УДК: 539.1.04

Влияние терагерцового излучения на генетический аппарат клетки. Обзор

Фёдоров В.И., Сердюков Д.С., Черкасова О.П., Попова С.С., Немова Е.Ф.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Фёдоров В.И., Сердюков Д.С., Черкасова О.П., Попова С.С., Немова Е.Ф. Влияние терагерцового излучения на генетический аппарат клетки. Обзор // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 8. С. 9–15.

Fedorov V.I., Serdyukov D.S., Cherkasova O.P., Popova S.S., Nemova E.F. The influence of terahertz radiation on the cell’s genetic apparatus [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 8. P. 9–15.

Ссылка на англоязычную версию:

V. I. Fëdorov, D. S. Serdyukov, O. P. Cherkasova, S. S. Popova, and E. F. Nemova, "The influence of terahertz radiation on the cell’s genetic apparatus," Journal of Optical Technology. 84(8), 509-514 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000509

Аннотация:

В статье представлен обзор литературных и собственных данных об эффектах воздействия терагерцового излучения на состояние ДНК, хромосом и активность генов в клетках микроорганизмов и эукариот. Описываются фенотипические изменения при облучении целостных организмов. Рассматриваются мутагенные эффекты и эпигенетические пути воздействия. Обсуждаются возможные механизмы нетеплового действия терагерцового излучения.

Ключевые слова:

терагерцовое излучение, биологические эффекты, гены, нетепловое воздействие

Благодарность:

Статья посвящена памяти профессора Вячеслава Ивановича Фёдорова, внесшего выдающийся вклад в исследование взаимодействия ТГц излучения с биологическими объектами разного уровня организации.

Коды OCIS: 140.3070; 140.3330; 170.1420

Список источников:

1. Fedorov V.I., Popova S.S., Pisarchik A.N. Dynamic effects of submillimeter wave radiation on biological objects of various levels of organization // Infrared and Millimeter Waves. 2003. V. 24. № 8. P. 1235–1254.
2. Ramundo Orlando А., Gallerano G.-P. Terahertz radiation effects and biological applications // Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2009. V. 30. P. 1308–1318.
3. Федоров В.И. Исследование биологических эффектов электромагнитного излучения субмиллиметровой части терагерцового диапазона // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 2. C. 17–27.
4. Wilmink G.J., Grundt J.E. Invited review article: current state of research on biological effects of terahertz radiation // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2011. V. 32 (10). P. 1074–1122.
5. Федоров В.И. Новые достижения в изучении биологической эффективности электромагнитного излучения субмиллиметровой части ТГц диапазона // Биомедицинская радиоэлектроника. 2011. № 3 (63). С. 5–17.
6. Weightman P. Prospects for the study of biological systems with high power sources of terahertz radiation // Physical Biology. 2012. V. 9. № 5. P. 053001.
7. Ангелуц А.А., Гапеев А.Б., Есаулков М.Н., Косарева О.Г., Матюнин С.Н., Назаров М.М., Пашовкин Т.Н., Солянкин П.М., Черкасова О.П., Шкуринов А.П. Исследование повреждений ДНК в лейкоцитах крови человека под действием терагерцового излучения // Квантовая электроника. 2014. Т. 44. № 3. С. 247–251.
8. Zhao L., Hao Y.-H., Peng R.-Y. Advances in the biological effects of terahertz wave radiation // Military Medical Research. 2014. V. 1 (26). Р. 1–4.
9. Федоров В.И. Биологическая опасность терагерцового излучения // Биомедицинская радиоэлектроника. 2014. № 1. С. 34–41.
10. Borovkova M., Serebriakova M., Fedorov V., Sedykh E., Vaks V., Lichutin A., Salnikova A., Khodzitsky M. Investigation of terahertz radiation influence on rat glial cells // Biomedical Optics Express. 2017. V. 8. № 1. P. 273–280.
11. Hintzsche H., Stopper H. Effects of terahertz radiation on biological systems // Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2012. V. 42. P. 2408–2434.
12. Федоров В.И., Вайсман Н.Я, Немова Е.Ф, Мамрашев А.А, Николаев Н.А. Влияние терагерцового излучения на численность и динамику развития потомства F1 стрессированных самок дрозофил // Биофизика. 2013. Т. 58. № 6. С. 1043–1050.
13. Fedorov V.I., Weisman N.Ya., Nemova E.F., Nikolaev N.A. Terahertz radiation influence on stressed drosophila life span // Biophysics. 2014. V. 59. No. 3. P. 458–463.
14. Fedorov V.I., Weisman N.Ya. The lifespan of the F1 Progeny of drosophila females exposed to terahertz radiation of low intensity // Biophysics. 2015. V. 60. № 5. P. 835–842.
15. Kim K.-T., Park J., Jo S.J., Jung S., Kwon O.S., Gallerano G.P., Park W.-Y., Park G.-S. High-power femtosecond-terahertz pulse induces a wound response in mouse skin // Scientific Reports. 2013. V. 3. P. 2296.
16. Гапеев. А.Б., Романова Н.А., Чемерис Н.К. Структурные изменения хроматина лимфоидных клеток под действием низкоинтенсивного электромагнитного излучения крайне высоких частот на фоне воспалительного процесса // Биофизика. 2011. Т. 56. № 4. С. 688–695.
17. Цуркан М.В., Кудрявцев И.В., Серебрякова М.К., Несговорова Ю.С., Назарова И.В., Трулев А.С., Смолянская О.А., Беспалов В.Г., Полевщиков А.В. Исследование воздействия широкополосного терагерцового излучения на функциональную активность клеток // Оптический журнал. 2013. Т. 80. № 11. С. 16–23.
18. Zeni O., Gallerano G.P., Perrotta A., Romanò M., Sannino A., Sarti M., D’Arienzo M., Doria A., Giovenale E., Lai A., Messina G., Scarfì M.R. Cytogenetic observations in human peripheral blood leukocytes following in vitro exposure to THz radiation: a pilot study // Health Physics. 2007. V. 92. P. 349–357.
19. Bogomazova A.N., Vassina E.M., Goryachkovskaya T.N., Popik V.M., Sokolov A.S., Kolchanov N.A., Lagarkova M.A., Kiselev S.L., Peltek S.E. No DNA damage response and negligible genome-wide transcriptional changes in human embryonic stem cells exposed to terahertz radiation // Scientific Reports. 2015. V. 5. N. 7749. P. 1–6.
20. Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Malup T.K., Bannikova S.V., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Studying the non-thermal effects of terahertz radiation on E. coli/pKatG-GFP biosensor cells // Bioelectromagnetics. 2013. V. 34. № 1. P. 15–21.
21. Demidova E.V., Goryachkovskaya T.N., Mescheryakova I.A., Malup T.K., Semenov A.I., Vinokurov N.A., Kolchanov N.A., Popik V.M., Peltek S.E. Impact of terahertz radiation on stress-sensitive genes of E. coli cell // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2016. V. 16073156. P. 435–441.
22. Wilmink G.J., Grundt J.I., Cerna C., Roth C.C., Kuipers M.A., Lipscomb D., Echchgadda I., Ibey B.L. Terahertz radiation preferentially activates the expression of genes responsible for the regulation of plasma membrane properties // Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2011. № 12442107. P. 1–3.
23. Grundt J.E., Cerna C., Roth C.C., Ibey B.L., Lipscomb D., Echchgadda I., Wilmink G.J. Terahertz radiation triggers a signature gene expression profile // Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz). 2011. № 12442108. P. 1–2.

24. Wilmink G.J., Rivest B.D., Ibey B.L., Roth C.L., Bernhard J., Roach W.P. Quantitative investigation of the bioeffects associated with terahertz radiation // Lasers in Surgery and Medicine. 2010. V. 7562. P. 75620L.
25. Wilmink G.J., Rivest B.D., Roth C.C., Ibey B.L., Payne J.A., Cundin L.X., Grundt J.E., Peralta X., Mixon D.G., Roach W.P. In vitro investigation of the biological effects associated with human dermal fibroblasts exposed to 2,52 THz radiation // Lasers in Surgery and Medicine. 2011. V. 43. № 2. P. 152–163.
26. Echchgadda I., Grundt J.E., Cerna C.Z., Roth C.C., Ibey B.L., Wilmink G.J. Terahertz stimulate specific signaling pathways in human cells // Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). 2014. V. 14770846. P. 1–2.
27. Echchgadda I., Cernab C.Z., Sloanb M.A., Elamc D.P., Ibeya B.L. Effects of different terahertz frequencies on gene expression in human keratinocytes // Proceedings of the SPIE. 2015. V. 9321. P. 93210Q1–93210Q9.
28. Alexandrov B.S., Rasmussen K.O., Bishop A.R., Usheva A., Alexandrov L.B., Chong S., Dagon Y., Booshehri L.G., Mielke C.H., Phipps M.L., Martinez J.S., Chen H.T., Rodriguez G. Non-thermal effects of terahertz radiation on gene expression in mouse stem cells // Biomedical Optics Express. 2011. V. 2. № 9. P. 2679–2689.
29. Alexandrov B.S., Phipps M.L., Alexandrov L.B., Booshehri L.G., Erat A., Zabolotny J., Mielke C.H., Chen H.T., Rodriguez G., Rasmussen K.O., Martinez J.S., Bishop A.R., Usheva A. Specificity and heterogeneity of terahertz radiation effect on gene expression in mouse mesenchymal stem cells // Scientific Reports. 2013. V. 3. № 1184. P. 1–8.
30. Titova L.V., Ayesheshim A.K., Golubov A., Rodriguez-Juarez R., Woycicki R., Hegmann F.A., Kovalchuk O. Intense THz pulses down-regulate genes associated with skin cancer and psoriasis: a new therapeutic avenue? // Scientific Reports. 2013. V. 3. № 2363. P. 1–6.
31. Titova L.V., Ayesheshima A.K., Golubovb A., Rodriguez-Juarez R., Kovalchuk A., Hegmanna F.A., Kovalchuk O. Intense picosecond THz pulses alter gene expression in human skin tissue in vivo // Scientific Reports. 2013. V. 3. № 2363. P. 1–6.
32. Titova L.V., Ayesheshim A.K., Golubov A., Fogen D., Rodriguez-Juarez R., Hegmann F.A., Kovalchuk O. Intense THz pulses cause H2AX phosphorylation and activate DNA damage response in human skin tissue // Biomedical Optics Express. 2013. V. 4. № 4. P. 559–568.
33. Wilmink G.J., Ibey B.L., Roth C.L., Vincelette R.L., Rivest B.D., Horn C.B., Bernhard J., Roberson D., Roach W.P. Determination of death thresholds and identification of terahertz (THz)-specific gene expression signatures // Optical Interactions with Tissues and Cells. 2010. V. XXI. P. 75620K.
34. Bock J., Fukuyo Y., Kang S., Phipps M.L., Alexandrov L.B., Rasmussen K.O., Bishop A.R., Rosen E.D., Martinez J.S., Chen H.T., Rodriguez G., Alexandrov B.S., Usheva A. Mammalian stem cells reprogramming in response to terahertz radiation // PLoS One. 2010. V. 5. № 12. P. e15806.
35. Бинги В.Н. Принципы электромагнитной биофизики // М.: Физматлит, 2011. 592 с.
36. Ильенков Р.Я., Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Юдин В.И. Квантовая теория лазерного охлаждения: статистическое описание динамики процесса // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2016. Т. 150. № 1(7). С. 5–17.
37. Frohlich H. The biological effects of microwaves and related questions // Adv. Electronics and Electron Physics. 1980. V. 53. P. 85–152.
38. Pokorny J., Wu T.-M. Biophysical aspects of coherence and biological order. Prague: Springer. Academia. Publ. House of Academy of Sciences of the Czech Republic, 1998. 240 p.
39. Pokorny J. Biophysical aspects of cancer // The 10th International Frohlich’s Symposium, Prague, Czech Republic. 2016. 52 p.
40. Перлин Е.Ю., Вартанян Т.А., Федоров А.В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов. Учебное пособие. СПб: СибГУ ИТМО, 2008. С. 216.
41. Sing M.K., Wang Z.-G., McKinley G.H., Olsen B.D. Celebrating soft matter’s 10th anniversary: chain configuration and rate-dependent mechanical properties in transient networks // Soft Matter. 2015. V. 11. P. 2085–2096.
42. Сазонов С.В. Терагерцовые солитоны // Оптический журнал. 2015. Т. 82. № 11. С. 5–14.