серебра, что позволяет локализовать источник излучения не только в относительно крупных клеточных структурах, таких как ядро, но и в отдельных хромосомах.

 Введение "меченых" метаболитов в организм позволяет проследить включение изотопа в клетки тканей животного, что дает возможность исследовать самые разные биохимические процессы в живом организме.           

 Получение абсолютных данных – концентрации меченого вещества в изучаемом объекте редко бывает целью радиоавтографического исследования, для этого необходимо знание ряда условий, определение которых затруднено. Поэтому количественные радиоавтографические исследования обычно проводят путем сравнения концентрации зерен серебра над исследуемым объектом и контролем, при этом контрольные данные удобно принимать за единицу, или 100%.

Характеристики некоторых изотопов, используемых

в радиоавтографии биологических объектов