Лаборатория физико-химических проблем радиобиологии и экологии

Заведующий лабораторией:д.х.н., профессор Шишкина Людмила Николаевна

Телефон отдела:8 (495) 939-7186

Почта:shishkina@sky.chph.ras.ru

Комната:—

Л.Н. Шишкина окончила Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова в 1961 г, затем там же была зам. секретаря комитета комсомола (1961-1962 гг.), обучалась в аспирантуре (1962-1965 гг.) и в 1966 г защитила кандидатскую диссертацию (научный руководитель чл.корр. РАН И.В. Березин). С 1965 г. по 1996 г. являлась младшим и впоследствии старшим (1978 г.) научным сотрудником ИХФ АН ССР (ИХФ РАН).

С 1 апреля 1996 г. старший, ведущий (2003) научный сотрудник, а с 2008 г. и по настоящее время зав. лабораторией. В 2003 г. защитила докторскую диссертацию, в 2005 г присвоено звание профессора по специальности «биофизика». Являлась научным руководителем 7 кандидатских диссертаций и 22 дипломных работ. Автор 2 монографий, 214 статей и 3 авторских свидетельств, член Royal Chemical Society (2012-2014 гг.), награждена медалью «Памяти Н.М. Эмануэля» (2015 г.). Области научных интересов: биохимическая физика, механизмы ингибирования окислительных процессов, радиационная биофизика, радиобиология, адаптация биообъектов к загрязнению среды радионуклидами и токсикантами.

Первоначально исследования биофизических механизмов действия повреждающих факторов на биологические системы проводились в рамках самостоятельной группы в лаборатории физико-химических основ регуляции биологических систем, руководимой д.б.н., профессором Е.Б. Бурлаковой.  Основным направлением работ являлось изучение роли процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в механизме формирования биологических последствий воздействия повреждающих факторов на биологические объекты. Затем исследования были направлены на выявление общности и различий механизмов и эффектов действия повреждающих факторов окружающей среды (ионизирующая радиация в широком диапазоне доз и мощности дозы, химические агенты разной степени токсичности, биологически активные вещества) на регуляцию окислительных процессов в системах разной степени сложности. В качестве объектов исследований использовались различные модельные системы, микроорганизмы, ткани и органы лабораторных животных и грызунов природных популяций. В те годы были выявлены особенности радиопротекторных свойств природных и синтетических антиоксидантов при воздействии на млекопитающих ионизирующих излучений в сублетальных и летальных дозах и биологически активных веществ (БАВ), проявляющих антиоксидантные свойства при введении в организм. воздействовать на систему регуляции ПОЛ. Было экспериментально доказано наличие физико-химической системы регуляции ПОЛ в клетках различных микроорганизмов.

Расширение направлений исследований (совместное действие малотоксичных химических агентов и ионизирующей радиации в сублетальных дозах; наличие в питьевой воде мышей токсикантов разной природы в широком диапазоне концентраций; формирование ранних и отдаленных последствий хронического воздействия излучения в зависимости от исходного антиоксидантного статуса в тканях лабораторных грызунов), использование компьютерных методов анализа и разработка программных модулей для многофакторного анализа экспериментальных данных позволили выявить основные  закономерности формирования последствий воздействия повреждающих факторов разной природы в области малых доз и интенсивностей.

Совокупность полученных данных позволила сформулировать заключение о возрастании роли мембран в формировании последствий воздействия повреждающих факторов разной природы в области малых доз и интенсивностей и предложить новый подход для оценки биологических последствий воздействия неблагоприятных повреждающих и экологических факторов в малых дозах для групп животных по изменению выраженности взаимосвязей между скоординированными в норме параметрами антиоксидантного статуса, обобщенными показателями состава липидов, функциональными тестами. На основании полученных результатов трое сотрудников группы В.В. Урнышева, В.А. Меньшов и М.В. Козлов защитили кандидатские диссертации. Результаты исследований были обобщены руководителем работ Л.Н. Шишкиной в докторской диссертации.

Л.Н. Шишкина явилась инициатором изучения механизма участия процессов ПОЛ в адаптации природных популяций мышевидных грызунов, длительное время обитающих на территориях с повышенным радиационным фоном и отловленных в зоне Чернобыльской катастрофы на участках с разным уровнем загрязнения. Эти исследования в течение почти трех десятилетий проводились совместно с сотрудниками Института биологии Коми НЦ УрО РАН при поддержке к.б.н. А.И. Таскаева, возглавлявшего сначала Отдел радиоэкологии, а затем Институт биологии, в рамках Договоров о творческом содружестве. Результаты радиоэкологических исследований были обобщены в двух монографиях, кандидатской диссертации сотрудницы Института биологии О.Г. Шевченко, выполненной под руководством Л.Н. Шишкиной, и опубликованы в обзорах и статьях в российских научных изданиях и за рубежом.

В 2008 году была создана лаборатория физико-химических проблем радиобиологии и экологии. Основными направлениями проводимых в лаборатории исследований в последние годы являются: изучение детального механизма участия природных компонентов клетки в регуляции процессов окисления в системах разной сложности; разработка модели для оценки вклада физико-химических свойств и состава липидов на разных стадиях низкотемпературного автоокисления; поиск и разработка новых методов оценки воздействия экзогенных и эндогенных токсикантов на регуляцию окислительных процессов, протекающих при физиологических температурах и обеспечивающих взаимодействие клеток со средой;  разработка модели для выявления информативных показателей, наиболее важных для формирования биологических последствий воздействия факторов химической и физической природы и обусловливающих переход физико-химической системы регуляции ПОЛ на отличный от нормы уровень функционирования.

Достижением лаборатории является выявление однотипности функционирования физико-химической системы регуляции в биообъектах разной степени сложности. Так, было установлено наличие однотипного механизма регуляции окислительных процессов в липидах, выделенных из органов животных, и в липидах, сформированных из них липосом. Это позволило предложить новый подход и к анализу участия окислительных процессов в регуляции метаболизма в тканях животных.

Используя различные методы статистики и разработанные программные  модули для компьютерного анализа экспериментальных данных, был проведен полный корреляционный анализ взаимосвязей между физико-химическими свойствами и составом липидов головного мозга мышей разного возраста (н.с., к.х.н. Н.В. Хрустова, н.с., к.х.н. М.В. Козлов). Выявлено, что в головном мозге молодых мышей сфингомиелин преимущественно участвует в образовании рафтов с холестерином, у мышей среднего возраста - предотвращает литическое действие лизоформ фосфолипидов, а в старших возрастных группах преимущественно способствует сохранению структурного состояния мембранной системы органа, если липиды головного мозга мышей обладают способностью разлагать пероксиды.

Сезонная и возрастная вариабельность параметров физико-химической системы регуляции ПОЛ в тканях млекопитающих в сочетании с обратной зависимостью интенсивности процессов ПОЛ от дозы облучения и ее мощности обусловила детальное изучение ранних и отдаленных последствий воздействия рентгеновского излучения в малых дозах с переменой мощностью дозы в зависимости от исходных характеристик липидов тканей мышей. Выявлен сложный и неоднозначный характер влияния данного вида облучения на функционирования системы регуляции ПОЛ, обусловленный гетерогенностью физико-химических свойств липидов печени и особенно головного мозга мышей при проведении экспериментов в осенний период.

Проводимые в лаборатории исследования  поддержаны Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки – медицине» (2012 – 2014 г.г.). Полученные в рамках этой Программы результаты были обобщены в виде главы в коллективной монографии «Здоровье населения России: влияние окружающей среды в условиях изменяющегося климата», опубликованной в 2014 г. по решению Президиума РАН.

Существенное влияние физико-химических характеристик липидов головного мозга на регуляцию ПОЛ при радиационном воздействии в малых дозах позволило предположить их влияние и на регуляцию биохимических процессов в головном мозге мышей вследствие наличия сигнальных функций как у фосфолипидов, так и продуктов их окисления. Это предположение подтверждены результатами мониторинга воздействия  электромагнитных полей (ЭМП) радиочастотного диапазона мобильной связи на здоровье детей и подростков. Установлено распределение поглощенной энергии ЭМП радиочастотного диапазона в голове ребенка во время разговора по мобильному телефону, выявлены нарушения психофизиологических и сенсомоторных реакций у детей-пользователей мобильными телефонами. Впервые установлены особенности проявления как по месту использованию мобильного телефона, так и по времени релаксации после поднесения телефона к правому или левому уху в зависимости от режима пользования мобильной связью и у отдельных индивидуумов, и при исследовании групповых эффектов у разных возрастных групп. Показана взаимосвязь между параметрами сенсомоторных реакций у детей и режимом пользования мобильным телефоном. Впервые доказано, что безопасный режим пользования (наушники, громкая связь, использование SMS, MMS) статистически значимо улучшает все психофизиологические показатели.

Известно, что ингибирующая эффективность антиоксидантов зависит от многих факторов и может существенно различаться в системах разной сложности, поскольку свойства антиоксидантов и любых БАВ, определенные в химических модельных системах, далеко не всегда полностью соответствуют их влиянию на процессы ПОЛ при введении в организм животных. Это обстоятельство вызывает необходимость проведения экспериментов и на модельных системах для оценки их АО способности, и проверки биологической эффективности на животных. Эксперименты по анализу реакционной способности антиоксидантов и БАВ в модельных системах проводились к.х.н. Лидией Ивановной Мазалецкой в тесном сотрудничестве с лабораторией фото- и хемилюминесцентных процессов (зав. лаб. – д.х.н. А.В. Трофимов). Было показано, что образование комплексов природных и синтетических антиоксидантов с азотсодержащим фрагментом фосфолипидов, являющихся одними из основных компонентами биологических мембран, вызывает существенные изменения их антиоксидантной и биологической активности. При этом масштаб эффекта существенно зависел от скорости зарождения радикалов в системе, степени окисленности субстрата, полярности среды. В соответствии с влиянием фосфолипидов на продолжительность периода индукции инициированного окисления метилолеата были выявлены три группы антиоксидантов: период индукции увеличивается (α-токоферол, 4-иетоксифенол, этоксихин); не изменяется (ионол) и уменьшается (кверцетин, дигидрокверцетин). При этом лецитин уменьшал период индукции окисления метилолеата в присутствии флавоноидов в условиях и инициированного, и автоокисления. Ингибирующий эффект смесей лецитина и α-токоферола зависел от концентрации компонентов при разных скоростях инициирования радикалов. При низких концентрациях  α-токоферола ингибирующей эффект смесей был близок к аддитивному, увеличение его концентрации в смеси с лецитином приводило к росту синергического эффекта. 

Интересным направлением исследований нашей лаборатории и лаборатории фото- и хемилюминесцентных процессов явилась разработка методики хемилюминесцентного определения наномолярных концентраций органических пероксидов в аэрозолях и танках электронных сигарет, позволила впервые изучить механизмы термоокислительной деструкции основных компонентов е-жидкостей (пропиленгликоль и глицерин) в атомайзерах и картомайзерах ряда популярных электронных сигарет (с.н.с., к.х.н. В.А. Меньшов). Были установлены основные причины  образования и распада пероксидных соединений в электронных сигаретах как при их использовании, так и в процессе хранения. При анализе загрязнения воздуха в помещениях, где используются электронные системы доставки никотина разных типов, установлено, что загрязнение воздуха частицами диаметром менее 2,5 мкм и летучими органическими токсикантами при использовании электронных сигарет  в десятки раз ниже, чем при выкуривании обычной сигареты.

 

 В рамках договоров о творческом содружестве с сотрудниками Института химии Коми НЦ УрО РАН были проведены комплексные исследования ингибирующей эффективности нескольких групп изоборнилфенолов (ИБФ) в различных модельных системах. Были изучены кинетические и спектральные характеристики ИБФ, их способность к образованию комплексов с природными фосфолипидами и поверхностно-активные свойства в модельных системах разной степени сложности. Установлено, что ингибирующая эффективность ИБФ обусловлена конкуренцией электронодонорной способности заместителей и их экранирующим эффектом, полярностью среды и природой ведущего цепь окисления радикала, наличием внутримолекулярной водородной связи в молекулах ИБФ и их способностью к образованию комплексов с фосфолипидами. Существенные отличия конформации молекул ИБФ от пространственно затрудненных фенолов и высокая электронодонорная способность изоборнильной группы подтверждены методом компьютерного моделирования. Высокие значениями константы скорости взаимодействия с пероксирадикалами позволяют рассматривать изоборнил-, изокамфил- и гибридные ИБФ как новый класс антиоксидантов.

Используя пакет компьютерных программ KINS, показана способность липидов Laminariajanonica, спиртовых экстрактов плодов Sophorajanonica, кверцетина дигидрокверцетина и смеси растительных стеринов принимать участие на разных стадиях окислительных процессов в зависимости от условий окисления. Выявлено уменьшение ингибирующей эффективности генистеина в присутствии смеси природных фосфолипидов (лецитин) в реакциях инициированного окисления. Результаты исследований позволяют заключить, что основой биологической активности компонентов растительных клеток является их способность влиять на интенсивность окислительных процессов в биологических объектах. 

Выявленная ранее однотипность функционирования физико-химической системы регуляции ПОЛ на разных уровнях организации биообъектов позволяет использовать различные модельные системы для первичного отбора перспективных для практического использования соединений. Была предложена модель для первичной оценки поверхностных свойств различных БАВ по их влиянию на параметры агрегации лецитина в н-гексане. Использование методов УФ- и ИК-спектроскопии для исследования комплексообразования ИБФ с фосфолипидами и динамического рассеяния света для изучения их влияния на агрегацию природных фосфолипидов позволило заключить, что биологическая активность ИБФ обусловлена их взаимодействием с фосфолипидами внешнего слоя биологических мембран, а комплексообразование ИБФ преимущественно со сфингомиелином является основой их влияния на структурное состояние мембран. Аспиранты, а затем научные сотрудники лаборатории, М.А. Климович и К.М. Маракулина, принимавшие участие в проведении этих исследований, защитили диссертации на соискание степени кандидата химических наук.

 

Однотипность функционирования физико-химической системы регуляции ПОЛ на разных уровнях организации биообъектов позволяет разрабатывать различные модельные системы и для оценки качества водной среды. Было предложено использование УФ-спектроскопии компонентов водной среды и их смесей и модели самопроизвольной агрегации лецитина в полярной среде в качестве тест-систем для первичной оценки способности биологически активных соединений взаимодействовать с  клеточными мембранами сложных биологических организмов и модифицировать структурное состояние мембран. Это подтверждено анализом УФ-спектров смесей лецитина с тиофосфатом, двухвалентными ионами железа и меди и способностью данных соединений и их комплексов влиять на мицеллообразование лецитина в полярной среде.

 Состав сотрудников лаборатории, как и любого действующего организма в силу различных жизненных обстоятельств и производственной необходимости за прошедшие годы претерпел некоторые изменения. Среди тех, кто работает в коллективе более 15- 25 лет, высококвалифицированные специалисты -  с.н.с., к.х.н. Меньшов Валерий Александрович, н.с., к.б.н. Козлов Михаил Васильевич, н.с., к.ф.-м.н. Хрустова Наталья .Владимировна, н.с. Шелудченко Наталия Ивановна и руководитель кабинета источников ионизирующих излучений Владимир Васильевич Снимщиков. В последние годы в лабораторию пришли высококвалифицированные специалисты -  с.н.с., к.х.н. Швыдкий Вячеслав Олегович, с.н.с., к.б.н. Хорсева Наталья Игоревна, молодой специалист инженер-исследователь Повх Алиса Юрьевна и аспирантка Смирнова Александра Николаевна.

В настоящее время исследования проводятся в нескольких направлениях. Изучается ингибирующая эффективность биологически активных соединений, в том числе компонентов лекарственных растений в широком диапазоне концентраций в модельных системах и влияние их взаимодействия с компонентами биологических мембран на реакционную способность и биологическую активность этих соединений. Продолжается изучение биофизических механизмов влияния физико-химических свойств липидов на формирование биологических последствий воздействия ионизирующих и электромагнитных излучений, химических токсикантов, компонентов сигаретного дыма на организм в широком диапазоне доз и интенсивностей. Ведется разработка моделей и методик для изучения иммуномодулирующих свойств экотоксикантов на основе хемилюминесцентных свойств крови и слюны. Осуществляется разработка модельных систем для оценки как качества водной среды, так и способности ее компонентов принимать участие в регуляции ПОЛ при попадании их в организм. Изменение масштаба и направленности взаимосвязей между параметрами физико-химической системы регуляции ПОЛ при действии повреждающих факторов в малых дозах, с нашей точки зрения, является информационным сигналом, определяющим выбор адаптационной стратегии организма в неблагоприятных условиях обитания, и может являться основой экологического мониторинга.

Интересным научным направлением лаборатории является изучение влияния низкоинтенсивных факторов внешней среды на психофизиологические показатели человека (с.н.с., к.б.н. Н.И. Хорсева). Разработанная комплексная программа мониторирования психофизиологических показателей позволяет объективно оценить влияние любых факторов внешней среды (в том числе электромагнитного излучения мобильных телефонов (МТ) при их длительном использовании) на психофизическое здоровье детей. Результаты длительных наблюдений позволили выявить тенденцию увеличения числа учащихся-пользователей мобильной связью с низкими показателями когнитивных процессов (снижение показателей смысловой памяти, в частности, снижение точности выполнения задания с одновременным увеличением времени его выполнения; мышления). Данные разработки могут быть применены в любом образовательном учреждении для мониторирования психофизического здоровья детей и подростков. Проводимые исследования не имеют аналогов, как в России, так и за рубежом. Работа выполнялась  Договора о научном сотрудничестве между ИБХФ РАН и администрацией Лицея № 17 Городского округа Химки Московской области.

 

 В соответствии с традицией, заложенной академиком Н.М. Эмануэлем, оказывать научно-консультационную и практическую помощь сотрудникам других учреждений в коллективе выполнили большую часть своей кандидатской диссертации, которые впоследствии были успешно защищены, 2 аспирантки Московского университета пищевых производств М.А. Климова и Е.А. Бадичко и 2 аспирантки Казанского химико-технологического университета О. Старовойтова и Л. Агзамова. Результаты, полученные при выполнении совместных исследований, были использованы в докторских диссертациях А.Н. Капичем (докторант кафедры микробиологии биологического факультета МГУ) и к.б.н. А.Г. Кудяшевой (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар).

 За последние годы сотрудники лаборатории физико-химических проблем  радиобиологии и экологии принимали активное участие  в Международных конференциях «Биоантиоксидант»; Международной конференции, посвященной 25-летию аварии на ЧАЭС (Украина); VI Кузинских чтениях «Медико-биологические проблемы действия радиации», Эмануэлевских чтениях, традиционных конкурсах научных работ им. Елены Борисовны Бурлаковой, проводимых в Институте с 2015 года. Заведующая лабораторией Л.Н. Шишкина в 2015 г. была награждена медалью «Памяти Н.М. Эмануэля» за  достижения в области биохимической физики

            Как итог совместной научно-исследовательской работы сотрудников лаборатории физико-химических проблем  радиобиологии и экологии и лаборатории физико-химических основ регуляции биологических систем в области химии и биологической активности антиоксидантов за последнее десятилетие, в 2019 году в издательстве AppleAcademicPressвыходит коллективная монография «Антиоксиданты в системах различной сложности. Химические, биохимические и биологические аспекты» под редакцией д.х.н. Л.Н. Шишкиной, к.б.н. А.Н. Голощапова и гл. спец. Л.И. Вайсфельд. В книге рассматриваются вопросы синтеза и физико-химических свойств антиоксидантов в химических и биохимических модельных системах, биологической активности и химической кинетики антиоксидантов, представлены результаты практического применения антиоксидантов в хозяйственной деятельности.