1.2. ПУТИ ПОСТУПЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМ
Рис. 1.1. Основные пути обмена радионуклидов в организме
Определение путей проникновения радионуклидов в организм имеет важное практическое значение. Для некоторых радиоактивных веществ путь ведения существенно влияет на характер всасывания, распределение, выведение и биологическое действие.
Необходимо знать: какие количества могут проникнуть тем или иным путем, как быстро происходит всасывание, как изменяется скорость всасывания с течением времени.
Радиоактивные вещества могут поступать в организм через органы дыхания, пищеварительный тракт, кожу. При аварийных ситуациях и в чрезвычайной обстановке возможно проникновение радионуклидов через царапины, раны и ожоговую поверхность. На рис. 1.1 схематически показаны возможные пути поступления, обмен и выделение радионуклидов из организма.
Наиболее вероятным источником возможного поступления радиоактивных веществ в организм человека являются воздух, загрязненный радиоактивными газами и аэрозолями, а также продукты питания. Загрязнение окружающей среды радионуклидами может быть при взрывах атомных бомб, а также в результате выброса отходов предприятий атомной промышленности: АЭС, заводов по переработке ядерного горючего, экспериментальных установок и научно-исследовательских лабораторий. Поступление радионуклидов во внешнюю среду может быть при аварии ядерных установок, реакторов.
С вдыхаемым воздухом в организм человека могут попадать газы, пары и взвешенные в воздухе жидкие и твердые частицы. Дисперсные системы, представляющие собой взвесь твердых и жидких частиц в воздухе или в другой газообразной среде, называются аэрозолями. По размеру частиц аэрозоли условно разделяют на пыль, туман и дым. Диаметр частиц пыли — более 10 мкм, тумана — от 10 до 0,1 мкм, дыма — от 0,1 до 0,001 мкм. Последние частицы легко диффундируют, участвуют в броуновском движении и не осаждаются в воздухе.
По своему происхождению аэрозоли подразделяют на дисперсные, образующиеся при измельчении радиоактивных веществ, и конденсационные, возникающие вследствие конденсации при испарении веществ.
Рис. 1.3. Дыхательный тракт: носоглотка, трахеобронхиальный и пульмональный отделы легких:
a, b, c, d, е, f, g, h, i — доли переноса активности из легких в кровь. ЖКТ и лимфатические узлы
Рис. 1.2. Схема отложения аэрозольных частиц в дыхательном тракте
По своим физико-химическим свойствам аэрозоли разделяют на заряженные (уни- и биполярные) и незаряженные. По однородности размеров частиц их делят на моподисперсные и полидисперсные.
По степени проникновения в легочные альвеолы различают респирабельную фракцию, 5—10 мкм и ниже, и нереспирабельную более 15—20 мкм (Фукс, Быховский).
«Судьба» отложившихся аэрозолей в легких во многом зависит от физико-химических свойств вещества. Хорошо растворимые соединения радиоактивных веществ быстро всасываются в дыхательные пути и поступают в кровяное русло. В отличие от растворимых аэрозольных частиц, нерастворимые в значительном количестве осаждаются на стенках органов дыхания, затем удаляются из легких с помощью слизи и ресничек мерцательного эпителия бронхов.
Для оценки количественной задержки и отложения пылевых частиц в легких применяют коэффициент отложения, представляющий собой отношение количества частиц, отложившихся в дыхательных органах, к содержанию их во вдыхаемом воздухе. На рис. 1.2 показана зависимость между размером частиц и их отложением в верхнем и нижнем отделах органов дыхания (Морроу).
Мелкодисперсные аэрозоли с диаметром частиц 0,1 — 0,001 мкм в значительных количествах задерживаются в альвеолах, более крупные (1 —10 мкм) —в трахее и легких, а аэрозоли с диаметром частиц более 10 мкм — в носоглотке.
Дисперсность аэрозольных частиц во вдыхаемом воздухе может быть различной — от тысячных долей микрона до десятков микрон. Для размера радиоактивных аэрозолей имеет значение характер их образования. При коагуляции активность аэрозольных частиц прямо пропорциональна их радиусу. Если частицы абсорбируются на субмикроскопических пылинках, то активность каждой пылинки пропорциональна ее поверхности. При распылении твердого или жидкого радиоактивного вещества активность обычно пропорциональна объему пылинки [84].
В реальных условиях часто приходится иметь дело с полидисперсными аэрозолями, где не всегда объем частицы характеризует ее активность. В этом случае для оценки биологического эффекта — задержки частиц в органах дыхания — важное значение имеет не счетный медианный диаметр (СМАД), а массовый медианный аэродинамический диаметр (ММАД), или медианный аэродинамический диаметр распределения аэрозолей по активности (АМАД) (В. И. Бадьин).
При ингаляционном пути поступления радиоактивные аэрозоли всасываются не только легкими, но и желудочно-кишечным трактом (ЖКТ). В зависимости от размера аэрозольных частиц, их растворимости величина всасывания в легких или ЖКТ меняется. При ингаляции нерастворимых радионуклидов или короткоживущих аэрозолей органы дыхания могут быть критическими вследствие большой лучевой нагрузки. Всасывание труднорастворимых радионуклидов легкими происходит в значительно меньшей степени, чем ЖКТ. Аэрозольные частицы диаметром 10 мкм и больше почти полностью задерживаются в носоглотке и поступают не в легкие, а в ЖКТ. Так, около 50% всех радиоактивных аэрозолей в ближайший час поступает в желудок и кишечник (Кон и др.), поэтому при ингаляции труднорастворимых радиоактивных веществ определяющим является их всасывание из ЖКТ.
Таблица 1.1. Резорбция радиоактивных веществ из легких и ЖКТ по отношению к введенному количеству [37]
Примечание. Данные по резорбции значительно варьируют в зависимости от дисперсности частиц и вида соединения, в составе которого радионуклид поступает в организм.
Легочная динамика «метаболизма» аэрозолей показана на рис. 1.3 (Морроу). Видно, что значительное количество аэрозолей может поступать из носоглотки и трахеобронхиального отдела легких в ЖКТ. Несмотря на те что легкие играют меньшую роль в процессе всасывания труднорастворимых радиоактивных веществ, ингаляционный путь поступления для растворимых радионуклидов считается одним из основных и наиболее опасных.
Поступление радиоактивных веществ в ЖКТ может происходить с пищей и водой. При попадании радионуклидов во внешнюю среду они могут по пищевым биологическим цепочкам поступать в организм человека. Поэтому путь поступления радиоактивных веществ в ЖКТ и их продвижение в основном такой же, как и обычных химических веществ, содержащихся в пищевых продуктах. На процессы всасывания радионуклидов из ЖКТ существенно влияют pH среды, физико-химический состав соединения, состояние пищеварительного тракта. Для количественной оценки всасывания радиоактивного вещества из ЖКТ в кровь и лимфу в токсикологии используют величину, называемую коэффициентом резорбции или всасывания. Это — доля радионуклида, обнаруженная в организме за определенное время наблюдения по отношению к исходному количеству.
По значению коэффициента всасывания все радионуклиды подразделяются на четыре группы: обладающие высокой степенью резорбции в легких и ЖКТ (75—100%); со значительной резорбцией в легких (25—50%) и в ЖКТ (10—30%); с умеренной резорбцией в кишечнике (1 —10%) и значительным всасыванием в легких (25—30%); практически не всасывающиеся в кишечнике (0,1—0,00001%) и хорошо резорбируемые из легких (20—25%) (табл. 1.1).
Существенно влияет на резорбцию химическая форма поступающего в организм соединения. Так, цитратный комплекс плутония всасывается до 0,2—0,3%, а нитрата плутония — всего 0.005—0,0005%. Щелочные металлы в ионной форме всасываются в ЖКТ очень быстро. Плохо резорбируются радионуклиды, которые в кишечнике образуют труднорастворимые комплексы, микроколлоиды и нерастворимые соли. Важное значение для всасывания радионуклидов имеют стабильные изотопы: Fe, Са, Zn, Со и др. Так, с увеличением в пище концентрации стабильного Fe, Са, Ζn и Со уменьшается резорбция в кишечнике 59Fe, 49Са, 65Ζn, 60Со. Пища, богатая кальцием, понижает резорбцию 90Sr в кишечнике и уменьшает отложение его в скелете. Однако стабильные изотопы некоторых щелочноземельных элементов, содержащиеся в пище, не существенно влияют на всасывание радия и бария.
На величину всасывания радиоактивных веществ влияет характер пищи и скорость продвижения ее по кишечнику. Поступление стронция с молоком, например, значительно увеличивает его всасывание в организме. Резорбция радионуклида в кишечнике зависит также от возраста животного. У молодых, растущих животных больше всасывается радиоактивного стронция, чем у взрослых. Это связано с большим потреблением организмом минеральных солей, которые необходимы для построения скелета. На величину всасывания радионуклида также влияет количество вводимого вещества в единицах активности, особенно при повторных введениях и хроническом поступлении в организм.
Помимо перечисленных факторов, влияющих на резорбцию радионуклидов, важное значение имеет исходное функциональное состояние организма (центральной нервной системы, вегетативных отделов и нейроэндокринной системы). Возбуждение нервной системы способствует повышению всасывания радионуклидов в организме, торможение резко замедляет этот процесс. Часть радиоактивных веществ после всасывания в кровь и лимфу разносится по организму, а оставшееся количество радионуклидов через некоторое время удаляется из кишечника. За время прохождения по ЖКТ радиоактивные вещества облучают стенку кишечника на всем его протяжении. Таким образом, при поступлении радиоактивных веществ через рот отдельные участки ЖКТ могут получать значительную дозу облучения, и в некоторых случаях ЖКТ становится критическим органом.
До недавнего времени многие исследователи недооценивали кожный путь поступления радиоактивных веществ в организм. В экспериментах па животных и клиническими наблюдениями было показано, что большинство радионуклидов может проникать через неповрежденную кожу [111].
Несмотря на то что при поступлении веществ через кожу определяющими факторами являются закономерности клеточной проницаемости, кожа имеет ряд специфических особенностей. Проникновение радионуклидов кроме клеточных слоев происходит через межклеточные сочленения клеток кожи. Следует также подчеркнуть исключительно сложную гистологическую структуру кожи, наличие сальных и потовых желез, волосяных фолликулов, которые в значительной степени определяют специфику кожной проницаемости. При наличии на коже механических, химических или термических повреждений (ссадин, трещин, царапин, ран) — проницаемость ее по отношению к радионуклидам резко увеличивается. Это объясняется тем, что главную роль в барьерной функции кожи играет роговой слой эпидермиса. При повреждении или удалении рогового слоя радиоактивные вещества могут свободно проникать в нижележащие слои кожи и в кровь.
На всасывание радионуклидов через кожу существенно влияет внешняя температура. При повышении температуры происходит расширение кровеносных сосудов кожи, раскрытие сальных и потовых желез, что способствует всасыванию радионуклидов. При поступлении радиоактивных веществ, находящихся в воздухе, при всасывании через кожу важное значение имеют давление пара и отложение вещества на поверхности кожи. Проникновение радиоактивных веществ через кожу зависит от физико-химических свойств соединения, pH среды, растворимости в воде, жирах и физиологического состояния кожи. Жирорастворимые соединения могут быстро и в больших количествах всасываться через кожу, и скорость их проникновения вполне сравнима со скоростью всасывания через пищеварительный тракт. Большинство исследователей считает, что всасывание электролитов из водных растворов через кожу происходит трансфолликулярным путем.
Для количественной оценки величины поступления радионуклидов через кожу используют термин «коэффициент всасывания». Это количество активности, обнаруженное в организме за определенное время наблюдения, по отношению к исходному количеству, нанесенному на кожу. Процесс всасывания характеризует также скорость поступления радионуклида через кожу, которая выражается количеством радиоактивного вещества, поступившего через определенный участок поверхности кожи за единицу времени. Значения коэффициента всасывания различных радионуклидов при поступлении их через неповрежденную кожу приведены в табл. 1.2. Видно, что поступление радионуклидов в организм зависит от химического состава наносимого на кожу соединения. Эти данные показывают, что проницаемость кожи человека и различных видов животных к одному и тому же нуклиду не одинакова. Из сравнения данных по величине поступления радиоактивных веществ через органы дыхания и ЖКТ (см. табл. 1.1 и 1.2) видно, что через кожу они проникают в значительно меньших количествах.
Таблица 1.2. Поступление некоторых радионуклидов через неповрежденную кожу
Примечание. Данные по всасыванию значительно варьируют в зависимости от величины загрязненного участка кожи, времени воздействия, вида животных и формы соединения.
При поступлении радиоактивных веществ через кожу происходит облучение как самой кожи, так и внутренних органов. Наиболее чувствительным к действию радионуклидов является базальный слой кожи, где находятся ростковые клетки эпидермиса.
Кроме рассмотренных путей поступления радиоактивные вещества могут проникать в организм через конъюнктиву глаз. В медицинской практике применяется внутримышечное введение радионуклидов с целью диагностики и терапии некоторых заболеваний. Резорбция радионуклидов при различных путях поступления неодинаковая. Быстрее всего радиоактивные вещества резорбируются при внутрибрюшинном, внутримышечном введении, значительно медленнее — при подкожном.
Экспериментальными исследованиями установлено, что радиоактивные вещества могут поступать через плаценту в организм развивающегося плода. В значительных количествах проникают через плаценту НТО, 131I, 59Fe, 137Cs, 32P и др.
Радионуклиды могут поступать с молоком кормящих самок к потомству. С молоком хорошо выделяются НТО, 131I, 90Sr и др.
