1.3. КИНЕТИКА ОБМЕНА. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ВЫВЕДЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ
Поступив в организм, радиоактивные вещества 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, так как дает представление о преимущественном лучевом поражении тех или иных органов, позволяет понять механизм действия радионуклида, установить критический орган, оценить величину облучения критического органа и дать заключение о прогнозе лучевого поражения.
В отечественной и иностранной литературе имеется большое число работ по изучению особенностей обмена и закономерностей распределения радионуклидов в организме [13, 37, 113, 159]. Однако изучение вопросов распределения нельзя считать завершенным, так как метаболизм радионуклидов в организме представляет собой динамический процесс, обусловленный физико-химическими и физиологическими факторами.
При оценке величины депонирования следует различать «концентрацию» и «содержание» радионуклида в органах и тканях. Концентрация характеризует удельную активность массовой доли органа. Единицей измерения является одно ядерное превращение в секунду, или беккерель (Бк). Кроме того, концентрация может быть выражена в процентах введенного количества. Содержание — это абсолютная активность в целом органе. При хроническом поступлении радиоактивных веществ с пищей в целом организме или отдельном органе ежедневно накапливается определенная доля поступившего за этот период количества. Такой процесс ежедневного накопления радионуклида в организме характеризует кратность накопления, т. е. величину, показывающую, во сколько раз содержание радионуклида в организме или в органе превышает введенную дозу. Так, если к концу наблюдения в организме содержится 150% суточного поступления, то кратность накопления будет равна 1,5.
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 к определенным органам, где и откладываются. Орган с преимущественным накоплением радионуклида, подвергающийся наибольшей опасности вследствие значительного облучения, называется критическим органом.
Существует понятие «коэффициент отложения» радиоактивного вещества. Это доля радионуклида, поступившая из крови в данный орган. Если радионуклид всасывается через кишечник, то через 5—10 мин после введения он поступает в кровь и лимфу. Концентрация его в крови зависит от введенного количества, скорости резорбции и скорости выделения из организма. Кровь является активной средой, вступающей во взаимодействие с молекулами радионуклида, образуя растворимые и нерастворимые комплексы. Поэтому в органы и ткани радионуклид может поступать как в свободном состоянии, так и в виде радиоколлоидов.
Все радионуклиды по характеру своего распределения условно делят на четыре группы:
- остеотропные — 32P, 45Са, 90Sr, 90Y, 95Zr, 226Ra, 238U, 239Pu (цитрат);
- преимущественно накапливающиеся в органах с ретикулоэндотелиальной тканью — 140La, 144Ce, 147Pm, 227Ac, 239Th, 239Pu (нитрат);
- специфически участвующие в обмене веществ и избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях: 131I в щитовидной железе, 59Fe в эритроцитах, 65Zn в поджелудочной железе, "Мо в радужной оболочке глаза;
- равномерно распределяющиеся по всем органам и тканям: 3Н, 40К, 86Rb, 95Nb, 106Ru, 137Cs.
Характер распределения радиоактивных веществ в организме не является неизменным. Имеется целый ряд факторов, которые могут существенно менять характер распределения радионуклидов. Распределение радионуклидов в организме обусловлено их химическими свойствами, способностью образовывать коллоиды и легко гидролизоваться.
Ю. И. Москалев показал, что существует определенная связь между валентностью элементов и их распределением. Автор установил, что одновалентные катионы (Li, Na, К, Rb и Cs) равномерно распределяются в организме, двухвалентные (Be, Са, Sr, Ba и Ra) преимущественно накапливаются в скелете. Трех- и четырехвалентные катионы (La, Ce, Pm, Hf, Th, Am)—в печени. Пяти-, шести- и семивалентные элементы (F, CI, Вr, Te, Nb, Sb, Ро) откладываются в почках или распределяются равномерно.
Первоначальный тип распределения радионуклидов в организме может изменяться, так как со временем, вследствие обмена, происходит перераспределение нуклидов в организме. Одни органы прочно удерживают на длительный срок радионуклиды, другие относительно быстро освобождаются от них.
На характер распределения радионуклида влияет весовое количество носителя. Так, при добавлении стабильного Υ к невесомым количествам радиоактивного Υ изменяется характер его распределения: из остеотропного он становится гепатотропным. Распределение радионуклидов в организме зависит от pH раствора. При повышении pH отложение 231 Ра и 144Ce в органах, богатых ретикулоэндотелиальными клетками, значительно увеличивается, а в почках и костях уменьшается. Известные комплексообразователи (этилендиаминтетрауксусная кислота, пентацин) могут изменять характер распределения радионуклидов.
На распределение радиоактивных веществ в организме влияет дисперсность вводимого соединения. Крупные коллоидные частицы задерживаются в печени, мелкодисперсные накапливаются в костной ткани. Величина и скорость депонирования некоторых радионуклидов зависят от возраста животного, пола, дозы вводимого соединения и состава пищевого рациона. В молодом, растущем организме вследствие большой интенсивности обмена веществ радионуклиды откладываются в большем количестве, чем во взрослом. Длительное введение 90Sr в малых дозах способствует большему отложению его в скелете подопытных животных. Наличие в пищевом рационе дефицита кальция способствует большей резорбции изотопов стронция [119].
Распределение радионуклидов в организме может изменяться в зависимости от исходного состояния центральной нервной системы. Угнетение центральной нервной системы способствует накоплению, а возбуждение, наоборот, снижению содержания нуклидов Sr и Со в органах и тканях.
При возбуждении центральной нервной системы кардиозолом увеличивается накопление радиоактивных веществ во внутренних органах.
Угнетение нервной системы люминалом вызывает снижение содержания некоторых радионуклидов в паренхиматозных органах и увеличивает отложение их в костях [109]. Некоторые радионуклиды (210Ро) способны накапливаться в значительном количестве в воспалительном очаге и опухолевой ткани.
Распределение и накопление радиоактивных веществ может изменяться под влиянием внешнего облучения организма. По данным И. С Кацапова внешнее облучение в дозах 7,74; 15,48 и 30,92-10-2 Кл/кг способствует задержке окиси трития в организме крыс. Эффективный период полувыведения окиси трития увеличивается от 2,9 сут. у необлученных животных до 3,0; 3,4 и 5,8 сут. соответственно через 1 сут. после введения окиси трития. Предварительное γ-облучение в этих же дозах увеличивает содержание окиси трития в сухом остатке печени крыс в 2—6 раз [57].
При хроническом поступлении радионуклидов в организм наблюдается постепенное накопление изотопов в органах и тканях. Через определенное время в зависимости от скорости обменных процессов, периода полураспада, эффективного периода полувыведения, наступает равновесное состояние, когда, несмотря на ежесуточное введение радионуклида, содержание его в организме остается постоянным. Это связано с тем, что количество радионуклида, ежесуточно поступающего в организм, становится равным количеству, выводящемуся из организма в результате обмена и физического распада. Равновесное состояние изотопов в организме может сохраняться при наличии постоянства скорости обменных процессов. Факторы, влияющие на обменные процессы, могут нарушить равновесное состояние. Так, с возрастом у крыс может изменяться равновесный уровень содержания 90Sr в костях, так как меняется интенсивность минерального обмена. Равновесное состояние может быть нарушено вследствие изменения величины и ритма поступления изотопа, а также при нарушении структуры и функции органа при лучевом повреждении [175]. Распределение радионуклидов внутри одного и того же органа может быть неравномерным.
Установлено, что 90Sr и 326 Ra при однократном введении в организм концентрируются в определенных участках скелета, а именно: в растущей части трубчатых костей — метафизах и эпифизах. При ингаляции 23,Pu неравномерно распределяется в ткани легкого. Вокруг бронхов наблюдаются очаговые скопления 239Pu, такие же скопления обнаружены в лимфатических узлах средостения, в стенке альвеол и альвеолярных макрофагах [97]. При введении 131I также наблюдается неравномерное распределение его в микроструктурных элементах щитовидной железы [9]. Микрораспределение радионуклидов имеет важное значение в тканевой дозиметрии при оценке мощности тканевой дозы, а также в определенной мере может помочь в выяснении патогенеза лучевого поражения отдельных органов и систем. Органы с повышенным содержанием радионуклидов будут получать большую дозу облучения, что может сказаться на тяжести лучевого поражения. Накопление радионуклида в зоне роста костной ткани приводит к образованию «горячих пятен», где количество его может превышать в 5— 20 раз содержание нуклида в ближайших тканях. Рекомендации МКРЗ предлагают учитывать фактор неравномерного распределения при расчете дозы облучения, увеличивая значение эффективной энергии в пять раз для остеотропных а и β-излучателей, за исключением 226Ra. Это связано с тем, что большинство остеотропных радионуклидов распределяются в костях слишком неравномерно, больше, чем 226Ra, и способны вызывать значительные биологические повреждения. В табл. 1.3 приведены данные по распределению некоторых радионуклидов в организме человека [107].
Таблица 1.3 Распределение некоторых радионуклидов в организме человека [107]
Процессы выведения радионуклидов из организма протекают с различными скоростями и зависят от многих факторов, а также от функционального состояния выделительных систем. Наибольшее количество радиоактивных веществ выделяется через ЖКТ, особенно радионуклиды, которые плохо всасываются в пищеварительном тракте: трансурановые элементы, лантаноиды. Растворимые соединения радионуклидов, а также НТО, 137Cs хорошо выделяются через почки. Величина и скорость выведения радиоактивных веществ из организма зависят от их физико-химических свойств. Быстро выводятся из организма газообразные 3Н, 222Rn, 133Xe, 83Kr. Основное количество радиоактивных газов выделяется через легкие и кожу.
Известен ряд радионуклидов (131I. НТО, 137Cs), которые выводятся через потовые, слюнные железы и с молоком. Наибольшее число радионуклидов выделяется в первые дни после введения их в организм. Длительно задерживаются в органах и тканях изотопы элементов с большой атомной массой, а также радионуклиды, находящиеся в организме в коллоидном состоянии (210Ро, 226Ra, 238U и РЗЭ). Относительно быстро выводятся из организма 24Na, 137Cs, 131I и др. 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. Радиоактивные аэрозоли, а также продукты распада Ra, Th, Rn могут выделяться из организма через органы дыхания.
Процессы экскреции радиоактивных веществ из легких, кишечника, почек неразрывно связаны с явлениями реабсорбции. Величина реабсорбции радионуклидов при выделении из организма может быть различной, поэтому эти данные необходимо учитывать при оценке величины депонирования радионуклидов. Уменьшение содержания радиоактивного вещества в организме может происходить не только вследствие его выведения, но н благодаря радиоактивному распаду, что особенно характерно для короткоживущих радионуклидов: 131I, 24Na, 32Р и др. Биологическое выведение и радиоактивный распад — это два независимых процесса. Время, в течение которого из организма выделяется половина однократно поступившего радионуклида, называют биологическим периодом полувыведения (Тб). Фактическая же убыль радиоактивного изотопа в организме измеряется эффективным периодом полувыведения (Тэф). Это время, в течение которого организм освобождается от половины депонированного в нем вещества как путем биологического выведения, так и вследствие радиоактивного распада. Для долгоживущих радионуклидов эффективный период полувыведения в основном определяется биологическим выведением. Эффективный период полувыведения зависит от вида химического соединения радионуклида, особенностей его распределения, поступившего количества, функционального состояния органов выделения, вида и возраста животного и времени, прошедшего после поступления радионуклида в организм.
Выведение радиоактивных веществ из организма представляет собой сложный процесс, так как каждый орган имеет свое значение Тэф (табл. 1.4).
Таблица 1.4. Эффективные периоды полувыделения некоторых радионуклидов из организма, сут
При анализе процесса выведения радиоактивных веществ из организма различают быстро и медленно выводящиеся фракции изотопа. Так, например, при отложении 90Sr в костной ткани различают две фракции — обменную и фиксированную в кости. Первая откладывается на поверхности костных структур и быстро выводится. Вторая, фиксированная фракция, депонируется в компактном веществе и медленно выводится из кости. При длительном поступлении в организм необмениваемая фракция 90Sr в скелете постоянно нарастает, а скорость выведения замедляется.
Выведение из организма органически связанных соединений с клетками и тканями происходит значительно медленнее, чем быстро обмениваемых, не связанных со структурными элементами. Так, время выведения оксида трития из водной фазы органов крыс составляет 3 сут, а выведение органически связанного трития происходит за 64—100 сут.
