Radioaktyvumas. Radioaktyvios medžiagos

Įvadas

Tarp visų toksikologijos šakų, jonizuojanti radiacija daro didžiausią žalą
žmonėms. Penki dideli tyrimų objektai renka informaciją apie radiacijos
žalą žmonių sveikatai. Ši žala yra dėl išorinių rentgeno spindulių bei gama
spinduliuotės ir dėl vidinių alfa spindulių poveikio. Tyrimai apima radžio
poveikį, žmones išgyvenusius po atominių bombų sprogimo, pacientus
apšvitintus rentgeno spinduliais dėl įvairių ligų, vaikus apšvitintus
rentgeno spinduliais dėl trachiofilijos (grybelių sukeliamos odos ligos),
bei žmones dirbusius urano kasyklose ir paveiktus radžio bei jo trumpaamžių
dukterinių atmainų. Vienintelė radiacijos pasekmė žmogaus sveikatai –
anksčiau ar vėliau pasireiškiantis vėžys. Įvairūs tiipai ir kiekio rizikos
yra aprašomos sekančiuose skyriuose. Visi šie tyrimų objektai duoda
nuoseklų jonizuojančios radiacijos poveikio rizikos vaizdą. Yra pakankamai
duomenų iš atominių bombų, profesinio, bei medicininio radiacijos
spinduliavimo, kad būtų galima įvertinti ilgalaikį žemo lygio aplinkos
spinduliavimą. Natūralus radiacinis fonas yra didelis ir tik per
pastaruosius du dešimtmečius buvo suprastas jo poveikio mastas žmonių
populiacijai.

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 keturiais
atominės masės vienetais irr išspinduliuodamas alfa dalelę kurios atominė
masė 4 ir jos krūvis teigiamas (+2) ir kuri susideda iš dviejų protonų ir
dviejų neutronų. Atomas taip pat gali suirti išspinduliuodamas beta dalelę.
Gama spinduliavimas gaunamas, kai atomo branduolys atpalaiduoja perteklinę
energiją, paprastai po alfa ar beta spinduliuotės. Rentgeno sp

pinduoliai
gaunami, kai iš atomo yra pašalinamas arti branduolio esančio sluoksnio
esantis elektronas ir persirikiuoja kiti elektronai, išsiskiriant elementui
būdingiems Rentgeno spinduliams.

Radiacijos sąveika su materija

Jonizuojanti radiacija, pagal apibrėžimą, praranda energiją, kai skverbiasi
per materiją, palikdama jonų poras (elektroną ir teigiamai įelektrintą
atomą). Prarastos energijos dalis perveda elektronus į sužadintąjį būvį.
Vidutinė energija reikalinga sužadinti elektroną žymima raide W ir lygi
33,85eV. Dar nėra aišku kokį vaidmenį sužadinimas vaidina, pavyzdžiui
pažeidžiant ląstelių DNR. Jonizacija gali suardyti DNR jungtis, sąlygodama
DNR vijų sutrūkimą ir suprantamą tai sekančią žalą. Visos dalelės ir
spinduliai sąveikauja savo krūviais ar laukais su atomų ar laisvais
elektronais. Nėra jokios sąveikos su atomų branduoliais, kol energija
neviršija 8 MeV, kuri reikalinga branduolio suardymui.

Absorbuota dozė

Absorbuota dozė yra apibudinama kaip vidutinė energija e, perduodamos
jonizuojančios energijos medžiagai, kurios masė m: D=e/m , kur D-absorbuota
dozė, e-vidutinė energija attiduota medžiagai, m-masė. Absorbuotos dozės
vienetai yra grėjai Gy=1J*kg-1. Dalelėms neturinčioms krūvio (gama
spinduliams ir neutronams),kaip vienetai kartais naudojamos kermos –
kinetinė energija pasklidusi medžiagoje (kinetic energy released in
matter). Tai yra suma pradinių kinetinių energijų visų krūvius turinčių
jonizuojančių dalelių, pašalinus masės vienetus. Išorinis poveikis dažnai
maišomas su absorbuota doze. Išorinis poveikis apibrėžiamas tik gama
spinduliams ar fotonams ore, ir yra krūvis vieno ženklo jonų, kai visi
elektronai išlaisvinti fotonų yra visiškai sustabdyti ore, masės m: X=Q/m,
kur X – išorinis poveikis, Q – bendras vieno krūvio ženklas, m – oro ma

asė.
Išorinio poveikio matas yra kulonai vienam oro kilogramui.

Dozės greitis

Dozės greitis yra dozė išreikšta per laiko vienetą. Dozės greitis pateiktas
skydliaukei 99mTc atominės medicinos tyrimams. Bendrai, medžiagos iš
organizmo yra pašalinamos biologiniais procesais, taip pat kaip
radioaktyviu irimu; tačiau aktyvus pusamžis yra trumpesnis už radioaktyvų
pusamžį.

Ekvivalentinė dozė

Jonizuojanti radiacija sukuria jonų poras medžiagoje tokioje kaip oras ar
audinys reliatyviai tankiai ar retai pasiskirsčiusias priklausomai nuo
dalelių. Alfa dalelės turinčios didelę masę duoda reliatyviai intensyvius
jonizacijos pėdsakus viename ilgio vienete palyginus su beta dalelėmis,
kurios duoda didesne jonizaciją nei gama spinduliai. Gebėjimas atlikti
didesnę ar mažesnę jonizaciją ilgio vienete vidutiniškai yra matuojamas LET
– tiesiniu energijos pernešimu. Apskaičiuotasis LET alfa ir beta dalelėms
yra daug didesnis nei gama spinduliams. Apsvarstant sveikatos ar efektus
ląstelėms kiekvienos dalelės ar spindulių, būtina normalizuoti visus
radiacijos tipus. Konkretaus biologinio proceso pabaigai, tokio kaip
ląstelės mirtis eksperimente su pelės fibroblastais, būtina suskaičiuoti
tariamą biologinį aktyvumą (RBE). Tai apibrėžiama kaip gama spindulių dozė
kuri duoda tą patį efektą, kaip ir dozė bandymo metu, pavyzdžiui ląstelės
mirčiai. Nors apšvitinant tomis pačiomis dozėmis organus alfa dalelėmis ir
gama spinduliais, daug didesnis efektas gaunamas alfa dalelių, tačiau taip
negalima apskaičiuoti poveikio žmogaus sveikatai (numatyti vėžio), nes nėra
duomenų. Bandymai suskaičiuoti įvairių spinduliuočių poveikį žmogaus
sveikatai, vykdomi lyginant LET įvairios radiacijos tipų vandenyje. LET
koeficientas gama spinduliams apibūdinamas radiacijos kenksmingumo
(„svorio“) faktorius, wr, o normalizuotas dozė vadinama ek

kvivalentine doze.
Ekvivalentinės dozės matavimo vienetas – liveris (Sv): H=D*wr, kur H-
ekvivalentinė dozė liveriais, Dozė grėjais, wr – radiacijos kenksmingumo
faktorius. Lentelėje pateiktos rekomenduojamos wr reikšmės skirtingiems
radiacijos tipams:
[pic]

Veiksminga dozė ir vėžio rizika

Veiksmingos dozės terminas buvo įvestas tam, kad būtų galima tiesiogiai
palyginti vėžio ir genetinių anomalijų riziką, dėl skirtingų viso kūno ar
tik 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. Santykis
0,0064/0,056 buvo apibrėžtas kaip kenksmingumo audiniui faktorius, wt,
plaučiams ir lygus 0,12. Veiksminga dozė HE
apibrėžiama kaip dvejotinai kenksminga dozė, nustatyta radiacijos tipui ir
audiniui esant rizikai: HE=wt*(Dwr). Lentelėje pateiktos rekomenduojamos wt
reikšmės skaičiuojant veiksmingą dozę:
[pic]
DNR pažeidimo mechanizmas

Energijos pašalinimas iš ląstelės branduolio

DNR yra dviejų vijų spiralinė makromolekulė susidedanti iš keturių
pasikartojančių dalių: purino bazių adenino (A) ir guanino (G), bei
pirimidino bazių timino (T) ir citozino (C). Šios bazės yra sudėliotos
dviem linijinėm vijom sujungtom tarpusavyje į centrą vandenilinėmis
jungtimis, o į išorę susijungę cukrų – fosfatų kovalentinėmis jungtimis.
Adenino bazė poruojasi su timinu (A:T), o guanino su citozinu (G:C), taip
kad abi DNR vijos turi pasikartojančią šių bazių seką. Bazių seka nusako
genetinį kodą, kiekvienas genas turi unikalią šių bazių seką. DNR
pažeidimai gali paveikti bet kurį jos komponentą, tada vyksta bazių
persitvarkymas kuris turi genetines pasekmes.

Tiesioginė ir netiesioginė jonizacija

Radioaktyvios dalelės gali perduoti energiją tiesiogiai DNR (tiesioginė
jonizacija) ir

r gali jonizuoti kitas molekules glaudžiai susijusias su DNR
(deguonis, vandenilis),sudarydami laisvuosius radikalus kurie gali pažeisti
DNR (netiesioginė jonizacija). Ląstelės viduje tiesioginis efektas veikia
tik labai mažais atstumais, kelių manometrų ilgio eilės. Radikalų difuzijos
atstumas yra ribojamas itin didelio jų reaktingumo. Nors yra sunku tiksliai
išmatuoti skirtingus poveikius tiesioginės ir netiesioginės jonizacijos DNR
pažeidimams dėl nedidelės LET radiacijos, tačiau duomenys gauti įvedus
radikalus į ląsteles leidžia teigti, kad 35% pažeidimų būna dėl tiesioginės
jonizacijos, ir 65% netiesioginės. Dar yra ginčijamasi dėl to ar
tiesioginis ir netiesioginis poveikiai sąlygoja panašią greitą žalą DNR.

DNR pažeidimai

Jonizacija dažnai suardo cheminius ryšius ląstelės molekulėje, tokioje kaip
DNR. Jei dauguma jonizacijos pasireiškia kaip pavieniai atskirti efektai,
pažeidimai yra be vargo „sutaisomi“ molekulių enzimų. Jei vidutinis
jonizacijos tankis didelis, gali būti, kad DNR dviguba grandinė bus
sutraukyta. Dauguma pažeidimų nuo aukšto LET, taip pat kaip ir nedidelė
dalis nuo žemo LET, atsiranda iš lokalizuoto pažeidimų telkinio, kuriam
plečiantis DNR struktūra gali buti stipriai pažeista. Kol vietinių
pažeidimų židinių mastas DNR molekulėje, nuo vienos dalelės (alfa, beta ar
gama), nuo žemos ir aukšto LET persidengia, aukšto LET radiacija sudaro
didesnius ir greičiau augančius židinius, sąlygodama didesnę žalą. Taip pat
aukšto LET jonizacija kartais sukuria itin didelių židinių, ko nepasitaiko
su mažu LET, padaryta žala gali būti nebepataisoma. Kai ląstelė pažeidžiama
aukšto LET, kiekviena dalelė nueidama tam tikrą kelią, palieka didelį
jonizacijų skaičių, todėl ląstelė gaus didesnę radiacijos dozę, todėl bus
didesnė pažeidimų vienai kiekvienai DNR molekulei galimybė. Jei ląstelės
yra apšvitinamos maža aukšto LET doze, vistik kelios ląstelės gauna
sąlyginai didelę dozę, radiacija nepasiskirsto mažėdama. Atitinkamai žemo
LET radiacija geriau pasiskirsto ląstelėse ir vienos ląstelės gaunama dozė
nėra tokia didelė.
Jonizuojančios radiacijos sąveika su DNR pasekoje galimi įvairūs
pažeidimai: daug cheminių produktų buvo atrasta ir suklasifikuota,
remiantis jų struktūra. Jie skiriasi priklausomai nuo to kuris cheminis
ryšys buvo pažeistas, kuri bazė modifikuota ir koks pažeidimo laipsnis.
Lentelėje pateikiami apskaičiuoti DNR pažeidimų kiekiai žinduolių
ląstelėse, sukelti žemo LET radiacijos:
[pic]
Taip pat buvo mėginta spėlioti, remiantis esamais duomenimis, kokias
pasekmes sukels skirtingų tipų pažeidimai, žinant minimalų jonizuotų
molekulių skaičių, kurį palieka viena radioaktyvi dalele ar gama
spinduliai. Radiacijos poveikiai gali būti klasifikuojami pagal galimybę,
kad jie sukels vienos DNR vijos persigrupavimą, abiejų vijų persigrupavimus
vienoje DNR molekulėje, ar dar sudėtingesnius DNR pažeidimus.
Kai kurie DNR pažeidimai sukelti joninės radiacijos yra panašūs į
pažeidimus kurie, kurie natūraliai atsiranda ląstelėse. Šis spontaninis
pažeidžiamumas didėja, didėjant dėl terminio DNR nestabilumo, taip pat ir
nuo vidinio endogeninio oksidavimosi, bei enziminių procesų. Kai kurių
metabolitinių procesų metu ląstelėje susidaro radikalai, kurie gali
atakuoti DNR ir sąlygoti tiek bazių pažeidimus, tiek molekulės
trūkimus(dažniausiai kaip atskiri procesai). Tačiau stipriausi radiacijos
efektai ląstelei negali, negali atsirasti spontaninių procesų metu
ląstelėse, nes pavieniai radikalai ar nedidelės jų grupės negali sukelti
tokio stipraus efekto.

Radioaktyvios medžiagos

Radis 226,228Ra

Radis 226,228Ra buvo atrastas ankstyvais XX a. metais ir dėl jo išskirtinių
savybių buvo pradėtas naudoti gydymui. Jis buvo pradėtas taikyti kaip
vaistas nuo visų ligų medicinoje ir dažų gamyboje. Didžiausias
apsinuodijimas įvyko Jungtinėse Valstijose tarp dažytojų, kurie prarijo nuo
10 iki 1000 mikrogramų medžiagos. Tokios apsinuodijusios grupės, įskaitant
pacientus, chemikus, ir dažytojus, buvo tiriamos daugiau nei 60 metų, kad
nustatyti radžio išsilaikymą kūne, ir jo ilgalaikį poveikį sveikatai.
Vienintelis ilgalaikis poveikis po 226,228Ra prarijimo yra piktybinių
auglių atsiradimas. Buvo pastebėta, kad netgi patekus dideliems radžio
kiekiams į organizmą žmonės nesusirgdavo leukemija. Tai reiškia, kad
ląstelės – taikiniai, leukemijai (kaulų čiulpams), yra per toli, kad jas
galėtų 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 Amerikos
Medikų Asociacijos 1915 metais gydyti reumatui, ir proto sutrikimams.
Pirmieji didesni tyrimai žmonių, gydytų radžio terapija, ir kuriems po to
išsivystė piktybiniai augliai, buvo pradėti atlikinėti 1931 metais. Ypač
daug buvo piktybinių kaulų auglių atvejų. Taip yra todėl, kad radis
medžiagų apykaitoje dalyvauja panašiai kaip ir kalcis – patenka į
mineralinę 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 ir
nugarkaulio meniskų uždegimams gydyti. Vaikų gydymas radioaktyviu radžiu
baigėsi 1950 metais, bet jo savybe numalšinti stuburo skausmus pratęsė jo
vartojimą suaugusiems. 224Ra skiriasi nuo 226Ra tuo, kad jo gyvavimo
pusamžis yra trumpas (3,62 dienos) ir alfa dozė suveikia kol radis dar būna
ant kaulo paviršiaus.
1970-1988 buvo tirta 899 pacientų vokiečių, kurie buvo gydyti 224Ra nuo 1
iki 45 mėnesių. Buvo sudarytos dvi grupės – paauglių ir suaugusių, tačiau
kaulų sarkomos atvejai abiejose grupėse pasitaikydavo beveik vienodai. 60
pacientų buvo konstatuota kaulų sarkoma. Atliekant tolesnius tyrimus šiose
grupėse buvo nustatyta kitų piktybinių auglių, vyrų ir moterų krūties,
skydliaukės ir kepenų vėžio atvejų. Tyrimų išvadose buvo teigiama, kad
tikimybė susirgti vėžiu po gydymo 224Ra yra proporcingas gydymo
laikotarpiui.

Atominių bombų poveikis išgyvenusiems po jų sprogimo

1945 rugpjūčio 6 dieną JAV kariuomenė numetė atominę bombą ant Hirosimos
miesto Japonijoje. Po trijų dienų antra bomba buvo numesta ant Nagasakio
miesto. Šie ginklai buvo iš skirtingų medžiagų: pirmajame buvo uranas 235U,
o antrajame plutonas 239Pu. Vieno kilometro spinduliu abiejuose miestuose
žuvo 64000 žmonių nuo sprogimo ir terminių efektų, bei nuo itin stiprios
gama ir neutronų radiacijos. Kiti žmonės buvę 1-2 km atstumu nuo sprogimo
hipocentro gavo maždaug 1-3 grėjų radiacijos dozes. Po kelerių metų buvo
nutarta stebėti netoli sprogimo hipocentro buvusių žmonių sveikatą. Buvo
nustatyta, kad iš daugiau nei 120 tūkst. Stebėtų žmonių, mirtingumas nuo
vėžio 1950-1985 metais nusinešė beveik 76 tūkst. gyvybių. Lentelėje
pateikiami duomenys rodantys vėžio atvejų padažnėjimą po atominės bombos
sprogimo:
[pic]

Trachiofilijos gydymas Rentgeno spinduliais

1905-1960 Rentgeno spinduliais buvo gydoma trachiofilija vaikams. Gydymo
metodas buvo pristatytas 1904 metais, o standartizuotas 1909 m. Per beveik
pusė amžiaus šis metodas buvo taikytas daugiau nei 200000 vaikų visame
pasaulyje. Jokie šalutinio poveikio tyrimai nebuvo atliekami iki 1968 metų.
Vidutinis gydytų vaikų amžius buvo 7-8 metai. Atliekant tyrimus buvo
nustatytos radiacijos dozės atskiriems organams. Šie rezultatai pateikiami
lentelėje.
[pic]
Daugiausiai iš susirgusiųjų buvo konstatuotas odos vėžys, kuriam daug
įtakos turėjo odos storis švitinimo vietoje. Taip pat buvo pastebėta, kad
odos vėžiu nesusirgo nei vienas juodaodis, nors jie sudarė 25% švitintų
vaikų. Stebina labai mažai padidėjęs kitu piktybinių auglių (neskaitant
odos vėžio) kiekis. Laimei mirtingumas, odos vėžio atveju, sudaro tik
mažiau 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 valdymo
sistemą, padarinys. Staiga padidėjus reaktoriaus galiai, dalis kuro
suslėgtame vandenyje ėmė garuoti ir įvyko sprogimas, sugriovęs reaktorių ir
daugelį šalia buvusių pastatų. Įvertinimo duomenimis, į aplinką pateko
dideli kiekiai radioaktyvių medžiagų: 131I, 137Cs, 90Sr. Po katastrofos
praėjus kelioms dienoms, prasidėjo elektrinės darbuotojų ir gaisrininkų
mirtys. 1986 metais 220000 žmonių buvo evakuota iš aplinkinių rajonų, o
sekančiais metais dar 250000 žmonių iš Ukrainos, Baltarusijos ir Rusijos
Federacijos buvo perkelta gyventi į naujas vietas. Dideli plotai šiose
valstybėse 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 reaktoriaus
atlikti darbus turėjusius sumažinti katastrofos padarinius. Tokie, tik
mažiau intensyvūs darbai vyko iki 1990 metų. Iš viso apie 600000 žmonių
dirbo šį darbą.
Pirmiausia žmonėms pasireiškė komplikacijos kurias sąlygojo radioaktyvus
jodas 131I, trumpaamžiai radionuklidai o vėliau ir radioaktyvus cezis
(134Cs ir 137Cs). Komplikacijos vyko ne tik dėl išorinio radiacijos
poveikio, bet ir dėl radioaktyvių medžiagų patekusių į organizmą su
užterštu maistu. Net ir iki šių dienų yra pastebimas skydliaukės vėžio
atvejų padidėjimas visose trijose teritorijose. Maždaug 1600 skydliaukės
vėžio atvejai buvo konstatuoti vaikams iki 17 metų amžiaus po sprogimo.
Tačiau nebuvo konstatuota jokių kitų vėžio atmainų kurias galėjo sąlygoti
reaktoriaus sprogimas. Diagrama rodo, kaip palaipsniui didėjo susirgimų
skydliaukės vėžiu atvejų, po Černobylio katastrofos.
[pic]
Daugelis valstybių dabar yra pasiruošusios tokioms nelaimėms, sukaupdamos
didelį kalio jodido (KI) kiekį, kuris iškart organizme blokuoja
radioaktyvaus jodo izotopo pasisavinimą.

Medikamentinis 131I naudojimas

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

Išvados

Profesinė, atsitiktinė ir karo laikų patirtis, aprašyta ankstesniuose
poskyriuose, davė pagrindą visiems dabartiniams radiacijos vertinimo
veiksniams. Jau daugelį metų radioizotopai buvo lyginami su 226Ra nustatyti
maksimalią leistiną kūnui radiacijos dozę. Dabartinės leistinos vidinės ir
išorinės radiacijos ribos, yra pagrįstos doze, kuri yra vėžio susirgimo
riba. Duomenys pateikiami diagramoje.
[pic]
Rizika susirgti vėžiu priklauso nuo radiacijos dozės, tik reikia nepamiršti
apie natūralų radiacinį foną, kuris turi būti įvertintas apskaičiuojant
riziką. Didelė dozė kasmet yra gaunama su kosminiais spinduliais ir žemės
radiacija (žemės plutoje esančios radioaktyvios medžiagos – uranas, toris,
kalis). Vidiniai radiacijos šaltiniai – tai su maistu ir oru į organizmą
patekusios radioaktyvios medžiagos. Pavyzdžiui radioaktyvus kalis 40K,
sudaro dalį viso natūraliai gamtoje esančio kalio ir kartu įeina į žmogaus
organizmo sudėtį. Didžiausia radiacijos dozė gaunama iš įkvepiamų
trumpaamžių radžio dukterinių atmainų. Jo yra visuose atmosferos
sluoksniuose, nes lengvai pereina iš uolų ir dirvos į atmosferą.

Leave a Comment