ІІІ.Групи радіонуклідів за токсичністю

Існує три основні типи розподілу радіоеуклідів в організмі: скелетний, ретикуло-ендотеліальний і дифузний. Скелетний розподіл обумовлюється лужно-земельною групою елементів (Ca, Sr, Da, Ra); ретикуло-ендотеліальний – нуклідами рідкоземельних елементів (Ge, Pr, Pm, Zn, Th, Am) та

трансурановими елементами; дифузний – лужними металами (K, Na, Cs, Rb).

Тип розподілу радіонуклідів в органах і тканинах не залежить від шляхів їх надходження в організм. У всіх видів ссавців тип розподілу майже однаковий.

Схема типу розподілу радіонуклідів в організмі:

- рівномірний – елементи першої основної групи періодичної системи (водень, літій, натрій, калій, рубідій, сезій, рутеній, хлор, бром тощо);

- скелетний (остеотропний) – лужноземельні елементи (бериллій, цирконій, ітрій, фтор тощо);

- печіночник – вісмут, сурма, миш’як, уран, селен тощо;

- тиреотропний – йод, астатин.

За здатністю накопичувати радіонукліди основні органі тварин і людини розподіляються наступним чином: щитовидна залоза, печінка, шлунково-кишковий тракт, нирки, скелет, м’язи.

Радіоактивні ізотопи при попаданні до організму включаються в процеси обміну речовин так, як і стабільні ізотопи данного елементу. Затримуючись в тканинах, ядра їх атомів піддаються розпаду, обумовлюючи іонізацію. Цим і визначається їх уражаюча дія.

Ступінь біологічної дії радіонуклідів при попаданні в організм визначається такими факторами:

1) видом і енергією випромінювання, періодом півроспаду;

2) фізико-хімічними властивостями речовини, до складу якої радіонуклід потрапляє в організмі;

3) типом розподілу в тканинах і органах;

4) швидкістю виділення із організму.

Радіонукліди за звичай нестабільні. Наприклад, атом урану-238 може випускати два протони і два нейтрони і перетворюватися в торій-234. Але і торій також є нестабільний. Цей ланцюг перетворень закінчується утворенням стабільного нукліду свинцю. Ці перетворення (розпад) супроводжуються вивільненням енергії. Різні радіонукліди здатні виділяти різного типу і дози випромінювання, забруднюючи довкілля. Радіонукліди з коротким періодом піврозпаду (що вимірюється хвилинами, годинами), представляють меншу небезпеку, ніж радіонукліди з періодом піврозпаду від декількох днів до декількох десятків років.

Радіоактивні речовини, що містяться в продуктах харчування, воді, повітрі можуть проникати в середину організму через травний тракт, органи дихання і через шкіру. За таких умов вони стають інкорпорованими радіоактивними речовинами. Інкорпоровані радіоактивні речовини всмоктуються у кров і розносяться по всьому організму. Інтенсивність всмоктування залежить від їх фізичних і хімічних властивостей та від фізіологічного стану організму. Їх міграційна і депонуюча властивості високі.

Характер розподілу інкорпорованих радіоактивних речовин в організмі теж різний. Так, порівняно рівномірно розподіляється в організмі трітій, цезій-137, інші вибірково накопичуються або в кістковій тканині (остеотропні речовини – барій-144, стронцій-89 та 90, радій-226), паренхиматозних органах, наприклад, печінці, щитовидній залозі (паренхимотропні – йод-125 та 131). За таким принципом можна виділити епітеліотропні, гематотропні, міотропні речовини.

Інкорпоровані радіоактивні речовини випромінюють α-, β-частинки та γ-промені і здійснюють внутрішнє опромінення, що має в багато разів вищу дію ураження, оскільки, еволюційно організм не пристосований захищатися від внутрішньої радіації. Внутрішнє опромінення відбувається, головним чином, при вживанні продуктів харчування та води, що забруднені радіонуклідами.

Систематичне і тривале споживання продуктів харчування та води, що забруднені радіонуклідами, призводить до накопичення їх в організмі тварини і людини (йоду – у щитовидній залозі, стронцію – у кістках, цезію – у м’яких тканинах).

Виводяться з організму інкорпоровані радіоактивні речовини через травний тракт, нирки, незначна частина – через потові та слюнні залози.

Радіотоксичність – властивість радіоактивних ізотопів викликати патологічні зміни при надходженні їх в організм.

Радіотоксичність ізотопів залежить від ряду їх характеристик і факторів, головними з яких є такі:

1) вид радіоактивного перетворення;

2) середня енергія одного акту розпаду;

3) схема радіоактивного розпаду;

4) шляхи надходження радіоактивних речовин в організм;

5) розподіл радіонуклідів в органах і системах;

6) час перебування радіонукліда в організмі;

7) тривалість часу надходження радіонуклідів до організму.

Всі радіонукліди, як потенційні джерела внутрішнього опромінення і метали-токсиканти, поділяють на 4 групи:

А група – радіонукліди особливо високої радіотоксичності, мінімально значуща активність яких на робочому місці становить 1 кБк. До цієї групи відносять 40 ізотопів, у тому числі наступні: каліфорній, свинець-210, полоній-210, радій-226, америцій-241, плутоній-239, плутоній-340 та інші трансуранові елементи (ТУЕ).

Б група – радіонукліди високої радіотоксичності, мінімально значуща активність яких на робочому місці становить не більше 10 кБк. До цієї групи відносять 38 ізотопи, у тому числі наступні: стронцій-90, радій-223, йод-131, торій-227, рутеній-106 та інші.

В група – радіонукліди середньої радіотоксичності, мінімально значуща активність яких на робочому місті становить не більше 100 кБк. До цієї групи відносять 162 ізотопи, у тому числі наступні: натрій-24, фосфор-32, сірка-35, калій-42, марганець-56, кобальт-60, стронцій-89, цезій-134, барій-140, селен-144 та інші.

Г група – радіонукліди низької радіотоксичності, мінімально значуща активність яких на робочому місці становить не більше 1000 кБк. До цієї групи відносять 75 ізотопів, у тому числі наступні: водень-3, вуглець-14, фосфор-33, мідь-64, кісень-15 та інші, а також усі короткоживучі радіоізотопи, період напіврозпаду яких менше 24 годин.

Проникаюча радіація поширується у середовищі, іонізує його, а при проходженні через живу тканину іонізує атоми і молекули, що входять до складу клітин. Це обумовлює порушення нормального обміну речовин, зміну характеру життєдіяльності клітин, тканин, окремих органів і систем організму.

Внаслідок накого впливу розвиваються променеві ушкодження і хвороби. Тому з радіоактивними речовинами, які застосовуються у відкритому вигляді, працюють тільки в спеціально обладнаних приміщеннях або радіологічних лабораторіях, до яких стапляться спеціальні санітарно-гігієнічні вимоги.

 

Радіочутливість

Всі живі організми мають класову, видову і індивідуальну радіочутливість. Їх радіочутливість оцінюється напівлегальною, критичною і летальною дозами. Складність та різноманітність процесів, що мають місце між початковим поглинанням радіаційної енергії та кінцевим проявом біологічного ушкодження, обумовлюють можливість багаточисельних фізичних, хімічних, біологічних модифікацій.

Розрізняють рівні радіочутливості мікро- (молекули, ДНК, органоїди, клітин, клітини) та макрорадіочутливість (тканини, органи, організм).

Комплексом факторів (захисних і еволюційних) обумовлено, що дози іонізуючого опромінення, які відповідають природному фонові, не шкідливі для жтттєдіяльності переважної більшості організмів. Проте, навіть природний рівень випромінювання, в окремих випадках, може спричинити шкідливі мутації. З підвищенням дози іонізуючої радіації імовірність виникнення таких мутацій зростає.

В основі біологічної дії радіації лежать процеси іонізації і збудження молекул, радіаційно-хімічні реакції, що порушують або змінюють функції біополі мерів, головним чином нуклеїнових кислот і ферментів.

Радіочутливість і радіостійкість – це чутливість біологічних об’єктів до дії іонізуючого випромінювання. Мірою радіочутливості є доза опромінення, що викликає загибель 50% опромінених клітин або організмів (напівлетальна).

Критичною дозою є така, коли гине 75%, а летальною – коли гинуть всі 100% опромінених клітин або організмів Вони у різних біологічних об’єктів можуть розрізнятися в сотні й, навіть, тисячі разів. Так, для клітин організму ссавців 200…250 рад, а для ссавців-тварин – від 350 до 1200 рад (так, 50% гине опромінення протягом 30 діб дозою морські свинки 250 рентген, собаки 335 Р, мавпи 600 Р, миші 550...650 Р,); карасі 1800 Р; гадюки 8000...20000 Р; для комах – 30…50 тис. рад; для інфузорій – 300…500 тис. рад. Рад – це доза кількості поглинутої енергії в 0,01 Дж/кг Більш стійкі одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 Р; амеби – 100000 Р, а інфузорії витримують опромінення до 300000 Р. Рослини значно менш чутливі до радіації, ніж тварини.

Радіочутливість, особливо вищих рослин, теж різна. Так насіння лілії повністю втрачає схожість при дозі опромінення 2000 Р, а на насіння капусти помітно не впливає доза в 64000 Р.

При поглинанні білковими розчинами високих доз (100 Гр і більше) змінюється конфігурація білкових молекул, спостерігається їх агрегація і деструкція. При опроміненні дозами до 50 Гр знижується концентрація вільних амінокислот, зокрема, метіоніну та триптофану, що сповільнює біосинтез білків.

Ферментні системи реагують на опромінення по різному: їхня активність може зростати, знижуватись або залишатись незмінною, проте при великих дозах вони ін активуються.

Опромінення розчину простих цукрів високими дозами спричинює їх окислення і розпад полісахаридів на прості цукри, зменшується в’язкість. Уже при поглинанні організмом доз 5-10 Гр порушуються процеси розщеплення глюкози, знижується вміст глікогену в тканинах.

Іонізуюче опромінення обумовлює підвищення окислюваності ліпідів, що зумовлює утворення перекисів і перерозподіл вмісту ліпідів у різних тканинах. Всі живі організми характеризуються власною радіочутливістю і реакцією на радіацію. Наприклад, деякі найпростіші організми, віруси, бактерії здатні витримувати величезні дози радіації (до 1000 … 10000 Гр, що дорівнює 10000 …1000000 Р) і при цьому зберігати свою життєдіяльність. Низьку чутливість комах і ракоподібних намагаються пояснити підвищеним вмістом у них сполук, які мають радіопротекторні властивості у комах це каталаза, що розщеплює перекиси, а у ракоподібних – амінокислоти, аміни і полі пептиди, що беруть участь у регуляції осмотичного тиску.

У ссавців стійкість до радіації значно менша. Аналіз нещасних випадків показує, що абсолютно смертельна доза радіації для людини дорівнює 600…700 Р, а безпосередні ефекти опромінення не розвиваються при дозах менших до 100 Р короткочасного опромінення.

Радіочутливість клітин зростає прямолінійно зі збільшенням ДНК, розмірів і кількості хромосом та інших структур у клітині, швидкості їх ділення, інтенсивності росту, швидкості та інтенсивності процесів обмінуречовин.

Більшість видів рослин відрізняються від ссавців високою стійкістю до іонізуючого випромінювання і, як правило, тому існуючі рівні опромінення для них не є небезпечними. Хоча є багато даних (І.М. Гудков, 2005), які свідчать про те, що в зонах з високим рівнем радіонуклідного забруднення і у деяких видів рослин виникають певні ураження.

Складність та різноманіття процесів, що мають місце між початком поглинання радіації та кінцевими проявами біологічного ураження, обумовлюють наявність багаточисельних модіфікацій: фізичні, хімічні, біологічні та комплексні фактори можуть модіфікувати значну кількість радіаційних уражень.

Ефект дії радіації залежить також від того, які саме тканини і органи зазнали опромінення.

На радіочутливість впливає хімічний склад клітини, фізіологічний стан (фаза клітинного циклу, фаза диференціації), умови під час опромінення.

Нервові клітини не діляться, тому вони стійкі до радіації. У ссавців печінка, м’язи, кістки, хрящі та сполучна тканина мають досить низьку проліферативну активність і складаються із зрілих спеціалізованих клітин, тому вони характеризуються низькою радіочутливістю.

Найчутливішими до радіації у клітинах ссавців є мітохондрії та ядро. Найбільш чутливі до радіації дуже молоді і дуже старі клітини. Високою радіочутливістю характеризується меристема рослин та стовбурні клітини тварин.

В одному і тому ж організмі клітини, які найменшою мірою контактують зі зовнішнім середовищем, є найбільш чутливі до радіації, хоча складний організм відповідає (реагує) на радіацію системно - як одне ціле.

У гібридних клітин і організмів діапазон від напівлетальних до летальних доз значно ширший, ніж у чистих, чистокровних.

У радіобіології виділяють критичні органи – це органи, тканини, частини тіла, опромінення яких у відповідних умовах спричиняє найбільшу шкоду організмові, здоров’ю.

За радіочутливістю критичні органи поділяють на три наступні групи:

1 група – усе тіло, гонади, червоний кістковий мозок;

2 група – щитовидна залоза (у щитовідній залозі найбільше накопичується радіонуклідів), легені, печінка (печінка займає друге місце після щитовидної залози щодо накопичення радіонуклідів), селезінка, нирки, молочна залоза, м’язи, жирова тканина, шлунково-кишковий тракт, кришталик ока та інші;

3 група – кісткова тканина, шкіряний покрив, передпліччя, долоні, ступні.

М’язи і головний мозок відносятся до радіорезистентних тканин.

Стронцій інтенсивно накопичується в кістках організму, цезій – в печінці, м’язах, серці, нирках, легенях, селезінці; радіоактивний йод – в щитовидній залозі. Їх накопичення в організмі зумовлює стан субкомпенсованого метаболічного ацидозу, порушення кислотно-лужного стану в організмі людини і тварин.

Багатоклітинні організми мають вищу радіочутливість, ніж одноклітинні.

Дози опромінення, що відповідають природному фонові, не шкідливі для життєдіяльності більшості організмів. Проте, навіть природний рівень опромінювання в окремих випадках може спричинити шкідливі мутації. Складність та різноманітність процесів, що мають місце між радіаційним опроміненням та кінцевим проявом біологічного ураження, обумовлюють можливість наявності багатьох модіфікацій. Тобто, різні фізичні, хімічні та біологічні фактори можуть модифікувати різне число і різні форми радіаційних уражень. Наприклад, зміна дози, часу, виду опромінення обумовлюють зміну і радіаційного ефекту (рівня ураження).

Причини різної чутливості організмів до іонізуючого опромінення вивчаються. Наприклад, низьку чутливість комах і ракоподібних пояснюють підвищеним вмістом в них сполук, які мають радіопротекторні властивості: у комах, хітин, каталаза, що розщеплює перекис; у ракоподібних – амінокислоти, аміни і полі пептиди, що беруть участь у регуляції осмотичного тиску.

Фактори, що модифікують ефекти опромінення. Серед цих факторів є фізичні, хімічні та біологічні, а часто вони діють у комплексі.

Серед фізичних факторів слід вказати на ефект “мішені”, точкового нагріву, іонізація.

Хімічні фактори, що впливають на радіаційний ефект, можна поділити на дві такі групи:

1. Сенсибілізатори. Сенсибілізація (лат. sensibilis – чутливість) – це підвищення чутливості організму, окремих органів, тканин, клітин до дії того чи іншого фактору. Сенсибілізація лежить в основі алергічних захворювань.

Наприклад, сенсибілізатором радіочутливості є кисень. Так, у присутності кисню майже всі біологічні системи є більш чутливими до рентгенівського та гама-опромінення, ніж при опроміненні в умовах низького вмісту кисню (гіпоксії) або при його повній відсутності (аноксії). Ця властивість кисню підвищувати ефективність опромінення одержала назву кисневого ефекту. Кисень модифікує радіаційне ушкодження, він не змінює їх якісно, а лише зменшує дозу, яка стає достатньою для індукції певного біологічного ефекту. Сенсибілізаторами є такі сполуки як хінони, ацетофенони, нітрофурани, гліоксани та нітроімідазоли. Підвищують радіочутливість катіони срібла і ртуті.

Сенсибілізатори застосовують при радіотератії, вводячи їх до злоякісних пухлин, при цьому радіочутливість їх підвищується в 2 і більше разів. Велике значення для радіаційно-хімічних реакцій має газове оточення. Дослідження радіосенсибілізації є актуальною проблемою. При цьому слід визначати фізико-хімічні, біохімічні, фізіологічні зміни та особливості радіогенних структурних а також функціональних змін в біологічних системах.

Реакція надчутливості (РНЧ) має важливе значення в радіотерапії. ЇЇ використовують при захисті рослин від фітопатогенних мікроорганізмів. Хоча нині дослідженні лише окремі етапи процесу розвитку РНЧ, які здебільшого торкаються її молекулярного рівня. Представляє інтерес часовий і дозозалежний характер ефектів, які спричинені опроміненням рослин і тварин на різних етапах розвитку реакції надчутливості.

2. Протектори – це група речовин, які знижують ефект опромінення, якщо вони вводяться в організм до опромінення (перед опроміненням). До ефективних радіопротекторів відносять речовини, які містять сульфгідрильні групи (-SH). До них відносяться, наприклад, цистеїн, цистамін, глутатіон, меркаптоетігунідин, S-(2-амін-етіл)-ізотіуроній-бромід та інші речовини.

Додавання протекторів (хімічних захистних агентів) в 1,5-2 рази знижує радіаційний ефект. Але, щоб реалізувати свою захистну дію, протектори мають бути присутніми під час опромінення і знаходитись беспосередньо в місцях критичного радіаційного ушкодження. Пострадіаційне застосування протекторів є не ефктивним. Величину дії радіопротектора виражають фактором зменшення дози (ФЗД) – відношення дози опромінення без застосування радіопротектора до дози, коли застосовується радіопротектор.

Захистна дія радіопротекторів є видоспецифічною. Деякі радіопротектори можуть захищати мікроорганізми і не захищати ссавців.

Паралельно з фізичними (температура, світло, магнітні поля, тиск, вологість) і хімічними факторами на радіочутливість живих систем впливають біологічні фактори. Це перш за все поліферативна активність, фази поділу клітин, різні репараційні процеси, інтенсивність обміну речовин, вік, фізіологічний та клінічний стан організму тощо.

Серед біологічних факторів слід виділити зміна білків, цукрів, ліпідів, проліферативна активність, зміна функції ферментів, гормонів, вітамінів.

Радіоміметика – індукування процесів, подібних до променевого ураження (наприклад симптоми променевої хвороби при відсутності опромінення організму). Явище радіоміметики можна пояснити тільки біологічними факторами.

Причини різної чутливості організмів тварин до іонізуючого опромінення досконало ще не вивчено. Низьку чутливість, наприклад, комах і ракоподібних намагаються пояснити підвищенням вмісту у них сполук, які мають радіопротекторні властивості. У комах це каталаза, що розщеплює перекиси, а у ракоподібних – амінокислоти, аміни і поліпептиди, що беруть участь у регуляції осмотичного тиску. Чутливість ссавців до опромінення залежить від індивідуальних особливостей і умов їхньої життєдіяльності. Найчутливішими до дії радіації є ембріони і немовлята, клітини яких мають високу активність росту. Підвищеною є радіочутливість у старих особин, оскільки у них погіршуються процеси відновлення.

Факторами природної радіостійкості може бути наступне:

- ефективність процесів репарації;

- хімічний склад клітин і організму;

- наявність сіркувмістних сполук у складі клітин і тканин;

- вміст коензіму-А у мітохондріях;

- співвідношення об’ємів цитоплазми і ядра;

- кількість мітохондрій в клітині;

- вміст в клітині плазмідів.

Складність і різноманітність процесів, що мають місце між початком поглинання іонізуючої радіації та кінцевим проявом біологічного ураження, обумовують можливості багато чисельних модифікацій. Різні фізичні, хімічні, біологічні та різні їх поєднання модифікують рівень і форми радіаційного ураження.