5

Билет № 5.

1. Легкие заряженные частицы и их источники. Особенности взаимодействия с веществом. Принципы защиты. Использование в ядерной медицине.

Легкие заряженные частицы:

- Электроны - стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов, где их число и положение определяет почти все химические свойства веществ. - Позитроны - античастица электрона. Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс называется «рождением

пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле.

Легкие заряженные частицы (электроны и позитроны) также как и тяжелые заряженные частицы будут расходовать свою энергию в основном на взаимодействие с атомарными электронами (ионизационные потери) и с ядрами атомов (радиационные потери). Особенностью ионизационных потерь является то, что при взаимодействии атому передается сравнительно небольшая порция энергии. Такой энергии хватает чаще всего на возбуждение атома, чем на ионизацию. Вторичные электроны, образующиеся при ионизации, получают энергию всего несколько эВ. Механизм ионизационных потерь для легких заряженных частиц в общем случае аналогичен таковому у других заряженных

частиц. При v c удельные потери энергии выражаются формулой Бора -(dE/dx)и = (4 z2e4ne/mev2) ln(mv2/2I)

Взаимодействие легкие заряженные частицы с электромагнитными полями ядер атомов среды является неупругим и приводит к появлению квантов тормозного рентгеновского излучения. Для электронов высоких энергий ввиду малости массы me электрона потери на тормозное излучение являются основным видом потерь энергии. Потери энергии с расстоянием в этом случае описываются экспоненциальным законом:

где E0 - начальная энергия электрона, x – расстояние, пройденное им в веществе, L - расстояние, на котором энергия электрона убывает в е раз вследствие тормозного излучения, называемое радиационной длинной и зависящее от состава вещества, его плотности и заряда ядер атомов.

При уменьшении энергии электронов их тормозные потери убывают пропорционально Е0, а ионизационные изменяются незначительно. При некоторой критической энергии Екр радиационные потери равны ионизационным. При Е0<Екp ионизационные потери преобладают над радиационными. Соотношение между радиационными и ионизационными потерями электрона с энергией E (Мэв) в среде с зарядом ядра Z равно:

Например, в воде радиационные потери сравнимы с ионизационными только при энергии электронов, равной 100 МэВ.

Вследствие малой массы электрона его траектория движения в веществе прямолинейна лишь на коротком начальном участке. Дальнейший путь частицы представляет собой сложную ломаную линию. Поэтому для электронов вводится понятие эффективного пробега, определяемого в направлении исходного вектора скорости частицы. Эффективный пробег равен толщине материала полностью поглощающей электроны данной энергии. Длина пробега -частиц определяется их энергией. Так электроны с энергией 0,05 МэВ в воде имеют пробег 47 мкм, с энергией 0,5 МэВ – 1,9 мм, с энергией 5 МэВ - 2,6 см. Для потока электронов разных энергий данная зависимость носит экспоненциальных характер и определяется соотношением:

где d - глубина проникновения частиц (координата), 0 и - начальная величина потока частиц и на глубине d, - коэффициент линейного ослабления, зависящий от физических характеристик вещества. Коэффициент линейного ослабления может быть заменен массовым коэффициентом ослабления ( m) равным / . Слой вещества, ослабляющий поток частиц в два раза получил название слоя половинного поглощения:

Данной величиной часто пользуются для расчета радиационной защиты, выражая ее толщину числом слоев половинного поглощения.

Потерявший энергию электрон захватывается ядром, становясь электроном среды. Позитрон же аннигилирует с электроном:

e+ + e + .

Образовавшиеся -кванты имеют энергию по 0,511 МэВ и разлетаются строго под углом

180 .

Особенности взаимодействия легких заряженных частиц с веществом накладывают ограничения в использовании некоторых материалов для защиты от -излучения. Так, для этих целей никогда не используются материалы с большим зарядом ядра атома (свинец, сталь и др.) из-за возникновения в этих веществах интенсивного тормозного рентгеновского излучения. Предпочтение отдается материалам с легкими ядрами, таким как стекло, алюминий, пластмассы. Электроны с энергией 2 МэВ, имеют пробег в алюминии 2,5 мм, в воздухе - 8,7 метра, в мягких биологических тканях - около одного сантиметра.

Примером использования легких заряженных частиц в ядерной медицине является ПЭТ, она же двухфотонная эмиссионная томография — радионуклидный томографический метод исследования внутренних органов человека или животного. Метод основан на регистрации пары гамма-квантов, возникающих при аннигиляции позитронов с электронами. Позитроны возникают при позитронном бета-распаде радионуклида, входящего в состав радиофармпрепарата, который вводится в организм перед исследованием.

2. Радиочувствительность клеток. Правило Бергонье и Трибондо. Критерии и методы оценки радиочувствительности. Кривые доза-эффект.

Радиочувствительность - это величина, измеряемая отношением доз ионизирующих излучений, необходимых для количественно равного проявления какой-либо специфической реакции одного типа в одной биологической системе по сравнению с другой (В. Бонд).

Внутривидовые различия радиочувствительности определяются генотипическими особенностями животных различных линий. Связь общей радиочувствительности с возрастной реактивностью организма (последняя, как известно, падает к концу жизни) выражается возрастной радиочувствительностью. В состояние общей реактивности организма существенный вклад вносят биологические ритмы функционирования живых систем. Поэтому целесообразно выделить также радиочувствительность, связанную с суточными и другими ритмами. Такие факторы, как исходное состояние ЦНС, уровень обменных процессов, функции эндокринных желез определяет индивидуальную радиочувствительность.На организменном уровне критерием радиочувствительности является гибель организма, а также степень тяжести лучевой болезни. Мерой радиочувствительности является ЛД 50/30, ЛД 100/10

Радиочувствительность клеток.

Правило Бергонье – Трибондо(1906 г.) - «Рентгеновские лучи действуют на клетки тем

интенсивнее, чем выше воспроизводящая активность клеток, чем длиннее период их кариокинеза и чем менее предопределены их морфология и функция».

По относительной радиочувствительности с учетом пролиферативной потенции и степени дифференцировки различают несколько классов клеток млекопитающих.

Класс 1 - вегетативные интермитотические клетки. Это быстро делящиеся, короткоживущие, радиочувствительные клетки, дочерние клетки которых или дифференцируются или образуют клетки, подобные родительским.В этот класс входят наиболее радиочувствительные клетки, такие как гемоцитобласты, лимфобласты, эритробласты, миелобласты, клетки крипт кишечника, сперматогонии типа А, овогонии, эпидермальные клетки, клетки слизистой оболочки желудка и голокриновых желез и лимфоциты. Лимфоциты принадлежат к этому классу не потому, что они быстро пролиферируют, а благодаря их высокой радиочувствительности, лежащей в основе интерфазной гибели при низких дозах радиации.

Класс 2-дифференцирующиеся интермитотические клетки. Эти клетки менее радиочувствительны по сравнению с клетками первого класса. Они обладают весьма быстрой скоростью пролиферации. Образующиеся дочерние клетки дифференцируются и становятся более радиорезистентными. Это клетки промежуточных стадий миелопоэза и эритропоэза, сперматогонии типа В и овогонии.

Класс 3 - мультипотентные соединительнотканные клетки. Эти клетки делятся нерегулярно в ответ на повреждение и раздражение. К ним относятся зндотелий, фибробласты и мезенхимальные клетки, например мезотелий.

Класс 4 - покоящиеся постмитотические клетки. Эти клетки относительно радиорезистентны и в норме не делятся. Примерами их могут служить эпителиальные клетки слюнных желез, печени, почек, поджелудочной железы и легких, паренхиматозные клетки потовых и эндокринных желез,интерстициальные клетки семенников и яичников, септальные клетки в легких и ретикулярные клетки кроветворной ткани.

Класс 5 - фиксированные постмитотические клетки. Эти клетки не делятся, они высокорадиорезистентны. К ним относятся зрелые нервные и мышечные клетки, сперматозоиды и эритроциты.

В изучении повреждающего действия радиации на организм, его системы, органы и ткани, а также на изолированные клетки организма (животного или растительного) большое значение имеет установление зависимости величины лучевого эффекта от поглощенной дозы. В ряде случаев форма кривых «Доза - Эффект» может дать представление о механизме поражения биологических объектов. Для определения зависимости эффекта от дозы на клеточном уровне в облученной популяции клеток подсчитывают их долю, способную к неограниченному размножению. В культуре клеток - это клетки, дающие полноценную колонию. Выживаемость (N/N0) выражают в процентах или долях единицы. Выживаемость облученных клеток снижается с повышением дозы (D). Зависимость выживаемости от дозы изображается в линейных и полулогарифмических координатах. В радиобиологическом эксперименте наблюдаются две основные формы кривых «Доза - Эффект»: экспоненциальная и S-образная или сигмоидная, состоящая из изогнутой верхней части и экспоненциального отрезка. Эти кривые характерны для гомогенных клеточных популяций. В тех случаях, когда клетки в популяции гетерогенны в отношении радиочувствительности, наблюдается форма кривых с атипичным изгибом («хвостом») при высоких дозах облучения. Наличие «плеча» на кривой «Доза - Эффект» указывает на

то, что в области низких доз некоторое приращение дозы дает меньший эффект, чем в области высоких доз, когда кривая выходит на экспоненту. Подобные кривые с «плечом» характерны и для клеток млекопитающих в культуре. Эти кривые, удовлетворяющие многоударной модели, описываются уравнением:

N/N0 = 1 - (1 - exp(-D/D0))*n,

где n - экстраполяционное число, формально равное числу мишеней в клетке, каждая из которых должна быть инактивирована одним ударом (попаданием). Таким образом, наличие «плеча» указывает на многоударность эффекта; в этом диапазоне доз лишь незначительное число клеток получает необходимое для гибели число попаданий. С ростом дозы происходит накопление подпороговых, то есть не приводящих к гибели, повреждений. В диапазоне доз, соответствующих линейному участку кривой, большинство клеток уже получило n - 1 попаданий и каждое следующее попадание приводит к инактивации клетки. Однако, согласно последним исследованиям наличие «плеча» связывают также со способностью клеток восстанавливаться от части повреждений.

Для суждения о радиочувствительности клеток на кривых «Доза -Эффект» находят экстраполяционное число n и D0. Величина D0 характеризует наклон прямой и определяется как приращение дозы, снижающей выживаемость в е раз на прямолинейном участке кривой «Доза -Эффект».На кривых «Доза - Эффект» можно выделить еще одну величину Dq. Dq (квазипороговая доза) определяется как доза излучения, соответствующая точке пересечения экстраполированного прямолинейного участка кривой выживания с осью абсцисс, проведенной на уровне 100% выживаемости. Считают, что величина Dq характеризует репаративные возможности клетки.

При действии на бактериальные и животные клетки плотноионизирующих излучений (нейтроны, a-излучение) кривые выживания приобретают простой экспоненциальный характер.

Модификация радиочувствительности –

ослабление летального и повреждающего действия радиации путем введения в организм химических веществ-радиопротекторов

повышение радиочувствительности клеток в кислородной среде по сравнению с аноксическими условиями.

3. Детерминированные и стохастические эффекты.

Отдаленные последствия облучения принято классифицировать на: Детерминированные эффекты (соматические, пороговые, определенные) — это неизбежные, закономерные патологические состояния, возникающие при облучении дозами, в отношении которых предполагается существование порога.

a)Гипопластические и апластические процессы

b)Склеротические процессы

c)Дисгормональные состояния

d)Преждевременное старение

Стохастические эффекты (беспороговые, вероятностные, случайные)

a)Опухолевые

b)Генетические

Гипопластическое состояние, как правило, возникает в кроветворной ткани, слизистых оболочках желудочно-кишечного тракта, половых железах и других органах. У лабораторных животных, подвергнутых внешнему облучению и при инкорпорации радионуклидов, наблюдались в отдаленный период анемия, нейтропения и лимфопения. У людей гиперхромная анемия в сочетании с лейкопенией отмечалась спустя 7—10 лет после атомного взрыва в Хиросиме и Нагасаки.

Гипопластические и апластические процессы

a)кроветворной ткани (анемия)

b)слизистых ЖКТ (гипоацидный, анацидный гастрит)

c)кожи (потеря эластичности, атрофия участков кожи, дисфункция потовых желез и волосяных фолликулов)

d)половых органов:

Склеротические процессы развиваются в основном в результате прямого действия радиации на паренхиматозные клетки, сосуды и соединительнотканные структуры того или иного органа. Закономерности склеротических изменений у облученных животных те же, что и при естественном старении, однако локализация и время возникновения их различные. У облученных животных наиболее ранимыми являются капиллярная сеть, терминальные отделы венозной сети, артериолы, в то время как возрастные изменения наиболее выражены и распространены в артериях эластического и мышечного типов. Склероз развивается параллельно процессу дистрофии. Разрастание соединительной ткани является вторичным, заместительным процессом в ответ на сокращение паренхимы органа. Подобные структурные изменения регистрируются при лучевом повреждении почек, щитовидной железы, печени, легких, кожи и подкожной клетчатки. Дисгормональные состояния возникают в 50-100% случаев облучения в разные сроки после облучения. Для эндокринной отдаленной лучевой патологии характерны:

1)Низкий уровень пороговых доз

2)Отсутствие прямой зависимости ”доза-эффект”

3)Доминирование опосредованных, непрямых механизмов развития, но пусковым механизмом для полиэндокринных сдвигов является начальное нарушение структуры и функции: половых желез, щитовидной железы, надпочечников,

гипофиза.

К проявлениям дисгормональных состояний относятся: o ожирение,

o гипофизарная кахексия, o несахарный диабет,

o кистозные изменения яичников,

o патологические сдвиги в половых циклах, o гиперплазия слизистой оболочки матки,

o паренхимы молочных желез (что может привести к развитию опухолей), o поражения щитовидной железы (гипотиреодизм, новообразования),

o сахарный диабет и др.

Сокращение продолжительности жизни - универсальный эффект облучения, характерен для животных различных видов, но наиболее подробно изучен на мышах, особенно в экспериментах с однократным облучением.

Опухолевые эффекты: Накопленный к настоящему времени обширный экспериментальный материал и клинические наблюдения показали, что под влиянием облучения могут возникать новообразования практически во всех органах. Однако наиболее частыми следует считать злокачественные опухоли кожи и костей, эндокриннозависимые опухоли (рак молочной железы и яичников) и лейкозы.

При этом кожные и костные опухоли возникают чаще всего при местном облучении, а остальные, как правило, в результате тотального воздействия.

К генетическим эффектам относятся наследственные заболевания, уродства и другие пороки развития, возникающие в потомстве облученных родителей, как следствие радиационных мутаций в их зародышевых клетках. Радиационно-индуцированная нестабильность генома - это явление повышенной частоты образования генетических нарушений у потомков облученных клеток de novo. Нестабильность может проявляться в отдалённые сроки после облучения через много циклов деления (иногда сотен), и в некоторых генерациях число клеток со структурными мутациями in vitro может достигать 10 % и более от всей популяции клеток, при этом наблюдается массовая гибель клеток. Отдаленные последствия облучения могут быть различными в зависимости от характера клеточной популяции и систем репарации. Быстрее всего из облученных популяций удаляются особи, несущие хромосомные перестройки и доминантные летальные мутации, что связано с гибелью мутантов на разных этапах развития. Мутации, меньше влияющие на жизнеспособность их носителей, могут оставаться в популяции на протяжении многих поколений. При длительном периодическом или хроническом облучении ионизирующее излучение становится новым высокомутагенным фактором среды. В этом случае мутации возникают с повышенной частотой постоянно, часть из них уничтожается в результате отбора, остальные накапливаются в виде "генетического груза".

Механизмы отдаленных последствий. Основу отдаленной лучевой патологии на клеточном уровне составляют три типа нарушений, возникающих в результате непосредственного воздействия радиации. I тип – эффекты, вызывающие клеточную гибель. Имеют значение для патогенеза последствий, заключающих в себе невосполнимую утрату камбиального резерва, например, изменение в гонадах при лучевой кастрации. II тип – консервирующиеся наследственные нарушения. Наибольшее значение имеют для тканей с низким уровнем физиологической регенерации, проявляясь в отдаленные сроки. III тип – нелетальные наследственные изменения. Нарушения стойко репродуцирующиеся при размножении соматических клеток. Решающее значение они имеют в тканях с быстро обновляющимся клеточным составом.

Радиационный канцерогенез Ионизирующее излучение, независимо от вида и способа воздействия: внешнего или внутреннего, тотального или локального, однократного, фракционного (дробного) или хронического, является неспецифическим канцерогенным фактором, т. к. вызывает опухоли или способствует их возникновению почти во всех тканях млекопитающих. Вероятность возникновения рака под действием ионизирующего излучения зависит от различных факторов: генетическая конституция, возраст, пол, состояние здоровья, полученная доза, период времени, в течение которого происходит облучение и тип излучения. Считается, что процесс развития раковых заболеваний проходит несколько стадий.

4. Предельно допустимые дозы облучения. Научные принципы их регламентации.

Устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

* персонал(группы А и Б);

* все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной деятельности.

Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса нормативов:

*основные пределы доз (ПД), приведенные в таблице;

*допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути поступления или одного вида внешнего облучения), являющиеся производными от основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые среднегодовые объемные активности (ДОА) и среднегодовые удельные активности (ДУА) и другие;

*контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и др.). Их значения должны учитывать достигнутый в организации уровень радиационной безопасности и обеспечивать условия, при которых радиационное воздействие будет ниже допустимого.

Нормируемые величины* Пределы доз персонал (группа А)** Население

Эффективная доза 20 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 50 мЗв в год*** 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв

вгод

Эквивалентн ая доза за год

вхрусталике

глаза**** 150 мЗв 15 мЗв

коже***** 500 мЗв 50 мЗв

кистях и

стопах 500 мЗв 50 мЗв

Основные пределы доз облучения не включают в себя дозы от природного и медицинского облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения устанавливаются специальные ограничения. Исключение составляют пределы доз для персонала, которые включают в себя дозы от природного облучения в производственных условиях.

3.1.4. Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) - 1000 мЗв, а для населения за период жизни (70 лет) - 70 мЗв. Начало периодов вводится с 1 января 2000 года.