Биологическое действие ионизирующих излучений на человеческий организм

В зависимости от распределения в тканях организма различают:

• — остеотропные радионуклиды, накапливающиеся преимущественно в костях (радиоизотопы стронция, кальция, бария, радия, иттрия, циркония, плутония);
• — концентрирующиеся в печени (до 60%) и частично в костях (до 25%) — церий, лантан, прометий;
• — равномерно распределяющиеся в тканях организма — тритий, углерод, железо, полоний;

— накапливающиеся в мышцах (калий, рубидий, цезий), селезенке и лимфатических узлах (ниобий, рутений).

Радиоизотопы йода избирательно накапливаются в щитовидной железе, где их концентрация может быть в 100—200 раз выше, чем в других органах и тканях.

Механизм воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты, в том числе и на человека, подразделяют на несколько этапов.

На первом (физико-химическом) этапе, который продолжается тысячные и миллионные доли секунды, в результате поглощения большого количества энергии излучения образуются ионизированные, активные в химическом отношении атомы и молекулы. Возникает множество радиационно-химических реакций, приводящих к разрыву химических связей. Вследствие первичной ионизации в воде образуются свободные радикалы (Н+, ОН-, Н0₂, Н₂0₂ и др.). Обладая высокой химической активностью, они реагируют с ферментами и тканевыми белками, окисляя или восстанавливая их, что приводит к разрушению молекул белка, изменению ферментных систем, расстройству тканевого дыхания — глубокому нарушению биохимических и обменных процессов в органах и тканях и накоплению токсичных для организма соединений.

Следующий, второй, этап связан с воздействием ионизирующего излучения на клетки организма и продолжается от нескольких секунд до нескольких часов. Поражаются различные структурные элементы ядер клеток, в первую очередь, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

Происходит повреждение хромосом, которые являются ответственными за передачу наследственной информации. При этом возникают хромосомные аберрации — поломки, перестройка и фрагментация хромосом, обусловливающие отдаленные онкогенные и генетические последствия.

Третий этап характеризуется воздействием излучения на организм в целом. Его первые проявления могут возникать уже через несколько минут (в зависимости от полученной дозы), усиливаться в течение нескольких месяцев и реализовываться через многие годы.

Чувствительность различных органов и тканей человека к ионизирующему излучению неодинакова. Для одних тканей и клеток характерна большая радиочувствительность, для других — наоборот, большая радиоустойчивость. Наиболее чувствительны к облучению кроветворная ткань, незрелые форменные элементы крови, лимфоциты, железистый аппарат кишок, половые железы, эпителий кожи и хрусталик глаза; менее чувствительны — хрящевая и фиброзная ткани, паренхима внутренних органов, мышцы и нервные клетки.

Радиочувствительность различных клеток варьирует в широких пределах, достигая десятикратных различий между наибольшими и наименьшими значениями повреждающих доз. Молодые клетки соединительной ткани полностью лишаются способности к восстановлению при облучении в дозе около 40 Гр, кроветворные клетки костного мозга полностью погибают уже при дозе 6 Гр.

Поражающее действие ионизирующего излучения зависит от целого ряда факторов. Во-первых, оно носит строго количественный характер, т. е. зависит от дозы. Во-вторых, существенную роль играет и характеристика мощности дозы радиационного воздействия: одно и то же количество энергии излучения, поглощенное клеткой, вызывает тем большее повреждение биологических структур, чем короче срок облучения. Большие дозы воздействия, растянутые во времени, вызывают существенно меньшие повреждения, чем те же дозы, поглощенные за короткий срок.

Таким образом, эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы и временного распределения ее в организме. Облучение может вызвать повреждения от незначительных, не дающих клинической картины, до смертельных. Однократное острое, а также пролонгированное, дробное или хроническое облучение в дозе, увеличивает риск отдаленных эффектов — рака и генетических нарушений.

Оценка риска проявления злокачественных опухолей в значительной мере основана на результатах обследования пострадавших при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки, и подтверждается результатами обследований, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС.

Острое облучение в дозе 0,25 Гр еще не приводит к заметным изменениям в организме. При дозе 0,25—0,50 Гр наблюдаются изменения показателей крови и другие незначительные нарушения. Доза 0,5 — 1 Гр вызывает более значительные изменения показателей крови — снижение числа лейкоцитов и тромбоцитов, изменение показателей обмена, иммунитета, вегетативные нарушения. Пороговой дозой, вызывающей острую лучевую болезнь, принято считать 1 Гр.

Опасность внутреннего облучения обусловлена попаданием и накоплением радионуклидов в организм через продукты питания. Биологические эффекты воздействия таких радиоактивных веществ аналогичны внешнему облучению.

Биологическое действие радиоактивных веществ различных химических классов избирательно.

Йод. Природный изотоп — ¹²⁷1. Известны радиоактивные изотопы с массовыми числами от 115 до 126 и от 128 до 141. Применяют йод в физической химии, биологии и особенно широко в медицине для диагностики и лечения (¹³¹1 и ¹²⁵1). В первые недели после аварии на ЧАЭС основным дозообразующим радионуклидом был радиоактивный йод-131.

Радиоактивные изотопы йода могут поступать в организм человека через органы пищеварения, дыхания, кожу, раневые и ожоговые поверхности. Основными цепочками миграции йода являются:

• • растение — человек;
• • растениеживотное — молоко — человек;
• • растение — животное — мясо — человек;
• • растение — птица — яйцо — человек;
• • вода — гидробионт — человек.

Поступающий в организм радиоактивный йод быстро всасывается в кровь и лимфу. В течение первого часа в верхнем отделе тонкого кишечника всасывается от 80 до 90% йода. Органы и ткани по накоплению йода образуют убывающий ряд: щитовидная железа ?=> почки ?=> печень => мышцы ?=> кости.

Накопление ¹³¹1 в щитовидной железе протекает быстро: через 2 и 6 ч после поступления в организм содержание радионуклида составляет 5—10 и 15—20% соответственно, через сутки — 25—30% введенного количества. Снижение уровня гормонов в организме под воздействием радиоактивного йода, их неполноценность, а также возрастающая при этом потребность в них приводят к нарушению нейроэндокринных коррелятивных связей в звене «гипофиз — щитовидная железа» с последующим вовлечением в процесс и других эндокринных органов.

Основным путем выведения йода из организма являются почки. Из организма в целом, щитовидной железы, печени, почек, селезенки, скелета йод выводится с Т_б, равным 138, 138, 1,1,1 и 12 суток соответственно.

& Меры профилактики и помощи при поступлении радиоактивного йода в организм заключаются в ежесуточном потреблении солей нерадиоактивного йода (йодида калия) — 0,2 г, йодида натрия — 0,2 г, сайодина — 0,5 г или тереостатиков (мерказолил 0,01 г, 6-метилтиоурацил 0,25 г, перхлорат калия 0,25 г).

Цезий. Природный цезий состоит из одного стабильного изотопа — ¹³³Cs, и 23 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 123 до 132 и от 134 до 144. Наибольшее значение имеет радиоактивный изотоп ¹³⁷Cs.

¹³⁷Cs поступает в организм человека преимущественно с пищевыми продуктами (через органы дыхания попадает примерно 0,25% его количества). ¹³⁷Cs практически полностью всасывается в пищеварительном канале. Примерно 80% его откладывается в мышечной ткани, 8% — в костях.

По степени концентрирования ¹³⁷Cs все ткани и органы распределяются следующим образом: мышцы ?=> почки ?=> печень ?=> кости ?=> мозг ?=> эритроциты ?=> плазма крови. Около 10% ¹³⁷Cs быстро экскретируется из организма, 90% его выводится более медленными темпами.

Биологический период полувыведения этого радионуклида у взрослых колеблется от 10 до 200 суток, составляя в среднем 100 суток, и поэтому содержание его в организме человека практически полностью определяется его поступлением с пищевыми продуктами в течение года и, следовательно, зависит от степени загрязненности продуктов ¹³⁷Cs.

В Российской Федерации радиационная безопасность пищевой продукции определяется ее соответствием допустимым уровням удельной активности цезия-137.

в?Э При увеличении содержания в пищевом рационе солей калия, натрия, а также воды, пищевых волокон происходит ускорение выведения цезия-137 и замедление его всасывания. Эта особенность обмена позволила разработать высокоэффективные адсорбенты — протекторы, такие как берлинская лазурь, пектиновые вещества и другие, связывающие ¹³⁷Cs в пищеварительном канале и тем самым ускоряющие его выделение из организма.

Стронций. Природный стронций, как и другие радионуклиды, состоит из смеси стабильных и нестабильных изотопов. Как аналог кальция стронций активно участвует в обмене веществ у растений. Относительно большое количество радиоактивного изотопа ⁹⁰Sr накапливают бобовые культуры, корнеи клубнеплоды, злаки.

Радионуклид ⁹⁰Sr поступает в организм через желудочно-кишечный тракт, легкие и кожу. Уровни всасывания стронция из желудочнокишечного тракта колеблются от 5 до 100%. Стронций быстро всасывается в кровь и лимфу из легких. Через 5 мин после введения в легкие изотопа стронция в количестве 1,48−10⁴ Бк/г в легких остается 33,3% введенного количества, через сутки — 0,39%.

eQ Большое значение при выведении стронция из желудочно-кишечного тракта имеет диета. Величина его всасывания уменьшается с повышением содержания солей кальция и фосфора в питании, а также при введении высоких доз тироксина.

Именно стронций-90 в первую очередь вызывает лейкемию. В организм человека стронций-90 попадает преимущественно с растительной пищей, молочными продуктами и яйцами. Радиационное поражение организма стронцием-90 увеличивается за счет его дочернего продукта иттрия ⁹⁰Y. Уже через месяц активность иттрия-90 практически достигает равновесного значения и становится равной активности стронция-90, и в дальнейшем определяется периодом полураспада стронция-90. Наличие в организме пары ⁹⁰Sr/⁹⁰Y может вызвать поражение половых желез, гипофиза и поджелудочной железы.

Независимо от пути поступления в организм растворимые соединения радиоактивного стронция избирательно накапливаются в скелете. В мягких тканях задерживается менее 1%, остальное количество откладывается в костной ткани. Со временем в костях концентрируется большое количество стронция, располагающегося в различных слоях костной ткани, а также в зонах ее роста, что приводит к формированию в организме участков с высокой радиоактивностью. Биологический период полувыведения ⁹⁰Sr из организма составляет от 90 до 154 суток.