Radioaktyvumas. Radioaktyvios medžiagos

by

Įvadas

Tarp visų toksikologijos šakų, jonizuojanti radiacija daro didžiausią žaląžmonėms. Penki dideli tyrimų objektai renka informaciją apie radiacijosžalą žmonių sveikatai. Ši žala yra dėl išorinių rentgeno spindulių bei gamaspinduliuotės ir dėl vidinių alfa spindulių poveikio. Tyrimai apima radžiopoveikį, žmones išgyvenusius po atominių bombų sprogimo, pacientusapšvitintus rentgeno spinduliais dėl įvairių ligų, vaikus apšvitintusrentgeno spinduliais dėl trachiofilijos (grybelių sukeliamos odos ligos),bei žmones dirbusius urano kasyklose ir paveiktus radžio bei jo trumpaamžiųdukterinių atmainų. Vienintelė radiacijos pasekmė žmogaus sveikatai –anksčiau ar vėliau pasireiškiantis vėžys. Įvairūs tipai ir kiekio rizikosyra aprašomos sekančiuose skyriuose. Visi šie tyrimų objektai duodanuoseklų jonizuojančios radiacijos poveikio rizikos vaizdą. Yra pakankamaiduomenų iš atominių bombų, profesinio, bei medicininio radiacijosspinduliavimo, kad būtų galima įvertinti ilgalaikį žemo lygio aplinkosspinduliavimą. Natūralus radiacinis fonas yra didelis ir tik perpastaruosius du dešimtmečius buvo suprastas jo poveikio mastas žmoniųpopuliacijai.

Elementarus radiacijos supratimas

Yra keturios pagrindinės radiacijos rūšys: 1) alfa dalelės (teigiamai įelektrinti helio atomų branduoliai); 2) beta dalelės (neigiamai įelektrinti elektronai arba teigiamai įelektrinti pozitronai); 3) gama spinduliai; 4) Rentgeno spinduliai.Elektronas gali suirti sudarydamas naują elementą lengvesnį keturiaisatominės masės vienetais ir išspinduliuodamas alfa dalelę kurios atominėmasė 4 ir jos krūvis teigiamas (+2) ir kuri susideda iš dviejų protonų irdviejų neutronų. Atomas taip pat gali suirti išspinduliuodamas beta dalelę.Gama spinduliavimas gaunamas, kai atomo branduolys atpalaiduoja perteklinęenergiją, paprastai po alfa ar beta spinduliuotės. Rentgeno spinduoliaigaunami, kai iš atomo yra pašalinamas arti branduolio esančio sluoksnioesantis elektronas ir persirikiuoja kiti elektronai, išsiskiriant elementuibūdingiems Rentgeno spinduliams.

Radiacijos sąveika su materija

Jonizuojanti radiacija, pagal apibrėžimą, praranda energiją, kai skverbiasi

per materiją, palikdama jonų poras (elektroną ir teigiamai įelektrintąatomą). Prarastos energijos dalis perveda elektronus į sužadintąjį būvį.Vidutinė energija reikalinga sužadinti elektroną žymima raide W ir lygi33,85eV. Dar nėra aišku kokį vaidmenį sužadinimas vaidina, pavyzdžiuipažeidžiant ląstelių DNR. Jonizacija gali suardyti DNR jungtis, sąlygodamaDNR vijų sutrūkimą ir suprantamą tai sekančią žalą. Visos dalelės irspinduliai sąveikauja savo krūviais ar laukais su atomų ar laisvaiselektronais. Nėra jokios sąveikos su atomų branduoliais, kol energijaneviršija 8 MeV, kuri reikalinga branduolio suardymui.

Absorbuota dozė

Absorbuota dozė yra apibudinama kaip vidutinė energija e, perduodamosjonizuojančios energijos medžiagai, kurios masė m: D=e/m , kur D-absorbuotadozė, e-vidutinė energija atiduota medžiagai, m-masė. Absorbuotos dozėsvienetai yra grėjai Gy=1J*kg-1. Dalelėms neturinčioms krūvio (gamaspinduliams ir neutronams),kaip vienetai kartais naudojamos kermos –kinetinė energija pasklidusi medžiagoje (kinetic energy released inmatter). Tai yra suma pradinių kinetinių energijų visų krūvius turinčiųjonizuojančių dalelių, pašalinus masės vienetus. Išorinis poveikis dažnaimaišomas su absorbuota doze. Išorinis poveikis apibrėžiamas tik gamaspinduliams ar fotonams ore, ir yra krūvis vieno ženklo jonų, kai visielektronai išlaisvinti fotonų yra visiškai sustabdyti ore, masės m: X=Q/m,kur X – išorinis poveikis, Q – bendras vieno krūvio ženklas, m – oro masė.Išorinio poveikio matas yra kulonai vienam oro kilogramui.

Dozės greitis

Dozės greitis yra dozė išreikšta per laiko vienetą. Dozės greitis pateiktasskydliaukei 99mTc atominės medicinos tyrimams. Bendrai, medžiagos išorganizmo yra pašalinamos biologiniais procesais, taip pat kaipradioaktyviu irimu; tačiau aktyvus pusamžis yra trumpesnis už radioaktyvų

pusamžį.

Ekvivalentinė dozė

Jonizuojanti radiacija sukuria jonų poras medžiagoje tokioje kaip oras araudinys reliatyviai tankiai ar retai pasiskirsčiusias priklausomai nuodalelių. Alfa dalelės turinčios didelę masę duoda reliatyviai intensyviusjonizacijos pėdsakus viename ilgio vienete palyginus su beta dalelėmis,kurios duoda didesne jonizaciją nei gama spinduliai. Gebėjimas atliktididesnę ar mažesnę jonizaciją ilgio vienete vidutiniškai yra matuojamas LET– tiesiniu energijos pernešimu. Apskaičiuotasis LET alfa ir beta dalelėmsyra daug didesnis nei gama spinduliams. Apsvarstant sveikatos ar efektusląstelėms kiekvienos dalelės ar spindulių, būtina normalizuoti visusradiacijos tipus. Konkretaus biologinio proceso pabaigai, tokio kaipląstelės mirtis eksperimente su pelės fibroblastais, būtina suskaičiuotitariamą biologinį aktyvumą (RBE). Tai apibrėžiama kaip gama spindulių dozėkuri duoda tą patį efektą, kaip ir dozė bandymo metu, pavyzdžiui ląstelėsmirčiai. Nors apšvitinant tomis pačiomis dozėmis organus alfa dalelėmis irgama spinduliais, daug didesnis efektas gaunamas alfa dalelių, tačiau taipnegalima apskaičiuoti poveikio žmogaus sveikatai (numatyti vėžio), nes nėraduomenų. Bandymai suskaičiuoti įvairių spinduliuočių poveikį žmogaussveikatai, vykdomi lyginant LET įvairios radiacijos tipų vandenyje. LETkoeficientas gama spinduliams apibūdinamas radiacijos kenksmingumo(„svorio“) faktorius, wr, o normalizuotas dozė vadinama ekvivalentine doze.Ekvivalentinės dozės matavimo vienetas – liveris (Sv): H=D*wr, kur H-ekvivalentinė dozė liveriais, Dozė grėjais, wr – radiacijos kenksmingumofaktorius. Lentelėje pateiktos rekomenduojamos wr reikšmės skirtingiemsradiacijos tipams:[pic]

Veiksminga dozė ir vėžio rizika

Veiksmingos dozės terminas buvo įvestas tam, kad būtų galima tiesiogiaipalyginti vėžio ir genetinių anomalijų riziką, dėl skirtingų viso kūno artik tam tikrų organų dozių. Dalinė gama spindulių dozė organizmui,pavyzdžiui plaučiams yra 0,0064 vėžio atvejai vienam siveriui, kai dozė

visam organizmui sąlygoja 0,056 vėžio atvejų vienam siveriui. Santykis0,0064/0,056 buvo apibrėžtas kaip kenksmingumo audiniui faktorius, wt,plaučiams ir lygus 0,12. Veiksminga dozė HEapibrėžiama kaip dvejotinai kenksminga dozė, nustatyta radiacijos tipui iraudiniui esant rizikai: HE=wt*(Dwr). Lentelėje pateiktos rekomenduojamos wtreikšmės skaičiuojant veiksmingą dozę:[pic]DNR pažeidimo mechanizmas

Energijos pašalinimas iš ląstelės branduolio

DNR yra dviejų vijų spiralinė makromolekulė susidedanti iš keturiųpasikartojančių dalių: purino bazių adenino (A) ir guanino (G), beipirimidino bazių timino (T) ir citozino (C). Šios bazės yra sudėliotosdviem linijinėm vijom sujungtom tarpusavyje į centrą vandenilinėmisjungtimis, o į išorę susijungę cukrų – fosfatų kovalentinėmis jungtimis.Adenino bazė poruojasi su timinu (A:T), o guanino su citozinu (G:C), taipkad abi DNR vijos turi pasikartojančią šių bazių seką. Bazių seka nusakogenetinį kodą, kiekvienas genas turi unikalią šių bazių seką. DNRpažeidimai gali paveikti bet kurį jos komponentą, tada vyksta baziųpersitvarkymas kuris turi genetines pasekmes.

Tiesioginė ir netiesioginė jonizacija

Radioaktyvios dalelės gali perduoti energiją tiesiogiai DNR (tiesioginėjonizacija) ir gali jonizuoti kitas molekules glaudžiai susijusias su DNR(deguonis, vandenilis),sudarydami laisvuosius radikalus kurie gali pažeistiDNR (netiesioginė jonizacija). Ląstelės viduje tiesioginis efektas veikiatik labai mažais atstumais, kelių manometrų ilgio eilės. Radikalų difuzijosatstumas yra ribojamas itin didelio jų reaktingumo. Nors yra sunku tiksliaiišmatuoti skirtingus poveikius tiesioginės ir netiesioginės jonizacijos DNRpažeidimams dėl nedidelės LET radiacijos, tačiau duomenys gauti įvedusradikalus į ląsteles leidžia teigti, kad 35% pažeidimų būna dėl tiesioginėsjonizacijos, ir 65% netiesioginės. Dar yra ginčijamasi dėl to artiesioginis ir netiesioginis poveikiai sąlygoja panašią greitą žalą DNR.

DNR pažeidimai

Jonizacija dažnai suardo cheminius ryšius ląstelės molekulėje, tokioje kaipDNR. Jei dauguma jonizacijos pasireiškia kaip pavieniai atskirti efektai,pažeidimai yra be vargo „sutaisomi“ molekulių enzimų. Jei vidutinisjonizacijos tankis didelis, gali būti, kad DNR dviguba grandinė bussutraukyta. Dauguma pažeidimų nuo aukšto LET, taip pat kaip ir nedidelėdalis nuo žemo LET, atsiranda iš lokalizuoto pažeidimų telkinio, kuriamplečiantis DNR struktūra gali buti stipriai pažeista. Kol vietiniųpažeidimų židinių mastas DNR molekulėje, nuo vienos dalelės (alfa, beta argama), nuo žemos ir aukšto LET persidengia, aukšto LET radiacija sudarodidesnius ir greičiau augančius židinius, sąlygodama didesnę žalą. Taip pataukšto LET jonizacija kartais sukuria itin didelių židinių, ko nepasitaikosu mažu LET, padaryta žala gali būti nebepataisoma. Kai ląstelė pažeidžiamaaukšto LET, kiekviena dalelė nueidama tam tikrą kelią, palieka didelįjonizacijų skaičių, todėl ląstelė gaus didesnę radiacijos dozę, todėl busdidesnė pažeidimų vienai kiekvienai DNR molekulei galimybė. Jei ląstelėsyra apšvitinamos maža aukšto LET doze, vistik kelios ląstelės gaunasąlyginai didelę dozę, radiacija nepasiskirsto mažėdama. Atitinkamai žemoLET radiacija geriau pasiskirsto ląstelėse ir vienos ląstelės gaunama dozėnėra tokia didelė.Jonizuojančios radiacijos sąveika su DNR pasekoje galimi įvairūspažeidimai: daug cheminių produktų buvo atrasta ir suklasifikuota,remiantis jų struktūra. Jie skiriasi priklausomai nuo to kuris cheminisryšys buvo pažeistas, kuri bazė modifikuota ir koks pažeidimo laipsnis.Lentelėje pateikiami apskaičiuoti DNR pažeidimų kiekiai žinduoliųląstelėse, sukelti žemo LET radiacijos:[pic]Taip pat buvo mėginta spėlioti, remiantis esamais duomenimis, kokias

pasekmes sukels skirtingų tipų pažeidimai, žinant minimalų jonizuotųmolekulių skaičių, kurį palieka viena radioaktyvi dalele ar gamaspinduliai. Radiacijos poveikiai gali būti klasifikuojami pagal galimybę,kad jie sukels vienos DNR vijos persigrupavimą, abiejų vijų persigrupavimusvienoje DNR molekulėje, ar dar sudėtingesnius DNR pažeidimus.Kai kurie DNR pažeidimai sukelti joninės radiacijos yra panašūs įpažeidimus kurie, kurie natūraliai atsiranda ląstelėse. Šis spontaninispažeidžiamumas didėja, didėjant dėl terminio DNR nestabilumo, taip pat irnuo vidinio endogeninio oksidavimosi, bei enziminių procesų. Kai kuriųmetabolitinių procesų metu ląstelėje susidaro radikalai, kurie galiatakuoti DNR ir sąlygoti tiek bazių pažeidimus, tiek molekulėstrūkimus(dažniausiai kaip atskiri procesai). Tačiau stipriausi radiacijosefektai ląstelei negali, negali atsirasti spontaninių procesų metuląstelėse, nes pavieniai radikalai ar nedidelės jų grupės negali sukeltitokio stipraus efekto.

Radioaktyvios medžiagos

Radis 226,228Ra

Radis 226,228Ra buvo atrastas ankstyvais XX a. metais ir dėl jo išskirtiniųsavybių buvo pradėtas naudoti gydymui. Jis buvo pradėtas taikyti kaipvaistas nuo visų ligų medicinoje ir dažų gamyboje. Didžiausiasapsinuodijimas įvyko Jungtinėse Valstijose tarp dažytojų, kurie prarijo nuo10 iki 1000 mikrogramų medžiagos. Tokios apsinuodijusios grupės, įskaitantpacientus, chemikus, ir dažytojus, buvo tiriamos daugiau nei 60 metų, kadnustatyti radžio išsilaikymą kūne, ir jo ilgalaikį poveikį sveikatai.Vienintelis ilgalaikis poveikis po 226,228Ra prarijimo yra piktybiniųauglių atsiradimas. Buvo pastebėta, kad netgi patekus dideliems radžiokiekiams į organizmą žmonės nesusirgdavo leukemija. Tai reiškia, kadląstelės – taikiniai, leukemijai (kaulų čiulpams), yra per toli, kad jasgalėtų pasiekti trumpą jonizacijos kelią turinčios radžio alfa dalelės.Keli tūkstančiai žmonių buvo gydomi radžio druskomis, kaip naujos terapijos

būdu, nuo 1900 iki 1930 metų. Radžio terapija buvo patvirtinta AmerikosMedikų Asociacijos 1915 metais gydyti reumatui, ir proto sutrikimams.Pirmieji didesni tyrimai žmonių, gydytų radžio terapija, ir kuriems po toišsivystė piktybiniai augliai, buvo pradėti atlikinėti 1931 metais. Ypačdaug buvo piktybinių kaulų auglių atvejų. Taip yra todėl, kad radismedžiagų apykaitoje dalyvauja panašiai kaip ir kalcis – patenka įmineralinę kaulų paviršiaus dalį. Ilgas radžio pusamžis (1600 metų)sąlygoja jo paplitimą ant kaulų paviršiaus per ilgesnį laiką.

Radis 224Ra

Europoje 224Ra buvo naudojamas daugiau nei 40 metų tuberkuliozės irnugarkaulio meniskų uždegimams gydyti. Vaikų gydymas radioaktyviu radžiubaigėsi 1950 metais, bet jo savybe numalšinti stuburo skausmus pratęsė jovartojimą suaugusiems. 224Ra skiriasi nuo 226Ra tuo, kad jo gyvavimopusamžis yra trumpas (3,62 dienos) ir alfa dozė suveikia kol radis dar būnaant kaulo paviršiaus.1970-1988 buvo tirta 899 pacientų vokiečių, kurie buvo gydyti 224Ra nuo 1iki 45 mėnesių. Buvo sudarytos dvi grupės – paauglių ir suaugusių, tačiaukaulų sarkomos atvejai abiejose grupėse pasitaikydavo beveik vienodai. 60pacientų buvo konstatuota kaulų sarkoma. Atliekant tolesnius tyrimus šiosegrupėse buvo nustatyta kitų piktybinių auglių, vyrų ir moterų krūties,skydliaukės ir kepenų vėžio atvejų. Tyrimų išvadose buvo teigiama, kadtikimybė susirgti vėžiu po gydymo 224Ra yra proporcingas gydymolaikotarpiui.

Atominių bombų poveikis išgyvenusiems po jų sprogimo

1945 rugpjūčio 6 dieną JAV kariuomenė numetė atominę bombą ant Hirosimosmiesto Japonijoje. Po trijų dienų antra bomba buvo numesta ant Nagasakiomiesto. Šie ginklai buvo iš skirtingų medžiagų: pirmajame buvo uranas 235U,o antrajame plutonas 239Pu. Vieno kilometro spinduliu abiejuose miestuosežuvo 64000 žmonių nuo sprogimo ir terminių efektų, bei nuo itin stipriosgama ir neutronų radiacijos. Kiti žmonės buvę 1-2 km atstumu nuo sprogimo

hipocentro gavo maždaug 1-3 grėjų radiacijos dozes. Po kelerių metų buvonutarta stebėti netoli sprogimo hipocentro buvusių žmonių sveikatą. Buvonustatyta, kad iš daugiau nei 120 tūkst. Stebėtų žmonių, mirtingumas nuovėžio 1950-1985 metais nusinešė beveik 76 tūkst. gyvybių. Lentelėjepateikiami duomenys rodantys vėžio atvejų padažnėjimą po atominės bombossprogimo:[pic]

Trachiofilijos gydymas Rentgeno spinduliais

1905-1960 Rentgeno spinduliais buvo gydoma trachiofilija vaikams. Gydymometodas buvo pristatytas 1904 metais, o standartizuotas 1909 m. Per beveikpusė amžiaus šis metodas buvo taikytas daugiau nei 200000 vaikų visamepasaulyje. Jokie šalutinio poveikio tyrimai nebuvo atliekami iki 1968 metų.Vidutinis gydytų vaikų amžius buvo 7-8 metai. Atliekant tyrimus buvonustatytos radiacijos dozės atskiriems organams. Šie rezultatai pateikiamilentelėje.[pic]Daugiausiai iš susirgusiųjų buvo konstatuotas odos vėžys, kuriam daugįtakos turėjo odos storis švitinimo vietoje. Taip pat buvo pastebėta, kadodos vėžiu nesusirgo nei vienas juodaodis, nors jie sudarė 25% švitintųvaikų. Stebina labai mažai padidėjęs kitu piktybinių auglių (neskaitantodos vėžio) kiekis. Laimei mirtingumas, odos vėžio atveju, sudaro tikmažiau nei 10%.

Černobylis ir radioaktyvusis jodas 131I – iššauktas skydliaukės vėžys.

1986 balandžio 26 dieną įvykusi Černobylio atominės elektrinės katastrofa,buvo nesėkmingo bandymo, norint patikrinti elektrinės elektrinę valdymosistemą, padarinys. Staiga padidėjus reaktoriaus galiai, dalis kurosuslėgtame vandenyje ėmė garuoti ir įvyko sprogimas, sugriovęs reaktorių irdaugelį šalia buvusių pastatų. Įvertinimo duomenimis, į aplinką patekodideli kiekiai radioaktyvių medžiagų: 131I, 137Cs, 90Sr. Po katastrofospraėjus kelioms dienoms, prasidėjo elektrinės darbuotojų ir gaisrininkųmirtys. 1986 metais 220000 žmonių buvo evakuota iš aplinkinių rajonų, osekančiais metais dar 250000 žmonių iš Ukrainos, Baltarusijos ir RusijosFederacijos buvo perkelta gyventi į naujas vietas. Dideli plotai šiosevalstybėse buvo užteršti, o padidėjęs radionuklidų kiekis buvo nustatytas

visame šiaurės pusrutulyje. 1986-1987 metais maždaug 240000 žmonių,pavadintų likvidatoriais, buvo perkelti į 30 km zoną nuo reaktoriausatlikti darbus turėjusius sumažinti katastrofos padarinius. Tokie, tikmažiau intensyvūs darbai vyko iki 1990 metų. Iš viso apie 600000 žmoniųdirbo šį darbą.Pirmiausia žmonėms pasireiškė komplikacijos kurias sąlygojo radioaktyvusjodas 131I, trumpaamžiai radionuklidai o vėliau ir radioaktyvus cezis(134Cs ir 137Cs). Komplikacijos vyko ne tik dėl išorinio radiacijospoveikio, bet ir dėl radioaktyvių medžiagų patekusių į organizmą suužterštu maistu. Net ir iki šių dienų yra pastebimas skydliaukės vėžioatvejų padidėjimas visose trijose teritorijose. Maždaug 1600 skydliaukėsvėžio atvejai buvo konstatuoti vaikams iki 17 metų amžiaus po sprogimo.Tačiau nebuvo konstatuota jokių kitų vėžio atmainų kurias galėjo sąlygotireaktoriaus sprogimas. Diagrama rodo, kaip palaipsniui didėjo susirgimųskydliaukės vėžiu atvejų, po Černobylio katastrofos.[pic]Daugelis valstybių dabar yra pasiruošusios tokioms nelaimėms, sukaupdamosdidelį kalio jodido (KI) kiekį, kuris iškart organizme blokuojaradioaktyvaus jodo izotopo pasisavinimą.

Medikamentinis 131I naudojimas

Radioaktyvus jodo izotopas duodamas pacientams trimis atvejais:1) labai didelėmis dozėmis – pašalinti skydliaukę, skydliaukės vėžioatveju;2) vidutiniai kiekiai – strumos atveju;3) maži kiekiai – tyrimų tikslais.Joks šalutinis, vėžį sukeliantis poveikis, vartojant radioaktyvų jodąmedicininiais tikslais neužfiksuotas.

Išvados

Profesinė, atsitiktinė ir karo laikų patirtis, aprašyta ankstesniuoseposkyriuose, davė pagrindą visiems dabartiniams radiacijos vertinimoveiksniams. Jau daugelį metų radioizotopai buvo lyginami su 226Ra nustatytimaksimalią leistiną kūnui radiacijos dozę. Dabartinės leistinos vidinės irišorinės radiacijos ribos, yra pagrįstos doze, kuri yra vėžio susirgimoriba. Duomenys pateikiami diagramoje.[pic]Rizika susirgti vėžiu priklauso nuo radiacijos dozės, tik reikia nepamirštiapie natūralų radiacinį foną, kuris turi būti įvertintas apskaičiuojant

riziką. Didelė dozė kasmet yra gaunama su kosminiais spinduliais ir žemėsradiacija (žemės plutoje esančios radioaktyvios medžiagos – uranas, toris,kalis). Vidiniai radiacijos šaltiniai – tai su maistu ir oru į organizmąpatekusios radioaktyvios medžiagos. Pavyzdžiui radioaktyvus kalis 40K,sudaro dalį viso natūraliai gamtoje esančio kalio ir kartu įeina į žmogausorganizmo sudėtį. Didžiausia radiacijos dozė gaunama iš įkvepiamųtrumpaamžių radžio dukterinių atmainų. Jo yra visuose atmosferossluoksniuose, nes lengvai pereina iš uolų ir dirvos į atmosferą.