ЛЕКЦИЯ № 3 МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ

ЛЕКЦИЯ № 3 МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ НА ЧЕЛОВЕЧЕСКУЮ ПОПУЛЯЦИЮ Доцент кафедры онкологии с курсом лучевой диагностики и лучевой терапии к. м. н. Евстифеев С. В.

Историческое развитие представления о воздействии ионизирующего излучения на организм человека n Вопросы защиты от действия ионизирующих излучений являются очень актуальными в нашу эпоху, что можно выразить словами Э. Грауля : «Наша повседневная жизнь становится всё больше и больше радиоактивной» . В анналах истории мы найдём целую плеяду рентгенологов и радиологов, принёсших себя в жертву лучам рентгена и радия. n Радиационная гигиена как самостоятельная гигиеническая наука выделилась сравнительно недавно – в 40 -х годах прошлого века, однако вопросы защиты человека от повреждающего действия ионизирующего излучения возникли почти одновременно с открытием рентгеновского излучения и радиоактивного распада.

n Первые сведения о повреждающем действии ионизирующего излучения, в частности рентгеновского, были описаны в 1896 г. , когда у ряда больных, которым производились рентгеновские снимки, а также у врачей, которые работали с этими лучами, были обнаружены рентгеновские дерматиты. При лучевых поражениях кожных покровов отмечались краснота, отёк, образование пузырей и язв, потеря эластичности, шелушение, повреждение ногтей, выпадение волос, болевые ощущения, потеря чувствительности.

n В первое время, когда рентгеновские аппараты только начинали использоваться, не было предусмотрено соответствующих мер для защиты врача и обслуживающего персонала, поэтому за несколько лет работы с рентгеновскими аппаратами некоторые части тела этих людей, особенно руки, поглощали дозу до 1000 бэр, что рано или поздно вызывало лучевой рак, приводивший к смерти. Крупнейший отечественный рентгенолог Рейнберг С. А. в 1938 году указывал, что за 40 лет развития рентгенологии погибло более 200 человек от профессионального рака рентгенологов.

Один из первых рентгеновских аппаратов (фото 1900 г. )

n Аналогично происходило знакомство и с радиоактивными излучениями. Первым объектом лучевого радиоактивного поражения явился французский физик Анри Беккерель, который носил в жилетном кармане запаянную ампулу с наличием дециграмма радиоактивного хлорида бария. Ампула находилась в кармане не более шести часов, однако А. Беккерель неожиданно, через 10 дней на коже (1852 -1908) возникла стойкая локальная эритема. Пьер Кюри, для целей более детального знакомства с заинтересовавшим его явлением, подверг свою руку экспериментальному воздействию радия и констатировал на месте возникшей эритемы развитие длительно незаживающей язвы, полное рубцевание которой наступило только через несколько

n Аналогичное поражение кожи рук имелось и у М. Кюри, которой в процессе работы приходилось часто брать в руки препараты радия большой активности. Помимо резко выраженных поражений кожи, Пьер и Мария Кюри отмечали, что кончики пальцев их рук, которыми приходилось брать лабораторную посуду, содержащую радиоактивные препараты, становились твёрдыми, иногда болезненными, кожа шелушилась, а боль ощущалась около 2 мес. Мария и Пьер Кюри n Несмотря на то, что описанные поражения кожных покровов в первые годы после открытия лучей рентгена и радия были весьма частыми, это ни в какой степени не могло затормозить изучение свойств этих излучений и их применения в

n Ещё в 1901 г. французский врач Данло впервые с успехом применил радий для лечения злокачественных новообразований. Это привлекло внимание многих врачей -клиницистов Англии, Америки, Германии, Швеции, России и других стран. Вначале применялся метод аппликации, а вскоре начал развиваться метод внутритканевой радиевой терапии, т. е. введения в ткань опухоли радия в виде растворов или препаратов радия, заключённых в трубочки. В те годы применение ионизирующих излучений с лечебными целями носило эмпирический характер, н е были выяснены также основные вопросы дозирования, поэтому применение рентгеновского излучения и препаратов радия было произвольным и малоэффективным, а осложнения в виде лучевых поражений частыми.

n Б ольшинство клиницистов считали, что применение ионизирующего излучения при лечении злокачественных новообразований вполне оправдано. Поэтому в первые два десятилетия лучевая терапия стала быстро развиваться во всех странах. В о время войны 1914 -1918 гг. во многих военных госпиталях Франции были созданы рентгенологические и радиологические отделения, которыми руководила М. Кюри. n В те годы в царской России развитие рентгенологии и радиологии только намечалось. В 1910 г. Д. Ф. Решетило писал, что в настоящее время мало счастливцев врачей, которые владеют радием, что же касается больных, то им пользуются только избранные.

n В результате работ отечественных и зарубежных исследователей была установлена высокая активность ионизирующих излучений в отношении биологических объектов и обнаружено повреждающее действие их на организм человека, в связи с чем неизбежно стали возникать вопросы защиты персонала, имеющего контакты с ионизирующими излучениями. В монографии Д. Ф. Решетило, изданной в 1906 г. , указывалось на необходимость при работе с рентгеновскими лучами применять для защиты глаз очки из свинцового стекла, а для защиты всего тела – защитные фартуки и экраны. В работе отмечалось значение времени и расстояния для снижения получаемых доз облучения.

n Немало врачей-энтузиастов – рентгенологов и радиотерапевтов стали жертвами поиска новых путей и методов облегчения страданий своих пациентов. Так, в 1924 году закончил жизнь выдающийся французский рентгенолог и радиотерапевт Ж. Бергонье, который прошёл классический путь профессиональной болезни. Аналогично погибал и крупный немецкий рентгенолог М. Леви-Дорн (1929), а в 1931 г. и австрийский рентгенолог Г. Гольцкнехт. Велик список жертв, он не миновал рентгенологов и радиологов нашей страны, таких как Я. М. Розенблатт, С. В. Гольдберг и других.

n Таков был первый этап знакомства человечества с ионизирующими излучениями. Он был увековечен памятником, воздвигнутом в 1936 году в Гамбурге (Германия) перед больницей имени Г. Е. Альберс- Шенберга с надписью: «Рентгенологам и радиологам всех наций, отдавшим свою жизнь борьбе против человеческих болезней» . На памятнике высечены имена 186 рентгенологов и радиологов – врачей и учёных пятнадцати национальностей, ставших жертвами лучевых поражений. В 1959 г. в вышедшей «Книге почёта» были напечатаны фамилии 360 человек (в том числе 13 фамилий наших соотечественников), умерших от радиационных поражений при работе с источниками ионизирующих излучений.

n В последующие годы на основе достижений ядерной физики быстрыми темпами развивается атомная промышленность. Резко возрастает добыча, переработка и обогащение урановых руд. Осуществляется строительство атомных реакторов. Наконец, появляется возможность получения искусственных радиоактивных веществ в массовых масштабах, что дало возможность использования их во всех областях жизнедеятельности человека. n О первых плодах достижений на пути овладения человечеством ядерной энергией мир узнал, услышав грохот ядерных взрывов атомных бомб, сброшенных в августе 1945 года на Хиросиму и Нагасаки. Это первое применение ядерной энергии было продемонстрировано силой небывалого разрушения и массовым уничтожением людей.

Ядерный взрыв

n Последующие испытания атомного и термоядерного оружия привели к неуправляемому поступлению в биосферу планеты огромного количества искусственных радиоактивных изотопов. В связи с этим возникла важнейшая проблема, связанная с необходимостью оценки этого явления и тех возможных последствий, которые могут иметь место в результате проводимых испытаний. n Вновь о себе напомнил «мирный атом» 26 апреля 1986 года аварией на Чернобыльской АЭС, когда в результате взрывного разрушения реактора и его активной зоны во внешнюю среду попали десятки миллионов кюри РВ, а выпадение радиоактивных осадков произошло на больших территориях Украины, Белоруссии и европейской части России.

Чернобыльская АЭС

Проблемы Чернобыля в России и Мордовии n Чернобыльская трагедия вовлекла в орбиту радиационного воздействия большие контингенты населения, в том числе и жителей Мордовии. Территории девятнадцати субъектов Российской Федерации были загрязнены радиоактивными материалами вследствие аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). Авария сопровождалась значительным выбросом во внешнюю среду в начальном периоде короткоживущих радионуклидов радиоактивного йода – I 131 , I 132 , I 133 и I 135 , поступавших в организм в течение первых двух месяцев ингаляционным и алиментарным путями и избирательно аккумулировавшихся щитовидной железой. Население, проживающее на пострадавших территориях, подверглось также общему (внешнему и внутреннему) облучению вследствие воздействия длительно распадающихся радионуклидов цезия и стронция – Cs 137, Cs 134 и Sr 90.

n С целью защиты прав и интересов граждан РФ, оказавшихся в зоне влияния неблагоприятных факторов, возникших вследствие аварии на ЧАЭС, был принят Закон «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС» (18 июля 1992 года). Действие закона распространяется на следующие территории. n Зона отчуждения – территория в радиусе 30 и более километров вокруг ЧАЭС, из которой в 1986 г. и в последующие годы население было эвакуировано либо переселено. В зоне отчуждения запрещается постоянное проживание населения, хозяйственная деятельность и природопользование.

n Зона отселения – часть территории за пределами зоны отчуждения, на которой плотность загрязнения почв цезием- 137 составляет свыше 15 Ки/км 2. n Зона проживания с правом на отселение – часть территории за пределами зоны отчуждения и зоны отселения с плотностью загрязнения почв цезием-137 от 5 до 15 Ки/км 2. Режимы проживания жителей и порядок хозяйствования на её территории устанавливаются Правительством РФ с учётом ландшафтных и геохимических особенностей почв. n Зона проживания с льготным социально- экономическим статусом – часть территории с плотностью радиоактивного загрязнения почвы цезием-137 от 1 до 5 Ки/км 2 , где помимо мероприятий по радиоэкологической защите создаётся спец иальная структура, компенсирующая отрицательные воздействия, связанные с Чернобыл ь ской аварией.

Карта радиоактивного загрязнения территории Республики Мордовия

n Такая зона существует и на территории Мордовии, в которую включены 28 населённых пунктов Ичалковского , Б. Березниковского , Лямбирского , Ромодановского, Чамзинского , Кочкуровского и Октябрьского районов. В них проживают более 16000 тысяч человек, в т. ч. более 3000 детей. Границы всех зон устанавливаются и, в зависимости от изменения радиационной обстановки и с учётом других факторов не реже, чем один раз в три года, пересматриваются Правительством РФ. n В настоящее время через 20 лет после аварии на ЧАЭС главным фактором, определяющим радиационную обстановку, является загрязнение территорий долгоживущими радиоактивными веществами. П о данным дозиметрических измерений, а также анализов радиоактивности почвы, пищи, воды, воздуха в этих районах индивидуальная эквивалентная доза облучения составляет 25 м. Зв в год.

n Весь опыт мировой и отечественной радиационной медицины убедительно свидетельствует о том, что существенные изменения в общем состоянии здоровья и картине крови, выявляемые самыми современными методами, возникают у подвергшихся облучению людей лишь при дозах более 800 -1000 м. Зв (80 -100 бэр), полученных за короткий срок. Это относится лишь к ликвидаторам аварии на ЧАЭС и к эвакуантам из зон отчуждения и отселения. При длительном облучении меньшими дозами лиц, проживающих на загрязнённой радиацией территории, подобные изменения состояния здоровья и картины крови выявлять сложнее.

n НКРЗ при установлении предела индивидуальной дозы за период жизни (70 лет) определила величину, равную 350 м. Зв (35 бэр). Эта величина в несколько раз меньше указанных выше значений доз, при которых могут выявляться неблагоприятные последствия облучения. В ряде регионов мира (Китай, Индия, Бразилия, север Европы) большие группы людей в течение ряда поколений живут в условиях природного фона излучения 10 -20 м. Зв (1 -2 бэр) в год (700 м. Зв за 70 лет). Однако при этом не наблюдается каких-либо изменений в частоте онкологических и других заболеваний по сравнению с соответствующими контрольными регионами. n Тем не менее радиационнный риск полностью не снимается при проживании на загрязнённых радионуклидами территориях, даже в зоне с льготным социально-экономическим статусом.

n Для количественной оценки риска проживания в этой зоне необходимо сравни ть его со спонтанным (фоновым) уровнем риска: возникновением уродств, опухолей и наследственных дефектов, а также соматических заболеваний. Для оценки перечисленных выше неблагоприятных эффектов от малых доз радиации (менее 1000 м. Зв ) современная радиационная гигиена во всём мире руководствуется линейной беспороговой гипотезой. Эта гипотеза предполагает, что любое увеличение дозы излучения приводит к повышению вероятности развития стохастических эффектов: онкологических заболеваний, появлению наследственной патологии и хронических воспалительных , дегенеративно-дистрофических заболеваний.

n В Российском государственном медико-дозиметрическом регистре (РГМДР) собраны персональные медицинские и дозиметрические данные более чем на 163 тысячи человек. На основе рекомендованных МКРЗ моделей и персональных демографических и дозиметрических данных РГМДР для всей когорты ликвидаторов на ЧАЭС 1986 -1989 гг. при средней дозе внешнего облучения 105 м. Зв атрибутивный риск за всю жизнь по смертности от злокачественных новообразований составил для лейкозов – 12%, для солидных раков – 3 %. Группой наиболее высокого радиационного риска являются «ликвидаторы» 1986 г. Для этой группы максимальный атрибутивный риск дополнительной смертности по лейкозам составил 40%, а по солидным ракам – 6% (через 10 -15 лет после аварии).

n Анализ показывает, что ликвидаторы аварии на ЧАЭС болеют в 2, 2 раза чаще, чем остальное население Республики Мордовия. По данным МЗ РМ они чаще подвержены болезням органов дыхания в 1, 3 раза, органов кровообращения в 3 раза, болезням нервной системы и органов чувств в 3, 2 раза, болезням органов пищеварения в 4, 7 раза. n В структуре заболеваемости «ликвидаторов» на первое место вышли болезни органов пищеварения – 20 %, на второе – болезни нервной системы и органов чувств – 18, 5 %, на третьем – болезни костно-мышечной системы и соединительной ткани – 16, 5 % и только на четвёртом месте болезни органов кровообращения – 13 %, в то время как среди прочего населения они лидируют.

Структура заболеваемости ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС

n Высок и уровень инвалидности ликвидаторов аварии на ЧАЭС. По состоянию на 2000 г. она составила 30 %, в то время как среди остального населения РМ инвалидность имеют только 7 % населения. Смертность среди «ликвидаторов» в 2000 г. составила 13, 5 %, т. е. она в 2 раза выше уровня смертности среди остального трудоспособного населения Мордовии, которая составила 6, 4 %. В структуре смертности на первом месте травмы, несчастные случаи, отравления (41 %), на втором месте болезни органов кровообращения (34 %), на третьем месте злокачественные опухоли (13 %), четвёртое место занимают болезни органов пищеварения (7 %).

Структура смертности ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС

Биологическое действие ионизирующих излучений n Теоретические и экспериментальные исследования радиобиологического характера начали проводиться в первые годы открытия лучей рентгена и радия. Уже в 1896 г. через 4 месяца после открытия рентгеновских лучей И. Г. Тарханов установил, что облучение головного и спинного мозга лягушек рентгеновскими лучами вызывает у них ослабление или даже полное И. Р. Тарханов исчезновение нервных рефлексов. Ряд (1846 -1908) экспериментальных работ, проведённых отечественными учёными С. В. Гольдбергом, Е. С. Лондоном, В. М. Ивановым позволили детально описать реакции кожи на лучевые воздействия. В 1904 г. была опубликована монография С. В. Гольдберга «К учению о физиологическом действии беккерелевых лучей» , посвящённая влиянию радия на кожные Е. С. Лондон покровы. (1868 -1939)

n В биологическом действии ионизирующей радиации можно выделить два основных этапа: этап лучевого раздражения и этап реагирования организма на полученное раздражение. n П ервый этап следует назвать физико-химическим. Протекает он быстро, в течение долей секунды. Биологическое его значение заключается в возникновении раздражения организма. n Второй этап – процесс реагирования на лучевое раздражение – подчиняется биологическим закономерностям и развивается длительно, в течение многих дней, месяцев и даже лет. По характеру протекающих процессов и управляющи м ими закономерностям второй этап является биологическим.

Основные этапы биологического действия ионизирующих излучений (по Х. Фриц-Ниггли) Этапы Характер биологических изменений Продолжи- поражения тельность процессов Первичное Поглощение энергии излучения; 10 -12 – 10 -9 с взаимодействие ионизация и возбуждение атомов и молекул; ионизирующего разрыв химических связей и образование излучения с химически активных радикалов и соединений биологическим объектом Поражение Повреждение структур, обеспечивающих Секунды, часы клеток нормальную функцию и наследственные свойства клеток; нарушение биохимии клеток; развитие в клетках функциональных и морфологических нарушений; гибель клеток Поражение всего Нарушение функции органов и систем; Часы, дни организма морфологические изменения в органах и системах

Основные этапы биологического действия ионизирующих излучений (по Х. . Фриц- Ниггли) Этапы поражения Характер биологических Продолжитель- изменений ность процессов Отдалённые сокращение Годы последствия продолжительности жизни, облучения: развитие злокачественных соматические опухолей и лейкозов, гибель эффекты организма Отдалённые наследственные Неопределённо последствия заболевания, аномалии долгое время облучения: развития, уродства генетические эффекты

Первичные процессы при действии ионизирующих излучений n На первом (молекулярном) этапе выделяют: физическую, физико-химическую и химическую фазы. n В физической фазе , которая чрезвычайно коротка (около 10– 12 сек), происходит процесс поглощения энергии излучения, которая расходуется на ионизацию и возбуждение атомов и молекул облучаемых тканей. В связи с тем, что вода составляет более 70% массы тела человека, важное биологическое значение приобретает ионизация молекул воды. Процесс ионизации молекул воды можно записать следующим уравнением: n Rö-, γ- лучи Н 2 О = Н 2 О+ + е- n е- + Н 2 О = Н 2 О¯

n Во второй, физико-химической фазе , продолжительностью около 9 -10 сек. , положительно заряженный ион молекулы воды диссоциирует на ион водорода (Н+) и свободный гидроксильный радикал (ОН ), а отрицательно заряженный ион молекулы воды - на ион гидроксила (ОН¯) и радикал водорода (Н ): n Н 2 О+ Н+ + ОН n Н 2 О¯ Н + ОН¯ n Водород и гидроксильный ион присутствуют в живых клетках и в норме, поэтому они не вносят дополнительного вклада в лучевое повреждение. Свободные же радикалы, которые содержат свободные валентные связи, обладают высокой реактивной способностью, а потому могут претерпевать многочисленные превращения.

n Например, два радикала ОН могут образовать перекись водорода (Н 2 О 2), радикал Н соединяясь с растворенным в воде кислородом образует гидропероксид (НО 2), а две молекулы гидропероксида могут трансформироваться в высшую перекись водорода (Н 2 О 4): n ОН + ОН Н 2 О 2 n Н + О 2 НО 2 n НО 2 + НО 2 Н 2 О 4. n Таким образом, во второй фазе молекулярного этапа в тканях образуется ряд перекисных веществ, которые, как известно, обладают токсичностью и выраженными окислительными свойствами. n В третьей, химической фазе молекулярного этапа , более продолжительной, нежели первые две, происходит перестройка и поражение биологически важных макромолекул, образование гистаминоподобных веществ и подавление активности ферментных систем клеток.

Действие ионизирующей радиации на клетку n Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреждение этих структур происходят при малых дозах. n При этом обнаруживаются изменения физико- химических свойств нуклеопротеидных комплексов, в результате чего происходят количественные и качественные изменения ДНК и разобщается процесс синтеза ДНК-РНК-белок. В ядрах радиочувствительных клеток почти тотчас же после облучения угнетаются энергетические процессы, происходит выброс в цитоплазму ионов натрия и калия, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, выявляемые в период клеточного деления, хромосомные аберрации и точковые мутации, в результате

n Более выраженной радиочувствительностью , чем ядра, обладают митохондрии. Так, значительные изменения в структуре митохондрий лимфатических клеток селезенки обнаруживаются уже через час после облучения дозой 100 бэр. Эти изменения заключаются в набухании митохондрий, деструкции крист и просветлении матрикса. В ряде случаев отмечается повреждение мембраны митохондрий. Повреждения митохондрий проявляются прежде всего в резком Клеточное строение угнетении процессов окислительного фосфорилирования.

По А. М. Кузину, радиационное поражение клетки осуществляется в три этапа. На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные образования, ионизируя и возбуждая их. При поглощенной дозе 10 Гр в клетке образуется до 3 х10 6 ионизированных и возбужденных молекул. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в слабых местах. В белках, вероятно, это SH -группы, в ДНК – хромофорные группы тимина , в липидах – ненасыщенные связи. Указанный этап повреждения может быть назван физической стадией лучевого воздействия на клетку.

n Второй этап – химические преобразования. Они соответствуют процессам взаимодействия радикалов белков, нуклеиновых кислот и липидов с водой, кислородом, радикалами воды и возникновению биологических перекисей, вызывающих быстро протекающие реакции окисления, которые приводят к появлению множества измененных молекул. В результате этого начальный эффект многократно усиливается. Радикалы, возникающие в слоях упорядоченно расположенных белковых молекул, взаимодействуют с ними с образованием «сшивок» , в результате чего нарушается структура биологических мембран. Повреждение мембран приводит к высвобождению ряда ферментов. В результате повреждения лизосомных мембран наблюдается увеличение активности ДНК-

n Нарушения, наступающие в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности, соответствует третьему этапу лучевого поражения клетки – биохимическому. n Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы и легко проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых

Действие ионизирующей радиации на организм n Действие ионизирующей радиации на многоклеточный организм проявляется не только в реакции и последствиях, развивающихся в отдельных клетках и тканях, но и в общих реакциях, присущих организму как единой сложной биологической системе. n К особенностям специфических биологических реакций на действие ионизирующих излучений следует отнести причину неодинаковой радиационной чувствительности разных органов и тканей. Наиболее подвержены действию малых доз излучения следующие ткани: лимфоидная ткань, половые железы, костный мозг, зобная железа, слизистые оболочки, слюнные железы. Несколько большей устойчивостью обладают эндотелий сосудов, хрусталик глаза. Ещё более устойчивы ЦНС, печень, почки, костная и хрящевая ткани, мышцы и жировая ткань.

n Радиопоражаемость целого организма - сложный патофизиологический процесс, который зависит от характера облучения и физиологических особенностей организма. Имеет значение вид облучения, величина дозы облучения, мощность дозы облучения, площадь облучения и физиологические особенности организма. n Так, при локальном облучении какого-то участка тела биологический эффект будет иным, нежели при облучении всего тела. Например, при облучении дозой в 2 -3 Зв участка кожи размером 10 х10 см, кроме местной реакции в виде стойкой эритемы и эпиляции волос, других проявлений обычно не наблюдается.

n В отношении физиологических особенностей организма , прежде всего, имеет значение возраст, пол и состояние иммунной системы . Наиболее радиочувствительными являются молодой и старческий организмы; зрелый возраст является более радиоустойчивым. В природе, как правило, более сильным биологическим существом является женская особь. Как было выяснено в экспериментальных условиях, самки являются и более радиоустойчивыми, нежели самцы. По всей вероятности, это положение можно распространить и на человека. n Выздоровление организма после воздействия больших доз ионизирующего излучения будет зависеть и от состояния его иммунной системы. Если защитные иммунные реакции организма в целом ослаблены (экологические факторы, плохие условия жизни, хронические заболевания и т. д. ), то он, при прочих равных условиях, будет более подвержен воздействию радиации.

Классификация последствий радиационного облучения

Детерминированные соматические эффекты n К детерминированным эффектам относят пороговые эффекты, развивающиеся при достаточно больших дозах ионизирующего излучения, выраженность которых нарастает при увеличении дозы радиации. Характер детерминированных эффектов может зависеть от площади облучения, в связи с чем выделяют: а) острые эффекты при общем облучении организма; б) острые эффекты при местном облучении организма.

Острые эффекты при общем облучении организма n Данные эффекты проявляются после превышения некоторой определенной дозы облучения. Большой материал, полученный на основе обобщения многолетних данных о состоянии здоровья лиц, которые подвергались воздействию радиации, показывает, что при равномерном однократном облучении всего тела в дозе до 0, 5 Зв детерминированные эффекты не проявляются (т. е. нельзя обнаружить какие-либо изменения в состоянии их здоровья современными методами). Различные формы лучевой болезни развиваются при дозах выше 1 Зв. Отметим, что крайне тяжелая форма лучевой болезни, приводящая в 100% случаев к летальному исходу, наблюдается при дозе 6 Зв. Последовательность симптомов, которые можно ожидать у человека после рентгеновского или гамма облучения в дозах от 4 до 6 Зв приведены в таблице.

Острые эффекты при общем облучении организма Время после облучения Симптомы 0 – 48 час Период первичных реакций. Потеря аппетита, тошнота, рвота, утомляемость, вялость, психические реакции. От 2 дней до 2 -3 недель Скрытый период. Исчезновение вышеуказанных симптомов, пациент чувствует себя удовлетворительно. От 2– 3 недель Период разгара болезни. Пурпура, геморрагии, до 6– 8 недель диарея, выпадение волос, лихорадка, сонливость. Могут быть смертельные исходы. От 6– 8 недель Стадия выздоровления. Улучшение общего до нескольких месяцев состояния и гематологических показателей. Возможно временное или постоянное бесплодие в результате повреждения половых клеток гонад.

n Тяжесть симптомов наблюдаемых после облучения в больших дозах имеет широкий индивидуальный спектр. При дозах в пределах 1 -2 Зв около 15 % облученных будут иметь некоторые из симптомов, упомянутых в таблице. При дозе 2 -3 Зв почти все подвергшиеся облучению будут иметь описанную симптоматику и можно ожидать несколько смертельных исходов, число которых поднимается до 50 % при дозах от 4, 5 до 5 Зв. Дозы облучения всего тела выше 10 Зв являются причиной смерти в течение 3 -5 дней в результате массивной деструкции клеток, выстилающих желудочно-кишечный тракт ( «кишечная форма» острой лучевой болезни). n В случаях систематически повторяющегося облучения в дозах, не вызывающих острой лучевой болезни, но значительно больше предельно допустимых, может развиваться хроническая лучевая болезнь. Наиболее характерными признаками хронической лучевой болезни являются изменения в составе крови (уменьшение числа лейкоцитов, малокровие) и ряд симптомов со стороны нервной системы.

Острые эффекты при местном облучении n Если облучение поражает не весь организм, а только отдельные его участки, биологические эффекты проявляются либо в виде местных лучевых реакций , либо местных лучевых повреждений (в зависимости от вида и мощности воздействующего излучения). n Местные лучевые реакции. Чаще всего возникают лучевые реакции кожи трех возможных степеней тяжести - эритема ( I степень), сухой эпидермит ( II степень), мокнущий эпидермит ( III степень). Обычно они не требуют специального лечения и подвергаются обратному развитию самостоятельно. n Местные лучевые повреждения возникают при облучении массивными дозами излучений. Типичным лучевым повреждением является лучевая язва, которая может развиться спустя 1 -3 недели после облучения (острый лучевой некроз) и много месяцев спустя после облучения (поздний лучевой некроз). В отличие от лучевых реакций, лучевые повреждения самостоятельно не проходят. Как правило, они требуют длительного лечения.

Соматические стохастические отдалённые эффекты n Данные эффекты являются вероятностными и выраженность их не всегда зависит от полученной дозы ионизирующего излучения. n Биологические эффекты, которые могут возникнуть значительное время спустя после облучения (через 10 -20 лет), включают в себя развитие лейкоза и других типов рака, катаракты, поражения кожи, бесплодие, а также сокращение продолжительности жизни. n Следует отметить, что такие отдаленные последствия облучения как катаракта, бесплодие, сокращение продолжительности жизни имеют пороговый характер. Лучевая катаракта , например, возникает только в том случае, когда эквивалентная доза рентгеновского или гамма- излучения, накопленная в хрусталике глаза при хроническом облучении, превысит 15 м. Зв.

n Бесплодие , обусловленное облучением, проявляется только в том случае, если суммарная доза на яичники превысит 3 Зв. Сокращение продолжительности жизни не обнаруживается при дозе менее 2 Зв. Что касается таких отдаленных последствий, как злокачественные новообразования , то зависимость между дозой облучения, полученной индивидуумом и риском развития злокачественной опухоли пока еще не совсем ясна. Особенно это касается риска после облучения в очень малых дозах.

n Развитие злокачественных новообразований, инициированных ионизирующим излучением, было известно давно. n Ещё Парацельс в 1567 описал заболевание горняков ( « Шнеебергская легочная болезнь» ), которое позднее было идентифицировано как рак легких. Заболевание шахтеров оказалось связанным с воздействием ионизирующих излучений радиоактивного газа радона и короткоживущих продуктов его распада, накапливающихся в воздухе плохо вентилируемых шахт. n В начале ХХ столетия были описаны случаи рака кожи кистей рук у работников рентгеновских кабинетов. В дальнейшем была обнаружена связь возникновения остеосарком с содержанием 226 Ra в организме в количествах, превышающих 0, 5 мк. Ки.

Динамика онкологической заболеваемости в отдалённом периоде после радиационного облучения

Генетическое действие ионизирующих излучений n Мутагенное воздействие ионизирующей радиации впервые установили советские ученые Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов в 1925 г. в опытах на дрожжах. В 1927 г. это открытие было подтверждено Г. Мюллером на классическом генетическом объекте – дрозофиле. n Ионизирующие излучения способны вызывать все виды наследственных перемен или мутаций (мутация – это всякое изменение наследственных структур). К ним относятся геномные мутации (кратное изменение гаплоидного числа хромосом), хромосомные мутации или хромосомные аберрации (структурные и численные изменения хромосом) и точковые или генные мутации (изменения молекулярной структуры генов).

Влияние радиоактивного облучения на молекулу ДНК

n Генные мутации. На основании количественного учета генных мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с лабораторными животными позволили сделать вывод, что частота летальных мутаций в половых клетках возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения. n Мутации, однажды возникнув, имеют стойкий характер благодаря конвариантной редупликации ДНК. Они передаются во всех последующих клеточных поколениях или сохраняются во временно не размножающихся клетках. Отсюда ясно, что хроническое облучение обладает кумулятивным эффектом.

n Хромосомные мутации. В результате действия ионизирующих излучений на хромосомы возникает большое количество хромосомных перестроек. Разные типы хромосомных перестроек по-разному зависят от дозы ионизирующей радиации. Частота хромосомных перестроек, происходящих в результате одиночного разрыва, находится в линейной зависимости от дозы. Частота же хромосомных перестроек, возникших в результате двух независимых одновременных разрывов возрастает пропорционально квадрату дозы. n Прямыми цитологическими исследованиями (подсчетом клеток с нарушенными хромосомами) показано, что возникновение хромосомных аберраций зависит от плотности ионизации. Излучения с меньшей энергией и большей плотностью ионизации более

Радиация и наследственность человека n Цитогенетические эффекты облучения целесообразно рассматривать отдельно для зародышевых и соматических клеток. Эффекты облучения зародышевых клеток состоят в образовании гамет с изменённым набором хромосом. Это приводит к гибели зигот, эмбрионов и плодов в разных стадиях развития (несостоявшаяся беременность, самопроизвольные аборты, мёртворождения) или к рождению детей с хромосомными болезнями. n Сравнение частоты спонтанных абортов у пациенток до и после рентгено - или радиотерапии показало, что оно выше после облучения.

n Риск внутриутробной смерти или серьезных пороков развития плода с наибольшей вероятностью происходит в течение первых 38 дней беременности, т. е. в период предимплантационной стадии (до 11 -го дня) и в период органогенеза. Поэтому любое облучение беременной женщины в этих периодах должно быть исключено. В непредвиденных случаях, когда плод подвергался облучению в дозе более 0, 2 Зв необходимо рекомендовать прерывание беременности. n Данные о действии радиации на геном соматических клеток очень важны для прогнозирования вреда для облучённого организма, так как определённо показана роль облучения в таких отдалённых последствиях, как злокачественные новообразования и раннее старение. Ряд факторов говорит в пользу мутационной теории лучевого рака.

n Актуальна проблем а защиты генома от повреждающего действия радиации. Установлено, что ряд химических соединений ( аминоэтилизотиуроний , меркаптоэтиламин , серотонин и др. ) защищает от радиации наследственные структуры как соматических, так и половых клеток. 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 групп В и С, ферменты, гормоны. Радиоустойчивость организмов повышают некоторые антибиотики (биомицин, стрептоцин), наркотики (нембутал, барбамил). n Кроме обычных средств защиты от ионизирующих излучений, специфическим генетическим защитным мероприятием должно быть ограничение допуска к работе с ИИИ лиц репродуктивного возраста.

Экологические последствия применения источников ионизирующих излучений n Каждый человек в течение жизни подвергается воздействию ионизирующего излучения за счёт: n - естественных источников; n - техногенно-изменённого радиационного фона; n - источников, использующихся в медицине; n - эксплуатации объектов атомной энергетики и промышленности; n - радиоактивных выпадений, образовавшихся в результате испытаний ядерного оружия. n Некоторые специалисты полагают, что облучение в малых дозах имеет положительную роль, стимулируя жизненные процессы ( гермезис ) и не оказывает вредного воздействия на организм, поскольку естественный радиационный фон существует издревле и к нему люди, животные и

n Понятие «радиационный гормезис » было введено в биологию в 80 -е годы и постулировало, что если большие дозы радиации оказывают неблагоприятные эффекты на живые организмы - угнетают деление клеток, рост и развитие, то малые дозы стимулируют практически все физиологические процессы. Конкретные величины малых доз зависят от видовой характеристики, для млекопитающих они лежат в диапазоне до 0, 5 Гр. Эксперименты свидетельствуют о том, что под влиянием малых доз ионизирующих излучений естественная продолжительность жизни животных увеличивается на 10 - 12% по сравнению с адекватным контролем. Сторонники идеи радиационного гормезиса не без оснований считают, что атомная радиация является естественным, постоянно действующим на организм фактором, без которого нормальное существование невозможно. как невозможна жизнь без гравитации, магнитного поля или кислорода.

n Не всегда последствия воздействия ионизирующих излучений неблагоприятны для организма. Естественный радиационный фон - не только один из важнейших факторов эволюции живого на Земле, но и необходимое условие существования биологических объектов. Имеется физиологический уровень воздействия излучений, благоприятный для жизнедеятельности. Если культуру парамеций изолировать от радиационных воздействий в свинцовом контейнере, в ней резко замедляется процесс деления клеток. После помещения в контейнер с культурой радиоактивного источника, воспроизводящего фоновый уровень радиации, митотическая активность нормализуется.

n Существование такого парадоксального явления как радиационный гормезис подтверждено в разных лабораториях и на различных объектах. Гамма облучение в малых дозах стимулирует прорастание семян, вызывает увеличение вегетативной массы растений. Малые дозы активируют иммунную систему у разных видов животных и ключевые мембранно - связанные ферменты, в частности аденилатциклазу , активируют репарационные системы и повышают устойчивость клеток и организма к последующим более высоким дозам облучения. n Ежедневное облучение крыс на протяжении всей жизни гамма лучами в дозе 8 м. Гр привело к повышению продолжительности их жизни на 25 - 30 %. Облучение грудной клетки обезьян в дозе 1 Гр повышало устойчивость животных к дифтерийному токсину. Облучение мышей в дозах 0, 05 - 2 Гр понижало их летальность после заражения вирусом инфлуенцы свиней. После облучения грызунов в дозах до 1 Гр повышалась фагоцитарная активность нейтрофилов, активировался антителогенез.

n Эти свойства малых доз излучения проявились и у человека применении радоновых ванн или приеме внутрь радоновой воды, когда отмечалась активация иммунных механизмов, и возникало общестимулирующее действие на организм, улучшение разных видов обмена, снижение артериального давления и другие благоприятные эффекты. n Поразительное противоречие между издревле широко используемыми в бальнеологии радоновыми ваннами, целебные эффекты которых никто не подвергает сомнению и опасностью радонового облучения давно обсуждается в медицинской и биологической литературе, однако прийти к какому-либо пониманию механизмов этих эффектов вряд ли будет возможно вне идей радиационного гормезиса.

n Если гибель клетки после облучения связана, в первую очередь, с повреждением уникальных генетических структур, то в реализации стимулирующего действия радиации большее значение имеет оживление регуляторных метаболических процессов, связанных с мембранными структурами. n Одним из вероятных механизмов, по которым включается эффект гормезиса , является индукция при воздействии малых доз систем репарации ДНК. Благодаря этому могут устраняться не только индуцированные облучением, но и спонтанные повреждения ДНК, что, например, может привести к снижению вероятности развития рака, вызванного не только облучением, но и другими воздействиями. n Наличие феномена радиационного гормезиса позволяет предположить, что риск возникновения рака при малых дозах облучения может оказаться ниже, чем принятый сейчас по данным оценки, проведенной на основании экстраполяции с высоких доз (1 случай на 20 чел. -Зв).

n Однако подобные взгляды в значительной мере расходятся с современными представлениями о механизмах и эффектах биологического действия малых доз ионизирующих излучений. Согласно этим представлениям, обобщённым в изданиях МКРЗ и НКДАР при ООН, радиационный фактор не оказывает положительного влияния на здоровье человека. n При рассмотрении вопросов экологических последствий применения ИИИ важное значение приобретает самопроизвольный распад и энергия радиоактивных изотопов, поскольку разные элементы имеют сильно различающиеся периоды полураспада.

n Из вышеприведённого вытекает фундаментальное экологическое следствие: n 1. Не существует никаких способов биологического разложения и нет никакого другого механизма (кроме распада), который позволил бы исключить этот вид загрязнения окружающей среды. n 2. Единственная практическа возможность уменьшить радиоактивность – это предоставить РВ возможность самопроизвольно распадаться. n 3. Ликвидация последств последст радиоактивных загрязнений может

n Поэтому экологическое значение радиоактивных изотопов совершенно различно. Очевидно, что радионуклиды с коротким периодом полураспада (менее 2 сут. ) не представляют большой опасности, так как они сохраняют высокий уровень радиации в загрязнённом биотопе лишь непродолжительное время. С другой стороны, вещества с очень большим периодом полураспада, как, например, уран-238, также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение. n Таким образом, наиболее опасными радиоактивными элементами являются те, у которых период полураспада варьирует от нескольких недель и месяцев до нескольких лет. Этого времени достаточно для того, чтобы эти изотопы смогли проникнуть в различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

n При одинаковом уровне загрязнения экосистемы РВ воздействие изотопов простых элементов, которые являются основными слагаемыми живого вещества (углерод-14, фосфор- 32, кальций-45, тритий, сера-35 и т. п. ), оказывается более опасным для биоценоза, чем воздействие редко встречающихся веществ, слабо или совсем не поглощаемых организмами ( радиоактивные инертные газы ). Стронций-90 и цезий-137, сходные по своим химическим свойствам с кальцием ( Са ) и калием (К), являются наиболее опасными радиоактивными изотопами, которые могут загрязнить окружающую среду, поступив в неё при выпадении радиоактивных осадков, последовавших за проводимыми ядерными взрывами или при аварии на АЭС, в виде отходов атомной промышленности. Стронций, вследствие своего сходства с кальцием, очень легко проникает в костную ткань, тогда как цезий накапливается в мышцах и паренхиматозных органах. Поскольку период полураспада этих элементов соответственно равен 28 и 33 годам, они остаются в организме и могут накапливаться в количествах, способных причинить ущерб здоровью.

Экологические последствия загрязнений, вызванных атомной промышленностью. n Атомная промышленность может быть источником радиоактивного загрязнения на трёх этапах: n 1. При добыче и обогащении ископаемого сырья; n 2. При использовании его в реакторах; n 3. При переработке ядерного горючего в установках. n Если при добыче ископаемого сырья и его переработке загрязнение невелико, то потенциальная опасность заражения среды от атомных реакторов значительно выше, особенно на заводах по производству ядерного оружия.

Ядерный реактор

n С ядерными реакторами современных типов связаны две возможности радиоактивного загрязнения – при нормальной работе и в случае аварии. В настоящее время существуют три основных типа реакторов: n 1. Реакторы, работающие по схеме: природный уран – графит – газ. В этом случае охлаждение сердечника производится углекислым газом под давлением; затем газ в обменнике передаёт полученное тепло во вторичную цепь. Основной радиоактивной примесью углекислого газа является аргон-41, период полураспада которого равен 2 ч. Данный инертный газ накапливается на станции и , когда его активность значительно снижа ется , выбрасывается в атмосферу. Реакторы этого типа почти не имеют жидких и твёрдых отходов.

n 2. Реакторы, работающие по схеме: обогащённый уран – тяжёлая вода. Они загрязняют окружающую среду в значительно большей степени, чем реакторы первого типа. Хотя эти реакторы работают по замкнутому циклу, в них иногда нарушается герметичность кожуха; кроме того, в этих реакторах необходимо периодически заменять воду в первичной цепи. Разрывы кожуха вызывают загрязнение охлаждающей жидкости продуктами распада: криптоном-85, ксеноном-133, йодом-131 (летучие вещества и газы), а также тритием. Радиоактивные изотопы редких элементов и йод-131 выбрасываются в атмосферу, а тритий сбрасывается в реки с учётом предельно допустимых концентраций, предусмотренных законодательством. n Станции второго типа выбрасывают в атмосферу меньше газов, чем станции первого типа. Однако реакторы второго типа высвобождают йод-131, который опасен своей высокой биологической активностью и криптон-85, который может накапливаться в атмосфере, поскольку его период полураспада равен 10 годам.

Схема ядерного реактора 2 типа

n 3. Реакторы, работающие по схеме: обогащённый уран – кипящая вода. Они обладают лишь одной цепью. Вода обеспечивает и охлаждение сердечника, и действие паровой турбины. Преимущество станций данного типа состоит в том, что не образуется тритий. Но, с другой стороны, образуется значительное количество криптона-85. Это вызывает серьёзные трудности, хотя и разрешимые: нужно хранить газ в течение времени, необходимого для уничтожения радиоактивных элементов с коротким периодом полураспада.

n Производство атомной энергии включает несколько последовательных этапов: n 1. Добычу ядерного топлива в урановых шахтах; n 2. Обогащение его на заводах; n 3. Производство «составных частей» горючего, помещение их в мощный реактор; n 4. Изъятие сердечника и отправка его на специализированное предприятие. n Вероятность заражения окружающей среды при этих операциях существенно различна. Наиболее серьёзным источником загрязнения являются заводы по производству ядерного горючего.

n Большая часть радиоактивных элементов содержится в сточных водах. Последние собираются и хранятся в герметических сосудах. Однако криптон-85, ксенон-133, а так же часть йода-131 попадают в атмосферу из испарителей, используемых для уплотнения радиоактивных отходов. Кроме того, тритий и часть продуктов распада (стронций-90, цезий-137, рутений-106, цезий-144 и йод-131) сбрасываются в реки и моря вместе с малоактивными жидкостями. Небольшой завод сбрасывает от 500 до 1500 куб. воды, загрязнённой этими радиоактивными изотопами. n Для дезактивации радиоактивных отходов до полной их безопасности необходимо время, равное примерно 10 -20 периодам полураспада. Это значит, что продолжительность хранения отходов вне биосферы исключительно велика. Так, она составляет 640 лет для отходов, заражённых цезием-137 (период полураспада 32 года) и 490 000 лет в случае заражения плутонием-239 (период полураспада 24 500 лет).

n Современная технология не позволяет отделить криптон-85 и тритий от газа или жидкости, в которые они входят. Однако это не препятствует выводу их за пределы биосферы. Вопрос стоит очень остро: если выброс криптона и трития в окружающую среду будет продолжаться такими же темпами, как сейчас, развитие атомной энергетики очень скоро будет ограничено уровнем загрязнённости атмосферы и океанов. n Р ешения, которые будут приняты международными органами по этому вопросу, окажутся очень важными для будущего человечества. Они должны полностью изменить то отношение к природе, которое современная цивилизация унаследовала от предыдущих эпох. Эти решения должны основываться на самых точных научных данных и на самых высоких этических требованиях. И сполнение их должно осуществляться со всеми возможными предосторожностями. Остаётся пожелать, чтобы охрана биосферы не стала жертвой максимальной прибыли.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!