ГБОУ ВПО БГМУ Кафедра гигиены труда и профессиональных

ГБОУ ВПО БГМУ Кафедра гигиены труда и профессиональных болезней Биологическое действие и влияние ионизирующих излучений на здоровье человека д.м.н., профессор Аскарова Загира Фатхулловна

1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв. За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр), определяемый как джоуль на килограмм (Дж/кг). Соответственно 1 Гр = 1 Дж/кг.

При изучении действия радиации на живой организм были определены следующие особенности: 1)Действие ИИ на организм не ощутимо человеком. У людей отсутствует орган чувств, который воспринимал бы ИИ. 2) Характерен скрытый (латентный) период, т.е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах. 3) Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться (кумуляция);

4) Излучение действует не только на данный живой организм, но и на его потомство - это так называемый генетический эффект. 5) Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное. 6)Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии.

ДВА ВИДА ОБЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЗМА: ВНЕШНЕЕ И ВНУТРЕННЕЕ

Внешнее облучение в основном создается γ- содержащими радионуклидами, а также R-излучением. Его поражающая способность зависит от: а) энергии излучения; б) продолжительности действия излучения; в) расстояния от источника излучения до объекта; г) защитных мероприятий. Для защитных мероприятий от внешнего облучения используются в основном свинцовые и бетонные защитные экраны на пути излучения.

Повреждающее действие различных видов ионизирующей радиации зависит от их проникающей активности и, следовательно, от плотности ионизации в тканях. Чем короче путь прохождения луча, тем больше плотность ионизации и сильнее повреждающее действие (табл.). Как видно из табл., повреждающее действие альфа-излучения, нейтронов и протонов в 10—20 раз больше, чем R-лучей, биологическое действие которых условно принято за 1.

Ионизирующее воздействие фотонов (рентгеновское и гамма-излучение) на биологический материал опосредованно; сами по себе они не могут химически или биологически повредить клетку. Фотоны взаимодействуют с атомами или молекулами, например, с молекулами воды, что приводит к образованию высокоактивных короткоживущих свободных радикалов, которые проникают в критические структуры клетки, такие как ДНК и, возможно, мембраны, и разрушают химические связи. Чувствительность разных биологических материалов к действию ионизирующего излучения существенно различно.

Радиочувствительность и радиорезистентность – понятия, характеризующие степень чувствительности животных и растительных организмов, а также их клеток и тканей к воздействию ионизирующих излучений. Чем больше возникает изменений в ткани под влиянием радиации, тем ткань более радиочувствительна, и, наоборот, способность организмов или отдельных тканей не давать патологических изменений при действии ионизирующих излучений характеризует степень их радиорезистентности, т.е. устойчивости к радиации.

Различные организмы, а также различные органы и ткани всех растительных и животных организмов также обладают разной радиочувствительностью. Наибольшей радиочувствительностью у человека обладают половые клетки (сперматозоиды и яйцеклетки) и белые кровяные тельца (лейкоциты). Очень чувствительны к действию ионизирующей радиации костный мозг, селезенка и лимфатические узлы, т.е. органы кроветворения. Весьма чувствителен также эпителий желудочно-кишечного тракта. Изучение деятельности физиологических систем, в частности, нервной, показало высокую чувствительность центральной нервной системы к действию даже малых доз радиации на организм. Костная и мышечная ткани являются наименее чувствительными к действию ионизирующей радиации, т.е. они наиболее радиорезистентны.

Клеточная радиочувствительность - интегральная характеристика клетки, определяющая вероятность ее гибели после радиационного воздействия. Синонимом радиочувствительности является радиопоражаемость. Термин радиочувствительность применяется также и по отношению к тканям, органам, организму в целом, биологическим видам и др. При равной радиочувствительности биологических объектов степень их поражения определяется, прежде всего, дозой излучения.

Закономерности биологического действия ионизирующих излучений используются для обоснования мероприятий по обеспечению радиационной безопасности и разработки средств медицинской защиты при лучевых поражениях. Радиобиологические данные - основа для регламентации радиационных воздействий при использовании источников ионизирующих излучений в науке, в медицине, технике, сельском хозяйстве и т.п. Эти аспекты входят в компетенцию научной дисциплины – радиационной гигиены.

Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Живой организм состоит из клеток. Клетка животного состоит из клеточной оболочки, окружающей студенистую массу — цитоплазму, в которой заключено более плотное ядро. Цитоплазма состоит из органических соединений белкового характера, образующих пространственную решетку, ячейки которой заполняют вода, растворенные в ней соли и относительно малые молекулы липидов — вещества, по свойствам подобные жирам. Ядро считается наиболее чувствительной жизненно важной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромосомы.

В основе строения хромосом находится молекула диоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой заключена наследственная информация организма. Отдельные участки ДНК, ответственные за формирование определенного элементарного признака, называются генами или «кирпичиками наследственности». Гены расположены в хромосомах в строго определенном порядке и каждому организму соответствует определенный набор хромосом в каждой клетке. У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. При делении клетки (митозе) хромосомы удваиваются и в определенном порядке располагаются в дочерних клетках.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это и приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток, неодинаковых с исходными. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках, то это ведет к мутациям, т. е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками. Разрушение жизненно важных для организма молекул возможно не только при прямом их разрушении ионизирующим излучением (теория мишени), но и при косвенном действии, когда сама молекула не поглощает непосредственно энергию излучения, а получает ее от другой молекулы (растворителя), которая первоначально поглотила эту энергию.

Различают два пути воздействия ионизирующего излучения на клетки: прямой и косвенный. При прямом пути энергия излучения поглощается непосредственно в самих макромолекулах, при этом в результате разрыва химических связей происходит их диссоциация (распад) и они теряют свои биологические функции. При косвенном пути энергия излучения поглощается молекулами воды и других низкомолекулярных соединений клетки, в результате чего такие молекулы распадаются с образованием вторичных продуктов – свободных радионуклидов, обладающих большой химической активностью. Конечный продукт этого процесса (радиолиза) – токсины повреждают макромолекулы.

Первичные механизмы действия ионизирующего излучения Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от величины воздействия и условий облучения. Табл. 1. Основные стадии в действии излучений на биологические системы

Физико-химические изменения, образование свободных радикалов. И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих 10-8 секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как "свободные радикалы". Известно, что в биологической ткани ~ 75% по массе составляет вода. Под действием излучения происходит радиолиз воды. В результате ионизации молекулы воды образуются свободные радикалы - H* и OH* по следующей схеме:H2O+® H+ + OH*; H2O- ®OH- + H*. В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (HO2*) и перекись водорода (H2O2), являющиеся сильными окислителями.

Косвенное действие излучения (радиационно-химические изменения). В течение следующих 10-5 секунды образовавшиеся свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к их повреждению. Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты.

Резюме: При воздействии ионизирующего излучения первичным этапом - спусковым механизмом, инициирующим многообразные процессы, происходящие в биологическом объекте, являются ионизация и возбуждение. Именно в этих физических актах взаимодействия происходит передача энергии ионизирующего излучения облучаемому объекту. Это так называемое прямое действие ионизирующего излучения. Решающее значение в формировании биологических последствий выполняет механизм косвенного действия ионизирующего излучения. Под косвенным действием излучения понимают радиационно-химические изменения в данном растворенном веществе, обусловленные продуктами радиолиза воды.

Биологические эффекты Все эффекты, обусловленные излучением, подразделяют на два принципиально различных класса - стохастические и детерминированные. При больших дозах ионизирующее излучение может разрушать клетки, повреждать ткани и явиться причиной гибели организма. Поскольку для детерминированных эффектов существуют пороги, то этих эффектов можно избежать, ограничив дозы у отдельных лиц. В тоже время стохастические эффекты нельзя полностью устранить, так как для них не существует порога.

Классификация последствий облучения

Соматические (телесные) эффекты - это последствия воздействия облучения на самого облученного, а не на его потомство. Соматические эффекты делят на стохастические (вероятностные) и нестохастические (детерминированные). К нестохастическим соматическим эффектам относят поражение, вероятность возникновения которых и степень тяжести поражения прямо зависит от дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. Стохастическими эффектами считаются такие, для которых от дозы зависит только вероятность возникновения, а не их тяжесть, и отсутствует дозовый порог.

Соматическое детерминированные эффекты Пороговые (детерминированные) эффекты возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в Табл.2. Табл.2. Воздействие различных доз облучения на человеческий организм.

Нестохастические эффекты проявляются лишь при высоком или аварийном облучении всего тела и отдельных органов, причем порог возникновения эффекта зависит и от того, какой орган подвергся облучению. Реакция организма на интенсивное облучение приведена в Табл.3.

Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастических эффектов принята консервативная гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициентом риска около 7·10-2 /Зв.

Лучевая болезнь Лучевая болезнь возникает при воздействии на организм ионизирующих излучений в дозах, превышающих предельно допустимые. У человека возможны молниеносная, острая, подострая и хроническая. Лучевая болезнь проявляется поражением органов кроветворения, нервной системы, желудочно-кришечного тракта и др.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) возникает в результате однократного (от нескольких минут до 1 - 3 дней) внешнего воздействия ИИ или поступления внутрь радионуклидов, в дозах превышающую 1 Гр. (или свыше 100 рад, 1 рад = 0,01 Гр). В зависимости от физической природы излучения (фотоны, нейтроны, α - и β - излучение) происходит формирование лучевой реакции органов и тканей. В ее патогенезе ведущая роль принадлежит прямому радиационному поражению клеток критических систем.

Острая лучевая болезнь (ОЛБ) Клиническая картина полиморфна, большое значение имеет индивидуальная радиочувствительность организма пострадавшего, но выраженность лучевого поражения зависит от величины и мощности дозы, площади облучаемого участка ткани.

ОЛБ от внешнего облучения (Клинические формы и степени тяжести)

В зависимости от дозы облучения выделяют 4 степени выраженности ОЛБ: I степень (лёгкая) – 1 - 2 Гр; (проявляется через 14—21 день). II степень (средняя) – 2 - 4 Гр; (через 4—5 дней). III - степень (тяжелая) – 4 - 6 Гр; (после 10—12 часов). IV степень (крайне тяжелая) – 6 - 10 Гр, (после 30 минут). При очень высоких дозах облучения выделяют острейшую и молниеносную формы ОЛБ с преобладанием кишечного (10 - 20 Гр), токсического (20 - 80 Гр) и церебрального (80 Гр и выше) вариантов течения заболевания.

Костно-мозговая (типичная) форма - 1-10Гр, летальность 50%; 4 стадии или периода в течение этой формы: 1-период первичной общей реакции, выраженность которого зависит от дозы облучения. Длится 1—3 сут. (тошнота, рвота, недомогание, уменьшение АД, нейтрофильный лейкоцитоз, начальные признаки лимфопении). II период — видимого клинического благополучия (латентная) (продолжается от 10—15 дней до 4—5 нед): субъективное улучшение состояния, усиление лимфопении, нейтропения, снижение количества ретикулоцитов, тромбоцитов, гипоплазия костного мозга.

III-й период стадия выраженных клинических проявлений: анемический синдром; геморрагический синдром; развитие инфекции: пневмония; кишечный синдром; изменение электролитного баланса. Длительность III фазы в случаях выздоровления не превышает 2—3 нед. IV -й период ОЛБ – период непосредственного восстановления. В целом период восстановления продолжается 3—6 мес. (реже 1—2 года) и отличается (особенно при тяжелых формах заболевания) тем, что наряду с регенераторными процессами в поврежденных органах длительное время сохраняется повышенная истощаемость и функциональная недостаточность некоторых систем, в первую очередь сердечно-сосудистой, нервной и эндокринной.

Хроническая лучевая болезнь (ХЛБ) Это общее заболевание организма, развивающееся в результате длительного действия ИИ в относительно малых, но превышающих допустимые уровни дозах. Характерно поражение различных органов и систем. В соответствии с современной классификацией ХЛБ может быть вызвана: I - ХЛБ, обусловленная длительным воздействием общего относительно равномерного внешнего облучения, наиболее частый; встречается у лиц, подвергающихся воздействию ионизирующей радиации в течение 3–5 лет.

II - ХЛБ от внешнего и внутреннего облучения с преимущественно местным воздействием излучения на отдельные органы и ткани; III - ХЛБ вследствие общего и местного лучевого воздействия в различных сочетаниях. В развитии хронической лучевой болезни выделяют три периода: 1) период формирования, или собственно хроническая лучевая болезнь; 2) период восстановления; 3) период последствий и исходов лучевой болезни.

Первый период, или период формирования патологического процесса, составляет примерно 1 - 3 года – время, необходимое для формирования при неблагоприятных условиях труда клинического синдрома лучевой болезни с характерными для него проявлениями.

Второй период, или период восстановления, определяется обычно через 1 - 3 года после прекращения облучения или при резком снижении его интенсивности. В этот период можно четко установить степень выраженности первично-деструктивных изменений и составить определенное мнение о возможности репаративных процессов. Заболевание может закончиться полным восстановлением здоровья, восстановлением с дефектом, стабилизацией бывших ранее изменений или ухудшением (прогрессирование процесса).

Клиническая картина. ХЛБ характеризуется медленным развитием отдельных симптомов и синдромов, своеобразием симптоматики и наклонностью к прогрессированию. Ведущими симптомами являются изменения в нервной системе, кроветворном аппарате, сердечно-сосудистой и эндокринной системах, желудочно-кишечном тракте, печени, почках; происходит нарушение обменных процессов. Полиморфность и многообразие симптоматики зависят от суммарной дозы облучения, характера распределения поглощенной дозы и чувствительности организма.

В зависимости от тяжести заболевания и клинического течения различают четыре степени тяжести хронической лучевой болезни: I – легкую, II – среднюю, III – тяжелую и IV – крайне тяжелую. Все 4 степени являются лишь разными фазами единого патологического процесса. При суммарной дозе облучения 100 – 200 сГр/год или за ряд лет ХЛБ относят к I-ой степени . Клиническая картина складывается из вегетативно-сосудистых расстройств, начальных астенических проявлений и изменений в периферической крови. Имеет место нарушение функции эндокринных желез – половых и щитовидной: у мужчин отмечается импотенция, у женщин – нарушение овариально-менструальной функции. Гематологические показатели отличаются лабильностью. Возможно полное клиническое выздоровление

Дозы от 200 до 500 сГр обычно находятся в области, характеризующей II- степени ХЛБ. ХЛБ II (средней) степени проявляется дальнейшим развитием астеновегетативных нарушений и сосудистой дистонии, угнетением функции кроветворного аппарата и выраженностью геморрагических явлений. Более выраженными становятся трофические нарушения: дерматиты, выпадение волос, изменение ногтей. Возможны диэнцефальные кризы с кратковременной потерей сознания, приступы пароксизмальной тахикардии, озноб и обменные нарушения. В костном мозге отмечается гипоплазия всех видов кроветворения. Заболевание носит стойкий характер.

ХЛБ III (тяжелой) степени характеризуется тяжелыми, подчас необратимыми, изменениями в организме с полной потерей регенерационных возможностей тканей. Отмечаются дистрофические нарушения в различных органах и системах. Клиническая картина носит прогрессирующий характер. Прекращение профессиональной работы в полях ИИ является одним из основных условий успешности всестороннего и длительного лечения ХЛБ в специализированных клиниках.

При ХЛБ IV степени происходит быстрое и неуклонное нарастание всех болезненных симптомов (аплазия костного мозга, резко выраженные явления геморрагии, развитие тяжелого сепсиса). Прогноз неблагоприятный (летальный исход).

Диагностика ХЛБ. Обязательным условием установления диагноза ХЛБ является наличие акта радиационно-гигиенической экспертизы, подтверждающего систематическое превышение предельно-допустимых доз облучения на рабочем месте пострадавшего в результате нарушения техники безопасности. Кроме того в акте экспертизы должен быть представлен расчет вероятной суммарной дозы облучения за весь период работы с источниками излучения.

Лечение ХЛБ. Лечение должно быть комплексным, индивидуальным, своевременным, соответствующим степени тяжести. Безусловным требованием является прекращение контакта пострадавшего с источником излучения.

ОСОБЕННОСТИ ХЛБ ПРИ ИНКОРПОРАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ При сочетании длительного внешнего облучения с инкорпорацией радионуклидов, обладающих избирательной органотропностью, в клинической картине преобладают признаки поражения органа, где преимущественно локализуется изотоп. Существуют три основных типа распределения радионуклидов в организме: скелетный, ретикуло-эндотелиальный и диффузный.

продолжение Первый характерен для элементов щелочно-земельной группы: Ca, Sr, Ba, Ra. Они поступают в организм и депонируются в костях скелета. В том же направлении идет накопление Pt (платина) и Th (торий). Второй путь, ретикуло-эндотелиальный, присущ элементам редкоземельной группы: Ce (церий), Pr (празеодим), Pm (прометий), а также Zn, Th (торий), Am (америций) и трансурановым элементам.

Для третьей группы характерно диффузное распределение – это щелочно-земельные элементы: K, Na, Cs (цезий), Rb (рубидий), а также H, N, Po (полоний) и некоторые другие. Поскольку в настоящее время хорошо известен химический состав важнейших органов и тканей стандартного человека, то можно с большой степенью надежности предсказать, куда может поступить тот или иной радиоактивный изотоп.

Поэтому, отложение радиоизотопов цезия и полония в печени, например, может привести к циррозу этого органа, а стронция, радия, плутония – в костях будет вести к угнетению костномозгового кроветворения и способствовать развитию острого лейкоза, хронического миелолейкоза и множественной миеломы. При подозрении на возможное поступление в организм человека радионуклидов, в частности, радиоактивных изотопов йода, необходимо принимать 3-4 капли раствора Люголя на 0,5 стакана воды. Длительность профилактического эффекта составляет 2-3 недели.

С целью ускорения выведения радионуклидов, поступивших в ЖКТ с продуктами питания и водой, применяются комплексообразующие соединения. Например, назначение пентацина способствует связыванию и выведению радиоактивных изотопов циркония, хрома, железа, цинка, кадмия, лантаноидов. Для выведения радиоактивных кобальта, полония, меди, ртути применяют купренил (D-пеницилламин), а для выведения радиоизотопов цезия и рубидия – ферроцин. Радиоизотопы стронция, йода и радия могут быть выведены из ЖКТ с помощью сульфата бария (или вариант – адсобар).

Радиозащитные средства - средства защиты от поражающего действия ионизирующего излучения. Они могут быть химическими, биологическими или физическими. Радиопротекторы - вещества, введение которых перед облучением в среду с биологическими объектами или в организм животных и человека снижает поражающее действие ионизирующего излучения. Радиопротекторы частично предотвращают возникновение химически активных радикалов, которые образуются под воздействием излучения. Радиопротекторы - достаточно вредные для организма вещества, поэтому им ищут замену, в частности, замены на вещества, свойственные организму или на пищевые добавки.

Некоторые пищевые вещества обладают профилактическими радиозащитным действием или способностью связывать и выводить из организма радионуклиды. К ним относятся полисахариды (пектин, декстрин, липополисахариды, находящиеся в листьях винограда и чая), фенильные и фитиновые соединения, галлаты, серотанин, этиловый спирт, некоторые жирные кислоты,микроэлементы, витамины, ферменты, гормоны. Радиоустойчивость организмов повышают некоторые антибиотики (биомицин, стрептоцин), наркотики (нембутал, барбамил).

К очень важным радиозащитным соединениям относятся «витамины противодействия». В первую очередь это относится к витаминам группы В и С. Фенольные соединения растений - это биологически активные вещества лечебно - профилактического действия, необходимые для поддержания жизни и сохранения здоровья. Они повышают прочность кровеносных сосудов, регулируют работу желез внутренней секреции. Например, хорошо лечит местные лучевые повреждения кожи прополис (пчелиный клей), что связано с его фенольными компонентами.

Из многочисленного ряда фенольных веществ наибольший интерес вызывают флавоноиды, способствующие удалению радиоактивных элементов из организма . Источниками флаваноидов являются мандарины, черноплодная рябина, облепиха, боярышник, пустырник, бессмертник, солодка. Этиловый спирт обладает выраженным профилактическим радиозащитным действием. Эндогенные вещества - тиолы, амины, липофильные антиоксиданты - проявляют радиозащитные свойства. Широко известно радиозащитное действие гипоксии.