книги из ГПНТБ / Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии

Зная дисперсную характеристику содержащейся во вдыхаемом воздухе пыли, по кривым рис. 1.7 можно приближенно оценить относительную долю пыли, осе­ дающей в трех отделах воздухоносной системы, а по

Рис. 1.9. Диапазон колебаний показателей, приве­ денных на рис. 1.7:

Перемещение и выведение пылевых частиц, задержанных в органах дыхания

Судьба пылевых частиц, задержанных в органах ды­ хания, зависит от ряда факторов, характеризующих ча­ стицы, а также морфологические особенности и функ­ циональное состояние организма человека. Главную роль при этом играют факторы, предопределяющие ме­ сто первичного осаждения пылевой частицы, ибо ско­ рость и механизм перемещения частиц, осевших в ды­ хательных путях и дыхательной части легких, сущест­ венно различны (табл. 1.2).

20

Таблица 1.2

Характеристические оценки самоочищения органов дыхания [43]

ма перемещения пылевых частиц:

а) муко-цилиарный, связанный с перемещением сли­ зи по бронхиальному дереву за счет деятельности мер­ цательного эпителия, который выстилает дыхательные пути вплоть до концевых бронхиол;

б) клеточный — за счет фагоцитоза пылевых частиц клеточными элементами, присутствующими в дыхатель­ ной зоне легких.

Быстрый темп перемещения пылевых частиц, кото­ рые осели в дыхательных путях, обеспечивается муко­ цилиарным механизмом самоочищения. Скорость дви­ жения слизи в малых бронхах значительно меньше (порядка нескольких миллиметров в минуту), чем в крупных, где она достигает нескольких сантиметров в минуту, но практически из любого места трахео-брон- хиального дерева пылевые частицы достигают носоглот­

венно на рис. 1.6). Оба эти этапа выполняются с по­ мощью клеточного механизма самоочищения легких, связанного с фагоцитозом, т. е. захватом пылевых ча­ стиц клеточными элементами, содержащимися в дыха­

тельной зоне.

Фагоцитоз осуществляют главным образом так назы­ ваемые альвеолярные макрофаги, которые, по современ­ ным представлениям [43], прикреплены в обычных усло-

21

виях к альвеолярной стенке1. Считают, что осевшие в этой зоне частицы захватываются макрофагами, после чего большая часть последних отсоединяется от альвео­ лярной стенки и удаляется вплоть до мерцательного эпителия концевых альвеол.

Пылевые частицы в ранней фазе самоочищения ле­ гочного отдела удаляются быстро, с периодом полувыведения порядка нескольких дней, и удаляемая пыль в конечном итоге поступает через носоглотку в желудоч­ но-кишечный тракт. При малых пылевых нагрузках скорость самоочищения возрастает с увеличением ко­ личества пыли, но при больших нагрузках реакция до­ стигает предела и эффективность этого механизма самоочищения уменьшается.

Поздний этап самоочищения легочного отдела с пе­ риодом полувыведения порядка сотен дней связан с процессом иммобилизации пылевых частиц, осуществ­ ляемым при участии макрофагов. Полагают, что по­ следние в силу пока еще неизвестных причин после за­ хвата пыли не отсоединяются от альвеолярной стенки и, пролиферируя, принимают участие в создании своеоб­ разных соединительнотканных образований, условно именуемых бляшками (plaques). Такие образования имеют тенденцию появляться в участках, которые в си­ лу своей анатомической структуры или предшествовав­ шего повреждения имеют большую плотность, например в местах перехода альвеолы в дыхательную бронхиолу. Выход пылевых частиц, иммобилизованных в возник­ ших бляшках, осуществляется при гибели макрофагов. Некоторая доля пылевых частиц при этом проникает в альвеолы и удаляется путем g, тогда как другие части­ цы оказываются в интерстициальной ткани и оттуда направляются по лимфатическим сосудам в лимфоузлы (путь 1г) и далее в кровь (путь г')- Скорость протекания таких процессов, по существующим оценкам, соответст­ вует скорости удаления пылевых частиц из легких, и отсюда можно сделать вывод, что «узким местом», определяющим темп удаления пыли по лимфатическому пути (h и і на рис. 1.6), являются процессы, происходя-

1 Происхождение альвеолярных макрофагов изучено недоста­ точно. Количественное определение альвеолярных макрофагов в ор­ ганах дыхания, основанное на оценке свободных клеток этого рода, проводят по методу Л а Белла и Бригера [50] в модификации Г. С. Комовиикова [51, 52],

22

щие в легочном отделе [43]. При этом важную роль играют такие свойства пылевых частиц, которые опре­ деляют их фагоцитоз клеточными элементами и даль­ нейшую судьбу последних — их движение по направле­ нию к мерцательному эпителию в лимфатическую и кро­ веносную систему, или клеточную пролиферацию.

Наряду с путями перемещения нерастворимых пыле­ вых частиц из органов дыхания в желудочно-кишечный тракт (пути b, d , f, g) и лимфатическим путем (h) в органах дыхания происходит более или менее интенсив­ ное растворение пыли и всасывание растворимых компо­ нентов непосредственно в кровь — из носоглотки (путем а), трахео-бронхиалыюго дерева (путем с) и легочного отдела (путем е ). Пыли, состоящие из неорганических веществ, в зависимости от степени растворимости и других свойств распределены согласно рекомендациям проблемной группы МКРЗ на три класса. В таблице, приведенной в книге Д. П. Осанова и др. [99, с. 37], содержатся ссылки на группы и периоды элементов со­ гласно периодической системе Д. И. Менделеева.

На основе этой классификации можно ориентировоч­ но определить значения параметров, характеризующие каждый из показанных на рис. 1.6 путей перемещения пылевых частиц и всасывания их растворимых компо­ нентов для трех основных анатомо-физиологических от­

доля вещества, выводимого данным путем.

23

Описанная модель основана на результатах ряда работ, в которых исследовалось содержание различных видов пылей в органах дыхания человека. Естественно, что в последние годы фактические результаты подобных

Рис. 1.10. Общая характеристика выве­ дения из легких нерастворимых радио­ активных частиц.

исследований сопоставляются со значениями, получен­

тельно совпадают, например для частиц 60Со [550]. Об­ наружение существенных расхождений дает основание для уточнения показателей, принятых в период состав­ ления доклада проблемной группы МКРЗ.

Общая характеристика выведения из легких нера­ створимых радиоактивных частиц размером 0,5—10 мкм, по данным Скотта и др. [53], приведена на рис. 1.10.

Содержание радиоактивных пылевых частиц

влегких человека

Всвете рассматриваемой в этой книге проблемы ос­ новной интерес представляют исследования, освещаю­ щие содержание в легких отдельных радиоактивных частиц. Однако приведенные в подавляющем большинст­ ве исследований данные ограничены сведениями о сум­ марной активности, присутствующей в легких человека,

илишь в единичных работах имеются указания о ко­ личестве радиоактивных частиц.

24

Радиоактивные пылевые частицы в легких человека в связи с профессиональным контактом

Так, из 69 случаев инкорпорирования радиоактивных веществ на предприятиях и в лабораториях КАЭ США за 1960—1968 гг. в 11 случаях ингаляция была единст­

чаев в большей или меньшей мере было связано с инга­ ляцией аэрозолей [86]. В ряде таких случаев велось наблюдение за содержанием радиоактивных изотопов в легких с помощью счетчиков всего тела (human body counters) [57, 58, 59, 60] или специально созданных счет­ чиков для измерения содержащейся в легких активно­ сти по испускаемому низкоэнергетическому излучению [61, 63]. При этом установлена динамика выведения радиоактивных частиц из легких. Например, после однократной ингаляции радиоактивных частиц 60Со в результате аварии были получены результаты, характе­ ризующие период полуубывания активности легких зна­

щихся к 20-м годам клинических исследований Мартланда и др. [64]. Обнаруженное радиометрическими ме­ тодами повышенное содержание радиоактивных изото­ пов в легочной ткани было расценено как свидетельст­ во этиологической роли радиоактивных аэрозолей в природе выявленных патологических изменений — смер­ тельного пневмосклероза [64, 65, 66, 67] и злокачествен­ ных опухолей [68, 69].

Насколько можно судить по литературным данным, в случаях смертельного пневмосклероза авторадиогра­ фические исследования не проводились. Результаты по­ смертного исследования легких у людей, подвергшихся воздействию аэрозолей 226Ra [68] и l47Pm [69], свиде­ тельствуют о присутствии в легких многочисленных отдельных «горячих участков».

25

Радиоактивные пылевые частицы в легких человека

в связи с загрязнением атмосферного воздуха

Поиск радиоактивных частиц в органах дыхания лю­ дей, не имеющих профессионального контакта с радио­ активными веществами, был начат после обнаружения горячих частиц в атмосферном воздухе.

исследовали гистологические срезы из легкого умершего 78-летнего мужчины, «болевшего диабетом, но в осталь­ ных отношениях нормального». В препаратах из 12 уча­ стков правого легкого было обнаружено четыре частицы активностью (1,5-М,8) • ІО-12 кюри-, общей активности продуктов деления в легком 24,36-10-10 кюри, по рас­ четам авторов, соответствуют 264 частицы.

Радиометрическое и у-спектрометрическое исследова­

200 частицам, но прямая радиография или радиометрия самих частиц не проводилась.

Систематические поиски радиоактивных частиц в легких у людей, умерших в 1962—1963 гг., т. е. в пе­ риод максимального содержания горячих частиц в атмосферном воздухе, провели Эйзенбад и др. [72] в Ок-Риджской национальной лаборатории США. В ре­

обнаруженное число частиц значительно меньше того,

В. 3. Яськовой и др. в Ленинградском научно-исследо­ вательском институте радиационной гигиены [73, 74, 76].

Авторы разработали и испытали несколько вариантов методик подготовки секционного материала для обнару­ жения радиоактивных частиц. Наиболее пригодной при

26

проведении массовых исследований оказалась автора­ диография обугленных легких, и с помощью этой мето­ дики в 1963—1964 гг. обследовано 215 легких умерших людей, не имевших профессионального контакта с ра­ диоактивными изотопами. В 70 легких были обнаружены единичные радиоактивные частицы активностью ІО- 11—10“10 кюри. Общее число частиц в одном легком составило в среднем 3,2+0,36 в 1963 г. и 1,8+0,24 в 1964 г.

Сопоставление этих данных с концентрацией го­ рячих частиц в воздухе свидетельствует о тенденции к уменьшению количества частиц в легких при снижении их содержания в атмосфере. Особого внимания заслу­ живает то, что частицы активностью 10~п—10-10 кюри обнаруживались в легких человека в период, когда в атмосферном воздухе частицы такой активности уже не встречались. Это свидетельствует о возможности дли­ тельной задержки горячих частиц в легочной ткани че­ ловека.

По ориентировочной оценке Б. Раевского и др. [79], в период наиболее активного проведения ядерных взры­ вов в обоих легких человека должно было содержаться около 10 горячих частиц. Как видно из приведенных данных, в работах [72—74, 76] получены хорошо совпа­ дающие результаты, близкие к ориентировочной оценке Б. Раевского.

Таким образом, в настоящее время имеются доста­ точно убедительные данные о том, что даже в легких людей, не имевших профессионального контакта с ра­ диоактивными веществами, систематически присутство­ вали единичные горячие частицы. Следовательно, мож­ но полагать, что практически все люди северного полу­ шария, за исключением рожденных после массовых испытательных взрывов, подверглись микролокальному облучению органов дыхания единичными микроскопиче­ скими источниками.

Значение этого факта в настоящее время неясно. В частности, нет сведений о наличии или отсутствии морфологических изменений в участках легочной тка­ ни людей, находившихся вблизи места локализации ра­ диоактивных частиц. Такие сведения можно было бы по­ лучить с помощью гистоавторадиографии, однако до настоящего времени по этому вопросу нет каких-либо публикаций.

27

1.3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ОБЛУЧЕНИЯ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ РАДИОАКТИВНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

Основная опасность облучения организма в связи с воздействием радиоактивных аэрозолей обусловлена их поступлением в органы дыхания, однако в последние годы обращено внимание на возможность воздействия отдельных высокоактивных аэрозольных частиц на ко­ жу. Кроме того, при анализе механизма биологического действия радиоактивных аэрозолей учитывается их по­ ступление в желудочно-кишечный тракт.

Механизм облучения органов дыхания

Соответственно в сложной анатомической и функцио­ нальной структуре органов дыхания необходимо раз­ личать:

а) воздействие радиоактивных частиц, которые уда­ ляются с помощью муко-цилиарного механизма в про­ цессе быстрой фазы самоочищения и облучают в основ­ ном покровный эпителий дыхательных путей из их про­ света;

б) влияние радиоактивных частиц, которые проник­ ли в легочный отдел органов дыхания, т. е. в легочную паренхиму, удаляются в процессе медленной фазы са­ моочищения легких и облучают биологические структу­ ры легочной паренхимы.

Наряду с этими двумя крайними вариантами облу­ чения органов дыхания возможна их комбинация.

В расчетах лучевых нагрузок на структурные эле­ менты органов дыхания в связи с поступлением радио­ активных частиц исходят из представления о дозном поле, возникающем вокруг точечного источника излу­ чения. Наиболее часто для расчета мощности дозы вбли­ зи радиоактивных частиц используют полуэмпирическую формулу Лёвингера, основанную на экспериментальных исследованиях поля ионизации вблизи точечного источ­ ника [80].

Применение формулы Лёвингера часто осложняется неопределенностями в выборе оптимальных значений некоторых параметров, входящих в ее состав, примени­ тельно к мягким тканям. Это относится, в частности, к коэффициенту ослабления ß-излучения с запрещенной формой спектра. Формулу Лёвингера нельзя использо­ вать и для расчета мощности дозы вблизи источников, испускающих конверсионные электроны, которые имеют

28

иную форму дозовой функции. Имеется еще несколько методов расчета мощности дозы от ß-излучателей. В ра­ ботах Д. П. Осанова и Г. Б. Радзиевского [81, 82] предло­ жен метод расчета, основанный на единой дозовой функ­ ции, полученной экспериментальным путем из дозных распределений от широких мононаправленных пучков моноэнергетических электронов, падающих на тканеэкви­ валентный фантом. Гросс [83] на основе теории Спенсе­ ра рассчитал распределение доз вблизи малых ß-источ- ников, находящихся в воздухе и в воде (ткани) и содер­ жащих 40 радиоизотопов или их смеси.

В настоящее время установлено, что метод Спен­ сера приводит к значительно лучшему совпадению тео­ ретических и экспериментальных данных, чем формула Лёвингера [84]. Однако погрешности, возникающие при использовании формулы Лёвингера, существенно меньше погрешности, определяемой биологическими факторами. Поэтому расчеты дозы вблизи горячих частиц основаны на применении формулы Лёвингера и исходят из пред­ положения, что полная активность частицы сосредоточе­ на в ее центре [85—87]; это значительно упрощает вы­ числения, не приводя одновременно к существенным по­ грешностям в определении дозного поля вблизи горя­ чей частицы '.

Важной характеристикой опасности облучения вбли­ зи горячей частицы является максимально возможная доза, которую может получить данный участок легочной

полагается, что снижения активности частицы и сколь­ ко-нибудь значительных ее перемещений в результате биологических процессов не происходит, т. е. эффектив­ ный период полуубывания ТЭфф, характеризующий фак­ тическое снижение активности, наблюдаемое непосред­ ственно in vivo, равен физическому периоду полураспа­

стицы с максимальной энергией от 1 до 3 Мэе, погрешность при расчете дозы на расстояниях более 10 мкм не превышает 1%.

29