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 tipai 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 ir 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 spinduoliai 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 atiduota 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 masė.
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 ekvivalentine 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 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.