Пути поступления радионуклидов в организм человека

Пути поступления радионуклидов в организм человека

Радиоактивные вещества могут попадать в организм человека тремя путями: через органы дыхания (при вдыхании загрязненного радиоактивными аэрозолями воздуха), через желудочно-кишечный тракт (с продуктами питания и водой), через кожу (резорбция через кожу). С воздухом в организм человека поступает несколько более 1% радиоактивности. Примерно 5% попадает с питьевой водой. Основной опасностью является поступление радионуклидов с пищей.

              Наиболее важным и потенционально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов. Этому содействует большая дыхательная поверхность альвеол, площадь которой достигает 100 м2 и более (более чем в 50 раз превышает площадь кожи). Кроме того, этот путь опасен и из-за более высокого коэффициента захвата и усвоения изотопов из воздуха.

Радиоактивность воздуха может быть обусловлена содержанием в нем радиоактивных газов или аэрозолей в виде пыли, тумана, дыма. Доля радионуклидов, которые задерживаются в дыхательной системе, зависит от размера частиц, минутного объема легких и частоты дыхания.  Обмен радиоактивных элементов при поступлении их в легкие с выдыхаемым воздухом определяют три параметра:

1. Размер  или диспертность вдыхаемых частиц (аэрозолей);

2. Склонность  радионуклидов к гидролизу и  комплексообразованию, от которых зависит путь и скорость их выведения из легких;

3. Период  полураспада радионуклида.

При вдыхании воздуха радиоактивные вещества, содержащиеся в нем (частицы радиоактивной пыли), задерживаются на всем протяжении дыхательного тракта от преддверия носа, носоглотки, полости рта до глубоких альвеолярных отделов легких. При этом между размером частицы и глубиной ее проникновения имеется зависимость. Радиоактивные частицы    с аэродинамическим диаметром 50 мкм могут достигать только носоглотки (откуда могут потом поступать в желудок), и в основном отхаркиваются. Частицы с диаметром 7,5-10 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях на 70-90% (не проникают в альвеолы). Более мелкие частицы

(0,05 мкм) задерживаются  в альвеолярном отделе легких  на 35-65%.

Чем меньший диаметр частиц, тем относительно меньше их задерживается в верхних дыхательных путях, бронхах и тем больше их проникает в альвеолярные отделы легких, т.е. в те области, где отсутствуют механизмы, которые способны выводить попавшие частицы в бронхи и трахею (т.е. наружу).

Дальнейшая судьба радионуклидов, отложившихся в дыхательных путях, также связана с размерами радиоактивных частиц, их физико-химическими свойствами и транспортабельностью в организме. Вещества, хорошо растворяющиеся, в основном быстро (за несколько десятков минут) всасываются в кровеносное русло, – этому содействует широкое развитие сети капилляров, через которые и происходит обмен газов в легких. Затем эти вещества в процессе обмена веществ откладываются в определенных органах и системах или выводятся из организма.

Вещества, слабо растворяющиеся или не растворяющиеся, оседают в верхних дыхательных путях и выделяются вместе со слизью, после чего с большой вероятностью попадают в ЖКТ, где всасываются кишечной стенкой.

Частицы, которые осели в альвеолярной части легочной ткани, или захватываются фагоцитами и удаляются, либо мигрируют в лимфатические узлы легких, трахеи, удаляясь из них в течение нескольких месяцев и даже лет. Второй по значимости путь – поступление радионуклидов с пищей и водой. Питательные вещества вместе с фоновыми концентрациями естественных радиоактивных веществ могут быть загрязнены искусственными радионуклидами, которые из внешней среды по биологическим пищевым цепочкам попадают в растения, организмы животных и, наконец, в продукты питания.

Дальнейшая судьба радиоактивных веществ зависит от их растворимости в кислой среде желудка. Многие растворимые соединения, а именно редкоземельные и трансурановые элементы, в частности, соединения плутония, при щелочной среде кишечного сока превращаются в нерастворимые соединения. Возможно и обратное, когда плохо растворимые в воде вещества в жидкой среде ЖКТ превращаются в растворимые компоненты, которые хорошо всасываются в кровь через эпителий кишечника.

В организм поступает только некоторая часть радионуклидов, попавших в кишечник, большая часть их проходит «транзитом» и удаляется из кишечника. Коэффициент всасывания (резорбции) – это доля вещества, которая поступает из ЖКТ в кровь. Он равен для трития, натрия, криптона, йода, цезия, ксенона – 1,0; стронция – 0,3; теллура – 0,25; урана, радия – 0,2; бария, полония – 0,1; церия, висмута – 0,25; плутония – 0,0005. Радиоактивные вещества, которые в ЖКТ всасываются в количестве менее 1% (коэффициент всасывания менее 0,01) очень быстро удаляются с калом (в течение 1-4 суток). Так как продолжительность контакта таких веществ с организмом небольшая и осуществляется только в период транзита, то сколько-нибудь значительные дозы излучения не успевают образоваться. Кроме этого пробег альфа- и бета-частиц в биологических тканях небольшой (для альфа-частиц – десятки микрометров, для бета-частиц – несколько миллиметров). Поэтому поглощение излучения происходит в основном в содержимом ЖКТ, значительно меньше – в слизистой оболочке толстой кишки. Гамма-кванты достигают и других внутренних органов, которые размещаются в брюшной полости и грудной клетке.

Часть радиоактивных элементов (лантоноиды, актиноиды, все элементы 3 группы, часть 4 и 5 групп ПСМ) способны образовывать коллоиды и плохо растворимые гидроокислы, которые препятствуют всасыванию элементов в ЖКТ. Некоторые из этой группы связываются с внутренними органами и очень прочно удерживаются в тканях. Скорость их выведения из внутренних органов в основном обусловлена радиоактивным распадом.

Таким образом, в случае поступления радионуклидов в организм с продуктами питания и водой, когда отдельные участки кишечника поглощают значительную часть энергии излучаемых частиц, ЖКТ становится критическим органом.

Поступление радионуклидов через кожу. До недавнего времени считали, что неповрежденная кожа является эффективным барьером для радионуклидов. Резорбция через неповрежденную кожу в 200-300 раз меньшая, чем из ЖКТ. Сейчас известен целый ряд радионуклидов, которые проникают через кожу в составе жидких или газообразных соединений (особенно через порезы, царапины, ссадины). Так, скорость проникновения паров оксида трития и газообразного йода через неповрежденную кожу сравнивается со скоростью проникновения этих веществ через дыхательные пути, а количество плутония, проникающего через кожу в виде водорастворимых соединений, не меньше, чем при поступлении через ЖКТ. При приеме радоновой ванны на протяжении 20 минут в организм проникает через кожу до 4% радона, содержащегося в воде. Хорошо проникает через кожу молибден, церий, иттрий. Стронций, цезий, теллур через кожу всасывается медленно.

Проницаемость кожи резко увеличивается при воздействии многих химически активных веществ (бензина, обезжиривающих растворителей), при повреждении рогового слоя кожи, играющего главную роль в барьерной функции кожи. Значительное влияние на интенсивность поглощения радионуклидов кожей оказывает температура и влажность воздуха.

Проникая в потовые, жировые железы, а также волосяные фолликулы, радиоактивные вещества могут оставаться там достаточно длительное время. При проникновении в собственно кожу, радиоактивные вещества либо задерживаются в ней на длительное время, либо достигают кровеносных и лимфатических сосудов и течением лимфы и крови разносятся по организму. Тем самым они создают опасность облучения самой кожи и тех внутренних органов, куда они доставляются кровотоком. Радиационные повреждения внутренних органов радионуклидами, проникшими через кожу, не отличаются по характеру от поражений при проникновении их через ЖКТ, легкие и связаны, прежде всего, с дозой облучения и с распределением в организме. Поэтому необходимо обратить внимание на дезактивацию кожи, как на средство, предупреждающее накапливание радионуклидов во внутренних органах.

Специфика биологического действия отдельных радионуклидов (отличительные черты поражения, основные патогенетические механизмы его развития, причины смерти) определяется в первую очередь поражением критических органов, нарушение жизнедеятельности которых может проявиться относительно рано, когда общие реакции и изменения в других системах выражены значительно слабее или могут вовсе отсутствовать.

При внутреннем радиоактивном заражении концепция критического органа представляется сложнее, чем при общем внешнем облучении. В этом случае имеют значение, прежде всего, особенности распределения радионуклидов по органам и тканям (тропность радионуклидов), величины пороговых повреждающих доз для разных тканей, значение функционирования органа, по отношению к которому имеется повышенная тропность радионуклида, для жизнедеятельности организма.

По способности преимущественно накапливаться в тех или иных органах выделяют следующие основные группы радиоактивных элементов.

1) Радионуклиды, избирательно откладывающиеся в  костях («остеотропные»). Это радий, стронций, барий, кальций, некоторые соединения плутония. Поражения, развивающиеся при поступлении в организм остеотропных радионуклидов, характеризуются изменениями, прежде всего, в кроветворной и костной системах. В начальные сроки после массивных поступлений патологический процесс может напоминать острую лучевую болезнь от внешнего облучения. В более поздние сроки, в том числе и после инкорпорации сравнительно небольших активностей, обнаруживаются костные опухоли, лейкозы.

2) Радионуклиды, избирательно накапливающиеся в  органах, богатых элементами ретикулоэндотелиальной  системы («гепатотропные»). Это лантан, цезий, актиний, торий, некоторые соединения плутония. При их поступлении наблюдаются поражения печени, верхних отделов кишки (эти элементы, выделяясь с желчью, реабсорбируются в кишечнике и поэтому могут неоднократно контактировать со слизистой оболочкой тонкой кишки). В более поздние сроки наблюдаются циррозы, опухоли печени. Могут проявиться также опухоли скелета, желез внутренней секреции и другой локализации.

3) Радионуклиды, равномерно распределяющиеся по  организму. Это изотопы цезия, калия, натрия, рубидия, изотопы водорода, углерода, азота, полония. При их поступлении поражения носят диффузный характер: атрофия лимфоидной ткани, в том числе селезенки, атрофия семенников, нарушения функции мышц (при поступлении радиоактивного цезия). В поздние сроки наблюдаются опухоли мягких тканей: молочных желез, кишечника, почек и т. п.

4) В отдельную  группу выделяют радиоактивные  изотопы йода, избирательно накапливающиеся  в щитовидной железе. При их  поступлении в большом количестве  вначале наблюдается стимуляция, а позже угнетение функции  щитовидной железы. В поздние  сроки развиваются опухоли этого  органа. Плохо резорбирующиеся радионуклиды являются причиной возникновения местных процессов, локализующихся в зависимости от путей поступления РВ.

В зависимости от физико-химической формы соединения, в состав которого входит радионуклид, особенно от его растворимости, в роли критических могут выступать разные органы. Так, при ингаляционном поступлении нерастворимых соединений элементов из группы остеотропных или равномерно распределяющихся по телу, критическим органом оказываются легкие. В разные сроки после поступления радионуклида в организм распределение его по органам может быть различным, т. е. роль критических могут выполнять различные органы.

Радиоактивное облучение вызывает лучевую болезнь, проявления которой зависят от вида и локализации лучей, а так же дозы радиации, полученной человеком.

Облучение классифицируется на внешнее и внутреннее, то есть радиоактивные вещества могут попадать в организм человека через желудочно-кишечный тракт, с вдыхаемым воздухом, через кожу или слизистые оболочки.

Проявления заболевания зависят от суммарной дозы радиации.

Например, при дозе до 100 рад (1Гр) развивается так называемое состояние предболезни, то есть отмечается лишь легкая симптоматика.

Дозы выше 100 рад (1 Гр) вызывают кишечную или костно-мозговую форму лучевой болезни. Степень тяжести зависит от поражения органов кроветворения.

Однократное облучение в дозе выше 10 Гр считается смертельным.

Хроническая лучевая болезнь возникает в результате длительного облучения и представляет собой сочетанное поражение многих органов.

Но, помимо лучевой болезни, радиоактивное облучение имеет так же и отдаленные последствия.

Отдаленные последствия облучения представляют собой стохастические и соматические эффекты, которые проявляются через несколько месяцев или лет после одноразового или хронического облучения.

Соматические эффекты – это неизбежная патология, которая возникает в ответ на большие дозы радиоактивного облучения. Могут быть ближайшими и отдаленными. К ближайшим как раз относится лучевая болезнь, ожоги и стерилизация. Отдаленные представлены радиокатарактогенезом, склерозом, радиоканцерогенезом и др.

Стохатические эффекты – это вредные биологические эффекты облучения. Например, умственная отсталость, пороки развития и генетические аномалии у будущего потомства. А так же лейкозы, злокачественные новообразования и хромосомные мутации у пострадавшего.

Соматический эффект прежде всего проявляется в сокращении продолжительности жизни и появлении злокачественных новообразований.

Так же отдаленными последствием радиоактивного облучения является лучевая катаракта, развивающаяся в течение 10-20 лет. Сначала в хрусталике появляются крошечные помутнения в виде точек в области передней и задней капсул хрусталика. Постепенно помутнение прогрессирует до полного поражения хрусталика.

Так же через несколько лет после радиоактивного облучения в коже, соединительной ткани, кровеносных сосудах легких и почек отмечаются участки уплотнения и атрофии. Ткани теряют эластичность, появляется склонность к фиброзу и склерозу.

Наблюдаются изменения в половой системе и развитие аутоиммунных заболеваний. Снижаются защитные силы организма и повышается восприимчивость к различным инфекциям.

К сожалению, при облучении всегда поражается генетический аппарат, именно поэтому возникшие изменения передаются по наследству. В таком случае болеют уже дети облученных ранее людей.

Генетические последствия радиационного облучения

Изучение генетических последствий облучения связано с еще большими трудностями, чем в случае рака. Во-первых, очень мало известно о том, какие повреждения возникают в генетическом аппарате человека при облучении; во-вторых, полное выявление всех наследственных дефектов происходит лишь на протяжении многих поколений; и, в-третьих, как и в случае рака, эти дефекты невозможно отличить от тех, которые возникли совсем по другим причинам.

Генетические нарушения можно отнести к двум основным типам: хромосомные аберрации, включающие изменения числа или структуры хромосом, и мутации в самих генах. Генные мутации подразделяются далее на доминантные (которые проявляются сразу в первом поколении) и рецессивные (которые могут проявиться лишь в том случае, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген; такие мутации могут не проявиться на протяжении многих поколений или не обнаружиться вообще). Оба типа аномалий могут привести к наследственным заболеваниям в последующих поколениях, а могут и не проявиться вообще. Оценки НКДАР ООН касаются лишь случаев тяжелой наследственной патологии.

Несколько настораживает сообщение о том, что у людей, получающих малые избыточные дозы облучения, действительно наблюдается повышенное содержание клеток крови с хромосомными нарушениями. Этот феномен при чрезвычайно низком уровне облучения был отмечен у жителей курортного местечка Бадгастайн в Австрии и там же среди медицинского персонала, обслуживающего радоновые источники с целебными, как полагают, свойствами. Среди персонала АЭС в ФРГ, Великобритании и США, который получает дозы, не превышающие предельно допустимого, согласно международным стандартам, уровня, также обнаружены хромосомные аномалии. Но биологическое значение таких повреждений и их влияние на здоровье человека пока не выяснены.

Поскольку нет никаких других сведений, приходится оценивать риск появления наследственных дефектов у человека, основываясь на результатах, полученных в многочисленных экспериментах на животных. При оценке риска появления наследственных дефектов у человека НКДАР использует два подхода. При одном подходе пытаются определить непосредственный эффект данной дозы облучения, при другом стараются определить дозу, при которой удваивается частота появления потомков с той или иной разновидностью наследственных дефектов по сравнению с нормальными радиационными условиями.

Согласно оценкам, полученным при первом подходе, доза в 1 Гр, полученная при низком уровне радиации только особями мужского пола, индуцирует появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных.

Оценки, полученные для особей женского пола, гораздо менее определенны, но явно ниже; это объясняется тем, что женские половые клетки менее чувствительны к действию радиации. Согласно ориентировочным оценкам, частота мутаций составляет от 0 до 900, а частота хромосомных аберраций – от 0 до 300 случаев на миллион живых новорожденных.

Согласно оценкам, полученным вторым методом, хроническое облучение при мощности дозы в 1 Гр на поколение (для человека – 30 лет) приведет к появлению около 2000 серьезных случаев генетических заболеваний на каждый миллион живых новорожденных среди детей тех, кто подвергся такому облучению. Этим методом пользуются также для оценки суммарной частоты появления серьезных наследственных дефектов в каждом поколении при условии, что тот же уровень радиации будет действовать все время. Согласно этим оценкам, примерно 15 000 живых новорожденных из каждого миллиона будут рождаться с серьезными наследственными дефектами из-за такого радиационного фона.

Этот метод пытается учесть влияние рецессивных мутаций. О них известно немного, и по этому вопросу еще нет единого мнения, но считается, что их вклад в суммарную частоту появления наследственных заболеваний незначителен, поскольку мала вероятность брачного союза между партнерами с мутацией в одном и том же гене. Немного известно также о влиянии облучения на такие признаки, как рост и плодовитость, которые определяются не одним, а многими генами, функционирующими в тесном взаимодействии друг с другом. Оценки НКДАР ООН относятся преимущественно к действию радиации на единичные гены, поскольку оценить вклад таких полигенных факторов чрезвычайно трудно.

Еще большим недостатком оценок является тот факт, что оба метода способны регистрировать лишь серьезные генетические последствия облучения. Есть веские основания считать, что число не очень существенных дефектов значительно превышает число серьезных аномалий, так что наносимый ими ущерб в сумме может быть даже больше, чем от серьезных дефектов.

Радиобиологические эффекты состоят из двух групп — детерминированные и стохастические.Детерминированные эффекты (соматические) — это неизбежные, закономерные патологические состояния, возникающие при облучении большими дозами, в отношении которых предполагается существование порога. Они подразделяются на ближайшие последствия (острая, подострая и хроническая лучевая болезнь; локальные лучевые повреждения: лучевые ожоги кожи, лучевая катаракта и стерилизация) и отдаленные последствия (радиосклеротические процессы, радиоканцерогенез, радиокатарактогенез и прочие).Стохастические эффекты — это вредные биологические эффекты излучения, не имеющие дозового порога возникновения. В соответствии с общепринятой консервативной радиобиологической гипотезой, любой сколь угодно малый уровень облучения обусловливает определенный риск возникновения стохастических эффектов. Стохастические эффекты — это вероятностные эффекты, возникающие при облучении, в основном, малыми дозами. Они делятся на соматико-стохастические(лейкозы и опухоли различной локализации), генетические (доминантные и рецессивные генные мутации и хромосомные аберрации) и тератогенные (умственная отсталость, другие уродства развития; возможен риск возникновения рака и генетических эффектов облучения плода).

Детерминированные эффекты

В основе возникновения детерминированных эффектов после облучения лежит превышение количества погибших клеток над числом образованных. Если ткань жизненно важна и существенно повреждена, то конечным результатом может быть смерть организма. Детерминированные эффекты наблюдаются при дозах 100 рад и более на все тело или локального облучения тканей.

Механизм возникновения детерминированных эффектов: превышение количества погибших клеток н Типы детерминированных эффектов и их характеристика:

1) опустошение  красного костного мозга - клинически  значимое подавление кроветворения  при остром облучении наблюдается  при превышении порогового значения  поглощенной дозы 0,15 Гр; при протяженном  облучении в течение многих  лет порог мощности дозы превышает 0,4 Гр/год. При остром равномерном  облучении однородной группы  людей без высококачественного  медицинского обслуживания ЛД50 за 60 суток для развития костно-мозгового синдрома составляет примерно 3-5 Гр.

2) нарушение  репродуктивной функции - порог для  временной стерильности мужчины  при однократном облучении семенников  составляет около 0,15 Гр, в условиях  протяженного облучения порог  мощности дозы составляет 0,4 Гр/год, для постоянной стерильности  соответствующие значения составляют 3,5-6 Гр и 2 Гр/год. Порог для постоянной  стерильности женщины при остром  облучении 2,5-6 Гр, причем с возрастом  женщины чувствительность увеличивается, при протяженном облучении в  течение многих лет пороговая  мощность дозы превышает 0,2 Гр/год.

3) лучевая  катаракта - помутнение хрусталика, вызванное облучением. Функцию хрусталика  поддерживает прозрачный слой  эпителиальных клеток на внутренней  стороне капсулы, который медленно  смещается в радиальном направлении  к центру за счет деление  клеток на периферии (экваторе) хрусталика. Именно эти клетки особенно  чувствительны к радиации. По  неизвестным еще причинам, поврежденные  клетки мигрируют к тылу хрусталика. Они поглощают световые лучи, что приводит к помутнению. При остром воздействии излучений с малой ЛПЭ порог для помутнения хрусталика, достаточного для ослабления зрения, лежит в диапазоне 2-10 Гр, для излучений с большой ЛПЭ (в частности, нейтронов) порог поглощенной дозы в 2-3 раза ниже. При протяженном многолетнем облучении порог мощности дозы выше 0,15 Гр/год. Первые клинические проявления развиваются спустя 4-13 лет. Длительность латентного периода увеличивается с возрастом облученного.

^ 4) неопухолевые  формы поражения кожи:

- лучевой  дерматит;

- изменения  пигментации;

- уплотнение  и атрофия эпидермиса, атрофия  или фиброз дермы;

- хроническое  изъязвление;

- дисфункция  потовых и сальных желез;

- повышенная  чувствительность кожи к травме;

- поседение  и выпадение волос - потеря волос  незначительная при дозе 1 Гр; свыше 1 Гр она возрастает, а при дозах  более 5 Гр не выражена, т.к. эти  дозы являются уже летальными.

^ 5) сокращение  продолжительности жизни - в качестве  порога для этого эффекта у  млекопитающих называет дозу 0,04 Гр. По расчетам при облучении  человека в больших дозах сокращение  продолжительности жизни составит 1-15 сут на каждую 0,01 Гр при однократном облучении. Сокращение продолжительности жизни у облученных в малых дозах групп людей связано с избыточной смертностью от вызванных облучением опухолей, лейкозов; т.е. это сокращение продолжительности жизни вследствие развития стохастических эффектов. В то же время считают, что облучение в дозах до 0,01 Гр в неделю не вызывает поддающегося обнаружению неспецифического сокращения продолжительности жизни. ад числом вновь образованных после облучения.

Дозовая зависимость детерминированных эффектов

Последствия облучения могут быть ближайшими и отдаленными, соматическими и генетическими, общими и местными. Ближайшие последствия – это первичная реакция и поражение организма, наступившие в течение нескольких недель после острого облучения. Отдаленные последствия – изменения в организме, возникающие в отдаленные сроки (через годы) после облучения (опухоли, лейкозы и т.д.). Соматические последствия – вызванные облучением изменения в самом облучаемом организме, а не в потомстве. Генетические последствия – вызванные облучением генные лучевые повреждения в организме, которые могут привести к изменениям в организме его потомства. К соматическим относится острая и хроническая лучевая болезнь, локальные лучевые поражения (катаракта), поражения кожи, нарушения репродуктивной функции и т.д. К генетическим относятся доминантные и рецессивные генные мутации, хромосомные аберрации.

Лучевая болезнь - комплекс проявлений поражающего действия ионизирующих излучений на организм. Многообразие проявлений зависит от ряда факторов:

а) вида облучения – местное или общее, внешнее или внутреннее (от инкорпорированных радионуклидов)

б) времени облучения – однократное, пролонгированное, хроническое;

в) пространственного фактора – равномерное или неравномерное;

г) объема и локализации облученного участка.

ОЛБ чаще всего возникает при однократном внешнем равномерном облучении с пороговой дозой 1 Гр.

При однократном внешнем облучении в дозе до 1 Гр возможны следующие эффекты в зависимости от дозы:

1) 0,25 Гр - заметных  отклонений в состоянии здоровья  облученных нет

2) 0,25 - 0,5 Гр - незначительные временные отклонения  в составе периферической крови

3) 0,5 - 1 Гр  – симптомы вегетативной дисрегуляции и нерезко выраженное снижение количества тромбоцитов и лейкоцитов.

 Классификация  острой лучевой болезни:

а) в зависимости от варианта воздействия поражающего фактора:

1) ОЛБ от  внешнего однократного равномерного  облучения

2) ОЛБ от  внешнего пролонгированного равномерного  облучения

3) ОЛБ от  внешнего неравномерного облучения

4) местные  радиационные поражения

б) по клиническим формам в зависимости от дозы облучения:

1. Костно-мозговая - доза 1-10 Гр;

2. Кишечная - доза 10-20 Гр;