Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают их способность вызывать функциональные и анатомические изменения в клетках, тканях, органах и организме в целом. Биологическое действие ионизирующих излучений является результатом возбуждения и ионизации атомов живой материи. Заряженные частицы и фотоны, проходя через ткани животного организма, вызывают возбуждение атомов и распад их на отрицательно заряженные частицы — ионы. Следовательно, в результате прямого действия радиации в клетках и тканях образуются возбужденные и ионизированные атомы и молекулы, обладающие высокой химической активностью. Их появление и влияние на различные компоненты клетки выражают начальный этап развертывания биологического эффекта. При этом изменяются не только те молекулы и клетки, которые вступили в непосредственное взаимодействие с частицами и фотонами, но и многие другие. Радионуклиды обладают различной биологической эффективностью и по своему биологическому действию различаются между собой в зависимости от вида, энергии излучения, периода полураспада, величины всасывания, накопления и скорости выведения из организма. Энергия от клеток, поглотивших ее, передается клеткам, не подвергавшимся облучению, т.е. происходит миграция энергии. В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях происходят сложные физические, химические и биологические процессы. Если воздействию подвергалось мало клеток, то процесс может быть обратимым, т.е. химическая структура тканей восстанавливается, вредные продукты удаляются, функция клеточных популяций нормализуется. В противном случае процесс оказывается необратимым: в тканях развиваются дистрофические и некробиотические (омертвления) изменения и живой организм погибает. Основную по объему и весу часть состава ткани живого вещества человека составляет вода (60—70 % веса тела) и углерод. В процессе радиолиза в воде организма возникают молекулярные ионы, которые под воздействием излучения расщепляются (диссоциируют) на активные радикалы — водород Н и гидроксильную группу ОН. Дальнейшие реакции ведут к появлению в тканях соединений пероксидного типа — гидратный оксид и перекись водорода Н202. Эти соединения при нормальных физиологических условиях в организме не встречаются. Все эти активные соединения взаимодействуют в клетках и тканях с молекулами растворенных в воде веществ, т.е. происходят первичные радиационно-химические реакции. Белковые молекулы также претерпевают под влиянием ионизирующего излучения различного рода изменения: молекула белка под действием фотона разрушается и распадается на аминокислоты (фотолиз белка) с образованием токсических гистаминоподобных соединений. Таким образом, ионизирующие излучения вызывают физико-химические изменения и в клетках и межклеточном веществе, а также происходит изменение ферментов, которые играют в организме роль катализаторов биохимических реакций. Распад молекулы фермента сопровождается нарушением нормального хода соответствующих биохимических процессов. Особую роль играет нарушение деятельности дыхательных ферментов, приводящих к расстройству тканевого дыхания. Клеточные ядра теряют способность синтезировать определенные типы белка, вследствие чего нарушается процесс ре-дублирования сложных макромолекул, что приводит к поражению нуклеиновых кислот и, особенно, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Без синтеза ДНК невозможно митотическое деление клеток и клеточное размножение. Результатом нарушения редублирования белковых молекул являются мутации — возникновение дочерних клеток с измененными свойствами. Под действием радиации изменяется течение белкового, углеводного, липоидного и холестеринового обмена веществ. В формировании биологического эффекта особое значение имеет деятельность интегрирующих систем организма — нервной системы, тесно связанного с ней эндокринного аппарата и гуморальной системы, транспортирующей по организму токсические продукты, образующиеся в тканях в результате облучения. Под влиянием ионизирующего излучения в нервной ткани также происходит ионизация атомов и молекул и первичные радиохимические реакции, нарушающие процессы нервной регуляции. В первые минуты после облучения в крови и лимфе появляются токсические продукты (яды), которые оказывают непосредственное влияние на нервную и эндокринную системы, а также на клетки и органы и вызывают в организме состояние повышенной радиочувствительности (аутосенсибилизацию). Степень чувствительности к облучению различных тканей и органов организма человека неодинакова: в порядке уменьшения их чувствительности к облучению имеется следующая последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозы 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов, продолжительность жизни которых и без того незначительна — менее одних суток. Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения (продолжительность жизни эритроцитов примерно 100 суток). У здорового человека насчитывается порядка 1014 красных кровяных телец и при ежедневном их воспроизводстве в количестве10-12, у больного лучевой болезнью соотношение нарушится, и в результате погибает организм. Соматические (телесные) эффекты — это последствия действия облучения на самого облученного, а не на его потомство. Соматические эффекты облучения делят на стохастические (вероятностные) и не стохастические. К не стохастическим соматическим эффектам относят поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растут по мере увеличения дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. К таким эффектам относят, например, локальное не злокачественное повреждение кожи, (лучевой ожог), катаракта глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Время появления максимального эффекта также зависит от дозы: после более высоких доз он наступает раньше. Эти дозы и эффекты применимы к среднему индивидууму в популяции здоровых людей, а не к какому-либо конкретному индивидууму, реакция которого может отличатся от средней. Например, у 1 % населения может проявляться очень высокая радиочувствительность вследствие врожденных генетических расстройств. На этой же схеме показана предельно допустимая доза профессионального облучения всего тела и критических органов 1 группы, равная 50 мВ/год, которая рассчитана на 50 лет трудовой деятельности. МКРЗ рекомендует это значение в качестве норматива профессионального облучения в единицах не эффективной эквивалентной дозы. Имеются данные многочисленных и длительных наблюдений за персоналом и населением, подвергшимся воздействию повышенных доз (облучение в медицинских целях, проведение ремонтных работ на ядерных установках и т.п.). Из этих данных следует, что длительное профессиональное облучение дозами до 50 мВ в год взрослого практически здорового человека не вызывает никаких неблагоприятных соматических изменений, реально регистрируемых с помощью современных методов исследования. Согласно этим биологическим и клиническим данным, нестохастические эффекты при длительном хроническом облучении полностью исключаются, если эквивалентная доза излучения не превышает 500 мВ в год на любой орган, за исключением хрусталика глаза, для которого годовая доза должна быть не более 150 мВ. Нестохастические эффекты проявляются при достаточно высоком или аварийном облучении всего тела или отдельных органов. Порог эффекта зависит от органа или ткани. На приведенной выше схеме показано значение дозы 100 %-ной летальности (G Гр) и дозы СД5о, относящейся к здоровым людям при однородном облучении всего тела. Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся (дифференцирующихся) тканей некоторых органов (костный мозг, половые железы, селезенка и т.п.). Причем стволовые и пролиферативные клетки, претерпевшие множество делений, наиболее радиочувствительны. Изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям в тканях, в функциях отдельных органов и в межорганных взаимосвязанных процессах организма, которые вызывают различные последствия для организма или гибель организма. Взаимодействие радиации с живым веществом происходит по физическим законам: возбуждаются и ионизируются атомы и молекулы, и происходят первичные радиохимические реакции. Ионизация атомов и молекул является лишь пусковым механизмом для развивающихся в дальнейшем в живом организме вторичных процессов, которые происходят уже по биологическим закономерностям. Для врача — радиолога именно вторичные поражения тканей и органов являются главными, потому что их распознавание доступно современной клинике. Эффективность биологического действия оценивается с точки зрения тяжести этих вторичных повреждений. Под влиянием облучения в клетках, тканях и организме в целом происходят дистрофические (истощающие) изменения вплоть до некроза, т.е. омертвления и гибели живого вещества. Обнаруживается угнетение и подавление функции клеток: ограничивается их подвижность, способность к росту и размножению, изменяется проницаемость клеточных мембран, перестраивается и дезорганизуется обмен веществ в ядре и протоплазме. В клетках повреждаются целые структуры — хромосомы ядра, ядрышка, микросомы, лизосомы и митохондрии, а также цитоплазма. Происходят грубые морфологические изменения — набухание клетки (отек), образование в ней вакуолей, пикноз ядра, его распад. При однократном облучении всего тела биологические нарушения в основном зависит от суммарной поглощенной дозы (Табл. 2.1). При облучении дозами, в 100—500 раз превышающими смертельную дозу, человек погибает во время облучения. Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем и смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова — 20, нижняя часть живота — 30, верхняя часть живота — 50, грудная клетка — 100, конечности — 200 Гр. Ионизирующие излучения в соответствии со своей проникающей способностью (Рис. 2.14) вызывают биологические изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь организма пероральным или ингаляционным путем). Радиоактивные вещества могут поступать в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт и кожу. При аварийных ситуациях и в чрезвычайной обстановке возможно проникновение радионуклидов через царапины, раны и ожоговую поверхность. На рис. 2.15 схематически показаны возможные пути поступления, обмена и выделения радионуклидов из организма. Наиболее вероятным источником возможного поступления радиоактивных веществ в организм человека являются воздух, загрязненный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания. Поэтому поступившие в воздух радиоактивные вещества в виде радиоактивных газов, пыли тумана или дыма легко осаждаются в органах дыхания. Поверхность легких (около 50 м2) является эффективным адсорбционным фильтром. При наличии во вдыхаемом воздухе радиоактивных веществ определенная часть остается в дыхательном тракте. Осаждение и локализация радиоактивных частиц в органах дыхания зависит от их размера, частоты дыхания и минутного объема. При этом осаждение происходит вследствие инерционного осаждения, под влиянием силы тяжести (седиментация) и диффузии количественной оценки отложенных радиоактивных аэрозольных частиц в дыхательном тракте применяется коэффициент отложения или задержки, характеризующий долю частиц, отложившихся на участках дыхательного пути. Осаждение радиоактивных частиц в органах приводит к облучению участков дыхательного тракта, легких и лимфатических узлов, а также последующему проникновению через кровяное русло в определенные органы и ткани. После отложения в верхних дыхательных путях, на слизистой трахеи бронхов радионуклиды с помощью мерцательного эпителия переводятся в глотку и ротовую полость, откуда поступают в желудок, а в дальнейшем ведут себя, как и при пероральном (через ротовую полость) поступлении. Инертные радиоактивные газы, попав через легкие в кровь удаляются из организма постепенно и полно. Все радиоактивные химические элементы и их соединения по скорости времени выведения из организма и, особенно, из легких разделены на три класса: Д—дни, Н—недели, Г—годы. Наиболее медленно, с периодом полувыведения более одного года, удаляются из легких радионуклиды меди, серебра, ш лота, цинка, кадмия, иттрия, актиния, циркония и другие. Часто критическим органом по облучаемости становятся легкие, и это обстоятельство учитывается при разработке норм предельно допустимого содержания радионуклидов в воздухе. Радиоактивные вещества поступают в организм также через кожные покровы. Имеются радионуклиды, которые проникают не только через всевозможные ссадины, порезы и наколы, но и через неповрежденную кожу. Проницаемость кожи для радиоактивных веществ зависит от агрегатного состояния радионуклидов, склонности их к гидролизу и комплексообразованию, кислотности раствора радионуклида и состояния кожного барьера. В результате механического удержания и физико-химических процессов радиоактивные вещества могут прочно фиксироваться на поверхности кожи. Основное значение в механизме фиксации имеют: 1) адсорбция на поверхностных структурах кожи; 2) простое механическое осаждение, в основе которого лежат силы адгезии, электростатическое притяжение и другие физические силы сцепления; 3) химическое взаимодействие с биохимическими компонентами (хемосорбция, образование комплексных соединений, ионный обмен и т.п.). Барьерная функция кожи определяется роговым слоем эпидермиса, повреждение которого способствует беспрепятственному прохождению в подлежащие ткани активных веществ. Проникновение радиоактивных веществ также происходит через устья волосяных фолликулов, канальцы сальных и потовых желез. Предварительное воздействие на кожу, например обезжиривание, значительно увеличивает ее проницаемость, резко возрастает проницаемость при термических, химических или механических повреждениях. Необходимо также учитывать опасность прямого облучения базального слоя эпидермиса, который находится на глубине 80—1000 мкм и обладает высокой радиочувствительностью. Наиболее радиочувствительными являются клетки постоянно обновляющихся (дифференцирующихся) тканей некоторых органов (костный мозг, половые железы, селезенка и др.). При одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами (Рис. 2.19). Умножив эквивалентные дозы на соответствующий коэффициент и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Радиоактивные вещества, поступив в организм, всасываются в кровь и лимфу и разносятся по различным органам и тканям. Знание закономерностей распределения, особенностей обмена и депонирования радионуклидов, их перераспределение в организме имеет исключительно важное значение, гак как дает представление о преимущественном лучевом поражении тех или иных органов, позволяет понять механизм действия радионуклидов, установить критический орган, оценить величину его облучения и прогнозировать лучевое поражение, т.е. уровень риска. Распределение радиоактивных веществ в организме может быть различным. Радиоактивные и стабильные изотопы одного и того же элемента, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, распределяются в организме однотипно. Однако, одни радионуклиды распределяются в организме равномерно по всем органам и тканям, другие же проявляют тропность (направленность) к определенным органам, в которых и накопительно откладываются. Орган с преимущественным накоплением радионуклида, подвергающийся наибольшей опасности вследствие значительного облучения, называется критическим органом.
Уровни накопления радионуклидов в критических органах в период установления равновесия в расчете на один килограмм массы критического органа имеют следующие величины кратности (указаны в скобках): щитовидная железа — иод-131 (164); скелет — стронций-90 (91), радий-226 (46), кальций-45 (13); печень — железо-55 (3,5), цинк-65 (1,3), америций-241 (1,4); почки — свинец-210 (21), бериллий-7 (6), платина-193 (3); мышцы — цезий-137 (2,6), рубидий-87 (1,7), калий-40 (1,4). Ориентиром для оценки суммарного содержания радионуклида в организме служит кратность накопления — отношение максимально накопленного количества элемента в организме или в органе к величине ежедневного поступления. Кратность накопления зависит от всасывания радионуклида в кровь и лимфу, скорости выведения из организма вследствие интенсивности обменных процессов и периода полураспада радионуклида. Характер распределения радионуклидов в организме не является неизменным и обусловлен их химическими свойствами, способностью образовывать коллоиды и легко гидролизоваться. Распределение радионуклидов в организме может изменяться в зависимости от исходного состояния центральной нервной системы, угнетение которой способствует накоплению, а возбуждение, наоборот, снижению содержания радионуклидов стронция-90 и кобальта-60 в организме и тканях. Все радионуклиды по характеру своего распределения делятся на четыре группы: 1) остеотропные — фосфор-32, кальций-45, стропций-90, барий-140, радий-226; 2) преимущественно накапливающиеся в органах с ретикулоэндотелиальной (сетчатой) тканью — торий-239, плутоний-239 (нитрат); 3) специфически участвующие в обмене веществ и избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях: иод-131 — в щитовидной железе, железо-59 — в эритроцитах, цинк-65 — в поджелудочной железе, молибден-99 — в радужной оболочке глаза; 4) равномерно распределяющиеся по всем органам и тканям: калий-40, рубидий-86, ниобий-95, рутений-106, це-зий-137. Некоторые радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие концентрируются в отдельных внутренних органах. Так, в костных тканях отлагаются источники альфа-излучений — радий, уран, плутоний; бета-излучений — стронций и иттрий; гамма-излучений — цирконий. Эти элементы, химически связанные с костной тканью, очень трудно выводятся из организма. Продолжительное время удерживаются в организме также элементы с большим атомным номером (полоний, уран). Элементы, образуемые в организме легкорастворимые соли и накапливаемые в мягких тканях, легко удаляются из организма. Закономерности удержания и выведения радионуклидов из организма имеют специфические особенности — протекают с различными скоростями и зависят от многих факторов, а также от функционального состояния выделительных систем. Наибольшее количество радиоактивных веществ выводится через желудочно-кишечный тракт, особенно радионуклиды, которые плохо всасываются в пищеварительный тракт: трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения радионуклидов хорошо выделяются через почки. Быстро выводятся из организма газообразные радионуклиды — водород-3, ксенон-133 и криптон-85. Основное количество радиоактивных газов выделяется через легкие и кожу. Радионуклиды иод-131 и цезий-137 выводятся также через потовые и слюнные железы. Радионуклиды, образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выделяются с желчью в кишечник. Одним из основных органов выделения радиоактивных веществ из организма являются почки. Большинство растворимых радионуклидов выделяется через почки в течение первых суток после облучения. Радиоактивные аэрозоли, а также продукты распада радия и тория могут выделятся из организма через органы дыхания. Процессы экскреции (выделения) радиоактивных веществ из легких, кишечника, почек неразрывно связаны с явлением реабсорбции, величина которой для выделения радионуклидов может быть различной. Уменьшение содержания радиоактивного вещества в организме происходит не только вследствие его выведения, но и благодаря радиоактивному распаду, что особенно характерно для короткоживущих радионуклидов: иода-131, натрия-24, фосфора-32. Биологическое выведение и радиоактивный распад — это два независимых процесса. Время, в течение которого из организма выделяется половина однократно поступившего радионуклида, называется биологическим периодом полувыведения (Тб). Фактическая же убыль радионуклида в организме измеряется эффективным периодом полувыведения (Тэф). Это время, в течение которого организм освобождается от половины депонированного в нем радионуклида как путем биологического выведения, так и вследствие радиоактивного распада. Для долгоживущих радионуклидов Тэф в основном определяется биологическим выведением. Эффективный период полувыведения зависит от вида химического соединения радионуклида, особенностей его распределения, поступившего количества, функционального состоя пня органов, типа, пиво количества или концентрации (уровни) некоторых веществ, либо скорости (темпы) протекания физиологических процессов, в том числе — скорости биохимических реакций. Темпы этих процессов и уровни поддержания состава веществ в организме регулируются целой системой механизмов через определенные исполнительные органы. Например, окислительные процессы в тканях управляются целенаправленными изменениями дыхательного объема, жизненной емкости легких, объема резервного воздуха, глубины вдоха, частоты дыхания, ударного объема сердца, частоты сердечных сокращений, объемной скорости кровотока, величины сопротивления сосудов, количества гемоглобина в крови, величины кислородной емкости крови.