Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия Атомные батареи Физика ядерного реактора

Радиоактивное излучение Атомные реакторы и батареи

 

Инкорпорированное (внутренее) облучение

  Живой организм может получить дополнительное облучение не только за счет внешних источников излучения, но и при воздействии инкорпорированных радионуклидов, т.е. радионуклидов поступивших внутрь организма. Характер распределения радионуклидов в организме зависит от химических свойств элемента, формы вводимого химического  соединения, от физиологического состояния организма.

 В организм человека  и животных радионуклиды могут попасть тремя путями: через легкие, через желудочно-кишечный тракт, через кожу.

Наиболее опасным для человека является поступление радиоактивных нуклидов через дыхательные пути, так как большая часть поступивших  по этому пути нуклидов задерживается в организме на длительное время. Этому способствует большая поглощающая поверхность легочной ткани. Так, размеры поверхности альвеол у взрослого человека составляет примерно 100 м2. Радиоактивность вдыхаемого воздуха обуславливается наличием в ее составе радиоактивных газов, радиоактивной пыли, аэрозолей, дыма. Доля радионуклидов, задержанная в дыхательной системе, зависит от природы и размера частиц, от объема легких, частоты дыхания. Хорошо растворимые в воде вещества быстро попадают в кровь (в течение нескольких минут), транспортируются по всему организму, откладываются в различных участках организма или выводятся. Нерастворимые частицы размером менее 0,5 мкм легко попадают в легкие и быстро выводятся с выдыхаемыми газами. Частицы размером 0,5 – 1 мкм почти полностью задерживаются в легочной ткани. Более крупные частицы, оседают в верхней части дыхательных путей, удаляются вместе со слизью в ротовую полость и поступают в желудочно-кишечный тракт. Частицы, осевшие в альвеолах, могут также захватываться фагоцитами и удаляться или мигрировать в лимфатические узлы, где могут находиться в течение нескольких месяцев или даже лет. Очень быстро всасываются в легких растворимые соединения трития, щелочных и щелочноземельных металлов. Плохо всасываются соединения тяжелых металлов: свинца, амереция, церия, германия и т.д. При вдыхании радиоактивных элементов, которые аккумулируются в легочной ткани, легкие могут стать критическим органом.

 Второй путь поступления радионуклидов в организм – попадание их с питьевой водой и с пищей. Вода и пищевые продукты могут быть загрязнены искусственными радиоактивными соединениями, которые могут включаться в состав пищевых продуктов и по биологическим цепям. Судьба попавших в желудочно-кишечный тракт радионуклидов  зависит от их растворимости в жидкой среде. Например, многие растворимые соединения редкоземельных и трансурановых элементов при щелочном значении рН тонкого кишечника превращаются нерастворимые гидрооксиды. Наоборот, плохо растворимые в воде вещества в желудочно-кишечном тракте превращаются в растворимые соединения и активно всасываются в кровь через кишечник. Поэтому в радиационной защите и радиоэкологии, критерием радиотоксичности того или иного нуклида является не его растворимость, а «транспортабельность» этого элемента в организме. Этот термин означает способность попавшего в организм  нуклида всасываться в кровь и распространяться по всему организму. По скорости всасывания в желудочно-кишечном тракте радионуклиды можно расположить в следующий ряд: 22Na > 131I > 137Cs > 45Ca > 89,90Sr > 65Zr > 60Co > 59Fe> 54Mn >140Ba >106Ru >95Zr 144Ce >90Y > 239Pu. Как видно из таблицы 3, галогены, щелочные и щелочноземельные металлы всасываются очень хорошо, в кровь поступает до 100 % попавших в желудочно-кишечный тракт элементов. Тяжелые и редькоземельные элементы в кишечнике образуют трудно растворимые соединения с фосфатами и жирными кислотами и поэтому всасываются очень слабо ( до 2 % поступивших радионуклидов).

Таблица 3

Всасываемость некоторых химических элементов в желудочно-кишечном тракте животных

(Белов и др., 1999)

Элемент

Всасывание, %

Элемент

Всасывание, %

Элемент

Всасывание, %

Натрий

100

Стронций

9 - 60

Барий

15

Рубидий

100

Кобальт

30

Уран

3-6

Цезий

100

Магний

10

Иттрий

0,01

Йод

100

Свинец

8

Цирконий

0,01

Цинк

10

Полоний

6

Плутоний

0,01

 Таким образом, значительная часть радиоактивных веществ, попавших в желудочно-кишечный тракт, может не всасываться в кишечнике и удаляться из организма. Однако, и в этом случае, они находятся в желудочно-кишечном тракте около 1 суток. За это время происходит интенсивное облучение тканей желудочно-кишечного тракта, особенно, если нуклиды обладают a- активностью. Если инкорпорированные нуклиды обладают b-активностью или g -активностью, облучению подвергаются и другие органы, расположенные в брюшной полости и грудной клетке. Поэтому, при попадании в организм значительного количества радионуклидов с пищей и водой, критическим органом может стать желудочно-кишечный тракт.

 Поступление радионуклидов через кожу. Радиоактивные соединения в составе жидкостей и газов могут проникать в ткани организма в значительных количествах через кожные покровы. Этот путь попадания для некоторых нуклидов сравним с ингаляционным путем и проникновением через желудочно-кишечный тракт. Так, при приеме радоновых ванн, через легкие поступает около 90 % , через кожу - около 5 % всего поступившего количества радона. Степень проникновения радионуклидов многократно повышается при наличии кожных повреждений (трещин, ссадин, царапин и т.д.).

Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме

Распространение и распределение в организме попавших в кровь радионуклидов определяется следующими факторами. Во-первых, биогенной значимостью стабильных изотопов данного элемента, тропностью этого элемента к определенным тканями органам. Например, ионы кальция выполняет специфические функции в организме и входят в состав всех типов тканей. Однако, высоким содержанием кальция характеризуются кости, соответственно, кальций проявляет большую тропность к костной ткани. Изотоп иода характеризуется высокой  тропностью к щитовидной железе. Во-вторых, поведение инкорпорированного радинуклида в организме зависит от его физико-химических свойств, массового числа, заряда валентности, растворимости соединения, в составе которого он находится и т.д. По типу распеределения в организме, радионуклиды можно разделить на 5 основных групп (табл. 4).

Таблица 4

Типы распределения изотопов некоторых химических элементов в организме млекопитающих

Тип распределения

Радиоизотопы элементов

Диффузный (равномерный)

Водород, натрий, литий, калий, рубидий,цезий, рутений, хлор, бром, углерод, азот

Скелетный (остеотропный)

Кальций, стронций, барий, радий, цирконий, иттрий, бериллий, фтор, медь и др.

Печеночный

Церий, лантан, марганец, плутоний, торий, прометий и др.

Почечный

Сурьма, мышьяк, висмут, уран, селен и др.

Тиретропный

Йод, бром, астат

 

Как видно, значительная часть радиоактивных изотопов не имеют определенной локализации, а распределяются по всем тканям организма ( диффузный путь). По этому пути происходит распределение изотопов калия, натрия, рубидия, цезия, водорода, азота, углерода. Изотопы щелочноземельных элементов (кальций, фтор и др.) накапливаются в костных тканях (скелетный путь). В печени и почках происходит аккумуляция лантаноидов, актиноидови трансурановых элементов. В особую группу выделяются изотопы иода и брома, которые в основном, накапливаются в щитовидной железе.

Нужно отметить, что распределение в организме элементов, относящихся к одной группе периодической системы Д. И. Менделеева, происходит однотипно. Так, элементы первой группы таблицы (Li, Na, K, Rb, Cs) полностью всасываются из кишечника, сравнительно равномерно распределяются по всем органам и выделяются преимущественно с мочой. Элементы второй группы хорошо всасываются из кишечника и избирательно откладываются в скелете, выделяются из организма с калом. Элементы третьей и четвертой групп, практически не всасывются из кишечника, откладываются в печени, выделяются преимущественно с калом. Элементы пятой и шестой групп, сравнительно хорошо всасываются из кишечника, за исключением полония, и выводятся с мочой в течение первых суток после поступления. В случае избирательной концентрации радионуклидов в определенной ткани или органе, они становятся критическим органами. При поступлении йода критическим органом будет щитовидная железа, для кальция, стронция – кости. Самые радиочувствительные органы - половые железы и кроветворная система - могут стать критическим органом при поступлении в организм любых типов радиоизотопов.

Инкорпорированные радиактивные элементы, так же как и стабильные изотопы, выводятся из организма с продуктами метаболизма через выделительные системы. Период времени, в течение которого из организма выводится половина поступишего количества элемента, называется  биологическим периодом полувыведения. Уменьшение содержания радиоактивного изотопа в организме ускоряется и вследствие радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада изотопа, тем быстрее снижается содержание этого нуклида в организме. Следовательно, уменьшение количества радиоактивных изотопов в организме происходит по биологическим закономерностям и по закону радиоактивного распада. Фактическое время убыли их в организме принято выражать эффективным периодом полувыведения.

Токсичность инкорпорированных радионуклидов

Биологическая эффективность инкорпорированных радионуклидов определяется их

физическими свойствами (доза, период полураспада, вид и энергия излучения) и биологическими свойствами (тип распределения, скорость выведения). Кроме того, эффект действия радионуклидов определяется и радиочувствительностью организма. По степени биологического действия (радиотоксичности) радионуклиды, как потенциальные источники внутреннего облучения, разделяются на 5 групп (табл. 5).

Таблица 5

Классификация радионуклидов по их токсичности для человека и млекопитающих животных

Группа токсичности

Характеристика группы

Группа А

Радионуклиды особо высокой токсичности. Среднегодовая допустимая активность Х этих нуклидов в питьевой воде установлена в пределах Х= 3,7 - 370 Бк/л (10-10 - 10-8 Ки/л). К этой группе относятся изотопы: 210Pb, 210Po, 226Ra, 230Th, 232U, 238Pu и др.

Группа Б

Радионуклиды высокой токсичности. Х= 37 -  3700 Бк/л (10-9 - 10-7 Ки/л)

К этой группе относятся изотопы: 106Ru, 131I, 144Ce, 210Bi, 234Th, 235U, 241Pu и др.

Группа В

Радионуклиды средней токсичности. Х= 370 -  37000 Бк/л (10-8 - 10-6 Ки/л). В эту группу входят изотопы: 22Na, 32P, 35S, 36Cl, 45Ca, 59Fe, 60Co, 89Sr, 90Y, 92Mo, 125Sb, 137Cs, 140Ba, 96Au и др.

Группа Г

Радионуклиды небольшой токсичности. Х= 370 - 37000 Бк/л (10-8 – 10-6 Ки/л). Изотопы этой группы: 7Be, 14C, 18F, 57Cr, 55Fe, 64Cu, 129Te, 195Pt, 197Hg, 200Tl и др.

Группа Д

Нетоксичные радионуклиды. В эту группу входит тритий и его химические соединения (окись трития, тяжелая вода). Х = 148 кБк (4 ·10-6 Ки/л )

 В соответствии со степенью радиотоксичности и типа распределения радионуклида в организме предьявляются санитарные требования и правила при работе с изотопами различной токсичности.

Для изотопов с равномерным типом распределения характерно малое различие в дозах, вызывающих острое и хроническое течение болезни. При поступлении таких изотопов у животных отмечается снижение массы селезенкии семенников, сильное подавление лимфоидного кроветворения, возникновение в отдаленные сроки опухолей мягких тканей.

При поражении изотопами со скелетным типом распределения наблюдается увелечение селезенки, сильное подавление костномозгового кроветворения, преимущественное возникновение опухолей костей.

При воздействии изотопов с печеночным и почечным типами распределения существенные изменения структуры и функций происходят в печени, почках, мочевыводящих путях.

Существенным фактором, определяющим течение и исход лучевой болезни при инкорпорированном облучении, является эффективный период полувыведения. Для радионуклидов с коротким эффективным периодом полувыведения (90Y, 137Cs, 140Ba, 96Au и др.) при однократном и непродолжительном поступлении в организм наблюдается быстрая нормализация кроветворения и общего состояния организма. Длительное поступление этих радионуклидов вызывает острые реакции и имеет отдаленные последствия для организма. При попадании в организм радионуклидов с эффективным длительным периодом полувыведения (210Po, 226Ra, 232U, 239Pu и др.) наблюдается иная картина. Восстановительный период больных при этом очень продолжительный, функции организма восстанавливаются медленно, часто возникают зллокачественные опухоли. Такие нарушения в организме, как тромбоцитопения, анемия, бесплодие могут  проявляться в течение нескольких лет после облучения.

Терапия лучевой болезни

При лечении различных форм лучевой болезни используют разнообразные медицинские приемы.  Способы и методы лечения могут быть отнесены или к заместительной или функциональной терапии. Использование методов заместительной терапии предполагает возмещение части убитых облучением клеток необлученными тканевыми или клеточными трансплантатами. При лечении лучевой болезни используется, в первую очередь, замещение клеток красного костного мозга. Методы и способы функциональной терапии представляют обычный набор приемов, направленных на поддержание и улучшение работы всех органов и систем, пораженных облучением.

Заместительная терапия. Трансплантация красного косного мозга. Впервые успешную трансплантацию селезенки от здорового донора облученной мыши, произвел в 1951 году Л. Джекобсон. Результаты его опытов позволили предположить возможность предотвращения летального исхода после облучения путем пересадки небольшого количества необлученных клеток облученному организму. Проводившиеся до работы  Л. Джекобсона аналогичные экперименты были безуспешными. Последующие эксперименты показали, что наиболее эффективной оказывается пересадка изологичной ткани, т.е. клеток взятых от особей одной линии или от однояйцевых близнецов. Было показано, что при пересадке изологичного красного мозга, может выживать до 75 % летально облученных животных. Эффективность лечения зависит и от количества пересаженных клеток. По данным ряда авторов, для достижения хорошего уровня выживаемости, в организм облученных млекопитающих необходимо вводить от 1 до 15 млн. изологичных клеток. При введении гомологичных и гетерологичных пересадок количество пересаженных клеток необходимо увеличивать в 10-15 раз. Основной экспериментальный материал  по пересадке клеток красного мозга, с количественной оценкой результатов, получен на мышах с использованием особей чистых линий. Тем не менее, положительный результат трансплантации красного костного мозга при летальном облучении, показан и на других видах млекопитающих: крысах, собаках, кошках, обезъянах.

Экспериментально показано, при гомологичных и гетерологичных пересадках мыши хорошо переживают ранний период (1,5 – 2 месяца после облучения). Однако, затем наблюдается их массовая гибель от вторичной болезни, или от так называемой болезни истощения. Эта болезнь носит иммунологический характер и проявляется вследствие тканевой несовместимости.

Как известно, в реакциях несовместимости у млекопитающих, в первую очередь,  участвуют иммунокомпетентные клетки, преимущественно лимфоидного ряда. В норме эти клетки находятся в красном костном мозге, лимфатических органах, и в крови. Даже незначительное количество этих клеток способно вызвать реакцию отторжения чужеродной ткани. Облучение организма временно подавляет выработку естественных лимфоцитов и поэтому становится возможным приживание чужеродных клеток и их размножение. Подавление собственного иммунного ответа зависит от поглощенной дозы облучения. Как не парадоксально, с повышением дозы облучения реципиента, эффективность гомологичной и гетерологичной пересадок повышается. При относительно малых дозах облучения, пересадка костного мозга даже увеличивает смертность облученных животных вследствие иммунологической реакции между донорскими клетками и не подавленными иммуннокомпентентными клетками реципиента.

 Доработать этот отрезок.

Необходимо отметить, что чем дольше донор и реципиент находятся друг от друга в генетическом отношении, тем большая доза необходима для подавления иммуннологического ответа при пересадке. Например, минимальная поглощенная доза рентгеновского излучения, достаточное для приживания у мышей красного костного мозга взятого от крыс составляет 5 Гр, от хомяков – 9 Гр, от морских свинок – 12 Гр, от кроликов – 15 Гр.

Рис. 4.  Зависимость эффективности пересадки изологичного и гетерологичного красного мозга  от дозы облучения

 Достоверные сведения об эффективности различных количеств введенных клеток получены на мышах, крысах, обезьянах. В отношении человека можно говорить о минимальных количествах пересаженных клеток, вызывающих какой-либо положительный эффект. Исследователи отмечают, что для практических лечебных целей минимальная доза изологичной и аутологичной пересадки должна быть не менее 2 108 клеток/кг массы тела, при гомологичной пересадке – не менее 109 клеток/кг массы. Однако, пересадка гомологичного красного мозга облученному человеку практически бесполезна, так как летальный исход неизбежен вследствие тяжелых иммунологических расстройств. Нужно отметить, что в настоящее время ведутся интенсивные исследования по распознаванию механизмов проявления генетической несовместимости тканей человека.  Найдены методы и способы отбора и подбора доноров по главному антигену ( HLA ) человека. Поэтому можно предполагать, что гомологичные пересадки костного мозга в дальнейшем можно будет использовать при лечении облученных людей.

 В медицинской практике усиленно разрабатываются и различные способы преодоления иммунологического барьера, такие как выработка иммунологической толерантности, иммуннодепрессия фармокологическими средствами, использование смешанного препарата  клеток от нескольких доноров, использование в качестве доноров близких родственников облученного. Использование этих подходов в значительной степени повышают вероятность благоприятного исхода при пересадке.

 Вопрос об источнике получения трансплантатов имеет огромное значение, так как для пересадки требуется довольно большое количество материала. Наиболее перспективным способом получения клеток для пересадки является возможности их клонирования стволовых клеток красного костного мозга. Тем более, что в культуре можно выращивать аутологичную ткань, т.е. клетки, клонированные из стволовых клеток облученного человека. Однако, это дело ближайшего будущего. В настоящее время пересадка костного мозга облученным людям связана с большим риском. Поэтому решение о трансплантации принимают только в тех случаях, когда нет других способов обеспечить выживание облученных пациентов. На экспериментах с животными показано, что сохранение даже 1 % стволовых клеток красного мозга обеспечивает спонтанное восстановление системы кроветворения. Большинство радиобиологов-клиницистов считают трансплантацию необходимой только для категории «выживание возможно» и в некоторых случаях для категории «выживание вполне вероятно», если нет оснований рассчитывать на спонтанное восстановление кроветворения. Больным категории «выживание несомненно», аллогенная трансплантация может нанести только вред, а отнесенным к категории «выживание невозможно» эта процедура, к сожалению, бесполезна.

  Более приемлимым и рекомендуемым к широкому использованию способом, следует отнести аутотрансплантацию клеток красного костного мозга, пересадку клеток с необлученных или слабооблученных участков. Эта процедура безопасна в иммунологическом отношении и более эффективна, чем гомологичная трансплантация. Аутологичная пересадка красного костного мозга сокращает срок восстановления системы кроветворения, что в свою очередь уменьшает вероятность инфекционных и геммарогических осложнений.

Замена периферической крови. Как отмечалось, непосредственной причиной смерти от лучевой болезни при проявлении костномозгового синдрома являются инфекционные осложнения и кровотечения. Как известно, основная роль в защите организма человека от патогенных микроорганизмов принадлежит нейтрофильным гранулоцитам. Геммарогически явления, в основном, обуславлены снижением в плазме крови количества тромбоцитов. Уменьшение количества гранулоцитов и тромбоцитов в периферической крови после облучения происходит почти одновременно. Поэтому интенсивные кровотечения и инфекционные процессы в организме сопровождают и отягощают друг друга. На многих видах животных показана возможность противолучевой защиты организма трансфузией форменных элементов донорской  крови. Хотя основная масса введенных гранулоцитов быстро исчезает (период полужизниэтих клеток составляет 6-8 часов), но все же, даже однократная трансфузия клеток крови позволяет нормализировать состояние больного на несколько суток. Повторная трансфузия  лейкоцитарной массы еще более эффективна.

 Переливание цельной крови при лечении лучевой болезни используют редко, т.к. эта процедура мало эффективна. Во-первых, с кровью может быть введено небольшое количество форменных элементов  по сравнению с использованием клеточных концентратов. Во-вторых, при переливании свежей крови, могут проявляться реакции несовместимости типа «трансплантант против хозяина», индуцируемые иммунокомпентентными клетками крови. По некоторым данным, реакции нсовместимости у человека проявляются при введении 0,5 л донорской периферической крови. Поэтому, при переливании цельной крови, ее предварительно облучают для подавления иммунокомпетентных клеток.

К средствам заместительной терапии относятся также введение в организм солевых растворов, растворов глюкозы и других растворов. Эти средства, компенсируют утрату воды, электролитов, сахаров, в результате нарушения работы кишечника. В экспериментах показано, что использование этих растворов  в комбинации антибиотиками, значительно снижают раннюю гибель животных.

Добавить по функциональной терапии

Контрольные вопросы и задания.

Какие изменения в организме можно отнести к отдаленным последствиям облучения?

Какая зависимость существует между поглощенной дозой и сокращением продолжительности жизни облученных животных?

Предложите Ваше объяснение механизмов индуцирования и проявления  канцергенных эффектов ионизирующих излучений.

Какова зависимость между появлением злокачественных новообразований и велечиной поглощенной дозы у животных?

Какие, по вашему мнению, механизмы возникновения и проявления отдаленных эффектов облучения?

Какими путями в организм человека могут попасть радионуклиды?

От каких факторов зависить транспортабельность радионуклидов в организме человека?

Опишите путь распределения в организме человека следующих нуклидов, попавших в желкудочно-кишечный тракт:

 а) 45Cа б) 65Zn в) 22Na

Объясните механизмы проявления “вторичной болезни” при гетерологичной пересадке красного костного мозга.

Объясните, почему наибольший эффект при заместительной терапии достигается в случае пересадки облученному изологичной ткани?

 В организм человека с питьевой водой попало радиоактивное соединение с 226Ra ( α-излучение, Е = 4,76 Мэв, Т1/2 = 1620 лет). Начальное значение Дэкз = 1 мГр/час. Какие последствия для здоровья вызовет это облучение?

С зараженной радиоктивной пищей в организм попало соединение с 14С ( β-излучение, Е =165 кэВ, Т1/2 = 5500 лет). Начальное значение Дэкз = 1 мкГр/мин. Какие последствия для здоровья вызовет это облучение?

 В течение недели с водой и пищей в организм поступала смесь радионуклидов содержащих ( в % от общего количества) 3H – 30 , 14С – 30 , 131I– 30, 40К – 10. Какой орган в данном случае с наибольшей вероятностью может стать критическим органом? Ответ обоснуйте

В результате аварии на АЭС в водопровод попала сверхтяжелая вода, содержащая 2H, 3H. Суммарная активность этих нуклидов в питьевой воде составила 2 ·10-6 Ки/л. Люди пили эту воду в течение 2-х суток. Какие последствия для здоровья этих людей имел этот случай.

Минеральная вода из новой скважины характеризуется следующей активностью изотопов: 22Na = 3,5·10-7 Ки/л, 36Cl = 2 ·10-7 Ки/л. Допускается ли использование этой скважины для производства питьевой минеральной воды? Ответ обоснуйте.


На главную