Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

80

За важкістю протікання КРУ поділяють на 4 ступені: 1) при ступені І прогноз на здоров’я сприятливий, спеціалізованої допомоги, як правило, не потрібно, працездатність відновлюється не довше, ніж через 3 місяці; 2) прогноз на життя і здоров’я за розвитку ІІ ступеня визначається своєчасністю і ефективністю медичної допомоги, термін лікування – до 4 місяців, працездатність відновлюється майже у 50 % постраждалих; 3) при ІІІ ступені важкості протікання КРУ прогноз на життя і здоров’я сумнівний, видужування можливе лише при своєчасному наданні всіх необхідних видів медичної допомоги, лікування триває не менше 6 місяців, працездатність відновлюється у рідкісних випадках; 4) за розвитку КРУ ІV ступеня важкості прогноз на життя несприятливий навіть при застосуванні сучасних методів лікування.

4.3. Особливості надходження та виведення із організму людини радіонуклідів

Радіонукліди, які потрапляють в організм з продуктами харчування, питною водою, повітрям, через шкіру або пошкодження на ній розподіляються в тканинах і органах в залежності від їх резорбційної (лат. resorbere – поглинати) здатності.

Органи і тканини основного накопичення радіонуклідів

Кров, лімфа

Рис. 4.2. Основні шляхи виведення радіонуклідів з організму людини.

81

Радіонукліди, які надійшли в організм, опромінюють його до моменту виведення з організму чи розпаду. Ефективність біологічного виведення радіонуклідів із організму характеризується біологічним періодом напіввиведення, а розпаду – періодом напіврозпаду. В

найзагальнішому випадку користуються поняттям ефективного періоду напіввиведення радіонукліду із організму, тобто часом, протягом якого ефективність радіонукліду зменшується у два рази:

період напіввиведення, t1 / 2 – період напіврозпаду радіонукліду.

Основні шляхи виведення радіонуклідів з організму людини наведено на рис. 4.2.

Принципове значення також має щільність іонізуючого випромінювання, тобто біологічна ефективність, яка визначається щільністю іонізації.

Серед великої кількості радіонуклідів природного і штучного походження основний внесок у формування дози опромінення людини роблять тільки деякі з них.

Тритій (3Н). Цей радіонуклід утворюється у верхніх шарах атмосфери при взаємодії нейтронів вторинного космічного випромінювання з ядрами атома нітрогену: 14N + n → 12C + 3H; при розщепленні ядер різних елементів космічними променями великих енергій; в термоядерних реакціях, які відбуваються під час вибуху водневої бомби. Період напіврозпаду 3Н складає 12 років. Йому притаманне низькоенергетичне (максимальна енергія 0,018 МеВ) β- випромінювання.

Тритій – це безбарвний газ, він здатний окислюватися в повітрі. Оксид і газоподібний тритій добре всмоктуються крізь шкіру і слизові оболонки. Пара тритієвої води (3Н2О) і газоподібний тритій всмоктується також через дихальні шляхи. Можливим шляхом надходження тритієвої води в організм є шлунково-кишковий тракт.

Тритій, який потрапив в організм людини, швидко і рівномірно розподіляється в рідкому середовищі. Він існує у вигляді двох окремих сполук – вільної тритієвої води і органічно зв’язаного тритію. Ефективний біологічний період напіввиведення із організму людини тритію з тритієвого водню становить 9,7 діб, а органічно зв’язаного – з двома періодами Т1 = 30 діб і Т2 = 450 діб, що визначається різним виведенням з окремих органів.

82

Основні шляхи виведення тритію із організму – нирки, органи дихання і шлунково-кишковий тракт, а також слинні, потові та молочні залози.

Карбон (14С). Відомо шість радіоактивних нуклідів карбону з масовими числами 9 – 11, 14 – 16. Найбільше значення з точки зору радіаційної небезпеки становить 14С. Період напіврозпаду цього радіонукліду складає 5730 років, це β-випромінювач (максимальна енергія 0,156 МеВ).

Радіонуклід 14С постійно утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок взаємодії нейтронів космічного випромінювання з ядрами нітрогену: 14N + n → 14C + p; в ядерних реакціях при вибуху ядерних бомб; в ядерних реакторах та при регенерації ядерного палива, звідки з атмосферними викидами і стічними водами може потрапити

удовкілля.

Упроцесі фотосинтезу 14С накопичується в рослинах. В організмі людини 14С засвоюється переважно при його надходженні в шлунково-кишковий тракт з продуктами харчування, внесок інгаляційного шляху не перевищує 1%.

Виводиться 14С переважно через легені у формі 14СО2, а також з сечею та калом. Вміст 14С у повітрі, що видихається, сечі та калі залежить від розчинності сполук, які його містять, резорбційної здатності тощо. Це ж стосується і молока.

Виведення 14С із органів і тканин з високим рівнем метаболічних процесів (печінка, нирки, легені) визначає перший короткий період напіввиведення. З жирової і кісткової тканини 14С виводиться повільніше, що визначає термін другого періоду напіввиведення. Так,

наприклад при внутрішньошлунковому надходженні К214СО3 за 4 год через легені у формі 14СО2 виводиться приблизно 90% 14С, з сечею 1- 2%. За такого ж способу введення Ba14СО3 у вигляді суспензії з глюкозою виділення 14С через легені у формі 14СО2 за 1 год складає

45%, а за 12 год – 85%.

При надходженні 14С в організм з органічними сполуками він накопичується в тканинах у більших кількостях і повільніше виводиться в порівнянні з неорганічними сполуками.

Фосфор (32Р). Відомо шість радіонуклідів фосфору з масовими числами 28 – 30; 32 – 34. Найпоширенішим є 32Р. Основним його джерелом надходження в довкілля є підприємства з виготовлення плутонію, ядерні вибухи. Йому притаманний високий коефіцієнт накопичення (10 – 100) у сільськогосподарських рослинах. Період напіврозпаду 32Р складає 14,3 доби, це β-випромінювач (максимальна енергія 1,71МеВ).

83

У разі надходження 32Р до організму він швидко всмоктується і розповсюджується по органах і тканинах. У ранні терміни, після всмоктування в шлунково-кишковому тракті (до 1 доби) найбільше 32Р накопичується в печінці та нирках, а у більш пізніші (1–5 діб) – у кістковій тканині, де його вміст може досягати 25 – 30%.

Виводиться 32Р із організму через нирки і шлунково-кишковий тракт. Співвідношення виведення 32Р з сечею та калом при внутрішньошлунковому надходженні складає 0,75:0,25. Біологічний період напіввиведення із внутрішньоклітинних рідин становить 2 доби, із м’яких тканин – 19 діб. Як уже відмічалося, приблизно 30 % від усього 32Р, який потрапив в організм, переходить у кісткову тканину, де утримується дуже міцно.

Калій (40К). Період напіврозпаду радіонукліду є 1,28∙109 років, він один із тих, що визначають радіоактивний фон Землі. За типом β- розпаду (максимальна енергія 1,33 МеВ) 89% ядер 40К перетворюються в 40Са, а решта 11% – шляхом електронного захоплення (К-захоплення) перетворюються в 40Ar, випромінюючи γ- промені (енергія 1,46 МеВ).

Радіонуклід 40К потрапляє в організм головним чином з їжею та водою. Практично він повністю всмоктується із шлунково-кишкового тракту і майже рівномірно розповсюджується по органах і тканинах. Вміст 40К у м’язах складає приблизно 52,4%.

Основний шлях виведення 40К із організму – це з сечею. Біологічний період напіввиведення 40К складає в середньому 58 діб. В залежності від віку він може бути швидшим (у дітей) або повільнішим (у дорослих).

Стронцій (90Sr). Радіонукліди стронцію мають масові числа 77 – 83, 85, 89 – 99. При діленні 235U утворюються 88Sr, 89Sr і 90Sr з виходом відповідно 3,57; 4,79 і 5,77%, а також короткоживучі ізотопи з масовими числами 91 – 97. Радіонукліди стронцію, як певні аналоги кальцію, беруть активну участь в метаболічних процесах. Найнебезпечнішим для організмів є 90Sr, який має відносно великий період напіврозпаду – 29,12 років. Після радіоактивного розпаду 90Sr перетворюється в ітрій (90Y), період напіврозпаду якого складає 64,3 год. Середня енергія β-часток, які випромінюються при перетворенні ядра 90Sr, дорівнює 0,21 МеВ, а 90Y – 0,87 МеВ.

Завдяки повільному розпаду, відносний вміст 90Sr в суміші продуктів ділення урану поступово збільшується, і через 3 місяці частка 90Sr становить 13% сумарної активності, а через 20 років –

25%.

84

Радіонукліди стронцію потрапляють до організму через шлунково-кишковий тракт, легені та шкіру. Ступінь всмоктування в кишковику стронцію коливається від 5 до 100% в залежності від розчинності сполук, які його містять. Всмоктування стронцію залежить від багатьох причин. Так, цей процес знижується зі збільшенням віку, з підвищення вмісту кальцію і фосфору в продуктах харчування тощо.

Незалежно від шляху надходження радіонукліди стронцію вибірково накопичуються в скелеті (до 90%). При надходженні до легенів він може тривалий час там перебувати.

Виводиться стронцій переважно з калом і сечею. При внутрішньошлунковому надходженні більше виділяється з калом. Встановлено декілька біологічних періодів напіввиведення, які пов’язані з виведенням із різних тканин. Так, 70% 90Sr у людини виводиться до 30 діб, 15% - 50 діб, а 15% виводиться повільно – 160 діб і більше (з кісткової тканини).

Йод (131І). Відомі радіонукліди йоду з масовими числами 115 – 126, 128 – 141. В ядерних реакторах та за ядерних вибухів утворюються 129І, 131І, 132І і 133І при діленні урану і плутонію з виходом відповідно 0,8; 3,1; 7,4 і 6,9%. Радіонуклід 131І утворюється в літосфері та гідросфері при спонтанному діленні урану. За звичайних умовах режиму експлуатації ядерних реакторів викиди радіонуклідів йоду невеликі. Але за аварійних ситуацій вони значно посилюються. Основний внесок у радіоактивне забруднення, при використанні ядерної зброї вносить 131І, який може створювати до 20% сумарної радіактивності. Період напіврозпаду 131І складає 8,04 доби. Це β- і γ- випромінювач. Максимальна енергія β-випромінювання 0,812 МеВ (82,4% з енергією 0,36 МеВ). Енергія γ-випромінювання 0,08–0,72 МеВ.

Радіонуклід 131І як і інші радіонукліди надходить в організм людини через органи травлення, дихання, шкіру, рани та опіки. Всмоктування йоду через шкіру складає всього 1 – 2 % від того, що може потрапити в організм інгаляційним шляхом. Резорбція йоду з шлунково-кишкового тракту визначається розчинністю сполук, які містять йод, і досягає 100% для розчинних.

Йод, який потрапив в організм, швидко всмоктується в кров і лімфу та переважно (до 100%) накопичується в щитоподібній залозі. Цей нуклід значно менше накопичується в нирках, печінці. м’язах, кістках (за ступенем зменшення).

Основний шлях виведення йоду із організму – це сеча. З калом виводиться той йод, який зв’язаний з нерозчинними речовинами.

85

Йод виводиться також з материнським молоком. Біологічний період напіввиведення йоду складає 8,4 год для 70% присутнього в організмі, і 100 – 120 діб для того, який був затриманий в щитоподібній залозі.

Цезій (137Cs). Відомо 21 радіонуклід цезію з масовими числами 123 – 132, 134 – 144. У живих організмах цезій є певним аналогом калію. Найбільше біологічне значення має 137Cs, період напіврозпаду якого складає 2,55 хв. Цей радіонуклід – β-випромінювач з максимальною енергією до 1,17 МеВ (92% з енергія 0,51 МеВ). Утворений внаслідок розпаду цього радіонукліду 137Ва є γ- випромінювачем (енергія 0,662 МеВ – 85,1%) з періодом напіврозпаду 30,17 років. Тому 137Cs у рівновазі з 137Ва є β- і γ-випромінювачем, період напіврозпаду якого становить 30,17 років.

Всмоктування 137Cs в шлунково-кишковому тракті складає з розчинних сполук 100%. Через дихальні шляхи в організм людини може потрапити до 0,25% 137Cs, який здатний всмоктуватися в кишковику. На першому етапі після надходження в організм 137Cs практично рівномірно розподіляється по тканинах і органах, а потім переважно накопичується у м’язах (до 50%).

Цезій нуклід виводиться переважно з сечею. У перший місяць після надходження в організм і в подальшому приблизно 60% 137Cs виводиться з сечею, 40% - з калом. Біологічний період напіввиведення 137Cs, в залежності від віку людини, коливається в межах 70 – 140 діб.

Уран (234U, 235U, 238U). Природний уран становить суміш трьох радіонуклідів: 235U, 235U і 238U. Радіонукліди урану є -випромінювачі. Представники родини радіоактивного розпаду урану при своєму перетворенні випромінюють - і β-частинки, γ-кванти. Тому процес розпаду радіонуклідів урану супроводжується -, β- і γ- випромінюванням.

Енергія -випромінювання 234U складає 4,84 Мев, 235U – 4,47 МеВ, 238U – 4,26 МеВ. Період напіврозпаду 234U – 2,48∙105 років, 235U – 7,13∙108 років, 238U – 4,49∙109 років. Масовий вміст в природному урані в середньому складає: 234U – 0,005%, 235U – 0,71%, 238U – 99,29%.

Радіонукліди урану мають певні специфічні властивості. Так, 234U здатний захоплювати нейтрони з утворенням нових трансуранових елементів, а 234U при захопленні нейтронів розпадається з вивільненням великої кількості енергії, що використовується в ядерних реакторах та ядерній зброї.

Всмоктування урану в шлунково-кишковому тракті залежить від розчинності речовин, які його містять, але все ж таки вона дуже

86

низька – становить лише 0,01 – 0,001% від тієї кількості, що може потрапити в організм. Через органи дихання може потрапити 2 – 10%. Розчинні сполуки урану всмоктуються в кров і розносяться по органах і тканинах.

На розподіл урану в організмі суттєво впливає його валентність. Шестивалентний уран накопичується в нирках до 20%, в кістках – від 10 до 30%, а у печінці накопичується зовсім в незначній кількості. В той же час, чотирьохвалентний уран, навпаки, у більшій мірі накопичується у печінці та селезінці – до 50%, кістках і нирках – від 10 до 20%. Це пов’язано, мабуть, з тим, що чотирьохвалентний уран легко приєднується до білків.

Незалежно від шляхів надходження в тканини організму радіонукліди урану переважно виводяться з сечею. Виведення з калом не перевищує 1 – 3%. Більша частина урану, яка потрапляє в організм через шлунково-кишковий тракт, виводиться в першу добу. Той же уран, який не вивівся за цей час із організму, накопичується, в основному, в кістковій тканині (57 – 62%).

За інгаляційного шляху надходження біологічний період напіввиведення приблизно для половини затриманого урану складає

50діб, а для іншої – до 500 діб.

Плутоній (239Pu). Відомі радіонукліди плутонію з масовими

числами 232 – 246. Радіонукліди 241Pu, 243Pu і 245Pu є β- випромінювачі, а останні - -випромінювачі, розпад яких супроводжується β- і γ-випромінюванням. Найбільший практичний інтерес 239Pu, період напіврозпаду якого складає 2,44·104 років. Промислове його отримання засноване на опроміненні 238U нейтронами. Цей радіонуклід поряд зі збагаченим ураном є ядерним паливом реакторів атомних станцій, а також використовується в ядерній зброї. За своїми характеристиками 239Pu близький до 235U. При захопленні ним нейтронів можлива ланцюгова реакція з виділенням великої кількості енергії.

Основними джерелами надходження радіонуклідів плутонію у довкілля є ядерні вибухи, відходи виробництва і переробки ядерного палива, а також викиди з ядерних реакторів, особливо при аваріях.

Радіонуклід 239Pu є -випромінювачем з енергією часток близько 5 МеВ. Приблизно 4% розпаду 239Pu супроводжується рентгенівським випромінюванням (середня енергія – 17 КеВ), а 0,01% розпадів – γ- випромінюванням (енергія 37 КеВ).

В шлунково-кишковому тракті навіть розчинні сполуки 239Pu всмоктуються в незначній кількості і накопичуються переважно в кишковику. При надходженні 239Pu до легенів, значна частина його

87

відкладається в них, але та кількість, яка потрапила в кров, депонується, в основному, в скелеті, печінці та нирках. Можливе надходження 239Pu через шкіру, особливо пошкоджену, безпосередньо в кров.

Виводиться 239Pu з сечею і калом, біологічний період напіввиведення становить 6,5·104 діб.

Суттєвий інтерес становить радіонуклід 241Pu, період напіврозпаду якого складає 14,4 роки і який за β-випромінюванням перетворюється в 241Am.

Америцій (241Am). Встановлені радіонукліди америцію з масовими числами 232, 234 – 247. Найбільше практичне значення має 241Am. Це- і γ-випромінювач з енергією -частинок 5,48 МеВ, а γ-квантів – 0,06 МеВ. Період напіврозпаду 241Am становить 470 років.

Джерелами надходження 241Am у довкілля є використання та випробовування ядерної зброї, викиди АЕС (особливо при радіаційних аваріях) викиди підприємств, де виробляється і використовується даний радіонуклід.

Всмоктування 241Am з шлунково-кишкового тракту не перевищують 0,03 – 0,05%, при інгаляційному надходженні резорбується до 60%. Через неушкоджені шкірні покриви в організм може потрапити біля 0,02% 241Am.

Основними органами депонування 241Am, який потрапив в кров, є скелет, печінка і нирки. Ступінь депонування в організм залежить від хімічної форми сполуки, яка містить 241Am.

Виведення 241Am з організму відбувається, в основному, з калом. З сечею виділяється приблизно у 20 – 100 разів менше 241Am, ніж з калом. Ефективний період напіввиведення 241Am з скелету складає до 4600 діб, з печінки – 360 – 1000 діб, тобто дуже повільно.

4.4. Репродуктивна функція за дії іонізуючої радіації

Статеві залози, як вже відмічалося, відносяться до високочутливих щодо дії іонізуючої радіації органів. Вважається, що у людини за потужності поглиненої дози 0,001 Гр/добу через 1–2 роки (досягнення сумарної дози 1,0 – 2,25 Гр) вже відбувається зміна активності сперматозоїдів у еякуляті та дегенеративно-дистрофічні зміни у вигляді атрофії яєчок. Помітні такі зміни спостерігаються за дії дози 0,005 – 0,1 Гр/добу – суттєве зменшення кількості сперматазоїдів і маси яєчок, яке ще може змінитися поступовим відновленням нормального стану яєчок. Стійка чоловіча стерильність можлива у

88

осіб, що зазнали опромінення яєчок (наприклад, під час променевої терапії) за дії 30 – 40 Гр.

На відміну від сперматогенезу, при оогенезі всі яйцеклітини яєчника жінок виникають ще в ембріональний період розвитку, а потім лише дозрівають. Вважається, що за дії дози 0,01 Гр/добу тільки при досягненні сумарної дози 0,1 Гр відбувається зменшення кількості первинних фолікулів яєчника, яке помітно не прогресує за дії такої дози. Хронічне опромінення в дозі 0,00001 – 0,0001 Гр/добу за сумарної поглиненої дози близько 0,4 Гр викликає незначні та порівняно рідкі зміни тривалості менструального циклу без відхилень перебігу вагітності, пологів і стану немовлят.

Стерильність жінок виникає за дії іонізуючої радіації в дозі близько 10 Гр і стає стійкою внаслідок загибелі всіх первинних фолікулів.

Дія іонізуючого випромінювання на зародок і плід.

Радіочутливість ембріону та плоду набагато вища, ніж організму людини після народження чи у дорослому віці. Тому ефекти опромінення у них мають певні особливості.

Внутрішньоутробний розвиток дитини відбувається у 3 періоди:

предімплантаційний, органогенезний і фетогенезний (період розвитку плода). Передімплантація починається з моменту запліднення яйцеклітини. Зазнаючи швидкого поділу, запліднена яйцеклітина одночасно рухається протягом 9 діб по яйцепроводу від яєчника до матки і тут занурюється (імплантується) в її слизову оболонку на 11-ту добу після запліднення.

Поглинута у цей період досить велика доза радіації виявляється смертельною для крихітного зародка, що складається лише з кількох клітин. За нижчих рівнів опромінення пошкодження виявляються не настільки катастрофічними, зародок зберігає здатність до нормального розвитку.

Радіологічні дослідження свідчать, що в період передімплантації радіочутливість зародка дуже залежить від часу опромінення (діб, годин). Зміни радіочутливості, певно, обумовлені кількістю клітин, що він уже має на момент опромінення, фазою генераційного циклу, в якій ці клітини перебувають.

Найвища радіочутливість відзначається одразу після занурення спермію в яйцеклітину. В експериментах з опроміненням рентгенівськими і -променями загибель 50% клітин спостерігалась на момент занурення сперміїв в яйцеклітину при дозі 0,15 Гр і лише через 4–6 годин при дозі 0,3 Гр. Тобто, у заплідненій яйцеклітині розпочинається процес подвоєння хромосом, який передує першому

89

поділу. Другий пік радіочутливості збігається з часом появи зародка із зародкового міхура безпосередньо перед імплантацією.

Після імплантації зародка в слизову оболонку матки настає органогенез – період, який триває у людини з 9-ї доби по 6-й тиждень після зачаття. У цей період починається диференціювання клітин зародка та утворення його органів, а також частин тіла. Порушенню розвитку зародка в період органогенезу передує ланцюг різноманітних реакцій і подій. Їхній тип і тривалість залежить від величини дози і особливо - від стадії розвитку на момент опромінення. Домінуючий тип радіаційних пошкоджень у процесі формування майбутніх органів представлений різноманітними тератогенними дефектами, каліцтвом.

До найхарактерніших проявів радіаційних тератогенних ефектів належать зміни у скелеті, що формується. Різні його пошкодження зафіксовані у діапазоні доз від 0,05 до 0,25 Гр.

У період органогенезу спеціалізацію клітин часто супроводжує їхня міграція. Особливий складний розвиток має центральна нервова система, що зумовлює її виняткову чутливість до радіації. Дефекти нервової системи індукуються дозами порядку 0,1 Гр на чутливих стадіях розвитку. У переліку наслідків опромінення в період ембріогенезу на першому місці структурні і функціональні порушення центральної нервової системи. Відзначений високий відсоток мікроцефалії у поєднанні з розумовою відсталістю. Мінімальна доза, що зумовлювала таку патологію у дітей, які були народжені жінками, що в стані вагітності потрапили під дію опромінення під час ядерного бомбардування м. Хіросіми та м. Нагасакі, виявилося нижче на 0,2 Гр. Порушення функції головного мозку зафіксовано у них при дії дози близько 0,1 Гр.

Фетогенез - остання стадія розвитку плоду, починається у людини з 7-го тижня після зачаття. Це є найбільш вивчений у радіоембріологічному плані період внутрішньоутробного розвитку. Встановлено, що іонізуюча радіація на 4–11-му тижні вагітності зумовлює формування аномалій різних внутрішніх органів. Опромінення на 11–16-му тижні викликає розвиток мікроцефалії, стійке пригнічення розвитку плоду, розвиток аномалій статевих органів. За дії іонізуючої радіації на 16–20-му тижні вагітності спостерігається помірна мікроенцефалія, гальмування росту плоду. Опромінення після 30-го тижня вагітності викликає швидше функціональні розлади ніж морфологічні.

За опромінення під час внутрішньоутробного розвитку спостерігається висока ймовірність утворення пухлин. Серед