ПОРУШЕННЯ ПРОЦЕСІВ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ОРГАНІЗМУ ПРИ Біологічна вплив РАДІАЦІЇ
Під біологічним дією іонізуючих випромінювань розуміють їх здатність викликати функціональні та анатомічні зміни в клітинах, тканинах, органах і організмі в цілому. Біологічна дія іонізуючих випромінювань є результатом порушення та іонізації атомів живої матерії. Заряджені частинки і фотони, проходячи через тканини тваринного організму, викликають збудження атомів і розпад їх на негативно заряджені частинки - іони. Отже, в результаті прямої дії радіації у клітинах і тканинах утворюються збуджені і іонізовані атоми і молекули, що володіють високою хімічною активністю. Їх поява і вплив на різні компоненти клітини висловлюють початковий етап розгортання біологічного ефекту. При цьому змінюються не тільки ті молекули і клітини, які вступили в безпосередню взаємодію з частками і фотонами, але і багато інших. Радіонукліди мають різної біологічної ефективністю і за своїм біологічній дії розрізняються між собою залежно від виду, енергії випромінювання, періоду напіврозпаду, величини всмоктування, накопичення і швидкості виведення з організму. Енергія від клітин, що поглинув її, передається клітинам, що не була піддана опроміненню, тобто відбувається міграція енергії. У результаті впливу іонізуючого випромінювання на організм людини в тканинах відбуваються складні фізичні, хімічні і біологічні процеси. Якщо дії піддавалося мало клітин, то процес може бути оборотним, тобто хімічна структура тканин відновлюється, шкідливі продукти видаляються, функція клітинних популяцій нормалізується. В іншому випадку процес виявляється необоротним: у тканинах розвиваються дистрофічні і некробіотичні (омертвіння) зміни і живий організм гине. Основну за обсягом і вагою частина складу тканини живої речовини людини складає вода (60-70% ваги тіла) і вуглець. У процесі радіолізу у воді організму виникають молекулярні іони, які під впливом випромінювання розщеплюються (дисоціюють) на активні радикали - водень Н і гідроксильну групу ОН. Подальші реакції ведуть до появи в тканинах сполук пероксидного типу - гідратний оксид і перекис водню Н 2 0 2. Ці сполуки при нормальних фізіологічних умовах в організмі не зустрічаються. Всі ці активні сполуки взаємодіють у клітинах і тканинах з молекулами розчинених у воді речовин, тобто відбуваються первинні радіаційно-хімічні реакції. Білкові молекули також зазнають під впливом іонізуючого випромінювання різного роду зміни: молекула білка під дією фотона руйнується і розпадається на амінокислоти (фотоліз білка) з утворенням токсичних гістаміноподібні сполук. Таким чином, іонізуючі випромінювання викликають фізико-хімічні зміни і в клітинах і міжклітинному речовині, а також відбувається зміна ферментів, які відіграють в організмі роль каталізаторів біохімічних реакцій. Розпад молекули ферменту супроводжується порушенням нормального ходу відповідних біохімічних процесів. Особливу роль відіграє порушення діяльності дихальних ферментів, що призводять до розладу тканинного дихання. Клітинні ядра втрачають здатність синтезувати певні типи білка, внаслідок чого порушується процес ре-дублювання складних макромолекул, що приводить до поразки нуклеїнових кислот і, особливо, дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Без синтезу ДНК неможливо мітотичний поділ клітин і клітинне розмноження. Результатом порушення редублірованія білкових молекул є мутації - виникнення дочірніх клітин зі зміненими властивостями. Під дією радіації змінюється протягом білкового, вуглеводного, ліпоїдного і холестеринового обміну речовин. У формуванні біологічного ефекту особливе значення має діяльність інтегруючих систем організму - нервової системи, тісно пов'язаного з нею ендокринного апарату та гуморальної системи, що транспортує по організму токсичні продукти, що утворюються в тканинах в результаті опромінення. Під впливом іонізуючого випромінювання в нервовій тканині також відбувається іонізація атомів і молекул і первинні радіохімічні реакції, порушують процеси нервової регуляції. У перші хвилини після опромінення в крові та лімфі з'являються токсичні продукти (отрути), які безпосередньо впливають на нервову і ендокринну системи, а також на клітини та органи і викликають в організмі стан підвищеної радіочутливості (аутосенсибілізації). Ступінь чутливості до опромінення різних тканин і органів організму людини неоднакова: у порядку зменшення їх чутливості до опромінення є наступна послідовність: лімфатична тканина, лімфатичні вузли, селезінка, зобна залоза, кістковий мозок, зародкові клітини. Велика чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби. При одноразовому опроміненні всього тіла людини поглиненої дози 0,5 Гр через добу після опромінення може різко скоротитися число лімфоцитів, тривалість життя яких і без того незначна - менше однієї доби. Зменшиться також і кількість еритроцитів (червоних кров'яних тілець) після закінчення двох тижнів після опромінення (тривалість життя еритроцитів приблизно 100 діб). У здорової людини налічується порядку 1014 червоних кров'яних тілець і при щоденному їх відтворенні в колічестве10-12, у хворого променевою хворобою співвідношення порушиться, і в результаті гине організм. Соматичні (тілесні) ефекти - це наслідки дії опромінення на самого опроміненого, а не на його потомство. Соматичні ефекти опромінення ділять на стохастичні (імовірнісні) і не стохастичні. До не стохастичним соматичним ефектів відносять ураження, імовірність виникнення і ступінь тяжкості яких зростають у міру збільшення дози опромінення і для виникнення яких існує дозовий поріг. До таких ефектів відносять, наприклад, локально не злоякісне ушкодження шкіри, (променевої опік), катаракта очей (потемніння кришталика), пошкодження статевих клітин (короткочасна або постійна стерилізації) та ін Час появи максимального ефекту також залежить від дози: після більш високих доз він настає раніше. Ці дози і ефекти застосовні до середнього індивідууму в популяції здорових людей, а не до будь-якого конкретного індивідуума, реакція якого може відрізняться від середньої. Наприклад, у 1% населення може виявлятися дуже висока радіочутливість внаслідок вроджених генетичних розладів. На цій же схемі показана гранично допустима доза професійного опромінення всього тіла і критичних органів 1 групи, що дорівнює 50 мВ / рік, яка розрахована на 50 років трудової діяльності. МКРЗ рекомендує це значення як норматив професійного опромінення в одиницях не ефективної еквівалентної дози. Є дані численних і тривалих спостережень за персоналом і населенням, які зазнали впливу підвищених доз (опромінення в медичних цілях, проведення ремонтних робіт на ядерних установках і т.п.). З цих даних випливає, що тривалий професійне опромінення дозами до 50 мВ в рік дорослого практично здорової людини не викликає жодних несприятливих соматичних змін, реально реєструються за допомогою сучасних методів дослідження. Згідно з цими біологічним і клінічними даними, нестохастичних ефекти при тривалому хронічному опроміненні повністю виключаються, якщо еквівалентна доза випромінювання не перевищує 500 мВ в рік на будь-який орган, за винятком кришталика ока, для якого річна доза повинна бути не більше 150 мВ. Нестохастичних ефекти проявляються при досить високому або аварійному опроміненні всього тіла або окремих органів. Поріг ефекту залежить від органу або тканини. На наведеній вище схемі показано значення дози 100%-ної летальності (G Гр) і дози СД5о, що відноситься до здорових людей при однорідному опроміненні всього тіла. Найбільш радіочутливим є клітини постійно оновлюються (дифференцирующихся) тканин деяких органів (кістковий мозок, статеві залози, селезінка тощо). Причому стволові і проліферативні клітини, зазнали безліч поділів, найбільш радіочутливості. Зміни на клітинному рівні, загибель клітин призводять до таких порушень у тканинах, у функціях окремих органів і в міжорганні взаємопов'язаних процесах організму, які викликають різні наслідки для організму або загибель організму. Взаємодія радіації з живою речовиною відбувається за фізичними законами: порушуються і іонізуються атоми і молекули, і відбуваються первинні радіохімічні реакції. Іонізація атомів і молекул є лише пусковим механізмом для розвитку в подальшому в живому організмі вторинних процесів, які відбуваються вже за біологічним закономірностям. Для лікаря - радіолога саме вторинні ураження тканин і органів є головними, тому що їх розпізнавання є сучасній клініці. Ефективність біологічної дії оцінюється з точки зору тяжкості цих вторинних ушкоджень. Під впливом опромінення в клітинах, тканинах та організмі в цілому відбуваються дистрофічні (виснажують) зміни, аж до некрозу, тобто омертвіння і загибель живого речовини. Виявляється гноблення і придушення функції клітин: обмежується їх рухливість, здатність до зростання і розмноження, змінюється проникність клітинних мембран, розбудовується і дезорганізується обмін речовин в ядрі і протоплазмі. У клітинах пошкоджуються цілі структури - хромосоми ядра, ядерця, мікросоми, лізосоми і мітохондрії, а також цитоплазма. Відбуваються грубі морфологічні зміни - набухання клітини (набряк), освіта в ній вакуолей, пікноз ядра, його розпад. При одноразовому опроміненні всього тіла біологічні порушення в основному залежить від сумарної поглиненої дози (Табл. 2.1). При опроміненні дозами, в 100-500 разів перевищують смертельну дозу, людина гине під час опромінення. Поглинена доза випромінювання, що викликає ураження окремих частин тіла, а потім і смерть, перевищує смертельну поглинену дозу опромінення всього тіла. Смертельні поглинені дози для окремих частин тіла такі: голова - 20, нижня частина живота - 30, верхня частина живота - 50, грудна клітка - 100, кінцівки - 200 Гр. Іонізуючі випромінювання відповідно до своєї проникаючої здатністю (Мал. 2.14) викликають біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело знаходиться поза організмом), так і при внутрішньому опроміненні (радіоактивні речовини попадають усередину організму пероральним або інгаляційним шляхом). Радіоактивні речовини можуть надходити в організм через органи дихання, травний тракт і шкіру. При аварійних ситуаціях і в надзвичайній обстановці можливе проникнення радіонуклідів через подряпини, рани або опікову поверхню. На рис. 2.15 схематично показано можливі шляхи надходження, обміну і виділення радіонуклідів з організму. Найбільш вірогідним джерелом можливого надходження радіоактивних речовин в організм людини є повітря, забруднене радіоактивними газами та аерозолями, а також продукти харчування. Тому що надійшли в повітря радіоактивні речовини у вигляді радіоактивних газів, пилу туману або диму легко осаджуються в органах дихання. Поверхня легенів (близько 50 м2) є ефективним адсорбційним фільтром. При наявності у вдихуваному повітрі радіоактивних речовин певна частина залишається в дихальному тракті. Осадження та локалізація радіоактивних частинок в органах дихання залежить від їх розміру, частоти дихання і хвилинного обсягу. При цьому осадження відбувається внаслідок інерційного осадження, під впливом сили тяжіння (седиментація) і дифузії кількісної оцінки відкладених радіоактивних аерозольних частинок в дихальному тракті застосовується коефіцієнт відкладення або затримки, що характеризує частку частинок, що відклалися на ділянках дихального шляху. Осадження радіоактивних частинок в органах призводить до опромінення ділянок дихального тракту, легенів і лімфатичних вузлів, а також наступному проникненню через кров'яне русло в певні органи і тканини. Після відкладення у верхніх дихальних шляхах, на слизовій трахеї бронхів радіонукліди з допомогою миготливого епітелію переводяться в глотку і ротову порожнину, звідки надходять в шлунок, а надалі ведуть себе, як і при пероральному (через ротову порожнину) вступі. Інертні радіоактивні гази, потрапивши через легені в кров видаляються з організму поступово і повно. Всі радіоактивні хімічні елементи та їх сполуки за швидкістю часу виведення з організму і, особливо, з легких розділені на три класи: Д-дні, Н-тижня, Г-роки. Найбільш повільно, з періодом напіввиведення більше одного року, видаляються з легких радіонукліди міді, срібла, ш лота, цинку, кадмію, ітрію, актинія, цирконію та інші. Часто критичним органом з облучаемості стають легкі, і ця обставина враховується при розробці норм гранично допустимого вмісту радіонуклідів у повітрі. Радіоактивні речовини надходять в організм також через шкірні покриви. Є радіонукліди, які проникають не тільки через всілякі садна, порізи і наколи, але і через неушкоджену шкіру. Проникність шкіри для радіоактивних речовин залежить від агрегатного стану радіонуклідів, схильності їх до гідролізу і комплексоутворення, кислотності розчину радіонукліда і стану шкірного бар'єру. У результаті механічного утримання та фізико-хімічних процесів радіоактивні речовини можуть міцно фіксуватися на поверхні шкіри. Основне значення в механізмі фіксації мають: 1) адсорбція на поверхневих структурах шкіри; 2) просте механічне осадження, в основі якого лежать сили адгезії, електростатичне притягання і інші фізичні сили зчеплення; 3) хімічну взаємодію з біохімічними компонентами (хемосорбція, утворення комплексних сполук, іонний обмін і т.п.). Бар'єрна функція шкіри визначається роговим шаром епідермісу, пошкодження якого сприяє безперешкодному проходженню в підлеглі тканини активних речовин. Проникнення радіоактивних речовин також відбувається через устя волосяних фолікулів, канальці сальних і потових залоз. Попередній вплив на шкіру, наприклад знежирення, значно збільшує її проникність, різко зростає проникність при термічних, хімічних або механічних пошкодженнях. Необхідно також враховувати небезпеку прямого опромінення базального шару епідермісу, який знаходиться на глибині 80-1000 мкм і має високу радіочутливість. Найбільш радіочутливим є клітини постійно оновлюються (дифференцирующихся) тканин деяких органів (кістковий мозок, статеві залози, селезінка та ін.) При однаковій еквівалентній дозі опромінення виникнення раку у легенях більш ймовірно, ніж у щитовидній залозі, а опромінення полових залоз особливо небезпечно з-за ризику генетичних пошкоджень. Тому дози опромінення органів і тканин також слід враховувати з різними коефіцієнтами (Мал. 2.19). Помноживши еквівалентні дози на відповідний коефіцієнт і підсумувавши по всіх органах і тканинам, отримаємо ефективну еквівалентну дозу, яка відображатиме сумарний ефект опромінення для організму. Радіоактивні речовини, вступивши в організм, всмоктуються в кров і лімфу і розносяться по різним органам і тканинам. Знання закономірностей розподілу, особливостей обміну і депонування радіонуклідів, їх перерозподіл в організмі має виключно важливе значення, гак як дає уявлення про переважне променевому ураженні тих чи інших органів, дає змогу зрозуміти механізм дії радіонуклідів, встановити критичний орган, оцінити величину його опромінення і прогнозувати променеве ураження , тобто рівень ризику. Розподіл радіоактивних речовин в організмі може бути різним. Радіоактивні і стабільні ізотопи одного і того ж елемента, володіючи однаковими хімічними і фізичними властивостями, розподіляються в організмі однотипно. Однак, одні радіонукліди розподіляються в організмі рівномірно по всіх органах і тканинам, інші ж виявляють тропність (спрямованість) до певних органів, в яких і накопичувально відкладаються. Орган з переважним накопиченням радіонукліда, що піддається найбільшій небезпеці внаслідок значного опромінення, називається критичним органом.
Рівні накопичення радіонуклідів в критичних органах у період встановлення рівноваги в розрахунку на один кілограм маси критичного органу мають наступні величини кратності (вказані в дужках): щитовидна залоза - йод-131 (164); скелет - стронцій-90 (91), радій-226 (46), кальцій-45 (13); печінка - залізо-55 (3,5), цинк-65 (1,3), америцій-241 (1,4); нирки - свинець-210 (21), берилій -7 (6), платина-193 (3); м'язи - цезій-137 (2,6), рубідій-87 (1,7), калій-40 (1,4). Орієнтиром для оцінки сумарного вмісту радіонукліда в організмі служить кратність накопичення - відношення максимально накопиченого кількості елемента в організмі або в органі до величини щоденного надходження. Кратність накопичення залежить від всмоктування радіонукліду в кров і лімфу, швидкості виведення з організму від інтенсивності обмінних процесів і періоду напіврозпаду радіонукліда. Характер розподілу радіонуклідів в організмі не є незмінним і обумовлений їх хімічними властивостями, здатністю утворювати колоїди і легко гидролизоваться. Розподіл радіонуклідів в організмі може змінюватися в залежності від вихідного стану центральної нервової системи, пригнічення якої сприяє накопиченню, а збудження, навпаки, зниження вмісту радіонуклідів стронцію-90 і кобальту-60 в організмі і тканинах. Всі радіонукліди за характером свого розподілу діляться на чотири групи: 1) остеотропні - фосфор-32, кальцій-45, стропцій-90, барій-140, радій-226; 2) переважно накопичуються в органах з ретикулоендотеліальної (сітчастої) тканиною - торій- 239, плутоній-239 (нітрат), 3) специфічно беруть участь в обміні речовин і вибірково накопичуються в окремих органах і тканинах: йод-131 - в щитовидній залозі, залізо-59 - в еритроцитах, цинк-65 - в підшлунковій залозі, молібден- 99 - у райдужній оболонці ока, 4) рівномірно розподіляється по всіх органах і тканинам: калій-40, рубідій-86, ніобій-95, рутеній-106, це-зій-137. Деякі радіоактивні речовини, потрапляючи в організм, розподіляються в ньому більш-менш рівномірно, інші концентруються в окремих внутрішніх органах. Так, у кісткових тканинах відкладаються джерела альфа-випромінювань - радій, уран, плутоній; бета-випромінювань - стронцій і ітрій; гамма-випромінювань - цирконій. Ці елементи, хімічно пов'язані з кістковою тканиною, дуже важко виводяться з організму. Тривалий час утримуються в організмі також елементи з великим атомним номером (полоній, уран). Елементи, утворені в організмі легкорозчинні солі і накопичуються в м'яких тканинах, легко видаляються з організму. Закономірності утримання і виведення радіонуклідів з організму мають специфічні особливості - протікають з різними швидкостями і залежать від багатьох чинників, а також від функціонального стану видільних систем. Найбільша кількість радіоактивних речовин виводиться через шлунково-кишковий тракт, особливо радіонукліди, які погано всмоктуються в травний тракт: трансуранові елементи, лантаноїди. Розчинні сполуки радіонуклідів добре виділяються через нирки. Швидко виводяться з організму радіонукліди газоподібні - водень-3, ксенон-133 і криптон-85. Основна кількість радіоактивних газів виділяється через легені і шкіру. Радіонукліди йод-131 і цезій-137 виводяться також через потові і слинні залози. Радіонукліди, що утворюють колоїдні комплекси з білками, надходять у печінку і виділяються з жовчю в кишечник. Одним з основних органів виділення радіоактивних речовин з організму є нирки. Більшість розчинних радіонуклідів виділяється через нирки протягом першої доби після опромінення. Радіоактивні аерозолі, а також продукти розпаду радію і торію можуть виділятися з організму через органи дихання. Процеси екскреції (виділення) радіоактивних речовин з легких, кишечника, нирок нерозривно пов'язані з явищем реабсорбції, величина якої для виділення радіонуклідів може бути різною. Зменшення вмісту радіоактивної речовини в організмі відбувається не тільки внаслідок його виведення, але і завдяки радіоактивного розпаду, що особливо характерно для короткоживучих радіонуклідів: йоду-131, натрію-24, фосфору-32. Біологічне виведення і радіоактивний розпад - це два незалежних процеси. Час, протягом якого з організму виділяється половина одноразово надійшов радіонукліда, називається біологічним періодом напіввиведення (Тб). Фактична ж спад радіонукліда в організмі вимірюється ефективним періодом напіввиведення (ТЕФ). Це час, протягом якого організм звільняється від половини депонованого в ньому радіонукліда як шляхом біологічного виведення, так і внаслідок радіоактивного розпаду. Для довгоіснуючих радіонуклідів ТЕФ в основному визначається біологічним виведенням. Ефективний період напіввиведення залежить від виду хімічної сполуки радіонукліда, особливостей його розподілу, що надійшов кількості, функціонального стану пня органів, типу, пиво кількості або концентрації (рівні) деяких речовин, або швидкості (темпи) протікання фізіологічних процесів, у тому числі - швидкості біохімічних реакцій . Темпи цих процесів і рівні підтримки складу речовин в організмі регулюються цілою системою механізмів через певні виконавчі органи. Наприклад, окислювальні процеси в тканинах управляються цілеспрямованими змінами дихального обсягу, життєвої ємності легень, обсягу резервного повітря, глибини вдиху, частоти дихання, ударного об'єму серця, частоти серцевих скорочень, об'ємної швидкості кровотоку, величини опору судин, кількості гемоглобіну в крові, величини кисневої ємності крові.