Радиобиологические эффекты малых доз радиации

ФГБОУ ВПО «МОРДОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ  Н. П. ОГАРЕВА» 

МЕДИЦИНСКИЙ ИНСТИТУТ 

КУРС  РАДИАЦИОННОЙ ГИГИЕНЫ 
 
 

Реферат

на  тему:

«Радиобиологические эффекты малых  доз радиации» 
 

Выполнила:

студентка 704 группы

К. И. Иркова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Саранск, 2011 г.

     В природе не существует феномена, не подверженного модифицирующему  воздействию ионизирующих излучений, так как их энергия превосходит  энергию внутримолекулярных и межмолекулярных  связей. Соответственно исключительно  разнообразен набор объектов, являющихся предметом радиобиологических исследований: фаги, вирусы, простейшие, изолированные  клетки, клеточные, тканевые и органные культуры, многоклеточные низшие и  высшие растительные и животные организмы, включая человека, популяции, биоценозы [1].

     За  сто с лишним лет, прошедших со времени открытия рентгеновских  лучей, накоплен огромный фактический  материал по радиационным реакциям на всех уровнях биологической организации  – от молекулярного до популяционного. 
Имеющееся в распоряжении ученых гигантское количество результатов исследований на различных объектах, включая разные виды животных и человека, намного превосходит исследования всех других внешних агентов. Будучи проведены при разных условиях и дозах радиационного воздействия, они оказываются вполне репрезентативными для обоснованных выводов о действии излучения на здоровье человека.

     Радиобиологические  эффекты малых  доз радиации

     В начале 70-х годов прошлого столетия научные приоритеты стали концентрироваться на фундаментальных исследованиях механизмов биологического действия так называемых “малых доз ионизирующей радиации”, возможные эффекты которых получили название стохастических (вероятностных) отдалённых последствий действия радиации.

     Неопределенность  в отношении действия малых доз  облучения обусловливает отрицательное  отношение общественности к любым  радиационным технологиям и давление на государство со стороны общественности, требующей снижения допустимых уровней  радиационного воздействия. 

     Термин  «малые дозы» и, соответственно, низкие уровни – довольно условные понятия. Поэтому прежде всего следует определить само понятие  низкого уровня облучения (НУО) и затем решить, что можно считать влиянием НУО на здоровье.

     По  определению НКДАР ООН – наиболее компетентного международного научного органа – к малым дозам относятся  накопленные дозы до 200 мЗв и к низкоинтенсивному излучению - мощность доз менее 1^.10^-4 Гр/мин. (табл. 1)

     Таблица 1

     Понятие о малых дозах радиации с низкой ЛПЭ (рентгеновское и гамма-излучение) применительно к облучению человека и животных

     В табл. 2 дана упрощенная сводка предполагаемых последствий для здоровья человека при облучении всего тела [2].

     Таблица 2

     Биологические эффекты радиационного воздействия

     Обоснование принятой в настоящее время градаций доз см. в статье Ю.С.Рябухина [Медицинская  радиология и радиационная безопасность, 2000, т. 45, № 4, с.5-45]. Разовая эквивалентная доза не выше 0,1 Зв – малая, при этом накопленная мощность эквивалентной дозы за жизнь не должна превышать 1 Зв.

     Понятие «низкий уровень облучения» обозначает либо малую дозу облучения при  любой мощности дозы, либо низкую мощность дозы в течение всей жизни, либо то и другое вместе. С другой стороны, эквивалентные дозы, превышающие 1 Зв, следует считать большими, а дозы, заключенные между 0,1 и 1 Зв, – промежуточными [1].

     Исследования  жертв атомных бомбардировок  Хиросимы и Нагасаки показали значительное повышение статистики раковых заболеваний  при дозах свыше 0,2 Гр. Эти дозы были получены внезапно (как в Чернобыле) непосредственно после взрыва. Поэтому  при оценке рисков раковых заболеваний  в результате получения низких доз  ионизирующей радиации или доз, приобретенных  вследствие медленного накопления, возник ряд проблем.

     В этой области множество очевидных, но подчас трудно преодолимых обстоятельств, связанных в основном с невозможностью достичь необходимой статистической надежности массива получаемых экспериментальных и эпидемиологических данных для научного доказательства наличия, либо отсутствия эффектов облучения в диапазоне малых доз.

     Приведём  лишь один пример. Для того, чтобы получить статистически значимую (с 90% вероятностью) зависимость доза-эффект в канцерогенезе необходимы следующие размеры выборки изучаемой популяции населения (табл. 3).

     Таблица 3

     Размер  выборки, необходимой для статистически  значимого (с 90% вероятностью) определения  зависимости доза-эффект в канцерогенезе

     Если  область реального проявления стохастических эффектов находится, как полагают некоторые  учёные, в пределах значений накопленной  дозы в диапазоне 0,2-0,5 Зв, а сейчас дискутируется опасность доз  даже порядка 0,01 Зв, то используя данные табл. 3, легко показать непреодолимые  трудности осуществления эпидемиологических работ на популяции численностью в 10⁶ и, тем более, в 10⁷ человек. При этом, не считая, что в данном исследовании в качестве обязательного элемента требуется наличие примерно подобного по размерам контроля.

     Для регистрации эффектов при дозе 10 мЗв с доверительной вероятностью 90% контингент исследуемых согласно [НКДАР ООН, 1988] должен быть  не менее 5 млн. человек. 

     В экспериментах потребуется также  огромное число подопытных животных. При этом необходимо исключить или  учесть (что затруднительно) влияние  других вредных факторов внешней  среды, которое может быть более  сильным, чем облучения в малых  дозах. В условиях глобального загрязнения  внешней среды различного рода физическими, химическими и биологическими агентами сделать это практически невозможно. 

     Какова  опасность малых доз радиации? До сих пор нет однозначного ответа на этот вопрос. Критерием опасности  облучения считают учащение случаев  онкологических заболеваний и генетических нарушений по отношению к спонтанному  уровню. Дополнительный рост числа  таких недугов становится значимым в экономическом плане. Возможный  риск возникновения заболеваний не должен превышать риск их возникновения в благополучных отраслях производства (рис. 1).

     В системе приоритетов относительной  опасности различных видов антропогенного воздействия на человека первые два  места принадлежат тяжелым металлам и химическим токсикантам (в настоящее время общее число канцерогенов достигло 228, еще 12 соединений рассматриваются как потенциально канцерогенные), радиация находится на 26-м месте. Однако критерии для сопоставления канцерогенного действия этих агентов и радиации не разработаны. Никто не знает, каков интимный механизм иницирования злокачественных опухолей экзогенного происхождения. Доминирует конъюнктура нестабильности генома для радиобиологии и радиоэпидемиологии малых доз, поскольку этот феномен теоретически остается единственным возможным молекулярным механизмом радиационного канцерогенеза  в данной области. Декларации об индукции радиационно-индуцированной нестабильности генома (РИНГ) входят в основные работы по малым дозам радиации, включая объяснения канцерогенных и мутагенных эффектов аварии на ЧАЭС. Гипотетически нелинейная зависимость от дозы и мощности дозы при малых дозах возможна только в том случае, если для возникновения наблюдаемого эффекта (онкологического заболевания) произойдет второе событие передачи энергии слабоионизирующего излучения в том же объеме в той области клетки, которая наиболее чувствительна в отношении канцерогенеза, причем не позже, чем восстановится повреждение от первого события.

     Воздействие малых доз ионизирующего излучения  на человека трудно фиксировать на фоне комплекса факторов физической, химической и социально-психологической  природы, действие которых в десятки  раз превышает биологический  эффект малых доз. Общеизвестны две  точки зрения на указанную проблему (рис. 2). Первая – гипотеза беспорогового действия ионизирующей радиации, согласно которой последняя в любом диапазоне доз вредна. Вторая гипотеза утверждает, что малые дозы ионизирующего излучения способствуют репарации повреждений ДНК, стимулирующих образование соответствующих ферментов, благодаря чему уменьшается число случаев рака.

      Рис. 2. К вопросу о пороговой и беспороговой гипотезах:

     (а)  экстраполяция данных, полученных  в области высоких доз, в  область низких доз; 

     (б)  зависимость «доза-риск» в случае  существования порога [5]

     Первая  проблема состоит в экстраполяции  взаимосвязи между дозой облучения  и медицинскими последствиями при  проведении анализа в направлении  все более низких доз. Поскольку  раковые заболевания вызываются различными причинами, то линейная беспороговая зависимость «малые дозы - эффект» не поддается проверке. Вторая проблема заключается в необходимости изменения расчетов риска заболеваемости раком в будущем по мере накопления научных данных. Если модель относительного риска верна, то следует ожидать растущее число случаев заболеваемости раком по мере старения жертв облучения.

     Наконец, имеются неопределенности, связанные  с воздействием низких доз и скорости их накопления при облучении низкоинтенсивной ионизирующей радиацией. Выводы, сделанные BEIR, ICRP и рядом других организаций, свидетельствуют о том, что низкие дозы и скорости их накопления при облучении низкоинтенсивной ионизирующей радиацией менее опасны с точки зрения заболеваемости раком, прежде всего, лейкемией, чем это вытекало бы из линейной экстраполяции данных по низкоинтенсивной радиации при высоких дозах и высоких темпах их накопления (рис. 2). К сожалению, эпидемиологическая база данных для оценки правильности указанных поправок весьма отрывочна.

     Особенности действия малой дозы при малой  мощности дозы проявляются в биологических  эффектах радона. Известно, что в  рудниках его повышение достоверно увеличивает частоту случаев  смерти горнорабочих от рака легкого. Зависимость заболеваемости от активности радона принята линейной и беспороговой. На этой основе в рекомендациях МАГАТЭ установлен предел дозы на легкие от радона для персонала и населения в несколько раз выше, чем от других источников облучения [6].

     К настоящему времени доказано, что  радон и его дочерние продукты распада (ДПР) вносят наибольший вклад  в естественный радиационный фон (по разным оценкам от 33 до 51 и даже до 75%). Некоторые исследователи полагают, что каждый второй случай рака легких обусловлен повышенным содержанием  радона в воздухе жилых помещений [7]. Из-за вдыхания радона человек получает дозу в среднем до 5 мЗв/год.

     Но  возникает парадоксальная ситуация – на Земле есть территории, где  люди на протяжении многих поколений  проживают в условиях воздействия  более высоких доз природного радиационного фона:  Бразилия (5 мЗв/год), Франция (1,8-3,5 мЗв/год), Индия (13 мЗв/год), остров Ниуэ (10 мЗв/год), Египет (4 мЗв/год). Обследования состояния здоровья жителей этих регионов не выявили корреляции между уровнем природного радиационного фона и заболеваемостью раком.

     Более того, исследования распространенности рака легкого у некурящих женщин в США (штат Северная Дакота), Швеции и Финляндии, где природный радиационный фон повышен, показали, что заболеваемость в этих регионах ниже среднемировой. В то же время в аналогичных  группах женщин Англии и США (Сан-Франциско, Нью-Йорк), с более низким уровнем радиационного фона, заболеваемость раком была повышена. Таким образом, многолетнее существенное превышение среднего уровня природного радиационного фона может не оказывать отрицательного влияния на состояние здоровья жителей региона. Более того, здоровье населения в этих областях может быть достоверно лучше, чем в районах с более низким радиационным фоном.

     Результаты  последних исследований позволили  выявить меньшую заболеваемость раком легких у китаянок, проживавших  в домах с объемной активностью  радона более 350 Бк/м³ по сравнению с теми, которые проживали в домах с объемной активностью радона 4-70 Бк/м³. По принятой концепции (рис. 2) заболеваемость в первом случае должна была возрасти в 80 раз. У японцев при       11 Бк/м³ радона в домах рак легкого наблюдался почти вдвое чаще, чем при  35 Бк/м³, что во много раз превышало риск по линейной беспороговой модели. Аналогичные результаты получены и по профессиональному облучению. Исследования были проведены в США, Великобритании и Канаде и охватили более – 2 млн. человеко-лет. Обработка данных показала, что дополнительный относительный риск для всех форм рака (кроме лейкозов) составлял от 0,39 до 0,30 Зв^-1 в 90% доверительном интервале. Для лейкозов риск оказался положительным и составлял от 0,1 до 7 Зв.

     В результате данных литературных источников удалось установить, что гормезис проявляется у человека в диапазоне эффективной дозы меньше ~ 1 Зв за жизнь, а, следовательно, есть и порог канцерогенного риска со стороны большой дозы. Полученные результаты делают понятными положительные эффекты радонотерапии.

     Решение второй части проблемы – выявление  влияния НУО на здоровье, упирается  в нечеткость различия между нормой и патологией. Поэтому целесообразно  рассмотреть различие между общественным (здоровье людей на популяционном  уровне) и индивидуальным здоровьем  конкретного индивидуума.

     Понятно, что изменение здоровья популяции  не может означать ухудшения здоровья каждого индивидуума, поскольку  характеристика здоровья популяции  может определяться состоянием здоровья отдельной группы, подвергшейся значительному  воздействию. С другой стороны, социальный характер повреждения здоровья определяется характером индивидуального восприятия и оценки ситуации. Например, если в  популяции отмечены случаи радиационно обусловленных повреждений здоровья, то индивидуальное восприятие вероятности аналогичных повреждений может варьировать от состояния стресса, наносящего урон душевному и физическому состоянию, до принятия этого риска несущественным по сравнению с другими.

     Вред  общественному здоровью от облучения  можно считать реальным, когда  имеют место статистически достоверные  и коррелирующие с дозой изменения популяционных показателей здоровья. Вред индивидуальному здоровью от облучения можно считать реальным, когда имеют место эффекты, определяемые клинически, иначе говоря – детерминистские в системе радиационной безопасности. При этом беспокойство могут вызывать не только клинически выраженные эффекты, но и декрементные (эффекты потерь – эффекты в системе, являющиеся следствием радиационно-индуцированного уменьшения числа ее составляющих), выходящие за рамки детерминистских, например, ухудшение показателей крови, снижение концентрации сперматозоидов, уменьшение числа нейронов после внутриутробного облучения, изменение концентраций секретов эндокринных органов и т.д. (табл. 4).

     Таблица 4

     Примеры влияния малых доз ионизирующих излучений на организм человека [8]

     Кратко  остановимся на особенностях биологического действия радиации.

     Поглощение  энергии в организме происходит в чрезвычайно короткие промежутки времени, измеряемые ничтожно малыми долями секунд, и сопровождается ионизацией и возбуждением молекул и атомов с последующим образованием высокоактивных в химико-биологическом отношении  радикалов. Эти первоначальные изменения, не имеющие порога, реализуются на уровне клетки, клеточных ассоциаций и тканей в биологические изменения, которые протекают с различной  скоростью. Так, например, постоянно  происходит отмирание и удаление из организма клеток крови, эпителия кишечника, эпидермиса. Одновременно происходит и восстановление повреждений на всех уровнях: клетка, ткань, орган и  организм в целом. Считают, что 90% повреждений  восстанавливается (при облучении  в несмертельных дозах).

     Эффекты, обусловленные гибелью некоторого количества клеток в составе организма  или нарушением их функций, полностью  компенсируются и не могут рассматриваться  как выражение патологического  процесса, поскольку в многоклеточном организме постоянно происходит отмирание и восстановление клеток. В силу этих процессов поражение  отдельных групп клеток не транслируется  на более высокие уровни (тканевой, органный, организменный) и не может влиять на состояние индивидуального здоровья.

     В работах В.П.Лютых и А.П.Долгих [9, 10] и А.Р.Тукова с соавторами [11] рассмотрены эффекты воздействия на иммунную, нейроэндокринную и кроветворную системы. Авторы пришли к выводу, что в случае хронического облучения при разовых или изоэффективных дозах, составляющих 0,02-0,08 Гр, нарушений здоровья не наблюдается. При дозах 0,08-0,3 Гр появляется вероятность общесоматических заболеваний, когда радиация играет роль дополнительного фактора. Лишь при дозах в диапазоне 0,3-0,6 Гр появляется вероятность начала заболевания или наступления предболезни в результате облучения (табл. 5).

     Таблица 5

     Номинальные коэффициенты вероятности стохастических эффектов

     (при  малых дозах и мощностях дозы)

     Не  получено доказательств о влиянии  на здоровье кратковременных преходящих изменений макромолекул, активности ферментных систем, субклеточных структур и даже клеток, регистрируемых при  остром воздействии в дозе ниже 0,15 Гp. При пролонгировании облучения со снижением его интенсивности это значение увеличивается благодаря улучшению условий для репарации. Поэтому экстраполяции на человека любых экспериментальных данных требуют установления четких причинно-следственных отношений между изучаемыми показателями (в том числе биологическими маркерами) и состоянием здоровья.

     Представляют  интерес наблюдения Л.Х.Эйдус [12] и С.П.Ярмоненко [1], исследовавших эффект адаптации биологического объекта на клеточном уровне после облучения небольшой дозой к последующему воздействию большой, повреждающей дозе [13]. Характерные значения адаптирующей дозы составляли порядка 0,01-0,1 Гр. Характерные значения повреждающей дозы после развития адаптация составляли значения 1-10 Гр, что существенно превышает уровень вероятности развития патологии, названный выше.

     Радиационные  повреждения у непогибших клеток могут сохраняться в течение длительного времени, передаваясь при их делении. Радиационный канцерогенез – это многоступенчатый процесс накопления специфических мутаций. Гены – мишени, отвечающие за инициацию/промоцию канцерогенеза (онкогены и гены-супрессоры опухолей) механистически представлены малой частью генома. Остаточные повреждения служат основой формирования отдаленной патологии (табл. 6).

     Таблица 6

     Биологические дозовые пределы [14]

     Вероятность непосредственного поражения конкретных генов-мишеней (онкогенов, генов-супрессоров) путем образования двунитиевого разрыва (4ДР на 100 мГр) крайне мала – 10^-18.

     В отношении целостного организма  представляет интерес активный ответ  на облучение (АОО) – индуцирование реакций, обусловленное радиационными повреждениями или последствиями этих повреждений. К активному ответу относятся интенсификация репаративных процессов при небольших дозах, апоптоз, распознание и элиминация модифицированных клеток. АОО может наблюдаться после любых видов облучения. При НУО проявление АОО происходит в условиях сохранения нормального функционирования биологической системы. Можно предполагать, что различие между действием больших и малых доз заключается в микрораспределении поглощения энергии и различными ответными реакциями.

     Выяснение отношения АОО к здоровью человека проходит по двум направлениям: радиационно-иммунологические исследования и по адаптационно-индуцированному  апоптозу. Иммунодепрессивное действие излучения при больших дозах известно. Более того, иммунная система и, особенно, лимфоциты относятся к наиболее радиочувствительным объектам. Зрелые лимфоциты начинают погибать за счет апотоза (апотоз - гибель поврежденных клеток) после доз 0,25-0,5 Гр. Изменения в вилочковой железе начинаются с дозы 0,05 Гр.

     Однако  имеются отдельные свидетельства, что при малых и даже промежуточных  дозах отмечается стимулирование иммунного  ответа. Не меньший интерес представляют данные об антиканцерогенной направленности такой стимуляции. Было показано, что  облучение всего тела мышей в  дозах 0,25-0,05 Гр перед прививкой саркоматозных  клеток приводило к меньшей доле приживлений, более медленному росту опухолей и более частой их регрессии. Эффект повышения иммунного ответа был наиболее выражен при дозе 0,15 Гр и для его прявления небходимо было, чтобы антиген был введен вскоре после облучения (табл. 7).

     Таблица 7

     Зависимость эффектов от дозы однократного кратковременного облучения человека