Биологическое действие инкорпорированных радионуклидов

Биологическое действие инкорпорированных радионуклидов, или радионуклидов, находящихся внутри организма, в принципе не отличается от действия внешних источников ионизирующего излучения. Независимо от того, где находятся радионуклиды, их ядра постоянно распадаются с выделением ионизирующего излучения, которое взаимодействует с атомами и молекулами веществ или клеток, что приводит к различным физическим и химическим реакциям и к формированию радиобиологических эффектов широкого спектра.

При проведении экспериментов радионуклиды вводятся в организм путем инъекций и с кормом. При радиоактивном загрязнении территории радионуклиды поступают в организм животных и человека через легкие при вдыхании загрязненного воздуха, через пищеварительный тракт с кормом и водой, через кожу, слизистые оболочки и раны. Длительное нахождение животных и человека на территории, загрязненной радионуклидами, приводит к хроническому внешнему и внутреннему облучению всего организма и его органов. При этом со временем наибольшую опасность представляет внутреннее облучение. Основное количество радионуклидов (до 95−99%) поступает в организм животных с кормом, в организм человека — с продуктами питания животного и растительного происхождения. Основным дозообразующим продуктом является молоко, а также лесные продукты питания.

Биологическое действие радионуклидов определяется физическими (вид и энергия излучения, доза, период полураспада) и биологическими (тип распределения в организме, путь и скорость выведения из организма) свойствами радионуклидов, а также видовой, возрастной и индивидуальной радиочувствительностью организма.

Специфичность действия инкорпорированных радионуклидов связана со следующими особенностями: неравномерное распределение в организме; концентрация в отдельных органах и тканях, которая вызывает их непрерывное облучение и облучение соседних органов и крови невысокими дозами; длительный период облучения тканей с возрастанием дозы во времени; способность переноситься с током крови, облучая при этом кровь и другие органы; большое разнообразие радиобиологических эффектов; специфические отдаленные последствия. Радиобиологические эффекты и отдаленные последствия в конечном итоге проявляются на организменном уровне в виде различных заболеваний органов и систем.

Хорошо изучено радиационное действие инкорпорированных радионуклидов при искусственном введении. Характер поражения и интенсивность его развития зависят в основном от дозы и длительности поступления в организм.

При поступлении радионуклидов с пищей (кормом) в организме одновременно происходят следующие процессы: всасывание из желудочно-кишечного тракта и поступление их в кровь, переход радионуклидов из крови в ткани и накопление в тканях, выведение из организма ранее и вновь поступивших радионуклидов. В начале поступления происходит интенсивная концентрация радионуклидов в органах и тканях. По мере накопления радионуклидов усиливаются процессы их выведения из организма до равновесного состояния, когда количество поступившего радионуклида будет равно количеству выводимого. Равновесие быстрее устанавливается в мышцах и позднее в скелете. Скорость выведения зависит от природы радионуклида, а также от вида, возраста, физиологического состояния животного и других факторов. Из организма наиболее быстро выводятся радионуклиды из тканей, где высокая скорость обмена веществ. На выведение влияет состояние радионуклидов в тканях (свободное или связанное) и тип ткани (мышечная, печеночная, костная). Из организма быстрее выводятся свободные радионуклиды — йод-131, рутений-106, теллур-132, цезий-137. Радионуклиды, связанные с тканевыми белками и находящиеся в коллоидном состоянии, такие, как лантан-140, церий-144, выводятся медленнее. Стронций-90, иттрий-90, барий-140 включаются непосредственно в костную ткань, замещая в ней кальций, поэтому выводятся очень медленно. Среди искусственных радионуклидов, появившихся в окружающей среде в результате антропогенной деятельности человека, наибольшую опасность для млекопитающих представляют йод-131, стронций-90 и цезий-137, которые при поступлении в организм включаются в процессы обмена веществ. Эффективный период полувыведения йода-131 составляет около 2−3 недель, цезия-137 — около 2−3 месяцев, а стронция-90 — до 3-х и более лет.

При попадании йода-131 в организм он полностью всасывается в кровь и около 60% его откладывается в щитовидной железе. Йод-131 накапливается в мышцах, печени, почках, яичниках. Токсическое действие йода-131 проявляется прежде всего в поражении щитовидной железы (разрушение ткани, различные опухоли, рак). Возникают существенные изменения в нервной (центральной и периферический отдел) и эндокринной системах, в кроветворных органах, а также в легких (бронхиты и пневмонии), печени (жировые перерождения), почках (морфологические и функциональные изменения), органах размножения, эндокринных железах и в других органах. Установлено, что структурные и функциональные изменения в органах могут быть связаны с нарушениями эндокринной регуляции, возникающими в результате поражения щитовидной железы, т. е. имеет место косвенное действие радиации, когда поражение одного органа, вырабатывающего гормоны, вызывает нарушения в деятельности других органов и систем.

Особенностью действия стронция-90 является то, что он неравномерно концентрируется в скелете, остается там длительное время, постоянно облучая ткани, поэтому в костной ткани и костном мозге происходят основные радиобиологические эффекты. В организме стронций-90 связывается с белками сыворотки крови (до 40%) и, являясь химическим аналогом кальция, входит в состав костной ткани. Высокая концентрация стронция-90 наблюдается в почках, печени, легких. Патологические процессы в скелете при поражении сторонцием-90 развиваются медленно, начиная с угнетения процессов остеогенеза, разрушения сосудов, изменения костного вещества, появления нетипичных костных образований и кончая возникновением злокачественных костных опухолей или сарком. Изменения в кроветворных органах и структуре крови наблюдаются в первые часы, сутки и в течение 3−5 лет после поступления сторонция-90 в организм. Серьезные морфологические и функциональные изменения происходят в желудочно-кишечном тракте, в функционировании сердечно-сосудистой системы, желез внутренней секреции — гипофиза, надпочечников, щитовидной, половых и др., а также в органах зрения и лимфоидных органах.

В органах и мышечной ткани около 90% поступившего цезия-137 находится в свободном состоянии, что обуславливает высокую скорость обмена и выведения его из организма. Цезий-137 концентрируется в мышцах и внутренних органах и сравнительно равномерно распределяется по организму. Биологическое действие цезия-137 изучено менее, чем стронция-90 и йода-131. Установлено, что поражающие эффекты цезия-137 менее значимы для организма, чем йода-131 и стронция-90. Нахождение этих трех радионуклидов в организме снижает иммунобиологические и защитные свойства организма и может вызывать развитие лучевой болезни, имеющей симптомы, наблюдаемые при общем внешнем облучении.

К настоящему времени доказано радиационное действие инкорпорированных радионуклидов матери или самки на развивающийся плод. Из организма матери радионуклиды переходят в плод через плаценту. Установлено, что чем больше массовое число нуклида, тем менее проницаема для него плацента. Закономерности распределения радионуклидов в организме плода подобны распределению в организме взрослых. При вскармливании потомства молоком радионуклиды поступают в значительно больших количествах, чем через плаценту, потому что концентрация их в молоке в несколько раз выше, чем в плазме крови матери. Например, в молоке коров концентрация стронция в 5−10 раз, а йода в 10−12 раз выше, чем в плазме крови. С молоком в большом количестве выделяются изотопы йода и цезия, а также тритий и калий-40. Радиационные синдромы эмбриона и плода изучены недостаточно. Отмечаются различные нарушения формирования, развития и функционирования всех систем, а также гибель плода в утробе матери, при рождении и после рождения.

Учеными Беларуси изучены изменения в органах животных, находящихся на территории радиоактивного загрязнения, где они подвергаются хроническому внешнему и внутреннему облучению малыми дозами радиации. Установлено, что нарушение функций и структуры щитовидной железы (атрофические, гипои гиперпластические, склеротические процессы и развитие опухолей) вызывает различные изменения в других органах и эндокринных железах. У животных наблюдалось увеличение и отечность лимфоузлов, селезенки, уменьшение количества лимфоцитов в крови и появление лимфоцитов с разрушенными ядрами. В большинстве внутренних органов обнаружены отеки, кровоизлияния, полнокровие сосудов, опухоли и специфические болезни. Например, в печени — ожирение, дистрофия, рост соединительной ткани; в легких — пневмония, атрофия лимфофолликулов; в почках — белковая дистрофия и некробиоз канальцевого эпителия; в поджелудочной железе — дистрофия и некроз эпителия; в желудке и кишечнике — различные нарушения эпителия слизистой оболочки и язвы; в яичниках — атрофия и гибель созревающих фолликулов и фиброз; в семенниках — уменьшение всех видов половых клеток, полное опустошение семенных канальцев. Это далеко неполный перечень нарушений, выявленных у животных. Кроме отклонений в органах установлены нарушения в структуре и функционировании всех жизненно важных систем.

В настоящее время имеет значение ряд нерешенных вопросов, таких, как действие разных радионуклидов и совместное их действие в ранние и отдаленные сроки, предельно допустимое поступление радионуклидов в организм, зависимость поражающего эффекта от дозы для ранних и отдаленных последствий, а также связь отдельных радиобиологических реакций с общественно-значимыми процессами: продолжительностью жизни, функциями воспроизводства, работоспособностью. Не установлен дозовый порог или минимальная доза, ниже которой облучение ионизирующим излучением не вызывает мутаций у животных и человека. Однако, определена доза, которая повышает частоту возникновения мутаций в два раза по сравнению с естественными мутациями. Удваивающая доза радиации для млекопитающих находится в пределах от 0,03 до 1,5 Гр.