Курс лекций, ч

Биологическое действие ионизирующих излучений

Основные особенности действия ионизирующих излучений на живой организм состоят в следующем:

Высокая эффективность поглощённой энергии. Малые количества поглощённой энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме.
Наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Продолжительность его сокращается с увеличением дозы.
Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией.
Излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство (генетический эффект).
Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.
Реакция организма на радиационное облучение субъективна. Некоторые люди погибают при однократном получении дозы излучения в 4 Гр, другие выживают при дозе 10 Гр. В среднем возможна лишь статистическая оценка.
Одноразовое получение организмом какой-то определённой дозы более опасно, чем постадийное её накопление.

В результате поглощения энергии ионизирующего излучения в живых организмах происходят сложные биофизические и биохимические процессы. У человека (и млекопитающих) основную часть массы тела составляет вода (около 75 %), поэтому первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией и возбуждением молекул воды. Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и сильные окислители (H₂O₂), обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, – токсины, образующиеся при радиационно-химическом окислении жиров. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также организма в целом. Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. Действие излучения через продукты радиолиза воды является косвенным (непрямым) действием.

Прямое действие ионизирующего излучения может вызвать расщепление молекул белка, разрыв менее прочных связей, отрыв радикалов и другие денатурационные изменения. Энергия ионизирующего излучения передаётся тканям и клеткам человека не равномерно, а отдельными разрозненными “пачками”. В результате большая часть энергии излучения передаётся небольшому числу клеток, а оставшаяся энергия распределяется в значительно большем количестве клеток. При таком неравномерном распределении энергии, даже если она очень мала, некоторые клетки будут значительно повреждены. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической, механической и др.), поглощённой биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Например, смертельная для человека доза ионизирующего излучения 6 Гр соответствует поглощённой энергии 6 Дж/кг. Для человека массой 70 кг поглощённая энергия составит 420 Дж. Если эту энергию подвести в виде тепла, то она нагрела бы тело примерно на 0,001 ºС, что меньше эффекта выпитой чашки горячего чая. Тепловая и механическая энергия поглощается в тканях одинаково и равномерно, поэтому, чтобы вызвать повреждение в живом организме, энергии подобного типа потребуется намного больше, чем энергии радиоактивного излучения.

Наиболее важные изменения в клетках под действием ионизирующего излучения касаются повреждения механизма деления, блокирования процессов физиологической регенерации тканей и процессов обновления клеток, поэтому наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся тканей и органов (костный мозг, половые железы, селезёнка и т.п.). В зависимости от величины поглощённой дозы излучения и индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. При небольших дозах поражённая ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы при длительном воздействии могут вызвать необратимые поражения отдельных органов или всего организма. Биологический эффект зависит от суммарной дозы, времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма.

По отношению к человеку облучение может быть внешним или внутренним, для каждого из них можно рассчитать поглощённую дозу.

Внешнее облучение – воздействие на организм ионизирующего излучения, приходящего извне (от устройства или закрытого источника, содержащего радиоактивное вещество) [13]. Внешнее облучение α- и β-частицами менее опасно, так как они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других органов. Значительно большую опасность представляют γ- и нейтронное излучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают её.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно порции излучения распределены по времени, тем меньше его поражающее действие.

Степень поражения зависит от размера облучаемой поверхности. Чем меньше облучаемая поверхность при той же мощности потока излучения, тем меньше биологический эффект. Так, при облучении фотонами поглощённой дозой 450 рад участка тела площадью 6 см²заметного поражения организма не наблюдается, а при облучении такой же дозой всего тела будет 50 % смертельных случаев.

Возможные последствия облучения людей можно разделить на 2 категории [1]:

Детерминированные:

• лучевая болезнь;

• локальные лучевые поражения.

Стохастические:

• сокращение продолжительности жизни;

• лейкозы (злокачественные изменения кровообразующих клеток);

• опухоли разных органов и клеток;

• наследственные болезни.

К детерминированным относят клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от дозы. К таким эффектам относят локальное незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

Стохастические эффекты облучения, которые имеют вероятностную природу и не имеют дозового порога, обнаружить трудно, так как они незначительны и имеют длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятками лет после облучения. К стохастическим эффектам относят злокачественные новообразования и опухоли, наследственные болезни, возникающие в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью. Вероятность появления стохастических эффектов пропорциональна дозе облучения и не исключается при малых дозах, тяжесть проявления не зависит от дозы [14].

Внутреннее облучение – облучение организма, отдельных органов и тканей ионизирующим излучением, испускаемым содержащимися в них радионуклидами (источник ионизирующего излучения находится внутри организма) [13]. Вклад в облучение дают α-, β- , γ-излучатели.

Степень радиационной опасности радионуклидов при внутреннем облучении человека определяет ряд параметров:

1. Путь поступления радиоактивного вещества в организм.

Радиоактивные вещества способны поступить в организм через лёгкие при дыхании, с пищей и водой, через повреждения на коже или путём абсорбции через здоровую кожу. Из всех путей поступления радионуклидов в организм наиболее опасно вдыхание загрязнённого воздуха, потому что именно при дыхании попадает наибольшее количество радионуклидов. За 1 сутки человек использует 20 м³ воздуха, а с пищей только 2,2 л воды, усвоение через кожу в 200–300 раз меньше, чем через желудочно-кишечный тракт.

2.Продолжительность поступления радиоактивного вещества в организм.

3. Распределение радионуклида в организме человека (наличие критического органа).

Попавшие в организм радионуклиды или равномерно распределяются по всему телу, или концентрируются в отдельных органах и тканях. Критический орган – это орган, способный избирательно накапливать тот или иной радионуклид в соответствии с его химическими свойствами [14].

Примеры накопления радиоактивных изотопов в органах и тканях [7]

¹³¹I, ¹³²I, ¹²⁵I …………………………….	Щитовидная железа
⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu …………………..	Костная система
¹⁴C, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs ………………….	Равномерное распределение по всем органам и тканям

При наличии критического органа поражение будет большим, потому что частицы свою энергию отдадут сравнительно небольшому объёму ткани, вследствие концентрирования радионуклида этим органом.

4. Вид излучения.

При внутреннем облучении наиболее опасны радионуклиды, испускающие при распаде α-частицы, так как они имеют большую ионизирующую способность.

5. Энергия излучения.

Чем энергия излучения выше, тем больше повреждающий эффект.

6. Время пребывания излучателя в организме. Время будет определяться периодом радиоактивного полураспада и периодом биологического полувыведения.

Период радиоактивного полураспада – период, за который распадается половина вещества (вещество теряет половину своей активности). Когда период полураспада радионуклида очень большой, то его активность практически не изменяется во времени, радионуклид очень близок к стабильному элементу. Если период полураспада маленький (например, миллиардные доли секунды), то частицы не успеют нанести существенный вред организму человека. Поэтому наиболее опасны радионуклиды, имеющие значения периода полураспада порядка нескольких сотен или десятков лет (⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs и т.п.).

Степень опасности внутреннего облучения от радионуклидов зависит от скорости их выведения из организма. Чем дольше радионуклид находится в организме, тем больший вред он ему нанесёт. Среднее время пребывания в организме для различных радионуклидов очень сильно различается: от десятков суток (¹⁴С, ²⁴Na) и практически до бесконечности (⁹⁰Sr, ²³⁹Pu) [14]. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, являются изотопами элементов, входящих в состав пищи (натрий, хлор, кальций и др.), то они долго не задерживаются в организме. Инертные радиоактивные газы (аргон, ксенон, криптон, радон), попадая через лёгкие в кровь, со временем полностью удаляются из организма, так как не являются изотопами элементов, входящих в состав ткани. Некоторые радионуклиды отлагаются в костных тканях (⁹⁰Sr) и очень плохо выводятся из организма.

Радионуклиды, попавшие в организм человека, вызывают различные последствия, схожие с последствиями от внешнего облучения при равных поглощённых дозах. В зависимости от природы радионуклида и особенностей его локализации в организме могут возникать лейкозы, гепатиты, опухоли различной локализации.

Ионизирующее излучение может оказывать на организм не только отрицательное воздействие. Хорошо известен эффект стимулирующего воздействия на биологические объекты малых доз ионизирующего излучения (явление радиационного гормезиса): уменьшается вероятность образования раковых опухолей и тормозится их развитие, ускоряется заживление ран, возрастает сопротивляемость организма инфекциям [15]. На этом явлении основано применение радоновых ванн в санаториях.

Всё вышерассмотренное относится к человеку, хотя многие качественные и количественные характеристики получены на основе исследований других популяций. Механизмы развития реакции живой материи на воздействие радиации в значительной степени схожи для всех биологических структур. Однако организмы разного биологического спектра обладают разной радиорезистентностью, что говорит о специфике проявления действия радиации при больших дозах на разных уровнях организации живой материи. Самой высокой радиочувствительностью обладают млекопитающие, затем птицы, рыбы, пресмыкающиеся и насекомые. Менее чувствительны к высоким дозам радиации мхи, лишайники, водоросли и микроорганизмы от бактерий до вирусов.

Содержание