МЕТАБОЛИЗМ И ТОКСИКОЛОГИЯ НЕКОТОРЫХ РАДИОНУКЛИДОВ

ПЕРЕХОД РАДИОНУКЛИДОВ ОТ МАТЕРИ К ПЛОДУ

В организм плода радионуклиды проникают через плаценту. Скорость перехода через плаценту у животных разных видов определяется особенностями ее строения и связана со сроками беременности. У сви­ней и лошаей, скорость проникновения ^{22, 24}Na почти в 2 раза ниже, чем у жвачных животных. Это объяс­няется различной степенью контакта матери и плода, а, следователь­но, скоростью обмена кровью между ними. На различных сроках беременности скорость проникновения радионуклидов у одного и того же животного может меняться в несколько раз. Например, у коз в период с 9-й по 20-ю неделю радиоизотопы натрия проникают в организм плода через плаценту в три-четыре раза быстрее, чем в другие сроки. На проницаемость плаценты влияют также длительность цирку­ляции радионуклида в крови матери, состав рациона и другие фак­торы. При хроническом поступлении ⁹⁰Sr с кормом в организм коров размеры перехода его в мышцы и паренхиматозные органы плода увеличиваются с возрастом последнего, достигая максимальных концентраций перед отелом.

Физико-химические свойства радионуклидов также вли­яют на переход их через плаценту в плод. С увеличением способно­сти образовывать комплексы в тканях организма уменьшается их переход в плод. Проницаемость плаценты для элементов I, II и VII групп периодической системы Д.И. Менделеева обратно пропор­циональна атомному номеру элемента: чем больше массовое число нуклида, тем менее проницаема для него плацента.

Токсикология молодых продуктов деления. Молодые продукты де­ления – это в основном смесь короткоживущих радионуклидов. Поэтому спад их активности происходит очень быстро, примерно через каждые 7 периодов времени в 10 раз. Это значит, что через 7 ч после образования остается 10 %, через следующие 7 отрез­ков времени (49 ч) – 1 %, через 2 недели – около 0,1 %. Наибольшее биологическое значение имеют, как указано выше, радиоактивные изотопы йода, короткоживущие изотопы стронция Sr, Мо, Те, Ba и Се. Так как эффективный период их короткий, они быстро выделяются из организма с мочой, калом, а также с мо­локом у лактирующих самок. Биологическое действие короткоживущих радионукли­дов происходит в основном за счет бета-излучения, доза которого значительно превышает дозу от гамма-излучения. Наибольшая сте­пень поражения при поступлении их с кормом наблюдается в основном в желудочно-кишечном тракте, в щитовидной железе и в системе крови. В зависимости от поступив­шего количества смеси короткоживущих радионуклидов может раз­виться острая, подострая и хроническая лучевая болезнь. Признаки лучевого заболевания при этом во многом сходны с симптоматикой лучевой болезни, вызванной гамма-облучением.

Горячие частицы – мельчайшие частицы остатков ядерного топ­лива или пыли с наведенной радиацией высокой радиоактивности. Диаметр их составляет 2 мкм и менее. Радиоактивность горячих частиц может быть весьма высо­кой (10 Ки на 1 частицу). Особенно опасно инкорпорирование горячих частиц в организм человека и животных. При длитель­ной задержке в тканях вокруг частицы (в пределах десятков микро­метров) создаются поглощенные дозы более 10 Гр, а непосредствен­но вблизи них – сотни грей. Такие дозы могут вызвать необратимые изменения, связанные с канцерогенными эффектами. Горячие части­цы атмосферных аэрозолей проникают в организм животных с вды­хаемым воздухом, водой и кормом. Частицы диа­метром более 5 мк осаждаются преимущественно в верхней части дыхательных путей, частицы мелких размеров – в нижней части. Ра­створимые частицы остаются в легких на более длительное время. Часть их может мигрировать в лимфатичес­кие узлы. Часть попавших в органы дыхания частиц с выделяемой слизью из легких и бронхов через гортань может попадать в желудочно-кишечный тракт. Попавшие в организм горячие частицы ока­зывают на окружающие их ткани радиационное воздействие.

Метаболизм и токсикология ¹³¹I. Известно 24 радиоактивных изо­топа йода с массовыми числами в интервалах 117-126 и 128-139. Все эти изотопы искусственные и являются продуктами ядерных реакций. Наиболее важный путь образования радиоактивных изотопов йода – реакция деления тяжелых ядер. Йод как химически активный элемент реагирует со многими ве­ществами, образуя йодаты, перйодаты и йодиды. Радиоактивные изотопы йода могут поступать в организм животных через органы пищеварения, дыхания, кожу, конъюнктиву, раны и другим путем. Йод – актив­ный биогенный элемент; при попадании в организм он полностью всасывается в кровь, и до 60% его откладывается в щитовидной же­лезе.

При попадании в организм концентрация ¹³¹I в тканях животно­го по отношению к концентрации радионуклида в крови, принятой за единицу, распределяется в следующем порядке: кровь, мышцы, селезенка, поджелудочная железа – 1; почки, печень, яичники – 2-3; слюнная железа, моча – 3-5; кал, молоко – 5-15; щитовид­ная железа– 10 000. У лактирующих коров с 1 л молока выделяется около 1% поступившего в организм за день ¹³¹I/ В желток куриных яиц при длительном поступлении ¹³¹I переходит до 16%, в белок – до 1% суточного количества. Токсическое действие радиоактивно­го йода проявляется прежде всего в поражении щитовидной желе­зы. В малых индикаторных дозах радиоактивные изотопы йода не вызывают заметных нарушений в тиреоидной ткани. Большие дозы ¹³¹I у всех животных приводят к разрушению щитовидной железы и замещению ее паренхимы соединительной тканью.

О существенных изменениях гормональной регуляции различных физиологических процессов в организме свидетельствуют также нарушения функции яичников и органов размножения. Это хоро­шо прослеживается у кур – носителей радиоактивного йода. Вслед­ствие ухудшения функции яичников и органов яйцеобразования у них понижаются интенсивность яйцекладки и качество яиц. Радио­активный йод вызывает изменения в кроветворных органах, радиоактивные изотопы йода могут индуцировать опухоли в щитовидной железе, половых железах и других органах. Структурные и функциональные изменения в орга­нах при попадании в организм радиоактивного йода в основном обусловлены нарушением эндокринной регуляции, возникающим в результате поражения щитовидной железы.

Токсикология ¹³⁷Cs. Из радиоактивных изотопов цезия наиболь­шую биологическую опасность представляет – бета- и гамма-излучение. Период его полураспада 30 лет. Он является продуктом деления тяжелых ядер и по степени радиотоксичности относится к группе В (среднетоксичные радионуклиды). При попадании в организм с кормом Cs может всасываться в кровь полностью и равномерно распределяться по тканям и органам. Тип распределения цезия у разных животных практически одинаков и не зависит от пути поступления в организм. Накопление и интенсивность выведения цезия из организма имеют прямую зависимость от массы животного.

В период беременности цезий легко проникает из орга­низма матери в плод. При хроническом поступлении изотопа в орга­низм самки происходит выравнивание концентрации Cs в тканях матери и плода. Клиническое проявление лучевого синдрома при поражении Cs во многом сходно с при­знаками лучевой болезни, развивающейся при гам­ма-облучении.

Токсикология ⁹⁰Sr. Из радиоактивных изотопов стронция, образующихся при делении ядер тяжелых элементов, наиболее важное биологическое значение имеет ⁹⁰Sr. В случаях выпадения свежих (молодых) осколков деления опасность для биологических объектов представляет и ⁸⁹Sr.

Изотоп ⁹⁰Sr долгоживущий — период полураспада его равен 28 годам. Претерпевая радиоактивный распад, ⁹⁰Sr превращается в дочерний радиоактивный изотоп ⁹⁰Y с периодом полураспада 64,3 ч. В случаях попадания ⁹⁰Sr в организм животного биологическое действие его обусловливается бета-частицами, испускаемыми им сам и его дочерним продуктом ⁹⁰Y.

Средний пробег бета-частиц ⁹⁰Sr в тканях животного составляет до 0,5 мм, для ⁹⁰Y - 4 мм. В костной ткани вследствие ее большой плотности по сравнению с мягкими тканями пробег частиц будет меньше. В связи с этим большая часть энергии бета-частиц ⁹⁰Sr и ⁹⁰Y, фиксированных в скелете, будет поглощаться костной тканью и костным мозгом.

Особенностью действия ⁹⁰Sr является то, что он, депонируясь в скелете, остается там длительное время, постоянно облучая ткани, и поэтому в костной ткани и кроветворном костном мозге измене­ния наступают в значительно большей степени, чем в других орга­нах и тканях организма. Ха­рактер патологического процесса и интенсивность его развития при попадании в организм радиоактивного стронция в основном зави­сят от дозы и продолжительности поступления изотопа. При длительном поступлении в организм ⁹⁰Sr в относительно малых дозах тоже может развиться лучевая болезнь или же обнаруживают­ся радиационные поражения в виде торможения роста, укорочения продолжительности жизни животного, понижения продуктивнос­ти.

При внешнем облучении животные постепенно сла­беют, ухудшается аппетит. Рано наступает снижение массы животно­го, что в большинстве случаев совпадает с развитием желудочно-кишечных расстройств. Рост животных прекращается. По мере разви­тия болезни нарушается структура кожи и кожных покровов. Шерсть становится взъерошенной, теряет блеск, затем начинает выпадать, иногда это наблюдается периодически. Кожа теряет эластичность. На слизистых оболочках появляются точечные кровоизлияния, а в рото­вой полости иногда развиваются язвы. При воздействии радиоактивным стронцием отмечаются на­рушения функционального состояния нервной системы. Вначале развивается возбуждение, которое в даль­нейшем сменяется угнетением. У собак некоторые авторы описыва­ют слуховые и зрительные галлюцинации. В хронических случаях от­мечаются трофические нарушения, проявляющиеся в виде облысе­ния, поседения, изменения в костях и слизистых оболочках.

При хроническом по­ражении нарушения в первую очередь возникают в сосудах, костях и костном мозге. В отдаленные сроки развиваются склероти­ческие процессы. Мышечные волокна миокарда набухают и при тяжелых отравлениях подвергаются жировому перерождению, наблюдается повышение кровя­ного давления, к концу болезни оно значительно снижается.

Изменения в легких обнаруживаются главным образом в сосудах. В них развиваются те же процессы, что и в сосу­дах других внутренних органов. Иногда отмечаются полнокровие легких и пневмония.

В желудочно-кишечном тракте при интоксикации ⁹⁰Sr выраже­ны значительные изменения функционального и морфологическо­го характера. У животных при остром отравлении наблюдаются слю­нотечение, периодическая рвота и понос, часто кровавый. В острых случаях отравления наблюдаются кровоизлияния в сли­зистую оболочку и подслизистый слой кишечника, уменьшение раз­меров лимфатических фолликулов и деструктивные изменения в железистых клетках почти всего желудочно-кишечного тракта. Изменения в кроветворных органах и картине крови при поражении изотопом ⁹⁰Sr занимают ведущее место во время всего болезненного процесса.

У растущих животных наиболее выраженные нарушения проявляются в зонах роста костей. Патологические процессы в скелете при поражении изотопом проявляются угнетением остеогенеза (процесс формирования костей у позвоночных), изменением костного вещества, развитием клеточно-волокнистой ткани, нарушением процессов регенерации кости с появлением атипичных незрелых костных структур, в результате чего в дальнейшем могут развивать­ся злокачественные костные опухоли.

При действии инкорпорированного ⁹⁰Sr на организм животных, так же как и при внешнем облучении, снижаются иммунобиологические и защитные свойства организма: тормозится выработка, ан­тител при вакцинации, а также снижается напряженность иммуни­тета и угнетается фагоцитарная активность клеток крови и ткане­вых элементов. При стронциевой интоксикации нарушаются все виды обмена веществ. Отмечаются изменения функций желез внутренней секре­ции – гипофиза, надпочечников, зобной, щитовидной, половых и др. Очень часто поражаются глаза, возникают дистрофические из­менения, возможна катаракта.

Токсикология иттрия. Иттрий – химический элемент III группы периодической системы Д.И.Менделеева. Иттрий имеет один стабильный и 20 радиоактивных изото­пов, большинство которых короткоживущие. Практический ин­терес представляют ⁹⁰Y и ⁹¹Y с периодами полураспада 64 ч и 58,8 дней соответственно. Изотоп ⁹⁰Y испускает бета-излучение, а также слабое гамма-излучение; изотоп ⁹¹Y тоже практически чистый бета-излучатель. Иттрий извлекают из продуктов деления урана, в частности из облученных в реакторе отработанных теп­ловыделяющих элементов.

Радиоактивные изотопы иттрия имеют среднюю радиотоксич­ность. В обычных условиях иттрий в организме не обнаруживается, но в случае его поступления радиоактивный ит­трий наиболее интенсивно откладывается в костях (над­костница, костный мозг), печени и селезенке, образуя при этом устойчивые высокомолекулярные комплексы с белками. По­этому он длительное время служит источником облучения тканей организма. Из желудочно-кишечного тракта всасывается менее 1% иттрия. Выводится из организма с калом и мочой, причем у старых животных в значительно большем количестве.

Изотопы ⁹⁰Y и ⁹¹Y применяют в медицине для лечения при злокачественных новообразованиях путем введения ­непосредственно в раковую опухоль. При этом соедине­ния иттрия задерживаются в лимфоузлах и предотвращают разви­тие метастазов.

Токсикология радия. Радий – радиоактивный химический эле­мент II группы периодической системы. Основной изотоп ²²⁶Ra с периодом полураспада 1622 года. Этот изотоп принадлежит к радиоактивному семейству ²³⁸U. При распаде ²²⁶Ra образуется изотоп инертного газа ²²²Rn, ко­торый, поступая в воздух, может представлять опасность. Изотоп ²²²Rn, в свою очередь, превращается в короткоживущий полоний и другие изотопы. Конечным продуктом распада ²²⁶Ra является стабильный свинец. Поведение радия в биосистемах имеет много общего с кальцием и стронцием: несмотря на количественные различия, радий в виде ионов поступает в растения из почвенного раствора. При увеличе­нии в почве содержания кальция уменьшается поглощение расте­ниями радия.

Из желудочно-кишечного тракта всасывается 20-70% радия. В организме он распределяется в крови, костях и мягких тканях, из которых более половины его выводится в первые сутки. Выведение его из организма происходит с калом (95%) и мочой (5%). Высокая токсичность радия обусловлена большим пе­риодом полураспада, большой эффективной энергией распада и выраженной остеотропностью. Поражение радием характеризуется анемией, лейкопенией, декальцификацией костной ткани и нару­шением ее регенерации, лучевым пневмонитом, поражением кожи. В отдаленные сроки наблюдаются остеосаркомы, пневмосклероз и рак легких, бородавки и рак кожи, возможны опухоли других орга­нов и тканей.

Токсикология плутония. Плутоний - радиоактивный химический элемент из группы актиноидов, имеет 15 изотопов ( актиноиды - семейство из 14 химических элементов с атомными номерами 90 - 103, расположенных в 7 периоде системы Менделеева за актинием Ac и относящихся, как и актиний, к III группе системы). В очень малом количестве существует в природе на поверхности земли, образуясь из урана под действием нейтронов космических лучей. Большое количество плутония получают в атомных реакторах при делении урана и используют для изготовления ядерных зарядов. Основной источник поступления плутония в организм животных и человека – воздушный, через кожу или с пищей при загрязнении кормов и продуктов питания. Депонируется он в основном в костной ткани. При попа­дании на кожу растворимые соли плутония быстро всасываются, а нерастворимые депонируются в эпидермисе и транспортируются в региональные лимфоузлы. Раство­римые соли (нитраты и хлориды) быстро всасываются и поступают в кровь. Нерастворимые частицы могут годами находиться в легких. При этом происходит дли­тельное облучение легочной ткани. В зависимости от дозы облучения в легких могут развиться лучевой пневмонит, фиброз и пневмосклерозы, карциномы.

В желудочно-кишечном тракте изотопы плутония, поступающие с кормом, всасываются в 25 раз лучше, чем из неорганической соли. Попавший в организм плутоний вызывает подавле­ние кроветворения, атрофию лимфоузлов, снижает продолжительность жизни эритроцитов, нарушается иммуногенез, т.к. подав­ляется образование антителобразующих клеток в лимфоузлах. Про­исходит образование остеосарком. Из крови до 45% плутония депонируется в печени с периодом биологическо­го полувыведения 20 лет. Уже через два-три месяца после поступле­ния плутония возникает цирроз печени, а при высоких дозах – диф­фузный некроз. Выводится в основном печенью и желчью. Изотоп ²³⁸Ри (период полураспада 88 лет) обладает высокой генетической эффективностью, индуцируя хромосомные аберрации.

Токсикология рутения. Рутений – имеет 7 стабильных и 14 радиоактивных изотопов, из которых наиболее опасный ¹⁰⁶Ru с периодом полураспада 1 год. Изотоп относят ко второй группе опасно­сти (Б). Радиоактивный рутений попадает в организм в основном с воз­духом в виде пыли или с кормом. Максимальный пробег его бета-частиц в ткани 0,02мм. Рутений проявляет валентность от 1 до 8, что обеспечивает ему большое разнообразие соединений, способных легко мигрировать в почве. Хорошо усваивается растениями, но концентрируется в ос­новном в корнях (95,7%). В организме он накапливается в печени (5-10%), мыш­цах, костях и селезенке. Выводится преимущественно почками (80%). Рутений вызывает лейкемию, опухоли молочных желез, пора­жение клубочков почек, деструкцию фолликулов селезенки и лим­фоузлов, аденокарциномы кишечника, слизистый рак, язвенный колит. Тяжелые поражения кишечника в основном обусловлены действием высокоэнергетического бета-излучения дочернего ¹⁰⁰Ru, у которого максимальный пробег в биологической ткани 1,7см.

Токсикология циркония. Естественный цирконий состоит из 5 стабильных изотопов. Искусственно получены 9 радиоактивных изотопов. Из радиоактивных изотопов наиболь­шее значение имеет ⁹⁰Zr, являющийся одним из основных компо­нентов продуктов ядерного деления урана. Он входит в состав ра­диоактивных осадков при ядерных взрывах и авариях атомных уста­новок. Цирконий в небольших количествах обнаружен в тканях рас­тений, при этом 82,7 % его откладывается в корнях. В организм животных поступает в основном ингаляцион­ным путем или с кормом. В организме 30-40% его откладывается в костной ткани, 5-10% – в печени, меньше – в почках, селезенке, лимфоузлах и половых железах. Выводится ­в основном через ЖКТ. Радиотоксичность обусловлена в основном его бета-составляющей и проявляется поражением органов и тканей по месту основной локализации.

Токсикология цинка. Цинк – элемент II группы периодической системы Д.И.Менделеева. Имеет 12 стабильных изотопов. Радио­активные изотопы цинка получены искусственно. Из них наибольшее зна­чение в токсикологии имеет ⁶⁵Zn с периодом полураспада 245 суток. По радиотоксичности его относят к группе В. В желудочно-кишечном тракте он всасывается в верхних отделах и концентрируется в печени, мыш­цах, поджелудочной железе, гипофизе, половых железах и костях. Из организма 90% цин­ка выводится через желудочно-кишечный тракт, остальное количество с мочой. Из растворимых соединений цинк способен всасы­ваться через кожу (1,2%). В организме ⁶⁵Zn вызывает поражение кроветворных органов. Определенное количество ⁶⁵Zn задерживается в костной ткани и выводится очень медленно (около 2 лет).

Токсикология тория. Торий – радиоактивный химический элемент III группы периодической системы. При­родный торий состоит из шести радиоактивных изотопов. Искус­ственно получено еще девять изотопов, все они радиоактивны. Наибольшее значение в токси­кологии имеет ²³²Th, испускающий альфа-частицы. Промежуточным продуктом его распада является инертный газ радон, способный из минералов переходить в воздух и, следовательно, легко проникать в легочную ткань. Естественное поступление тория в организм в течение суток составляет 0,05 – 4мг. В желудочно-кишечном тракте всасывается 10^-4 часть поступившего нуклида^.

Распределение тория в организме зависит от пути поступления и преимущественно концентрируется в почках, печени, селезенке и костной ткани. Почти все количество тория, отложенного в скеле­те, находится в костном мозге. При хроническом поступлении тория 60-93% его концентрируется в скелете. Выводится из организма в основном через желудочно-кишечный тракт с желчью. Его патологическое действие проявляется развитием в костях зло­качественных новообразований, раком печени, лимфомами, лим­фогранулематозом.

Токсикология трития. Тритий – широко распространенный в при­роде радиоактивный изотоп водорода с периодом полураспада 12,34 года.. Это бета-излучающий радионуклид. Максимальный пробег в воздухе – 6мм, в мягкой биологической ткани – около 6мкм. Тритий постоянно образуется в природе при ядерных превращениях, вызываемых космическим излучением. В промышленных условиях его получают нейтронным облучением лития.

Соединения трития хорошо всасываются организмом и быстро распределяются по орга­нам и тканям. Выводится из организма с мочой и потом, период по­лувыведения 10 суток. В тканях тритий из­бирательно накапливается в ядерных структурах или в протоплазме.

В организме тритий вызывает острые и отдаленные эффекты. Он угнетает кроветворение, вызывает геморрагический синдром, пора­жение генетического аппарата, злокачественные новообразования (особенно молочной железы) и т.д. Хроническое облучение трити­ем снижает массу головного мозга и содержание в нем ДНК и белка. Тритий свободно проникает через плацентарный барьер и поступа­ет в клетки плода, вызывает генетические и соматические нарушения, подобные тому, что и во взрослом организме.

Тритий практически не представляет никакой опасности как внешний источник облучения , но опасен при попадании внутрь организма как источник бета-излучения. Для снижения дозы облучения и усиления скорости выведе­ния трития из организма необходимо активизировать водный обмен.

Токсикология углерода. Углерод – элемент IV группы периодической системы. В природе состоит из двух стабильных изотопов ¹²С и ¹³С, его радиоактивные изотопы получены искусственно. ­Из известных шести радиоактивных изотопов наибольшее зна­чение имеет долгоживущий ¹⁴С, период полураспада которого 5730 лет. По радио­токсичности его относят к группе Г. В отличие от других радионук­лидов важнейший путь выведения радиоуглерода – легкие, из ко­торых он выводится в виде радиоактивного диоксида углерода. Все­ми живыми организмами ¹⁴С очень хорошо усваивается и быстро встраивается в тканевые структуры. Биологические эффекты от облучения углеродом объясня­ется тем, что углерод в организме включается в состав практически всех важнейших биомолекул и производит за счет своего бета-излу­чения их прямое повреждение. Патологическое действие С на организм подобно проявляемо­му тритием.