АРЕАЛ: УНИКАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ДЛЯ БИОЛОГОВ

Экспериментальные исследования на ускорителе АРЕАЛ (Advanced Research Electron Accelerator Laboratory) начались в 2015 году. Проект АРЕАЛ включает передовые технологии в области лазерной физики, высокочастотной техники, ультравакуумного оборудования, высокоточных систем диагностики, контроля и синхронизации различных процессов. 

ЭТО ЛИНЕЙНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ С ЛАЗЕРНОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ПУШКОЙ, позволяющий получать ультракороткие прецизионные пучки электронов для передовых исследований по ускорительным технологиям, источникам когерентного излучения и динамике ультрабыстрых процессов. Сегодня эти исследования, вошедшие в число важнейших направлений ведущих ускорительных центров, позволяют углубить представления о процессах, происходящих в микромире. В экспериментальной программе участвуют исследовательские группы Кендл, Ереванского государственного университета, Армянского инженерного университета, Национальной научной лаборатории им. А. Алиханяна (Ереванский физический институт), Института молекулярной биологии и Института физических исследований НАН РА, другие научные группы и коллективы. Выполняются экспериментальные работы по молекулярной физике, генетике, молекулярной биологии, микроэлектронике, физике полупроводников и твердого тела, разработке новых материалов и ускорительным технологиям.

Управляемый сверхбыстрым высокоточным лазером, линейный ускоритель АРЕАЛ позволяет генерировать ультракороткие релятивистские электронные импульсы, что создает уникальную возможность для исследования ультрабыстрых процессов на клеточном и молекулярном уровнях. Длительность этих импульсов в сотни раз короче, чем в обычных ускорителях, что позволяет проводить прецизионные и чистые эксперименты с выявлением особенностей структуры объекта с минимальными помехами. Благодаря этим экспериментам ультрабыстрое облучение становится важным направлением исследований в разных сферах науки. Обычно экспериментальные исследования на новых ускорителях требуют достаточно длительного времени для адекватной интерпретации полученных результатов и определения новых направлений экспериментальных исследований.

Важным этапом становления круга пользователей нового ускорителя стало сотрудничество российских и армянских ученых по проведению долгосрочных экспериментальных исследований на АРЕАЛе по ультрабыстрой радиационной биомедицине.

Программа включает экспериментальные исследования по взаимодействию ультракоротких релятивистских электронных импульсов с биологическими объектами, молекулярно-генетических эффектов, динамики повреждений и репарации ДНК при ультрабыстром облучении и разработку новых методик. Первые результаты этих исследований были представлены заведующим отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины Федерального медицинского биофизического центра им. А. И. Бурназяна (РФ) профессором А. Осиповым 18 ноября текущего года во время посещения института Кендл делегаций министерств образования и науки Белоруссии, Грузии, Молдавии и Украины в рамках восьмой неформальной встречи министров стран-участниц Восточного партнерства в Армении.

Полученные результаты и предполагаемые перспективы этого сотрудничества, несомненно, будут способствовать получению новых научных данных, важных для понимания многих процессов в биологических системах и разработке новых методик в области радиационной биомедицины.

 - ИДЕЯ СОТРУДНИЧЕСТВА ВОЗНИКЛА НЕСКОЛЬКО ЛЕТ НАЗАД, КОГДА МЫ познакомились с членом-корреспондентом НАН РА, профессором Рубеном Михайловичем Арутюняном на международном конгрессе в Японии, - рассказывает профессор А. ОСИПОВ. - Мы оба занимаемся изучением повреждений и репарацией ДНК, генетическими эффектами воздействия факторов окружающей среды, изучением радиационных повреждений генома. Потом мы время от времени встречались, в прошлом году Рубен Михайлович прочел лекцию в нашем центре, а несколько месяцев назад мы вместе со старшим научным сотрудником нашего центра Натальей Воробьевой получили приглашение для работы на лазерном ускорителе электронов АРЕАЛ. Это предложение очень заинтересовало нас, поскольку импульсные ускорители заряженных частиц - уникальные установки, которые за счет компактности и высокой точности в будущем смогут заменить традиционные ускорители, используемые для лечения онкологических заболеваний. Создавая подобные установки, физики открывают новые возможности и для биологов. Созданный в Армении лазерный ускоритель АРЕАЛ генерирует пучок ускоренных электронов с ультракороткими импульсами. Однако о биологическом действии этого излучения мы пока знаем мало.

Если говорить об использовании радиационной терапии для лечения онкологических больных, то основным принципом является выборочное поражение опухолевых клеток ионизирующим облучением, в то время как нормальные клетки должны оставаться жизнеспособными. Предварительные эксперименты показывают, что импульсное излучение более эффективно повреждает опухолевые клетки, чем монотонное. Почему? Это пока сложно объяснить, но выход сложно репарируемых повреждений ДНК при воздействии импульсного излучения выше, что очень хорошо при онкотерапии, поскольку можно давать меньшую дозу, спасая нормальные клетки. Это принципиально более щадящий метод. Пока все хорошо в теории, но результаты все еще очень фрагментарные и с ультракороткими импульсами мало кто работает. Подобные установки появились сравнительно недавно, они уникальны. Ускоритель АРЕАЛ – единственный на территории СНГ, который можно использовать для изучения биологических эффектов ультракоротких импульсов ускоренных электронов.

Вместе с биологами из Ереванского государственного университета и Института молекулярной биологии НАН РА мы начали эксперименты по исследованию двунитевых разрывов ДНК после облучения клеток человека на ускорителе АРЕАЛ. Мы надеемся выявить молекулярные механизмы повреждений, вызванных импульсным излучением, в нормальных и опухолевых клетках человека. Для этого предполагается использовать один из наиболее прогрессивных и чувствительных методов оценки двунитевых разрывов и репарации ДНК. Метод анализа фокусов белков репарации ДНК основан на использовании меченых флуоресцентными красителями белков, участвующих в репарации ДНК. Это очень чувствительная технология, которая позволяет наблюдать даже очень небольшое число разрывов, видеть их распределение по клеткам, а также определять механизмы репарации. До настоящего времени эффекты ультракоротких ускоренных электронов этим методом не исследовались.

Надеюсь, что положено начало дальнейшему многолетнему сотрудничеству. Мне очень понравилась научная атмосфера и активная молодежь на АРЕАЛе, в ЕГУ и Институте молекулярной биологии. Уже подготовлен договор о сотрудничестве. АРЕАЛ, являясь ускорителем нового поколения, создает уникальные возможности для проведения исследований. И если мы покажем, что ультракороткие импульсы ионизирующего излучения более эффективны, чем монотонное излучение, то в будущем такими ускорителями можно оснащать онкоцентры. Речь идет о новых подходах в лечении злокачественных новообразований, - рассказал профессор Осипов.

В ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ЭТОЙ ПРОГРАММЕ ВОВЛЕЧЕНЫ И МОЛОДЫЕ УЧЕНЫЕ. Рассказывает кандидат биологических наук, сотрудник лаборатории общей и молекулярной генетики НИИ общей биологии биофака ЕГУ, руководитель группы клеточных технологий Института молекулярной биологии НАН РА Нелли БАБАЯН:

- Я представляю одну из первых групп биологов, которые провели базовые радиобиологические исследования на ускорителе АРЕАЛ. По гранту Государственного комитета по науке Армении мы выполнили первые дозиметрические исследования ультракороткого импульсного излучения электронов на клеточном уровне. Нам удалось установить первичные повреждения ДНК, что невозможно при использовании традиционных источников облучения. Дело в том, что на обычных установках для получения определенной дозы необходимое время облучения находится в диапазоне от минут до нескольких часов. Естественно, что защитные механизмы в клетке начинают активизироваться уже в процессе облучения и на выходе мы не можем видеть эффект в чистом виде. Ускоритель АРЕАЛ позволяет получать те же дозы в течение нескольких секунд, давая уникальную возможность исследовать ультраранние эффекты ионизирующего облучения. Уже второй год мы используем на нем метод ДНК-комет – новейший, быстрый и чувствительный метод оценки повреждений ДНК, вызванных радиацией или химическими мутагенами в отдельных клетках. Если в ДНК есть повреждения, то под действием электрического поля отрицательно заряженные разорванные концы ДНК мигрируют из ядра, формируя комету с "головой" и "хвостом". При использовании флуоресцентного микроскопа этот чувствительный метод позволяет увидеть повреждения ДНК в каждой отдельной клетке, начиная примерно с 50 разрывов.

Создание ускорителя АРЕАЛ предоставило новые возможности для развития радиобиологии в Армении. Научные сотрудники и студенты ЕГУ, а также Института молекулярной биологии совместными усилиями смогли провести базовые радиобиологические исследования, результаты которых опубликованы в рецензируемых зарубежных журналах. Новым этапом исследований на АРЕАЛе стала работа с одним из ведущих радиобиологов России профессором Андреяном Осиповым, который вместе с сотрудницей своей лаборатории Натальей Воробьевой провел мастер-классы по передовым методам в радиобиологии и вместе с нами получил первые результаты по фокусам белков репарации ДНК. Мы получили в подарок и созданную в их лаборатории программу для компьютерного анализа фокусов. Уже с понедельника я приглашена в лабораторию профессора Осипова в Москву, где мы продолжим анализ полученных на АРЕАЛе результатов. Уверена, что наше сотрудничество окажется очень продуктивным, - сказала Н. Бабаян.