Пути проникновения радионуклидов внутрь организма.

Существенным элементом радиационной безопасности является пространственное распределение дозы. Это распределение зависит от того, является ли облучение внешним или внутренним (от инкорпорированных радионуклидов), общим или местным, равномерным или неравномерным. Внутреннее облучение часто становится ведущим для организмов, занимающих третий и четвертый трофические уровни, т.е. находящихся вверху экологической пирамиды. Определяющим является оно и для бентоса и детритоядных. Радионуклиды, оказавшиеся в организме, создают внутреннее облучение органов и тканей. Дозы в каждом участке ткани образуются в результате накопления там радионуклидов и транспорта радионуклидов через соответствующие органы. В общем случае следует добавить и проникающие излучения, приходящие в рассматриваемый объем из других мест.

Мы сталкиваемся здесь с такой ситуацией, когда последствия облучения зависят от того, в какой химической форме или в виде какого химического соединения данные радионуклиды находятся в организме. Различия в дозах в зависимости от химической формы вещества вне и внутри организма могут достигать многих сотен раз.

Накопление радионуклида в данной химической форме в той или иной ткани определяется поступлением его из других мест организма, радиоактивными превращениями в рассматриваемом объеме и химическими процессами, изменяющими химическую форму радионуклида. Одновременно идут и процессы, приводящие к уменьшению содержания радионуклидов в данной форме. Конкуренция всех этих процессов определяет концентрацию радионуклидов в каждый момент времени.

Внутреннее облучение характеризуется рядом особенностей делающих его более опасным, чем внешнее, при одних и тех же количествах радионуклидов.

1. Протяженный характер облучения. Даже при разовом поступлении радионуклида облучение происходит длительно, иногда в течение всей жизни с уменьшающейся мощностью дозы, зависящей от его периода полураспада, депонирующего органа и химической формы. Для таких радионуклидов, как ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra и ²³⁹Pu, скорость выведения из организма особенно мала.

2. Реализуется так называемая 4π-геометрия, т.е. все частицы и кванты воздействуют на ткани. Мы оказываемся лишенными возможности использовать те методы защиты, которые разработаны для внешнего облучения (экранирование, удаление от источника или сокращение времени пребывания в его поле).

3. α-Частицы, от которых человек был экранирован роговым слоем кожи и одеждой, становятся наиболее опасными, так как для них W_R=20.

4. Неравномерность облучения вследствие различий в органотропности радионуклидов. Наибольшему воздействию подвергаются органы поступления и основного депонирования радионуклидов. Исключение составляют те радионуклиды, которые относительно равномерно распределяются в организме, например ³Т, ¹⁴С, ¹³⁷Cs, ²¹⁰Po. Как следствие, возникает представление об органах и тканях, которые в результате подвергаются наибольшему облучению и поэтому становятся критическими.

Критическим является такой орган, который получает наибольшую дозу или усваивает наибольшее количество радионуклидов, играет важную роль для нормального функционирования всего организма, обладает наибольшей радиочувствительностью.

У млекопитающих есть три пути поступления радиоактивных веществ в организм:

1) через органы дыхания (ингаляционный);

2) желудочно-кишечный тракт (пероральный);

3) кожные покровы — транскутанный (перкутантный).

Органы тела человека и животных, через которые осуществляется обмен радионуклидами между внешней средой и организмом, принято называть барьерными. Они находятся на границе внутренней и внешней сред и служат барьером, одной из функций которого является защита организма от вредных воздействий.

Через легкие в организм человека поступают все поллютанты, переносимые воздушным путем. Посредством дыхания у человека происходит наиболее интенсивный обмен веществом и энергией с окружающей средой и этот путь поступления радионуклидов является потенциально наиболее опасным как в производственных условиях, так и дома или в местах, удаленных от производственной деятельности. О скорости метаболизма позволяет судить следующий пример. Человек в среднем вдыхает 20 000 л воздуха или ~ 26 кг газообразных веществ в сутки, в то время как потребление воды составляет всего ~ 2 кг в сутки. Поверхность обмена в легких (поверхность альвеол) - 100 м². Это в ~ 50 раз больше поверхности кожи и в десятки раз больше поверхности желудочно-кишечного тракта.

Еще в конце XIX в. Дж. Тиндал установил, что выдыхаемый воздух гораздо чище вдыхаемого. Иными словами, легкие можно рассматривать как поглотитель или пылесос, эффективно улавливающий пыль, находящуюся в воздухе.

Количество поллютантов, переносимых пылинками, в первом приближении определяется размерами пылинок. Чем они меньше, тем больше их удельная поверхность (поверхность на единицу массы) и больше адсорбционная способность. Частички размером менее 1 мкм обычно называют аэрозолями. Радиоактивные аэрозоли представляют серьезную биологическую опасность, а попав в стратосферу могут находиться там в течение многих месяцев.

Доля радионуклидов, задержанных в дыхательной системе, зависит от размера вдыхаемых частиц, минутного объема и частоты дыхания. Локализация отложения активных частиц в дыхательном тракте также определяется их размерами. Осаждение пылевых частиц в дыхательном тракте в основном происходит в результате трех процессов — инерционного осаждения, седиментации, т.е. осаждения под влиянием силы тяжести, и диффузии. Каждый из них осуществляется в более или менее определенном участке дыхательных путей, а вероятность их осуществления связана с размером осаждающихся частиц.

Инерционное осаждение — механизм, характерный для верхних участков дыхательного тракта — носоглотки, бронхов и трахеи. При дыхании воздух здесь движется со сравнительно большой скоростью (несколько десятков сантиметров в секунду). При резком изменении направления воздушного потока крупные частицы диаметром более 1 мкм продолжают движение по инерции и оседают на слизистых оболочках. В тех разделах дыхательного тракта, где воздух проходит с меньшей скоростью (около 1 см/с), главной причиной осаждения частиц является сила тяжести. Этот механизм действует на частицы, которые избежали инерционного осаждения и поступили в легкие. Обычно это частицы размером менее 1 мкм, т.е. аэрозоли. В легочных альвеолах скорость движения воздуха мала и здесь оседают в основном частицы размерами - 0,1 мкм и менее. Механизм осаждения включает здесь броуновское движение и диффузию.

Таким образом, главным фактором, влияющим на процесс осаждения и локализацию в легких вдыхаемых аэрозольных частиц, является их размер. Для количественной характеристики процесса осаждения пользуются так называемым коэффициентом отложения или задержки, который характеризует долю частиц, отложившихся в том или ином участке дыхательных путей, относительно полного их содержания во вдыхаемом воздухе.

После отложения биологические эффекты будут определяться в первую очередь физико-химическими свойствами и транспортабельностью в организме поглощенных радионуклидов. Если попавшие вещества хорошо растворяются в жидкостях, выстилающих дыхательные пути, то основным является резорбция их в кровеносное русло за период времени около одного часа. В случае нерастворимых и слаборастворимых веществ ситуация иная. Если частички осели в верхних дыхательных путях, то они медленно удаляются из них вместе со слизью движением ворсинок реснитчатого эпителия. Затем эта часть радионуклидов может поступить в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), где в свою очередь может быть резорбирована стенками кишечника. Значительно сложнее судьба у радионуклидов, осевших в альвеолярной части легочной ткани. Например, освобождение лимфатических узлов от поступивших в них радиоактивных веществ происходит за период времени от нескольких месяцев до нескольких лет.

При ингаляции нетранспортабельных и короткоживущих радионуклидов критическими по лучевой нагрузке становятся органы дыхания. Транспортабельные радиоактивные вещества с большим периодом полураспада в основном резорбируются в самой легочной ткани, а частично заглатываются и попадают в кровеносное русло при всасывании из кишечника.

Пищеварительный, или желудочно-кишечный, тракт у человека и млекопитающих является вторым по значимости путем поступления радионуклидов во внутрь организма. Он состоит из отдельных органов для принятия пищи, ее переваривания и всасывания. Через ЖКТ всасываются как нужные для потребностей организма, так и бесполезные или даже вредные вещества, например тяжелые металлы.

Для целей радиационной защиты принимают, что ЖКТ состоит из четырех отделов, схематически показанных на рисунке. Каждый из этих отделов рассматривают как одну камеру, а тонкий кишечник — как единственное место всасывания из ЖКТ в жидкости тела. Считается, что кинетика перемещения вещества из одной камеры в другую описывается уравнениями первого порядка. Облучение других органов и тканей тела обусловлено теми радионуклидами, которые находятся в жидкости тела, а также в некоторых случаях фотонами, испускаемыми из вещества, удерживающегося в ЖКТ.

Роль различных участков ЖКТ в осуществлении процесса всасывания неодинакова. У млекопитающих, в том числе и у человека, наиболее интенсивно этот процесс протекает, как правило, в верхней части тонкого кишечника, где поверхность и время соприкосновения питательных веществ со стенками пищеварительного тракта больше, чем в других участках.

Как и в случае поступления через органы дыхания судьба радиоактивных веществ, попавших в ЖКТ, зависит от их физико-химических свойств и рН среды. Так, если среда кишечника окажется щелочной (рН > 6), то многие растворимые соединения редкоземельных и трансурановых элементов, в частности плутония, превращаются в нерастворимые гидроксиды. Напротив, относительно плохо растворимые в воде вещества в желудочно-кишечном тракте могут превращаться в растворимые компоненты, хорошо всасывающиеся в кровь через эпителий кишечника. Сейчас для нужд радиационной защиты вместо термина «растворимость» используется термин «транспортабельность».

Процесс всасывания в ЖКТ в существенной степени зависит от движения ворсинок эпителия тонкого кишечника. Это многочисленные пальцеобразные выросты длиной ~ 1 мм, в каждом из которых имеется сеть кровеносных сосудов и один лимфатический капилляр. Укорочение ворсинок сопровождается освобождением их от заполняющей среды, а при их удлинении жидкость из кишечника вновь поступает внутрь ворсинки. На движение ворсинок заметное влияние оказывает тип реакции содержимого кишечника: при рН 4,7 движение ворсинок приостанавливается, а при рН 8 ускоряется.

Всасывание радионуклидов в кровь и лимфу количественно характеризуют с помощью коэффициента всасывания или резорбции. Судьба радионуклидов, перешедших из ЖКТ в кровь и лимфу, определяется их химической близостью к элементам, входящим в состав тканей, или потребностью в них организма. Нужно помнить, что во все время нахождения радионуклидов в ЖКТ происходит облучение стенок пищеварительного тракта. Иными словами, ЖКТ становится критическим органом.

Последним и наименее изученным путем поступления радионуклидов является проникновение их через кожу — транскутанное проникновение. Радионуклиды, как и другие вещества, в составе жидких и газообразных соединений проникают через кожу животных и человека достаточно быстро в измеримых, а иногда и в существенных количествах. Так, скорость проникновения в организм человека паров оксида трития и газообразного йода через неповрежденную кожу сравнима со скоростью проникновения этих веществ через дыхательные пути. Количество плутония, проникающего в организм вследствие загрязнения кожи его водорастворимыми соединениями, не меньшее, чем при пероральном поступлении. При приеме радоновой ванны в течение 20 мин в организм проникает через кожу до 4 % Rn.

Существуют два независимых пути, по которым вещества, находящиеся на поверхности рогового слоя, могут проникать в глубь кожи: через гомогенную ткань, а также через поры и каналы. В производственных условиях из-за трещин, царапин ссадин, воздействия химически активных веществ реальная опасность поступления радионуклидов в организм через кожу возрастает. Проникнув таким образом, радионуклиды создают опасность облучения самой кожи и тех внутренних органов, к которым они доставляются с током крови. Облучение кожи не ограничивается базальным слоем эпидермиса, расположенным у человека на глубине ~ 100 мкм, где сосредоточены стволовые и пролиферирующие клетки, но воздействует и на более глубокие области.

Радиационные повреждения внутренних органов не зависят от пути поступления радионуклидов. Дальнейшая судьба радионуклидов зависит от их свойств и химической природы. Одни из них в виде растворов удаляются из организма путем почечной экскреции, другие могут быть задержаны в организме на различные сроки.

Существует три основных типа распределения радионуклидов в организме — скелетный, ретикулоэндотелиальный и диффузный.

Первый тип характерен для нуклидов щелочно-земельной группы элементов (Са, Sr, Ba, Ra), накапливающихся в минеральной части скелета, и некоторых соединений Рu и Th, задерживающихся в костной ткани.

Ретикулоэндотелиальное распределение характерно для редкоземельных элементов Се, Pr, Pm, а также Zn, Th и трансурановых элементов. По третьему типу распределяются щелочные элементы К, Na, Cs, Rb, а также нуклиды Н, N, С, Ро и некоторые другие. Отдельно от трех перечисленных типов распределений стоят, благодаря своей высокой избирательности распределения, радионуклиды иода, которые в основном накапливаются в щитовидной железе.

При переносе внутри организма радионуклиды преимущественно задерживаются в тех тканях, в составе которых имеются аналогичные им по химическим свойствам стабильные элементы. Так как концентрации радионуклидов в организме крайне малы, существенную роль в их распределении играют поступающие одновременно с ними стабильные элементы с аналогичными химическими свойствами, которые являются в данном случае изотопными носителями.

Для радионуклидов стронция, бария и радия изоморфным носителем является стабильный кальций, играющий большую роль в минеральном обмене. Поэтому стронций, барий и радий откладываются преимущественно в костной ткани организма.

Трансурановые элементы не имеют химических аналогов в составе тканей, поэтому судьба их в гораздо большей степени зависит от физико-химических свойств вводимых соединений: растворимости, способности образовывать комплексы, коллоидные или полимерные формы. Помимо такого макрораспределения радионуклидов в организме существует и их микрораспределение в различных органах и тканях.

Переход радионуклидов из барьерного органа в плазму крови и лимфу характеризуется коэффициентом всасывания (ресорбции). Радиоактивные вещества, попавшие в барьерные органы, еще не включаются в процессы обмена, протекающие в организме, но если они там распадаются, то их излучение оказывает воздействие на организм и барьерные органы вполне могут стать критическими. Только после перехода радионуклидов во внеклеточные жидкости становится возможным их транспорт и наряду с проблемой облучения барьерных органов возникает проблема внутреннего облучения.

Коэффициент f, равен отношению количества радиоактивного вещества, поступившего в плазму крови и лимфу (межклеточные жидкости), к количеству его, однократно попавшему в барьерный орган. Часть вещества, перешедшего в плазму и лимфу, в конце концов откладывается в некоторых внутренних органах.

После попадания в барьерный орган радионуклиды перемещаются в жидкости тела со скоростью, определяемой константами скорости для различных камер в дыхательной системе и ЖКТ. Радиационные последствия будут определяться еще и постоянной радиоактивного распада данного радионуклида.

Время перехода радионуклидов из межклеточной жидкости в органы зависит от многих обстоятельств и измеряется часами. Так, йод обнаруживается в щитовидной железе уже через несколько минут после внутривенного введения, а полный переход его из крови в щитовидную железу заканчивается в течение 10—15 ч. В общем случае вначале преобладает накопление радионуклидов в органе, а затем, после достижения максимального значения, — убыль.

Характерной чертой внутреннего облучения является определяющая роль α- и β-излучений в формировании лучевого поражения. Они оказывают существенное воздействие на эндотелий и эпителий воздухоносных путей и кишечника, в которых они поглощаются. При внутреннем облучении организм уже не является просто «жертвой облучения», он сам играет активную роль в формировании тканевых доз из-за транспортных и метаболических процессов, обусловливающих накопление и выведение радионуклидов из определенных органов и тканей.

По способности накапливать радионуклиды основные органы можно расположить следующим образом: щитовидная железа, печень, кишечник, почки, скелет, мышцы. По скорости выведения радионуклидов органы располагаются обычно несколько иначе: щитовидная железа, печень, почки, селезенка, кожа, мышцы, скелет.

Последствия облучения инкорпорированными радионуклидами зависят, прежде всего, от эффективности выведения их из организма, на что в основном и направлены профилактические и лечебные мероприятия. В этих целях нужно как можно быстрее применить методы и средства, направленные на снижение их всасывания и ускорение выведения из организма. К числу таких мероприятий относятся: прием препаратов, сорбирующих радионуклиды, промывание желудка, назначение слабительных и т.д.

Различия в химических состояниях веществ, поступающих внутрь организма, могут приводить, например в случае ³Н или ¹⁴С, к различиям в получаемых дозах в 100—1 000 раз. В то же время малая энергия распада, естественно, приводит к малым дозовым коэффициентам. Очень поучительно сравнить дозовые коэффициенты для ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Их принято рассматривать как «главные» дозообразующие радионуклиды антропогенного происхождения. Внешнее облучение определяется ¹³⁷Cs и почти не зависит от ⁹⁰Sr при одинаковых уровнях загрязнения территорий. Что касается внутреннего облучения, ситуация прямо противоположная.