Радиотоксикологията изучава поведението на инкорпорираните в организма радиоизотопи с цел определяне на погълната доза при този вид облъчване.
Пътищата за постъпване, принципите на разпределение на радионуклидите /РН/ в организма, динамиката на обмяната им са основните елементи, характеризиращи радиационното увреждане при инкорпорация на радиоактивни вещества.
І. Пътища за постъпване на радионуклидите в организма.
РН могат да постъпят в организма през няколко входни врати:
1. Ненаранена /интактна/ кожа. Най-често тя е входна врата за РН, когато е налице наспазване на правилата за безопасност при професионален контакт с радиоактивни материали.
Поведението на радионуклидите попаднали върху кожата се определя от следните фактори:
Агрегатно състояние и физико-химични свойства на РН.
Състояние на кожната повърхност.
Условия, при които се осъществява радиоактивното /РА/ замърсяване.
Най-често кожата се замърсява от РН в сухо състояние. РН се задържат на повърхността на кожата въз основа на силите на адхезията. Степента на фиксацията зависи от големината на частиците и състоянието на кожата. Радионуклидите попаднали върху кожата се разпределят в 3 слоя:
Повърхностен – състои се от механично отложени частици.
Среден – състои се от РА частици, които се отлагат, поради физико-химични процеси, протичащи между РН и структури от кожата.
Долен – състои се от частици, които са достигнали определената дълбочина в резултат на йонен обмен между РА вещества и повърхността на кожата.
Голяма част от РН попаднали върху повърхността на кожата проникват в дълбочина през епидермиса и през потните и мастни жлези и космите. Биологичните бариери на кожата, които се преодоляват трудно от РН са водно-липидния слой, покриващ кожата и нейния рогов слой. Ако РН е преминал през роговия слой, по-долните слоеве на кожата не отказват съпротива на по-нататъшното му движение. Попаднали в дермата РН се всмукват в кръвоносните и лимфни капиляри и попадат в течните среди на организма. Резобцията в кръвните капиляри е по-голяма от тази в лимфните.
2. Наранена кожна повърхност. Поведението на РН зависи от 2 основни фактора:
Физико-химични свойства на РН.
Вида на раната.
С най-голямо значение от физико-химичните свойства на РН е разтворимостта на химичното съединение, под формата на което той влиза в съприкосновение с наранената кожа. При попадане върху раната на трудноразтворими окиси, карбонати на тежки метали, те се фиксират на мястото на постъпване и почти не се резорбират в кръвта.
Вида на раната е от голямо значение за степента на резорбция на РН. При порезни и прободни рани всмукването е в най-голяма степен. При кожно-мускулни рани резорбцията е по-малка. Най-малка е при контузно-разкъсните рани.
Намалената резорбция при кожно-мускулните и контузно-разкъсните рани се обяснява с факта, че при тях възниква обширна травма на тъканите със силно увреждане на кръвоносни и лимфни съдове и забавяне на движението на кръвта и лимфата по тях.
При термичните изгаряния от І и ІІ степен резорбцията на РН не се различава от тази през ненаранената кожа. При термични изгаряния от ІІІ степен некротизиралата тъкан играе роля на бариера, която рязко снижава степента на резорбция на РН.
Установено е, че съпътстващия всички рани оток и възпалителен процес, разпространяващ се в съединителната тъкан и по хода на съдовете в съседство спомага за разпространението на РН в тъканите около раната.
3. Дихателна система.
Дихателната система е входна врата за различните РН, както при професионални, така и при аварийни условия. Поведението на РН при постъпването им през тази входна врата зависи от следните фактори:
Свойства на вдишвания радиоактивен аерозол:
а/ големина и форма на РА частици;
б/ склонност за свързване с течности;
в/ плътност на частиците;
г/ химични свойства на частиците;
С най-голямо значение е размерът на частиците:
а/ частици над 5 мкм се задържат в ГДП;
б/ частици от 0,5 до 5 мкм проникват в белия дроб;
в/ частици под 0,5 мкм – проникват и напускат белия дроб без задръжки;
Анатомчна и физиологична характеристика на дихателните пътища:
а/ минутен обем на белия дроб;
б/ честота на дишането;
в/ размер на белодробните и бронхиалните повърхности;
По-нататъшната съдба на първоначално отложените в белите дробове радионуклиди зависи от редица процеси. При попадането на частиците в носоглътката една част от тях преминава през трахеята и бронхите, а друга част, през устната кухина попада в храносмилателната система. Известна част от радионуклидите посредством движението на ресничестия епител на трахеята и бронхите се връща обратно в устната кухина и от там също прониква в стомаха. От дихателните пътища неизхвърлените обратно радионуклиди продължават движението си и достигат белодробната повърхност. Разтворимите радиоактивни вещества се всмукват в кръвта и лимфата. Посредством тях те се разнасят из целия организъм. Коефициентът на всмукване на тези радиоизотопи е различен. Така например за стронций-89 се приема, че около 20-25% от постъпващото в белите дробове количество преминава бариерата на органа. Всмукването на нуклида протича бързо. Един ден след инхалирането му в белия дроб са открити 0,39% от първоначално въведената активност. През първата минута 50% от нуклида е напуснала белодробната тъкан, а след 1 час – 95%. Незначителното съдържание на стронций-89 в белите дробове в кратки срокове след попадането му в дихателната система очевидно се обуславя от една страна от бързата резорбция и от друга – от извеждането му посредством ресничестия епител на бронхите в устната кухина с последващо поглъщане. В резултат на механичното извеждане на радиоизотопа от белите дробове, един час след инхалацията се наблюдава увеличено съдържание на стронций-89 в храносмилателната система до 53,6%. Третата част от радиоизотопите, и то тези, които са неразтворими, се отлагат в лимфните възли разположени в тази област.
Представената обща схема не отразява многообразието на процесите протичащи при всмукването на радиоизотопите през тази входна врата, но дава възможност за обща ориентация. Необходимо е да подчертаем, че величината и скоростта на всмукването на радионуклидите от белите дробове в кръвта се определя главно от разтворимостта им в течната среда на дихателната система.
Друго важно условие, което винаги трябва да се има предвид е, че към радиоактивността, постъпваща в организма през белите дробове, задължително трябва да се добави и тази, постъпваща през храносмилателната система. Както вече бе отбелязано, радионуклидите попадат в последната от горните дихателни пътища и тяхното количество може да бъде значително и даже да достигне половината от вдишвания аерозол. Това се отнася за аерозоли с едри и неразтворими частици.
4. Храносмилателна система.
Тя има водещо значение като входна врата за постъпване на РН в организма. Радионуклиди, постъпващи в организма с храната и водата се смесват със стомашно-чревното съдържимо и се придвижват по гастроинтестиналния тракт като през това време облъчват стените на стомаха и червата. Разтворимите РН се резорбират през червата. Най-голяма е резорбцията в горните отдели на тънките черва. Неразтворимите РН не се резорбират и се отделят с фекалиите.
Резорбцията на РН през червата зависи от следните фактори:
Химични свойства на РН.
Физиологично състояние на храносмилателната система.
Състав на хранителния рацион.
От химичните свойства най-голямо значение има разтворимостта на химическото съединение под формата на което РН попада в храносмилателния тракт. Трудноразтворимите хидроокиси и фосфати се резорбират трудно. Скоростта на всмукване на РН се намалява значително при наличие на техни стабилни изитопи. От физиологичното състояние на храносмилателната система значение има скоростта на пасажа, която определя времето на престоя на замърсената с РН храна.
ІІ. Принципи на разпределение на РН в организма.
Радионуклидната смес, попадаща в организма се състои от различни изитопи, които имат собствен път на разпределение и не търпят взаимно влияние. На всички звена от обмяната на РН определящ фактор са физико-химичните свойства и формата на съединенията, които те образуват при взаимодействие с течните среди на организма.
Разтворимостта на РН на входната врата (първото звено от обмяната) определя пътя, характера и формата на химичните им съединения при по-нататъшното разпределение в организма.
Обособени са 2 основни групи радиоизотопи, които имат различни механизми на разпределение:
1. Радиоизотопи, съединенията на които са разтворими в течните среди на организма.
2. Радиоизотопи, чиито съединения са трудноразтворими в течните среди на организма.
Радиоизотопите, които образуват разтворими съединения още в първото звено на обмяната (входна врата) се всмукват в кръвта и проникват в междуклетъчната течност. Част от тези РН (най-вече в йонна форма) се разпределят равномерно в клетките на организма. Друга част се натрупват избирателно в клетките на определени органи и тъкани.
Скоростта на преминаване на РН от кръвта в междуклетъчната течност и обратно е голяма. По-бавен е процеса на връщане на РН от клетките на тъканите и органите, където се натрупват. Това е така, когато РН се свързват чрез стабилни връзки с клетъчните съставки в тъканите. Най-бързо се извеждат от организма РН, образуващи неустойчиви връзки в тъканите и тези, които се намират в кръвната плазма и междуклетъчните пространства. Скоростта на извеждане на РН, които се натрупват в определен орган зависи още от скоростта на обменните процеси в този орган и периода на полуразпад на РН.
Органите, към които РН проявяват избирателен тропизъм и се натрупват в тях са подложени на максимално радиационно въздействие. Те се наричат критични органи. Ако РН се натрупват избирателно в няколко органа, критичен ще бъде този, в който радиоизотопа се натрупва най-интензивно и се извежда най-бавно.
Критичните органи са с висока радиочувствителност.
В зависимост от натрупването на РН в критичните органи те се разделят на следните групи:
а/ равномерно разпределящи се в организма (Na, H, K);
б/ натрупващи се в костите (стронций, фосфор);
в/ натрупващи се в бъбреци и слезка (полонит, олово);
г/ нерартворими РН със слаба резорбция през червата, чийто критичен орган е храносмилателния тракт (Со);.
д/ тиреотропни;
е/ хемотропно разпределени (хемопоетичните органи) – Fe, хром, Со и др.;
Най-разпространени са РН с критични органи кости и храносмилателен тракт.
Радиоизотопите, които образуват неразтворими съединения още в първото звено на обмяната се захващат и се натрупват в клетките на ретикулоендотелната система. РН, намиращи се в кръвната плазма се улавят от ретикулоендотелните клетки на черния дроб, слезката и костния мозък, които са разположени по хода на капилярите.Тези клетки извличат РН направо от кръвта и ги отлагат в черния дроб, слезката и костния мозък. РН от белия дроб се улавят от ретикулоендотелните клетки, разположени в лимфните възли. Тези РН се отлагат в Ly възли.В клетките на ретикулоедотелната система РН се подлагат на изменения, в резултат на което могат да преминат в разтворимо състояние. Така става тяхното извеждане от организма или повторното им натрупване в определени органи.
ІІІ. Динамика на обмяната на РВ в организма.
Динамиката на обмяната на РВ е основен фактор, от който зависи степента на увреждане на организма при инкорпорация на радионуклиди в него. Отлагането на инкорпорираните РН в различните органи и тъкани не е стабилно. Тяхното количество, а оттам и радиоактивност се променят с течение на времето.
Динамиката на обмяната на РН в организма се определя основно от следните 2 процеса.
Физичен радиоактивен разпад на РН.
Биологично отделяне на РН.
Физичния РА разпад е постоянен процес, при който наред с отделянето на йонизиращи лъчения се наблюдава намаляване количеството на РН до превръщането му в стабилен изотоп. Величината, характеризираща физичния РА разпад е периода на полуразпад – времето, за което началната активност на РН намалява наполовина. Стойността на тази величина определя биологичната ефективност на РВ. Увреждащото действие на краткоживеещите изотопи се проявява в по-къс период от време в сравнение с дългоживеещите, поради по-бързия им разпад. При облъчване със смеси от РН общата скорост на намаляване на радиоактивността е равна на сумата от скоростите на разпадане на отделните изотопи, влизащи в нейния състав. Радиоактивната смес има променлив характер тъй като появилите се дъщерни продукти са също радиоактивни. Величината, характеризираща физичния разпад на РН, която се използва за определяне динамиката на обмяната им се нарича постоянна на разпада (λф).
Биологичното отделяне на РН е съвкупност от сложни биологични процеси на натрупване, разпределение и извеждане на РВ от организма. Тези процеси водят до намаляване количеството на РН в организма по биологичен път. За определяне динамиката на РН значение има определянето на скоростта на тези биологични процеси в следните етапи от тяхната обмяна:
1. Резорбция на РН в кръвта от входната врата.
2. Преминаване на РН от кръвта в органите и тъканите.
3. Отделяне на РН от организма.
Слаборазтворимите РН, както и тези екскретирани от черния дроб с жлъчката се извеждат от организма през СЧТ. Този път на отделяне е първостепенен за голяма част от РН. Разтворимите РВ се отделят през бъбреците и в много малка степен през потни и млечни жлези. Газообразните РН се отделят през дихателната система. Основно количество от инкорпорираните РН се извеждат от организма в първите 4 денонощия, след което екскрецията е незначителна. Биологичното отделяне води до намаляване броя на изотопите вследствие на обменни процеси и се характеризира чрез така наречената постоянна на биологичното отделяне (λб)
Снижението на РА в организма, дължащо се физичния разпад и биологично отделяне се нарича постоянна на ефективното отделяне (λеф.)
λеф = λф + λб
Зависимостта между физичния разпад и биологичното отделяне може да се определи и чрез ефективен период на отделяне. Той показва времето, през което съдържанието на РН в организма или в даден орган се намалява наполовина:
Теф – ефективен период на полуотделяне
Тф . Тб Тф – физичен период на полулазпад
Теф = –––– Тб – биологичен период на полуотделяне
Тф +Тб
При франкционирано постъпване на РН в организма след продължителен период от време съдържанието му в критичния орган се установява на постоянно ниво. Настъпва равновесие между натрупващото се и извеждащото се количество. Величината, която показва колко пъти съдържанието на радиоизотопа в критичния орган превишава неговото денонощно постъпване се нарича кратност на натрупването.
Динамиката на обмяната на РН в организма може да се определи и чрез така нареченото камерно моделиране, което дава представа за скоростта на придвижване на РН в организма. При определянето на отделните камери се използват следните принципи:
1. Принципи на концентрацията – в една камера се групират органите и тъканите, които имат свойството да концентрират РН в равна степен при стационарни условия.
2. В една камера могат да се обединят структурните елементи на системата, в която РН се намира в еднакво химично състояние.
3. В една камера се обединяват органи и тъкани, които са еднакво функционално значими в една и съща фаза от метаболизма на РН.
При определяне на тъканните дози на инкорпорираните РН трябва да се има предвид, че общата активност на инкорпорираната РА смес се определя чрез сумата на отделните радиоактивности на съдържащите се в нея изотопи.
Концентрацията на радиоизотопа в даден орган се определя чрез отношението на радиоактивността (А) към масата на органа (m).
А
С = –
m
