Радионуклиды обладают различной биологической эффективностью. По своему биологическому действию радиоактивные вещества различаются между собой в зависимости от вида, энергии излучения, периода полураспада, величины всасывания, накопления и скорости выведения из организма.
Наибольший биологический эффект при попадании внутрь организма отмечается при воздействии a-излучения в связи с высокой их плотностью ионизации в тканях. Несколько меньшую опасность для организма представляют b- и g-излучатели.
Эффективность a-частиц при попадании в организм зависит от микрораспределения их в органах и тканях. Если энергия a-частиц поглощается малочувствительными структурами, то a-излучение становится менее эффективным. Биологический эффект от b-излучателей определяется энергией электронов.
Биологическое действие ионизирующего излучения в организме условно разделяют на 3 уровня: 1) физико-химический; 2) клеточный; 3) организменный, или системный.
Физико-химический уровень включает в себя все первичные процессы, протекающие в клетке.
Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. При взаимодействии ионизирующего излучения с клетками и тканями в процессе превращения этого излучения в химическую энергию в организме зарождаются активные центры радиационно-химических реакций.
В патогенезе лучевого поражения определяющими являются первичные реакции, которые развиваются с большими ионными выходами и вовлекают в химические превращения тысячи молекул, чем значительно усиливают общий объем разрушений в клетках организма.
Первичное действие излучений на организм бывает непосредственным и косвенным.
При непосредственном действии наблюдается расщепление атомов и молекул вещества, вызванное ионизацией. В результате ионизации происходит отрыв электронов от атомов, образование ионов и появление радикалов. Эти возникшие активные молекулы и радикалы индуцируют различные реакции в тканях организма, в результате которых может повреждаться структура макромолекулярных комплексов клеток.
Косвенное действие радиации проявляется в расщеплении воды с образованием свободного водорода и пероксидов. Происходит изменение различных биохимических процессов в организме, т.к. продукты расщепления воды вступают во взаимодействие с белковыми и липидными молекулами. В результате этого взаимодействия происходят структурные изменения тканей и клеток, что зачастую ведет к гибели клеток, т.к. может происходить разрыв углеродных связей, нарушение ферментных систем и синтеза белка. Подавление активности ферментов нарушает обменные процессы в организме, в связи с чем замедляется рост тканей. Нарушение обмена веществ ведет к изменению биохимических систем в клетках и их гибели. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма.
Клеточный уровень воздействия включает в себя все нарушения и процессы, обусловленные изменениями функциональных свойств облученных клеточных структур. Наиболее опасными повреждениями клетки, возникающими при облучении, являются повреждения механизма митоза и хромосомного аппарата клеток. Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур.
Организменный или системный уровень включает в себя все процессы и изменения, связанные с нарушением функций организма. Биологическое действие радиоактивных веществ проявляется во всех органах и клетках живого организма. Наблюдаются изменения в кроветворной, периферической и центральной нервной системе, что ведет к возникновению очагов повышенной возбудимости в коре головного мозга и в периферических отделах нервной системы. Возникает несоответствие между регуляцией нервной системой и работой желез внутренней секреции.
Все процессы этих трех уровней взаимосвязаны непосредственными и опосредованными прямыми и обратными связями.
Радиоактивные вещества при попадании в организм могут вызывать острое, под острое и хроническое лучевое поражение.
Острое поражение возникает от введения большой дозы радиоактивного вещества. При этом отмечаются выраженные изменения в крови, кровоизлияния в различные органы, угнетение иммунитета, снижение массы тела. Гибель экспериментальных животных наступает в течение первых двух недель.
Подострое поражение характеризуется изменением процесса кроветворения. Снижается количество лейкоцитов, эритроцитов, гемоглобина. Нарушается проницаемость сосудов, возникают инфекционные осложнения, снижается масса тела. Гибнут животные через 1-3 месяца.
Хроническое течение процесса связано с воздействием относительно малых доз ионизирующего излучения, но превышающих предельно-допустимые уровни. При этом в ранние сроки клинические явления болезни могут отсутствовать. Выделяют два варианта развития хронической лучевой болезни:
1) вызванную длительным равномерным воздействием внешнего облучения либо попаданием в организм изотопов, равномерно распределяющихся в органах и тканях (Н3, Na24, Cs137 и др.);
2) обусловленную неравномерным внешним облучением органов и тканей или внутренним облучением радионуклидами, характеризующимися определенной органотропностью (I131, Sr90, Ra226).
Наибольшую опасность для развития хронической лучевой болезни представляет внутреннее облучение, связанное с попаданием радионуклидов в организм. Такой вид облучения более опасен, чем наружное, т.к.:
1) характеризуется очень длительным воздействием на ткани (Sr90, Ra226 в костях всю жизнь);
2) идет контактное воздействие на ткань;
3) выраженное повреждение тех органов и тканей, где концентрируются изотопы: Ra и Sr - костный мозг; I - щитовидная железа;
4) при попадании внутрь человек лишен возможности защиты, которую он применяет при внешнем облучении (экранирование, удаление от источника и т.д.).
Биологическое действие малых доз радиации зачастую компенсируется защитными физиологическими функциями организма. Однако при изменении условий внешней среды и функционального состояния организма могут истощаться компенсаторные механизмы и в отдаленные сроки после воздействия радиоактивных веществ может проявиться действие ионизирующего излучения.
В развитии хронической лучевой болезни выделяют 3 периода: 1) период формирования или собственно лучевая болезнь; 2) период восстановления; 3) период последствий и исходов хронической лучевой болезни.
В токсикологической практике для оценки токсичности различных радионуклидов определяют летальные дозы. При изучении сравнительной токсичности различных радионуклидов пользуются абсолютно летальной, минимально-летальной дозой и дозой, вызывающей гибель 50% животных к определенному сроку, например, DL50/30 (т.е. в течение 30 суток).
Токсичность радионуклидов оценивают не по активности в беккерелях, а по поглощенной в организме тканевой дозе. Следует при этом учитывать различную радиочувствительность органов и тканей на облучение и разную скорость восстановительных процессов.
Биологический эффект от поступивших внутрь радионуклидов определяется поглощенной дозой в органах и тканях, накапливаемой за время пребывания их в организме.
Поглощенная доза Д - это средняя энергия dE, переданная излучением веществу в некотором элементарном объеме, деленная на массу dm в этом объеме:
dE
Д = –––––– .
dm
Измеряется в единицах Грей (Гр). Это - единица поглощенной дозы в системе единиц СИ: один Гр = одному Джоулю, поглощенному в кг вещества = 100 рад.
Радионуклиды с длительным периодом полувыведения из организма и большой энергией излучения создают высокие поглощенные дозы.
При оценке биологического действия радионуклидов важное значение имеет и мощность поглощенной дозы, т.к. именно мощность поглощенной дозы оказывает влияние на формирование отдаленных эффектов, скорость восстановительных процессов. Действие радиоактивных веществ зависит также и от распределения дозы во времени. Интенсивность облучения определяется ритмом поступления радионуклидов в организм. Повреждающий эффект радионуклида при дробном введении проявляется в меньшей степени, чем при однократном введении в той же дозе. Например, при дробном введении Pu239 в количестве 0,185-2,96 кБк/кг увеличивается продолжительность жизни животных по сравнению с однократным введением. То же и для Sr90. При этом наблюдается менее выраженное развитие функциональных и морфологических изменений клеток крови.
В результате длительного облучения организма при инкорпорации радионуклидов могут развиваться отдаленные последствия в виде опухолей разных органов и тканей, развития лейкозов и т.д. Однако не во всех случаях в отдаленные сроки после поражения радиоактивными веществами развиваются злокачественные образования.
После воздействия радионуклидов на организм животного наблюдается восстановление нарушенных функций отдельных органов и всего организма в целом. Процесс восстановления протекает в несколько этапов. Восстанавливаются внутриклеточные мембраны и структуры, а затем восстанавливаются функции органов и систем. В экспериментальных условиях доказано, что процессы восстановления наиболее выражены при дробном облучении. Существует так называемый период полувосстановления - это время, в течение которого нарушенные функции отдельных органов в облученном организме восстанавливаются ровно наполовину. Период полувосстановления у человека равен 25-45 сут. Оценивая биологическое действие радиоактивных веществ на организм, необходимо различать соматические и генетические последствия облучения. Соматические эффекты, вызванные действием излучения, касаются лишь самого облученного организма. Генетические эффекты - действие излучения на зародышевые клетки. Генетические изменения могут сочетаться с соматическими нарушениями.