книги из ГПНТБ / Быховский, А. В. Горячие аэрозольные частицы при техническом использовании атомной энергии

Приведенные результаты можно рассматривать как максимально возможную дозу облучения легочной ткани при задержке горячих частиц в органах дыхания. Умест­ но отметить, что при изучении радиобиологических про­ цессов на клеточном и субклеточном уровнях могут быть существенны различия между макроскопическими поте-

Рис. 1.11. Зависимость максимально возможной дозы об­ лучения радиоактивной частицей (Л = 10~10 кюри) от рас­ стояния от ее центра до облучаемой структуры.

рями энергии ионизирующих частиц, которые составляют предмет исследования обычной дозиметрии, и энергией, действительно поглощенной в рассматриваемом микро­ объеме. Процессы передачи и распределения энергии ионизирующих излучений в микрообъемах, размеры ко­ торых столь малы, что становятся существенными флук­ туации в значениях переданной энергии, изучаются срав­ нительно молодой областью физики — микродозиметрией.

В настоящее время в опубликованной литературе со­ держится ряд попыток применить методы микродозиметрпи к исследованиям точечных радиоактивных источни­ ков, инкорпорированных в организме [88—90].

Удовлетворительно совпали экспериментальные зна­ чения дозы вблизи точечных ß-излучателей с расчетными данными, полученными с использованием функции Лёвингера [80] и метода Спенсера [92] в работе [91]. Для частицы, содержащей 5- ІО-11 кюри 46Sc, в области от 20 до 400 мкм при использовании формулы Лёвингера

30

получено завышение фактической дозы в четыре раза; наибольшее завышение (в 10 раз) отмечено на малых

в настоящее время удовлетворительной. Однако надо по­ лагать, что исследования в области количественной оцен­ ки эффектов локального облучения потребуют в пер­ спективе привлечения принципов микродозиметрии.

Облучение тканей частицами, находящимися в дыхательных путях

Наиболее полно изучена эта форма облучения при вдыхании короткоживущих радиоактивных аэрозолей, которые распадаются в пределах нескольких часов после

а-спектрометрии оказалось возможным осуществить непосредственное измерение распределения атомов RaC' в эпителии трахеи и главных бронхов кроликов и собак [97, 98]. При этом оказалось, что 90% всей активности сосредоточено в первых 10 мкм толщины эпителиально­ го покрова, что отвечает, согласно результатам измере­ ний на соответствующих гистологических препаратах, толщине слоя слизи. Таким образом, получена нагляд­ ная картина, характеризующая облучение структурных элементов легких из слоя слизи, выстилающей дыхатель­ ные пути.

По обобщенным оценкам американских авторов [39],

31

Облучение структурных элементов органов дыхания отдельными высокорадиоактивными частицами, переме­ щаемыми при движении слизистого покрова, можно ориентировочно оценить на основании известных прин­ ципов, исходя из активности частицы А и скорости ее

(1,3н-0,3) - ІО“2 рад соответственно.

Эти значения весьма невелики по сравнению с уров­ нями облучения при фиксации аналогичной частицы в легочном отделе. Однако при массивном поступлении высокоактивных частиц, хотя бы и нереспирабельного размера, этот путь облучения может послужить источ­ ником лучевых нагрузок, превышающих предельно до­ пустимые.

Облучение тканей частицами, находящимися в легочном отделе

Присутствующие в легочной паренхиме радиоактив­ ные частицы создают в окружающих клетках и ткане­ вых структурах уровни облучения, зависящие от свойств частиц, прочности их фиксации и расстояния до облу­ чаемых структур.

На основании гистоавторадиографических исследова­ ний для каждой аэрозольной частицы, обнаруженной в легких, может быть вычислена мощность дозы облуче­ ния в ближайшей стенке альвеолы, бронхе, сосуде и любых других структурных элементах.

Однако для оценки фактической кумулятивной дозы облучения тканевых структур необходимо знать время пребывания данной аэрозольной частицы вблизи от них. При существующем уровне экспериментальной техники эта задача все еще не выполнима, и в настоящее время могут быть даны лишь самые ориентировочные оценки фактических доз облучения структурных элементов органов дыхания *.1

1 Надо полагать, что развитие методики радиоактивного скеннирования позволит решать эту задачу на экспериментальной основе.

32

Порядок величин, характеризующих облучение тка­ ни даже при не очень длительной задержке горячих частиц в органах дыхания, иллюстрируется следующим примером. В результате ^спектрометрического исследо­ вания было установлено [80], что в выделенной из атмо­ сферного воздуха горячей частице содержатся следую­

В случае пребывания в одном и том же участке легкого

втечение 10 дней излучение этой горячей частицы долж­ но было бы обусловить на расстояниях 10 и 50 мкм

и ее миграцией вследствие захвата и перемещения фаго­ цитами. Физико-химические свойства радиоактивных изотопов и неактивных компонентов, которые могут входить в состав горячих частиц, весьма разнообразны. В настоящее время нет прямых экспериментальных ма­ териалов о поведении и растворимости отдельных горя­ чих частиц, проникших в легочную ткань. Из опытов на животных и наблюдений за людьми, случайно подвер­ гавшимися воздействию радиоактивных аэрозолей, из­ вестно, что период полувыведения активности (т. е. со­ вокупности большого количества частиц) из легких ко­ леблется в весьма широких пределах. Длительность фиксации каждой отдельной частицы зависит от множе­

тур. Недавно в работе [551] показано, что облучение ча­ стицами РиОг макрофагов вызывает угнетение функцио-

нальной активности последних и задержку самоочище­ ния легких.

В клинических и экспериментальных исследованиях уровни облучения органов дыхания оценивают, как пра­

совокупности радиоактивных частиц. Описание техники таких расчетов дано, например, в монографии [99].

В работе [100] на основе использования модели ле­

растворимых частиц 239Ри поглощенная доза в легких при одинаковой концентрации, но разной дисперсности может изменяться в сто раз; наибольшей опасностью обладают аэрозоли со значением среднегеометрического аэродинамического диаметра 1—3 мкм при значениях стандартного отклонения, близких к единице. Однако при вдыхании легкорастворимых частиц нитрата 239Ри формирование наибольших доз облучения легких обу­ словлено наиболее тонкодисперсными частицами со среднегеометрическим размером 0,05 мкм [99].

Как показано недавно в экспериментальной работе [551], при ингаляционном поступлении частиц Ри 02 бо­ лее 85% высвобождаемой энергии приходится на 2% макрофагов, содержащих более крупные частицы. По­ этому при номинальной средней дозовой нагрузке на легкие 15 бэр/год фактически около 2% объема ткани легких получают дозу 700 бэр/год.

Общая характеристика эффектов облучения органов дыхания

Облучение органов дыхания внешними источниками рентгеновского излучения и у-квантов, как и массивное воздействие радиоактивных газов или аэрозолей, вызы­ вает комплекс изменений, впервые описанный как «лу­ чевая пневмония» [101—105]. Последующие исследова­ ния [106—109] показали, что этот термин, обозначаю­ щий воспалительную природу процесса, не точен. В ос­ нове пострадиационных поражений легочной ткани лежат изменения гладкой мускулатуры легочной ткани и увеличение проницаемости сосудов, что ведет к воз­ никновению очагов эмфиземы и ателектаза. Эти струк­ турные изменения сопровождаются возникновением

34

очагов отека, периваскулярными и перибронхиальными кровоизлияниями. В последующем возможно инфициро­ вание и развитие явлений пневмонии.

В отдаленные сроки после интенсивного облучения легких наблюдается развитие в облученных участках склеротических (рубцовых) процессов и новообразова­ ний. В работе [ПО] приведены микрофотографии, пока­ зывающие, что опухолевый рост в легких белых крыс происходит в участках склеротических, рубцовых изме­ нений, в непосредственном окружении радиоактивных частиц 239Pu0 2) образующих многочисленные «звезды» треков а-частиц.

Для отдаленных сроков после воздействия радиоак­ тивных аэрозолей типична выраженная неравномерность распределения частиц в легких [111, 112]. По утвержде­ нию Парка и др. [ПО], зоны повреждения клеток в лег­ ких и бронхиальных лимфатических узлах совпадают с локализацией радиоактивных частиц, области фиброза окружены зонами высокой активности, а развитие бронхиоло-альвеолярного рака происходит в участках рубцевания, где обнаруживаются эти частицы.

Лиско [113], отмечая неравномерность распределения радиоактивных частиц в легких, подчеркивает связь злокачественных изменений с радиоактивностью. На концентрированное облучение микроучастков легочной паренхимы в качестве причины бластомогенного эффек­

вблизи горячих частиц должны возникать зоны некро­ за. Так, по материалам доклада [117], даже частица с относительно невысокой активностью (К Н 2 кюри) вызы­ вает гибель около 1000 клеток, хотя нет уверенности в том, что это имеет неблагоприятное значение для орга­ низма, поскольку в легких в естественных условиях раз­ рушается значительно большее количество клеток.

Отдаленные последствия облучения органов дыхания

В настоящее время известны весьма многообразные биологические эффекты, обусловленные облучением и проявляющиеся спустя длительное время после него. Применительно к радиоактивным аэрозолям наиболее изучено их канцерогенное и склерогенное действие.

3* 35

Злокачественные опухоли

Первые научные сведения о возникновении злокаче­ ственных опухолей легких у людей, подвергшихся воз­ действию радиоактивных аэрозолей, относятся к двум

1913 г. [119], 1930 г. [120] — была выявлена повышенная смертность горнорабочих от злокачественных опухолей легких, в дальнейшем обнаружены повышенные концен­ трации радона в рудничном воздухе [121— 124], но пер­ вые расчеты лучевых нагрузок, в которых не учитывали вклад в дозу дочерних продуктов радона [123, 125], не позволили обосновать радиационную природу этих опу­ холей.

Лишь после 1945 г. установлено, что основным ис­ точником облучения органов дыхания являются аэрозо­ ли дочерних продуктов радона [126, 127], причем, по данным работ [30—32, 127], значительный вклад в луче­ вую нагрузку на верхние дыхательные пути, откуда большей частью начинается развитие опухолей, вносят высокодисперсные аэрозоли этих изотопов. В последние годы по материалам урановых рудников США оказа­ лось возможным установить зависимость «доза — эффект» между кумулятивной дозой облучения работающих и смертностью от рака легких [95, 96, 128, 129, 132].

По данным 1967 г., линейная зависимость между

»этими показателями обнаруживалась для участка кри­

вой выше 1000 РУ-месяц1 [95], по более полным мате­

период до 1985 г. раком легких заболеет 1150 горняков [130], от этого же заболевания до 1987 г. погибнет до 431 человека из общего числа 10 000 человек, уже рабо­ тавших на урановых рудниках, и 287 из 2800 человек, которые поступят на рудники после 1967 г. [131]. Все эти материалы послужили основанием для специального обсуждения вопроса о радиационной опасности на ура-

36

новых рудниках в Комиссии по атомной энергии (КАЭ) США и для снижения допустимого уровня содержания дочерних продуктов радона в рудничном воздухе [132— 134].

Случаи профессионального рака легкого в связи с воздействием повышенных концентраций радона и его дочерних продуктов отмечены не только на урановых, но и на флюоритовых рудниках [135, 136].

Материалы о профессиональном раке легких в свя­ зи с воздействием радона и его дочерних продуктов — наиболее массовое и статистически убедительное свиде­ тельство канцерогенного эффекта радиации. Остальные

многочисленных исследований, проведенных на экспери­ ментальных животных. Уровни средних дозовых нагру­ зок в этих случаях примерно соответствуют тем вели­ чинам, которые явились причиной рака легких при воз­ действии радона и его дочерних продуктов (порядка 1000 рад и более на критическую ткань) [140—150].

Обобщая материалы о канцерогенном влиянии иони­ зирующей радиации, В. Н. Стрельцова и Ю. И. Моска­ лев [149] на основании работы [150] указывают, что для легких диапазон бластомогенных доз составляет 2400—21000 рад, причем значение оптимальной бластомогенной дозы соответствует 10 300 рад.

В некоторых экспериментах канцерогенное действие плутония и тория обнаружено при весьма низких уров­ нях облучения. Так, после ингаляционного введения кры­ сам и собакам частиц РиОг уровни канцерогенных доз составили 41—47 рад [115, 552, 553] и 115 рад [151].

При интратрахеальном введении крысам суспензии час­ тиц ТЬОг опухоли возникли при дозах 15—20 рад [152]. Во всех этих работах доза рассчитана на легочную ткань в среднем и локальные дозы облучения структурных элементов легких существенно выше значений, приведен­ ных авторами.

Обращают на себя внимание результаты работы [193], где злокачественные опухоли легких отмечены у крыс после интратрахеалыюго введения частиц 144Се с общей активностью ІО-7 кюри на животное, т. е. всего лишь в 10 раз выше максимального значения активности отдельных горячих аэрозольных частиц, обнаруженных

37

в атмосферном воздухе в периоды после проведения ис­ пытательных ядерных взрывов. В работах [552, 553] наи­ меньшее содержание 239Ри в легких крыс, оказавшее канцерогенный эффект, составило 4 • 10~9 кюри.

Первые сведения о канцерогенном действии радиоак­ тивных аэрозолей на органы дыхания работающих поро­ дили оживленную дискуссию, в которой рядом авторов высказывались сомнения в достоверности фактических данных и оспаривалась их интерпретация. Даже в 1955 г. при обсуждении результатов чрезмерно кратко­ временных опытов с интратрахеальным введением кры­ сам суспензии частиц 132BaS04 авторы работы [155] еще считали возможным, что данный вид радиоактивных частиц не способен вызвать злокачественные опухоли. Однако в настоящее время канцерогенное действие ра­ диоактивных частиц на органы дыхания при массивном

исследований>. На последнем симпозиуме по вопросу об отдаленных последствиях воздействия радиации домини­ рующей явилась концепция, согласно которой основную этиологическую роль в последующем опухолевом пере­ рождении клетки играет прямой эффект ее облучения. Все остальные косвенные механизмы (гормональный фон, сдвиги в обмене веществ, различные тканевые взаимоотношения и т. п.) являются лишь факторами, способствующими развитию опухоли [157].

Пневмосклерозы

Первые научные сведения о способности ионизирую­ щей радиации вызывать пневмосклероз, т. е. избыточ­ ное разрастание в легких соединительной ткани, были получены в связи с применением рентгеновского облу­ чения для терапии одностороннего рака молочной же­ лезы; в отдаленные сроки после лечения в соответствую­ щем легком обнаруживались интенсивные рубцевые изменения с глубоким нарушением функции дыхания [101—105]. В последующем были описаны примеры ин-

1 По мнению большинства авторов, специфическое бластомогенное лучевое повреждение является соматической мутацией [156].

38

тенсивного пневмосклероза (фиброза) со смертельным исходом в результате профессионального воздействия радиоактивных аэрозолей на работающих в радиологи­ ческих лабораториях. В большей части случаев в воз­ духе лабораторий имелся как радон с его короткоживу­ щими дочерними продуктами, так и долгоживущие аэро­ золи радия [65—68]. В одном случае этиология заболе­ вания была, очевидно, связана только с воздействием радона и его короткоживущих дочерних продуктов, по­ скольку радиометрическое исследование не выявило повышенного содержания долгоживущих радиоизотопов в легочной ткани умершего [65].

По дальнейшим оценкам, развитие пневмосклероза в легочной ткани человека наблюдается после воздейст­ вия рентгеновского излучения в дозах 100—500 р [158].

Результаты изучения на урановых рудниках США заболеваемости и смертности работающих [159—162] показали закономерное развитие у них фиброза легких, сопровождаемого эмфиземой, одышкой и постоянным кашлем, а также «легочным сердцем» (cor pulmonale); пневмокониоз и cor pulmonale являются одной из основ­ ных причин смерти работающих.

Причина этих изменений наряду с радиоактивными аэрозолями может быть связана с воздействием руднич­ ной кварцсодержащей пыли. Однако авторы работы [159] показали, что интенсивность основных симптомов, свидетельствующих о нарушениях функции легких, про­ порциональна уровню облучения работающих, выражен­ ному в относительных показателях дозы (РУ-месяц), и это свидетельствует о существенной роли облучения в развитии отмеченных нарушений. Кроме того, содержа­ ние свободного кремнезема в воздухе урановых рудни­ ков, как правило, ниже допустимого [160, с. 108].

Экспериментальные данные о развитии пневмоскле­ роза под влиянием радиоактивных аэрозолей менее об­ ширны, чем в отношении злокачественных опухолей. В работах [143, 144] показано, что для развития пневмосклеротических изменений в легких требуется мень­ шая доза, чем для возникновения опухоли. По мнению Стеннарда [54], склерогенная доза в среднем для легоч­ ной ткани составляет 1000—2000 р, тогда как канцеро­ генные дозы большей частью выше.

По данным А. П. Новиковой и М. Тихой [163], разритие соединительной ткани в легких при воздействии

39