5. Вспомогательные материалы по теме:
Дозы радиационного облучения
Экспозиционная доза излучения- дает общее представление о количестве падающей на объект энергии излучения за время облучения. Единица экспозиционной дозы выражается в кулонах, деленных на килограмм (Кл/кг), внесистемная единица- рентген. 1 Р= 2,58х 10-4 Кл/кг. Экспозиционная доза позволяет лишь ориентировочно оценивать степень повреждения объекта, поскольку оно может вызываться только поглощенной объектом энергией.
Поглощенная доза излучения- энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма) в пересчете на единицу массы. Единица поглощенной дозы в СИ- грей (Гр), 1 грей равен 1 джоулю, поглощенному в 1 кг вещества (1 Гр= 1 Дж/кг). Внесистемная единица поглощенной дозы- рад. 1 Гр = 100 рад.
При оценке радиационной опасности хронического воздействия излучения произвольного состава применяют понятие эквивалентная доза.
Эквивалентная доза излучения- поглощенная доза, умноженная на коэффициент (коэффициент качества), отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма. Коэффициент качества излучения зависит от ЛПЭ (линейной передачи энергии). Коэффициент качества Q при хроническом облучении всего тела для g- и b- излучения равен 1. Единица эквивалентной дозы в СИ- зиверт (Зв). 1 Зв равен 1 Гр, деленному на коэффициент качества (Q): 1 Зв= 1 Гр= 1Дж/кг = 100 рад = 100 бэр
Q Q Q
Для оценки эффективности действия радиоактивных изотопов кроме поглощенных доз, создаваемых ими как при внешнем облучении, так и при попадании внутрь организма (инкорпорации), измеряют их активность. За единицу радиоактивности, получившую название беккерель (Бк), принято одно ядерное превращение в секунду. Внесистемная единица- кюри (Ки), 1 Ки= 3,7х1010 Бк. Одному Бк соответствует Т1/2 / Ln2 атомов радионуклида, при этом Т1/2 (период полураспада) должно быть выражено в секундах.
Для характеристики распределения поглощенной дозы во времени используют величину мощности поглощенной дозы, или интенсивности облучения. Под этим понимают количество энергии излучения, поглощаемой в единицу времени (1 ч, 1 мин, 1с) единицей массы вещества.
Характеристика изотопов
Цезий- щелочной металл I группы Периодической системы Д.И.Менделеева с порядковым N 55. Открыт в 1860 г. немецкими учеными Кирхгофом и Бунзеном. Название получил от латинского слова caesis- голубой, по характерной яркой линии в синей области спектра. В настоящее время известно несколько изотопов цезия от 125Cs до 145Cs. Наибольшее значение имеет 137Cs, один из наиболее долгоживущих продуктов деления урана.
137Cs- смешанный b,-g- излучатель, с периодом полураспада (Т 1/2)- 30 лет. Продукт распада 137Cs- возбужденный 137Ba с Т 1/2- 2,57 мин, испускает g- кванты.
Изотопы цезия при любом пути поступления в организм хорошо резорбируются. Всасывание 137Cs в ЖКТ животных и человека составляет 100%.
В отдельных участках ЖКТ всасывание 137Cs происходит в различной скоростью. По данным Moor, Comar, через 1 ч после введения 137Cs всасывается по отношению к введенной дозе: в желудке- 7%, в двенадцатиперстной кишке- 77%, в тощей- 76%, в подвздошной- 78%, в слепой-13%, в поперечно- ободочной кишке- 39%.
После перорального поступления цезия значительные количества всосавшегося радионуклида секретируются в кишечник, затем реабсорбируются в нисходящих отделах. Степень реабсорбции цезия может существенно отличаться у разных видов животных. Попав в кровь, он сравнительно равномерно распределяется по органам и тканям.
Выводится 137Cs из организма человека с Тб (биологический период полувыведения), равным 70 сут. Выведение из организма происходит, в основном, через почки.
Стронций. Наибольший токсикологический интерес представляют 85Sr, 89Sr, 90Sr. Период полураспада- 29, 12 лет. Продукт распада- 90Y.
Величина всасывания стронция у человека равна 0,3. Величина всасывания радионуклида из ЖКТ уменьшается: с увеличением возраста, с повышением кальция и фосфора в диете, при введении высоких доз тироксина. В период лактации всасывание стронция увеличивается в 2 раза. Независимо от пути и ритма поступления в организм растворимые соединения радиоактивного стронция избирательно накапливаются в скелете. В костной ткани мужчин 90Sr и кальция накапливается больше, чем у женщин. С увеличением возраста, независимо от способа введения и вида животных, понижается величина отложения 90Sr в скелете.
Выведение 90Sr из организма происходит с калом и мочой. Установлено несколько периодов полувыведения 90Sr из организма. Короткий период полувыведения (2,5-8,5 сут) характеризуется выведением стронция из мягких тканей, длинный период (90-154 сут)- преимущественно из костей. При длительном пероральном или парэнтеральном введении в организм 90Sr период полувыведения из скелета значительно увеличивается, а начальный короткий период полувыведения или отсутствует или очень мал.
Механизмы клеточной гибели.
Действие ионизирующей радиации (квантов электромагнитных колебаний или корпускулярных элементарных частиц высоких энергий) является дискретным. Ионы образуются неравномерно. В результате на пути энергии (трека) одни участки получают повреждение, другие - нет.
Поражение клеток может происходить двумя путями: непосредственным попаданием энергии в молекулы клеточных структур (на этом основанана теория мишеней), и попаданием энергии в молекулы воды (теория непрямого действия радиации).
В первом случае наиболее вероятной мишенью попадания энергии будут служить гигантские макромолекулы. К числу таких молекул в первую очередь относятся дезоксирибонуклеопротеиды, входящие в состав клеточного ядра. В результате возникают структурные изменения хромосом, которые могут обусловить мутагенное действие радиации.
Во втором случае энергия излучения вызывает ионизацию и распад молекул воды. В результате возникают активные продукты радиолиза воды и происходит образование так называемых свободных радикалов. Следует отметить, что в сложных радиоационно-химических превращениях большую роль играют процессы окисления и появление различных веществ типа перекисей. Свободные радикалы действуют радиационно- химическим путем на ядро и другие субклеточные структуры, вызывая такие же эффекты, как и при прямом попадании.
Однако оценка действия радиации этим не исчерпывается. Во-первых, клетки обладают ферментативными системами, которые восстанавливают первично возникающие изменения в ДНК, что происходит и без воздействия радиации. Таким образом, результаты действия радиации во многом могут зависеть от активности ферментов репарации.
Во- вторых, поражение клеток зависит не только от воздействия радиации на ядро. Несомненную роль играют те изменения, которые возникают и в других органеллах клетки, а также в цитоплазме. В частности, вследствие повышения проницаемости внутриклеточных мембран происходит освобождение лизирующих ферментов из лизосом (ДНК- азы, РНК- азы, катепсинов и др.). Нарушение митохондрий вызывает подавление синтеза основного энергетического источника- АТФ. В результате из-за недостатка образования АТФ происходит нарушение синтеза ДНК в ядрах, в рибосомахбелков и т.д.
В- третьих, нарушение обменных процессов в клетке ведет к возникновению аномальных метаболитов, из которых некоторые обладают высокой биологической активностью. Эти метаболиты представляют собой продукты окисления липидов, фенолов, и, возможно, других веществ. Они получили название радиотоксинов, т.к. эти вещества могут дистанционного вызывать изменения, свойственные радиации, например, торможение деления клеток, появление хромосомных аббераций в делящихся клетках и др.
Гибель клеток вне фазы деления получила название интерфазной гибели. Механизмы интерфазной гибели: повреждение молекул ДНК, нарушение синтеза нуклеиновых кислот и белков, уменьшение образования энергетических ресурсов, изменение проницаемости мембран клеток и субклеточных структур, повышение активности гидролитических ферментов, угнетение репаративных ферментных систем, способствующих восстановлению молекул ДНК. В зависимости от интенсивности указанных выше нарушений это может закончиться гибелью клеток.
Кроме интерфазной гибели, клетки могут исчезать вследствие подавления митотической активности. В результате происходит опустошение ткани из-за того, что не восполняется естественная убыль клеток за счет образования новых. Наконец, возможна генетическая гибель, когда клетки не способны к дальнейшему воспроизведению вследствие необратимого нарушения генетического (хромосомного) аппарата клетки.
Наибольшая роль в клеточном опустошении играет временное подавление митотической активности. Однако количественная значимость указанных выше возможностей точно не установлена. Возможность репарации и ее быстрота в интенсивно делящихся тканях (костный мозг, эпителий кишечника) в большой мере зависят также от числа сохранившихся стволовых клеток, способных к дальнейшему размножению.
Ионизирующая радиация может вызывать стойкие изменения функциональных свойств без грубых структурных нарушений клеток. Это, в первую очередь, относится к ганглиозным клеткам нервной системы. Подобные явления могут быть обусловлены такими изменениями ДНК, которые ведут к стойким нарушениям выработки молекулярных структур информационной РНК, определяющих синтез тех ферментных систем, от которых зависит реактивность клеток. В результате в нервной системе происходит нарушение процессов возбуждения или торможения, что ведет к изменению нормальной регуляции функций различных органов и систем.
Действие ионизирующей радиации может быть местным (лучевые ожоги, некрозы, катаракты) и общим (лучевая болезнь).
При внешнем равномерном облучении организма в дозах 1-10 Гр развивается типичная форма острой лучевой болезни. При длительном облучении организма в малых, но превышающих допустимые дозах возникает хроническая лучевая болезнь (при интенсивности 0,1- 0,5 сГр/сут после суммарной дозы 0,7-1 Гр).
В диапазоне доз 10-20 Гр возникает кишечная, при дозах 20-80 Гртоксимическая (сосудистая), при дозах свыше 80 Гр- церебральная формы лучевой болезни.
По тяжести поражения выделяют следующие группы острой лучевой болезни:
I- легкой степени (1-2 Гр)
II- средней степени (2-4 Гр)
III- тяжелой степени (4-6 Гр)
IV- крайне тяжелой степени (свыше 6 Гр).
Острая лучевая болезнь. Картина крови.
В течении ближайших часов после облучения у больных отмечается нейтрофильный лейкоцитоз без заметного омоложения в формуле. Он, по-ви-
димому, обусловлен мобилизацией в основном сосудистого гранулоцитарного резерва. Высота это лейкоцитоза, в развитии которого может играть важную роль и эмоциональный компонент, не связана с дозой облучения. В течении первых 3 сут у больных отмечается падение уровня лимфоцитов в крови, обусловленное, по-видимому, интерфазной гибелью этих клеток. Этот показатель через 48-72 ч после облучения имеет дозовую зависимость.
После окончания первичной реакции наблюдается постепенное падение уровня лимфоцитов, тромбоцитов и ретикулоцитов в крови. Лимфоциты остаются близко к уровню их первоначального падения (рис1).
Постепенное снижение уровня лейкоцитов вслед за первоначальным подъемом связано с расходованием костномозгового гранулоцитарного резерва, состоящего преимущественно из зрелых, устойчивых к воздействию радиации клеток- палочкоядерных и сегментоядерных нейтрофилов. Время наступления минимальных уровней и сами уровни в превоначальном снижении лейкоцитов имеют дозовую зависимость. Таким образом, если доза облучения в первые дни болезни не установлена, она может быть с достаточной точностью установлена по прошествии 1-1 1/2 нед.
При дозах облучения свыше 500-600 рад на костный мозг первоначальное снижение сольется с периодом агранулоцитоза, глубокой тромбоцитопении. При меньших дозах вслед за первичным падением будет отмечен некоторый подъем лейкоцитов, тромбоцитов и ретикулоцитов- абортивный лейкоцитоз. Его происхождение, вероятно, связано с временной активацией миелопоэза за счет дифференцировки клеток- предшественниц миелопоэза, обладающих способностью к самоподдержанию на ограниченный срок. В отдельных случаях лейкоциты могут достигать нормального уровня. Затем вновь наступит лейко- и тромбоцитопения.
Глубина цитопении и тяжесть инфекционных осложнений строго с дозой облучения не связаны. Выход из агранулоцитоза наступает тем раньше, чем раньше он начался, т.е. чем выше доза. Правда, при дозах облучения около 600 рад выход из агранулоцитоза, возможно, будет задерживаться из-за резчайшего уменьшения запаса стволовых клеток.
Период агранулоцитоза завершается окончательным восстановление уровня и лейкоцитов, и тромбоцитов. Выход из агранулоцитоза бывает обычно быстрым- в течении 1-3 дней. Нередко ему предшествует за 1-2 дня подъем тромбоцитов. К моменту выхода из агранулоцитоз возрастает и уровень ретикулоцитов, нередко существенно превышая нормальный- репаративный ретикулоцитоз. Вместе с тем именно в это время- через 1-1 1/2 мес- уровень эритроцитов достигает своего минимального значения.
|1
о |.
б |
л | 6
у | 3 .
ч | 2 . 4
е | .
н |
и | 5
е | .
-------------------------------------
Рис. 1 Основные элементы кривой динамики лейкоцитов в крови человека, подвергшегося облучению.
1- первоначальный подъем
2- первичное падение
3- абортивный подъем
4- основное падение
5- период агранулоцитоза
6- восстановление
Церебральная форма лучевого поражения
Смертельный исход при этой форме поражения может произойти даже в ходе самого облучения или через несколько минут-часов после воздействия.
Для этой формы радиационного поражения наиболее характерным является развитие судорожно- паралитического синдрома, дистонии или нарушения сосудистого тонуса, нарушения терморегуляции.
Изменения в нервной системе характеризуются значительными структурными изменениями и даже гибелью нервных клеток головного мозга и гибелью нейронов ядер гипоталамуса. Причиной смерти при этой форме лучевого поражения являются тяжелые и необратимые нарушения центральной нервной системы. Нарушению нервной системы способствуют возникающие при этом расстройства крово- и лимфообращения в центральной нервной системе, усиленная афферентная импульсация, идущая с периферии, токсически действующие гуморальные факторы. по- видимому-, в эти сроки поражения существенную роль играют первичные радиотоксины в виде Н2О2 и других веществ, образующихся за счет окисления ненасыщенных жирных кислот и фенолов.
Кишечная форма лучевого поражения
Кишечную форму острого лучевого поражения у мышей и крыс впервые наиболее обстоятельно описал Quastler (1951). Он установил, что после общего облучения в дозах от 1000 до 5000 Р смерть животных неизменно наступает в одни и те же сроки- на 3-5 сутки после облучения. К этому сроку патологоанатомически всегда констатируют гибель основной массы кишечного эпителия, что вызывает оголение ворсин, их уплощение и даже полную деструкцию. Для данной формы лучевого поражения являются характерными три показателя: доза облучения, срок гибели и морфологические изменения кишечника. Причем Quastler считает, что для диагноза достаточно констатации даже одного показателя: срока гибели или полученной дозы общего облучения. У человека сроки гибели отодвигаются до 7-10 суток.
Потеря эпителиальных клеток у ворсин и оголение слизистой являются основным патогенетическим механизмом, вызывающим кишечную форму лучевого поражения.
После облучения в больших дозах происходит резкое понижение пищевой возбудимости. Рвота и отказ от пищи- обычное явление. Однако специальные эксперименты позволили отвергнуть голодание в качестве причины гибели.
Оголенная поверхность слизистой кишечника представляет собой "открытые ворота" для аутоинфицирования организма. Этому способствует резкая лейкопения. Но ввиду кратковременности жизни животных развития инфекционного процесса не происходит.
Дегидратация организма сопровождается потерей электролитов и белка.
Кишечная смерть протекает по типу необратимого шока. Причиной шока могут служить токсические вещества микробного или тканевого происхождения.
Вопросы влияния инкорпорированного радиоактивного излучение на состояние различных органов и систем человека и экспериментальных животных изложены в книге: Бандажевский Ю.И. Патофизиология инкорпорированного радиоактивного излучения, Гомель.- 1997.
Основные мероприятия, направленные на снижение дозы внутреннего облучения, изложены в учебном пособии: Бортновский В.Н. Радиационная безопасность и оптимизация жизнедеятельности населения на радиоактивно загрязненных территориях, Гомель, 1996.- с.20-30.
6. Вопросы для контроля за усвоением темы:
Каковы основные пути поступления радионуклидов в организм и типы их распределения в нем?
Что понимают под прямым и косвенным действием излучения?
Что понимают под непосредственными и опосредованными эффектами ионизирующих излучений?
В чем отличие репродуктивной от интерфазной формы гибели клетки?
Чем определяются особенности поражения, вызванного инкорпорированными радионуклидами?
К чему сводятся основные нарушения обмена веществ в организме, возникающие под влиянием облучения?
Какова роль токсинов в опосредованных эффектах облучения?
Сколько и какие степени различают в течении острой лучевой болезни?
Опишите фазы периода формирования острой лучевой болезни при равномерном общем однократном облучении.