Особенности биологического действия радиоактивных аэрозолей

  4.1. Кинетика радионуклидов в организме при ингаляционном поступлении

Считается, что при одних и тех же количествах радионуклидов внутреннее облучение существенно опаснее для человека, чем внешнее. Это обусловлено тем, что при внутреннем облучении нет возможности применить те способы защиты, которые используются при внешнем облучении - нельзя ни удалиться от источника облучения, ни защититься от него, ни сократить время облучения[18]. К тому же при внутреннем облучении радионуклиды могут накапливаться избирательно в каких-то органах, усиливая облучение этих органов.

Радионуклиды, которые попали внутрь организма, называют инкорпорированными радионуклидами. Существует три пути попадания радионуклидов из внешней среды внутрь человеческого организма: с воздухом через органы дыхания (ингаляционное поступление), с водой и пищей через органы пищеварения (пероральное поступление) и через кожу[19]. При поступлении радионуклида внутрь организма степень его опасности для человека определяется скоростью его всасывания в кровь, скоростью выведения из организма а также способностью этого нуклида накапливаться в том или ином органе. Эти процессы зависят от следующих важных факторов: химической формы соединения радионуклида и степени растворимости этого соединения в той жидкой среде, в которую он поступил, от времени нахождения этого радионуклида в органе, от состояния организма (например, если аналога поступившего радионуклида в организме не хватает, радионуклид будет откладываться именно в местах концентрации недостающего аналога) и, конечно, от функциональных особенностей органа, в который радионуклид поступил.

Считается, что из трех возможных путей поступления радионуклидов в организм (ингаляционный, пероральный и через кожу) наибольший вред человеку причиняет вдыхание загрязненного радионуклидами воздуха. Это обусловлено, во-первых, большим количеством потребляемого воздуха (через легкие за сутки проходят большие объемы воздуха, около 20 м³, воды же всего около 2 л). Во-вторых, радиоактивное вещество, поступающее ингаляционным путем в организм человека, имеет возможность поступать непосредственно в кровь, и, в-третьих, органы дыхания обладают прекрасной адсорбирующей способностью, в частности, из-за своей большой площади поверхности (площадь дыхательной поверхности легких - 50 - 55 м²).

Ингаляционное поступление аэрозолей внутрь организма осуществляется через органы дыхания, которые состоят из носовой полости, глотки, трахеи, бронхов и легких. На рис. 4.1 изображено схематически строение органов дыхания человека, а в табл. 4.1. представлены элементы дыхательной системы человека. Воздух вдыхается через нос и рот и спускается в легкие по трахее и по разветвляющимся, как дерево трубкам - бронхам и бронхиолам. На конечных бронхиальных веточках «бронхиального дерева» находятся альвеолы - крохотные мешочки, заполненные воздухом. Легкие похожи на губку, поскольку они состоят из миллионов таких мельчайших мешочков. Альвеолы оплетены густой сетью капилляров, и именно здесь происходит жизненно важный обмен кислорода и углекислого газа. В альвеолах кровь непосредственно контактирует с вдыхаемым воздухом; при этом кислород (вместе с радиоактивными веществами) поступает в кровоток, а углекислый газ из него выходит и выдыхается.

 

Слизистая оболочка дыхательных путей (трахеи, бронхов и бронхиол) выстлана мерцательным эпителием, клетки которого имеют на внешней поверхности тончайшие выросты - реснички, способные сокращаться. Сокращение ресничек совершается ритмически и направлено в сторону ротовой и носовой полостей, т.е. можно сказать, что наличие мерцательного эпителия является защитной реакцией организма, благодаря которой часть аэрозольных частиц, попавших в дыхательную систему, возвращается обратно - реснички мерцательного эпителия перемещают (со скоростью ~      3 - 4 см/мин) к полости рта твердые частицы, попавшие в верхние дыхательные пути. Наиболее эффективно удаляются из легких частицы размером более 2 мкм. Для очень мелких частиц (< 1 мкм) роль мерцательного эпителия незначительна.

                           Таблица 4.1

Размеры элементов дыхательной системы стандартного человека

Элемент дыхательной системы	Количество элементов в дыхательной системе	Длина, см
Трахея	1	12
Главный бронх	2	2,5 – 5
Бронх 1-го порядка	12	3
Бронх 2-го порядка	100	1,5
Бронх 3-го порядка	770	0,5
Бронхиолы	54 000	0,3
Альвеолярные мешочки	52 000 000	0,03

Таким образом, в процессе дыхания аэрозольные частицы вместе с воздухом через трахею и бронхи попадают в альвеолярные ткани, а оттуда (после преобразования в растворимую форму) в лимфатическую систему или кровь.

На рис. 4.2. схематически представлен ингаляционный путь поступления, перераспределения и выделения радионуклидов из тела человека. В легких соединение, содержащее радионуклид может реагировать с окружающей средой, поэтому химическая форма радионуклида может измениться, например, радионуклид может стать растворимым. В этом случае радионуклид в составе растворенной фракции вещества частицы проникает через легкие (барьер) в жидкости тела.

Проникшие в жид-кости тела радиоактивные атомы переносятся жидкостями тела в другие внутренние органы, где они могут удерживаться длительное время. Эти органы (например, печень, почки) называются органами вторичного депонирования[20]. Избавление организма от радиоактивного вещества возможно или вследствие радиоактивного распада или в результате выделения радиоактивного вещества – в основном с мочой и калом. На рис. 4.2 перемещение радионуклидов в виде нерастворившихся частиц аэрозоля обозначено стрелками с кружками, преобразование химической формы радиоактивного вещества в растворимую форму – стрелками с квадратиками, и в преобразованной (растворимой) химической форме – простыми стрелками.

Таким образом, дальнейшая судьба вдыхаемых частиц или аэрозолей, задержанных в различных отделах дыхательного тракта, зависит от многих факторов, среди которых основным является растворимость радионуклида или его способность к гидролизу и комплексообразованию. Если радиоактивное вещество растворимо в воде и биологических средах, то оно будет хорошо и быстро всасываться в легких. При этом хорошо растворимый радионуклид в легких не концентрируется, а значит и не создает в них большую дозу излучения. Когда вдыхаемый воздух содержит радионуклид (или его соединение), относящийся к классу трудно растворимых, тогда этот радионуклид будет накапливаться в легких (вследствие медленного выведения этих соединений из легких).

Для того, чтобы можно было нормировать поступление радионуклидов через органы дыхания в форме радиоактивных аэрозолей, их химические соединения разделены на три типа в зависимости от скорости перехода радионуклида из легких в кровь:

· тип «М» - медленно растворимые соединения – при этом соединение радионуклида выводится из легких в кровь со скоростью 0,0001 сут^-1;

· тип «П» - соединения, растворимые с промежуточной скоростью – при этом соединение радионуклида выводится в кровь со скоростью 0,005 сут^-1;

· тип «Б» - быстро растворимые соединения – они выводятся в кровь со скоростью 100 сут^-1;

· тип «Г» - если радионуклид поступает в легкие в форме радиоактивного газа или паров соединений радионуклида.

g

Принадлежность радионуклида к тому или иному типу при ингаляции определяется той формой химического соединения, с какой радионуклид поступает в легкие. Так, например, наиболее медленно переходящими в кровь являются оксиды, гидроксиды и некоторые другие соединения. Некоторые радионуклиды нормируются только по одному типу, а некоторые – по нескольким. В табл.4.2 приведено распределение соединений некоторых элементов по типам при ингаляции. Радионуклид, попавший в нерастворимой химической форме в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, в дальнейшем может либо перейти в растворимую форму (тогда он будет перемещаться в соответствии со стрелками         и    на   рис. 4.2), либо остаться в легких, если растворения не произойдет.

Таблица 4.2

 Распределение соединений некоторых элементов по типам

при ингаляции [7]

Элемент	Символ	Тип	Химическое соединение
Хром	Cr	М	Оксиды, гидроксиды
		П	Галогениды, нитраты
		Б	Иные соединения
Марганец	Mn	П	Оксиды, гидроксиды, галогениды, нитраты
		Б	Иные соединения
Железо	Fe	П	Оксиды, гидроксиды, галогениды
		Б	Иные соединения
Кобальт	Со	М	Оксиды, гидроксиды, галогениды, нитраты
		П	Иные соединения
Стронций	Sr	М	SrTiO3
		Б	Иные соединения
Цирконий	Zr	М	Карбид
		П	Оксиды, гидроксиды, галогениды, нитраты
		Б	Иные соединения
Иод	I	Б	Все соединения
		Г	Элементарный иод, метилиод СН3I
Цезий	Cs	Б	Все соединения
Свинец	Pb	Б	Все соединения
Висмут	Bi	Б	Нитраты
		П	Иные соединения
Полоний	Ро	П	Оксиды, гидроксиды, нитраты
		Б	Иные соединения
Радий	Ra	П	Все соединения
Торий	Th	М	Оксиды, гидроксиды
		П	Иные соединения
Уран	U	Б	UF6, UO2F2, UO2(NO3)2
		П	UO3, UF4, UCl4
		М	UO2, U3O8
Плутоний	Pu	М	Оксиды, гидроксиды
		П	Иные соединения

По характеру распределения в организме человека радионуклиды разделяются на несколько условных групп. Например, такие элементы как ⁹⁰Sr, ²²⁶Ra накапливаются преимущественно в скелете, радионуклиды ¹⁰⁸Au и ²¹⁰Po - концентрируются в кроветворных органах и лимфатической системе, равномерно распределяются во всех органах и тканях ³Н, ¹⁴С, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ¹⁰³Ru, ¹³⁷Cs.

В настоящее время существует достаточно много типов моделей, описывающих поведение радионуклидов в организме человека. В дозиметрии и в практике радиационного контроля широко применяются так называемые линейные камерные модели транспорта радионуклидов в организме: организм представляется в виде совокупности отделов (камер), выделяемых на основании анатомо-физиологических, биохимических и кинетических особенностей. Константы, характеризующие скорости переноса радионуклида между камерами, могут быть или постоянными или зависеть от времени. Какая-то часть радионуклида, попавшего в барьерный[21] орган (например, легкие) может раствориться, тогда эта растворенная фракция попадает в кровеносный поток, который доставляет радионуклид в органы депонирования. Из органов депонирования радионуклид постепенно поступает обратно в кровь, перераспределяясь между органами. Таким образом, все органы депонирования связаны друг с другом через кроветворную систему. Для каждой камеры можно записать дифференциальное уравнение баланса числа атомов радионуклида, находящегося в данной камере. А общая совокупность связанных между собой камер, характеризующих организм человека, описывается системой линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами:

, i = 1, …, N,      (4.1)

где x_i и x_j – функции от времени, описывающие содержание радионуклида в камерах i и j соответственно, r_ij – коэффициенты переноса, имеющие смысл доли содержимого камеры i, переносимого за единицу времени в камеру j, а N – общее число камер в системе. Коэффициенты переноса могут отличаться по величине на несколько порядков, поэтому традиционные математические методы решения подобной системы уравнений могут давать большую погрешность. В таких случаях применяются специальные математические методы.

  4.2. Распределение радиоактивных частиц в органах

   дыхания человека

 Распределение в органах дыхания радиоактивных частиц, поступивших ингаляционным путем, определяется размерами аэрозольных частиц. При рассмотрении осаждения частиц в дыхательных путях все отделы дыхательной системы представляются последовательностью фильтров, захватывающих взвешенные частицы при вдохе и выдохе. Осаждение частиц на фильтре происходит за счет двух конкурирующих процессов – аэродинамического и термодинамического осаждения.

Аэродинамическое осаждение представляет собой процессы гравитационного и инерционного осаждения, оно характерно для частиц с диаметром от 0,5 мкм и более. Аэродинамическое осаждение определяется конфигурацией воздухопроводящих путей, скоростью движения и диаметром частицы. В диапазоне диаметров частиц от 0,5 до 100 мкм дисперсность характеризуется активностным медианным аэродинамическим диаметром (АМАД) d_ae, который определяется как диаметр частицы единичной плотности, которая имеет ту же скорость гравитационного осаждения в воздухе, что и рассматриваемая частица

,                                         (4.2)

где d - геометрический размер частицы, r - плотность аэрозольных частиц, г/см³, c - единичная плотность, c = 1,0 г/см³.

Термодинамическое осаждение обусловлено броуновским движением частиц, имеющих диаметр меньше 0,5 мкм. Для частиц, имеющих диаметр от 0,6 нм до 0,5 мкм дисперсность характеризуется активностным медианным термодинамическим диаметром (АМТД), который определяется как диаметр частицы единичной плотности, которая имеет такой же коэффициент диффузии в воздухе, что и рассматриваемая частица:

d_th = d.                                           (4.3)              

 

 

Для частиц с геометрическим диаметром меньше 0,1 мкм основной процесс осаждения – термодинамический, для частиц, с диаметром больше 1,0 мкм – аэродинамический.

Таким образом, при вдыхании воздуха радиоактивные вещества, содержащиеся в нем, задерживаются на всем протяжении дыхательного пути, начиная от носоглотки и кончая глубокими альвеолярными отделами легких, причем глубина проникновения определяется размерами частиц.

 

 

Таблица 4.3

 Скорость дыхания при различных уровнях физической активности

Возраст	Скорость дыхания, м3/ч
	Отдых (сон)	Сидячая работа	Легкая нагрузка	Большая нагрузка
Взрослый мужчина	0,45	0,54	1,5	3,0
15 лет, м.	0,42	0,48	1,38	2,92
1 год	0,15	0,22	0,35	-

     

               Таблица 4.4

Осаждение (%) стандартных аэрозолей в различных отделах

 органов дыхания стандартного работника (данные [14])

Область дыхательной системы	АМАД ингалированного аэрозоля
	1 мкм	5 мкм
Экстраторакальная область
Передняя часть носа (ЕТ1 на рис. 4.1)	16,5	34
Задняя часть носа, глотка и гортань (ЕТ2)	21,1	40
Торакальная область
Бронхиальная область, включающая в себя воздухоносные пути от трахеи до бронхов (ВВ)	1,24	1,8
Бронхиолярная область, включающая в себя воздухоносные пути от бронхов до бронхиол (вв)	1,65	1,1
Альвеолярная область, включающая в себя воздухоносные пути от бронхиол до альвеолярных мешков включительно и соединительную ткань (АI)	10,7	5,3
Суммарное осаждение	51,2	82

Современные модели позволяют рассчитывать осаждение в органах дыхания аэрозольных частиц, имеющих различную дисперсность. Для этого оказалось удобным представить органы дыхания двумя отделами – экстраторакальным[22] и торакальным[23] (см. рис. 4.1). Объем и скорость вдыхаемого воздуха, а также распределение частиц по органам дыхания зависят от возраста человека и от его физической активности. Для примера в табл. 4.3 приведены значения скорости дыхания для лиц различного возраста, имеющих различную физическую нагрузку.

Осаждение радиоактивных частиц в различных отделах органов дыхания стандартного[24] рабочего представлено в табл. 4.4. На рис. 4.3 показано осаждение стандартных[25] аэрозолей в различных отделах органов дыхания стандартного работника.