Радиобиология - 5. Токсикология радиоактивных веществ

Основная цель занятия: изучить особенности накопления радионуклидов в объектах ветеринарного надзора, понять потенциальную опасность радионуклидов для живых существ.

Радиоактивные изотопы, загрязняя окружающее пространство, представляют для биоценозов реальную опасность. Их биологическое действие в связи с его малой изученностью, способностью изменять генотип, может приводить к непредсказуемым последствиям. Многие радиоактивные изотопы, как химические вещества, не являются токсичными для живых существ, хотя среди них есть очень сильные биологические яды (изотопы америция). Изучением токсического действия радионуклидов на живые организмы занимается радиотоксикология.

Токсикология радиоактивных изотопов (радиотоксикология) составляет специальную отрасль знаний, предметом которой являются:

● изучение путей поступления радиоактивных изотопов в организм, закономерностей распределения в нем и включения в молекулярные структуры тканей (инкорпорирование), особенностей накопления (депонирование) в различных органах и выведения их из организма;

● установление допустимых уровней содержания радионуклидов в воздухе, воде, кормах, продуктах питания и организме человека;

● исследование биологического действия инкорпорированных радиоактивных изотопов и поиск эффективных средств для профилактики поражения;

● разработка методов и средств, ускоряющих выведение радиоактивных изотопов из организма.

Наиболее глубоко исследуется влияние на организм человека и животных радионуклидов, широко используемых в промышленности, научных и медицинских исследованиях, а также образующихся в результате расщепления ядерного горючего. Как правило, многие из этих радионуклидов могут перемещаться по пищевым цепочкам и накапливаться в живых организмах, включаясь в обмен веществ, и оставаться в тканях длительное время. Активность радионуклидов нельзя погасить ни химическими, ни физическими средствами.

Основные факторы, обусловливающие токсичность радионуклидов

Токсичность радионуклидов зависит от следующих факторов:

● вида и энергии излучения, периода полураспада (физический фактор);

● физико-химических свойств вещества, в составе которого радионуклид попадает в организм (физико-химический фактор);

● типа распределения радионуклидов по тканям и органам (биохимический фактор);

● скорости выведения радионуклидов из организма (биофизический фактор).

Вид и энергия излучения. Количество энергии, выделяемое при каждом распаде, имеет прямую связь с поражающим действием радиоактивного изотопа: чем оно больше, тем сильнее поражение. Важен и тип распада изотопа, так как различны ионизационные характеристики различных типов излучения. Степень биологического действия различных видов излучений зависит от их линейной передачи энергии (ЛПЭ), или удельной ионизации. Эти различия биологического действия ИИ учитываются коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ). (См. занятие 2). Необходимо обратить внимание на то, что коэффициент ОБЭ может существенно отличаться при общем равномерном облучении организма и облучении, связанном с накоплением радионуклида в отдельном органе. Например, при общем облучении организма быстрыми нейтронами коэффициент ОБЭ равен 10, а при местном облучении половых желез — 35.

Период полураспада радионуклида - важная характеристика его биологической активности. Наибольшую опасность для живых организмов представляют изотопы с периодом полураспада от нескольких дней до нескольких десятков лет. При коротком периоде полураспада, измеряемом секундами-минутами, основная масса радионуклида распадается, не достигнув тканей организма, и, следовательно, не создает опасной концентрации. Радионуклиды с большим периодом полураспада (десятки тысяч лет и более) в естественных условиях могут накапливаться в организме в достаточно больших количествах и, тем не менее, не представляют опасности, так как количество энергии выделяемое при их распаде, не создаёт эффективной дозы, которая привела бы к развитию лучевого заболевания.

Однако в некоторых случаях токсичность коротко- или долгоживущего радионуклида может усиливаться дочерними радионуклидами.

При одинаковом типе распада и примерно одинаковой энергии распада большую опасность будет представлять тот радионуклид, у которого выше активность (т.е. меньший период полураспада).

Физико-химические свойства вещества, в составе которого радионуклид попадает в организм. При поступлении радионуклидов в организм их биологическое действие во многом будет определяться агрегатным состоянием вещества. Наибольшее действие оказывают те радионуклиды, которые легко образуют газы и водорастворимые соединения (щелочная и щелочно-земельная группы). Они интенсивно и в большом количестве всасываются в кровь, быстро распространяются по всему организму или концентрируются в соответствующих органах.

Биологическое действие малорастворимых или нерастворимых соединений радионуклидов определяется степенью дисперсности аэрозоля или порошка, в форме которых они поступают в организм. Нерастворимые радиоактивные частицы, попадая в легкие, на слизистые оболочки, в желудочно-кишечный тракт с кормом или водой, могут адсорбироваться эпителиальными клетками или клетками ретикулоэндотелиальной системы или задерживаться в желудке, кишечнике и длительное время облучать ткани, вызывая явное местное радиационное поражение.

На степень биологического действия радионуклидов при внутреннем поступлении большое влияние оказывает наличие нерадиоактивных изотопов этого элемента или химического элемента-аналога в данном веществе. Например, элементы-аналоги кальций и стронций принадлежат ко второй группе элементов. При одновременном поступлении в организм радионуклида и его аналога всасывание и отложение их в тканях идет в прямо пропорциональном отношении к поступившему количеству. На основании указанной закономерности предложены методы защиты отдельных органов от лучевого поражения радионуклидами.

Классификация радионуклидов по их токсичности для человека и животных

По степени биологического действия радионуклиды как потенциальные источники внутреннего облучения разделены на четыре группы.

Группа	Степень радиотоксичности	Минимально значимая активность, мкКи	Радионуклиды
А	Особо высокая	0,1	210Pb, 210Po, 226Ra, 230Th, 232U, 238Pu, 239Pu и др.
Б	Высокая	1 для 90Sr 4×10-10 Ки/л	90Sr, 126I, 131I144Ce, 210Bi 224Ra, 234Th, 235U, 241Pu и др.
В	Средняя	До10 для 137Cs 1,6×10-8 Ки/л	22Na, 32P, 35S, 36C1, 45Ca, 45Ca, 59Fe, 60Со89Sr, 90Y, 137Cs, 140Ba и др.
Г	Малая	До10 для 3H 4×10-6 Ки/л	3H, 14C, 55Fe, 65Zn, 54Mn, 64Cu, 197Pt, 197Hg и др.

На основе степени радиотоксичности изотопов предъявляются надлежащие санитарные требования к организации работ с соответствующими радионуклидами.

Факторы, определяющие степень биологического действия радиоактивных изотопов

Биологическая эффективность радионуклидов определяется физическими (доза, период полураспада, вид и энергия излучения), и биохимическими и биофизическими (тип распределения, пути и скорость выведения) свойствами радиоактивных изотопов, видовой и индивидуальной радиочувствительностью животных. Характер радиационного поражения зависит от количества радиоактивных веществ, поступающих в организм животных, и времени его поступления

Для радиоактивных изотопов с равномерным типом распределения в организме характерно малое различие в дозах, вызывающих острое, подострое и хроническое течение болезни. При их поступлении у животных отмечаются уменьшение массы селезенки и семенников, сильное подавление лимфоидного кроветворения, преимущественное возникновение в отдаленные сроки опухолей мягких тканей.

При поражении изотопами со скелетным типом распределения часто наблюдаются увеличение селезенки вследствие эктопического кроветворения, относительно более сильное подавление костно-мозгового кроветворения, отсутствие резкой атрофии семенников, преимущественное возникновение опухолей костей.

При воздействии изотопов с печеночным и почечным типами распределения максимальные изменения наблюдаются в печени и желудочно-кишечном тракте, почках и мочевыводящих путях.

Существенным фактором, определяющим течение и исход лучевого заболевания, является продолжительность эффективного периода полувыведения (Тэфф). Для радионуклидов с коротким эффективным периодом полувыведения (90Y, l37Cs, 140Ba и др.) при однократном или непродолжительном их поступлении в организм характерно малое различие между дозами, вызывающими острое, подострое и хроническое течение болезни. При этом отмечается быстрая нормализация картины крови и общего состояния животного. При тех же условиях воздействия радионуклидов с большим эффективным периодом полувыведения (90Sr, 226 Ra, 144Ce, 239Pu и др.) отмечается значительное различие в дозах, обусловливающих острое, подострое и хроническое течение болезни. Восстановительный период при этом очень продолжительный, функции организма нормализуются очень медленно, часто возникают злокачественные опухоли, на многие годы могут затягиваться тромбоцитопения, анемия, бесплодие и другие нарушения. У животных, предназначенных для убоя на мясо, эти эффекты могут не успеть проявиться, однако у племенного и молочного скота опасность их возникновения вполне реальна.

Животные в пищевой цепочке человека служат звеном, уменьшающим радиационную опасность, так как они обладают способностью к фильтрации и «захвату в ловушку» радиоактивных нуклидов, и, таким образом, несколько снижают поступление последних в организм человека с пищей.

Из изотопов, являющихся продуктами деления тяжелых ядер, наиболее важное значение для сельскохозяйственных животных имеют три радиоактивных изотопа: 1311, 90Sr, 137Cs. Эти радионуклиды отличаются высокой биологической подвижностью, два из них - 90Sr и I37Cs - относятся к долгоживущим (T 1/2 составляет соответственно 28,6 и 30 лет), а третий - 131I - хотя и причисляется к короткоживущим (Т1/2 = 8,06 сут), но с учетом высокой миграционной способности и большого процентного содержания в смеси продуктов деления (примерно 6% через неделю после взрыва) считается наиболее опасным в первые 1-1,5 месяца после выпадения продуктов деления.

Пути поступления радионуклидов в организм животных

Радиоактивные вещества могут проникать в организм животных через легкие при вдыхании загрязненного воздуха; через пищеварительный тракт с кормом и водой, содержащими радиоактивные вещества; через неповрежденную кожу, слизистые оболочки и раны. Характер распределения радионуклидов в организме зависит от основных химических свойств элемента, формы вводимого соединения, пути поступления и физиологического состояния организма.

Аэрозоли, содержащие радионуклиды щелочной группы (131I) и щелочно-земельных элементов, быстро всасываются с поверхности легких в кровь и разносятся по всему организму.

Степень проникновения радиоактивного аэрозоля и задержка его в легких зависят от заряда частиц и их размеров. Частицы диаметром менее 0,5 мкм легко проникают в легкие и так же легко покидают их, не задерживаясь. Частицы размером от 0,5 до 1 мкм задерживаются в легких на 90%, пылинки размером более 5 мкм — до 20%. Более крупные частицы оседают в верхних дыхательных путях, отхаркиваются и затем заглатываются и поступают в желудок. Необходимо обратить внимание на так называемые «горячие частицы». Это чаще всего атмосферные аэрозоли, состоящие из остатков ядерного топлива, или пылинок с высоким уровнем наведенной радиации, способные создавать в непосредственной близости от себя (0,1-1 мм) очаги с высокими дозами радиации до 10Гр. Они почти не всасываются в кровь, остаются на поверхности легких и вызывают очаговое поражение, апоптоз тканей, в отдаленном времени опухолевые заболевания легких.

Основным путем поступления радионуклидов в организм сельскохозяйственных животных следует считать пищеварительный тракт, особенно при пастбищном содержании.

Всасывание радионуклидов у животных. Характер всасывания радиоактивных веществ в желудочно-кишечном тракте животных определяется многими факторами и зависит от пути поступления, физико-химических свойств радионуклидов, вида, возраста, физиологического состояния организма и многих других факторов. Принципиально всасывание подразделяется на активное и пассивное. При активном всасывании радионуклиды избирательно проникают через клеточную мембрану подобно обычным макро- или микроэлементам, при пассивном проникают за счет диффузии.

Наиболее важное место активного всасывания - желудочно-кишечный тракт, а при воздушном пути поступления - легкие.

У животных с однокамерным желудком скорость резорбции радионуклидов выше, чем у имеющих многокамерный желудок. По скорости всасывания в желудочно-кишечном тракте радионуклиды располагаются в ряд: I31I >137Cs > 45Са > 89>90Сг > > 65Zr > 60Со > 59Fe > 54Мп > И0Ва > 106Ru > 95Zr > 144Се > 90Y > 239Pu. Галогены, щелочные и щелочно-земельные элементы всасываются в максимальных количествах (от 5 до 100 %), а тяжелые и редкоземельные (в результате образования в кишечнике слаборастворимых соединений с фосфатами и жирными кислотами) всасываются очень слабо (от 0,001 до 2,3 %). Трансурановые и редкоземельные элементы в кишечнике образуют труднорастворимые соединения, поэтому степень всасывания их очень низкая.

Радионуклиды всасываются в разных отделах желудочно-кишечного тракта. В верхних отделах главным образом всасываются 3Н, 22Na, S9Mo, 131I, 45Ca, 59Fe, 89>90Sr, 137Cs; 140Ba всасывается преимущественно в среднем отделе кишечника; 32Р, 45Са, 90Si всасываются в преджелудках и кишечнике. Однако большинство радионуклидов наиболее интенсивно всасываются в двенадцатиперстной, тощей, ободочной и подвздошной кишках, минимально — в желудке.

Чем больше масса животных, тем медленнее всасываются радионуклиды. Это объясняется интенсивностью обмена веществ.

У растущих животных всасывание радионуклидов протекает более активно, чем у взрослых. Возраст организма — наиболее существенный фактор, изменяющий скорость всасывания радионуклидов в желудочно-кишечном тракте. У новорожденных животных вследствие интенсивного обмена веществ и большой скорости их роста всасывание радионуклидов в несколько раз выше.

На величину и скорость всасывания существенно влияет количество поступивших радиоактивных веществ. Чем больше их поступает, тем меньшее количество всасывается. При длительном равномерном поступлении радионуклидов в организм наблюдается установление равновесного состояния, при котором концентрация их в организме практически не изменяется вследствие уменьшения резорбции и увеличения скорости выведения. Однако при резком увеличении концентрации в корме поступающих радионуклидов может установится новое более высокое равновесие.

Эффективность всасывания радионуклида зависит также от того, в каком виде он поступает в организм животного. Так, например, радионуклиды, поступающие в натуральное или сухое молоко усваиваются на порядок выше.

Поведение всосавшихся в кровь радионуклидов определяется:

● биогенной значимостью для организма стабильных изотопов данных элементов, тропностью их к определенным тканям и органам; например, кальций выполняет специфическую роль, всегда входит в состав почти всех тканей, проявляет большую тропность к костной системе, йод имеет высокую тропность к щитовидной железе;

● физико-химическими свойствами радионуклидов — положением элементов в периодической системе Д.И. Менделеева, валентностью радиоизотопа и растворимостью химического соединения, способностью образовывать коллоидные соединения в крови и тканях и другими факторами.

По типу распределения радионуклидов в организме их разделяют на четыре основные группы (Ю. И. Москалев), в особую группу выделяют изотопы йода.

Типы распределения радионуклидов в организме:

● Равномерный элементы первой основной группы периодической системы: водород, литий, натрий, калий, рубидий, цезий, рутений, хлор, бром и др.

● Скелетный (остеотропный) щелочно-земельные элементы: — бериллий, кальций, стронций, барий, радий, цирконий, иттрий, фтор и др.

● Печеночный лантан, церий, прометий, плутоний, торий, марганец и др.

● Почечный висмут, сурьма, мышьяк, уран, селен и др.

Такое деление условно, ибо тип распределения элемента в некоторых случаях может меняться. Как правило, нарушение в типе распределения радионуклидов наблюдается при хронических заболеваниях, нарушениях обмена веществ, патологических процессах в отдельных тканях и органах, резких отклонениях в условиях содержания и кормления животных.

Элементы первой основной группы (Li, Na, К, Rb, Cs) полностью всасываются из кишечника, сравнительно равномерно распределяются по органам и выделяются преимущественно с мочой.

Элементы второй основной группы (Са, Sr, Ba, Ра) хорошо всасываются из кишечника, избирательно откладываются в скелете, выделяются в несколько больших количествах с калом.

Элементы третьей основной и четвертой побочной групп практически не всасываются из кишечника, откладываются в печени и в меньшей мере в скелете, выделяются преимущественно с калом.

Элементы пятой и шестой основных групп периодической системы, за исключением Ро, сравнительно хорошо всасываются из кишечника и выводятся почти исключительно с мочой в течение первых суток, благодаря чему в органах обнаруживаются в сравнительно небольших количествах.

У беременных самок радиоактивные изотопы проходят через плаценту и откладываются в тканях плода.

Орган, в котором происходит избирательная концентрация радионуклида и вследствие чего он подвергается наибольшему облучению и повреждению, называют критическим. При поступлении нерастворимых соединений радионуклидов через органы дыхания, пищеварения и кожу критическими органами будут соответственно легкие, желудочно-кишечный тракт и кожа. Для некоторых радионуклидов критическими всегда являются одни и те же органы: например, для йода — щитовидная железа, для стронция, кальция и радия кости. Для всех радионуклидов критическими органами будут кроветворная система и половые железы. Эти органы выделены как критические потому, что они являются наиболее уязвимыми, даже при малых дозах радиации в них происходят существенные изменения.

Попавшие в организм радиоактивные изотопы, так же как и стабильные изотопы элементов, выводятся в результате обмена из организма с калом, мочой, молоком, яйцом и другими путями. Период, в течение которого из организма выводится половина поступившего количества элемента, называют биологическим периодом полувыведения. Убыль радиоактивных изотопов элемента из организма ускоряется вследствие радиоактивного распада. Следовательно, уменьшение радиоактивных изотопов в организме происходит по биологическим закономерностям и по закону радиоактивного распада. Фактическую убыль их в организме принято выражать эффективным периодом полувыведения (Тэфф).

Где ТФиз период полураспада изотопа; ТБиол биологический период полувыведения изотопа.

Накопление радионуклидов в органах и тканях

Накопление радионуклидов в органах и тканях животных связано с физико-химическими свойствами изотопов, видом животных, их возрастом, физиологическим состоянием, а также с видом самого органа и ткани.

Для оценки накопления радионуклидов используют такое количественное понятие, как содержание конкретных радионуклидов или их общую активность в органе, ткани или всем организме, которая выражается в абсолютных (Бк или Ки) или в относительных единицах (% суточного или общего их поступления в организм).

Для оценки скорости накопления в радиоэкологии используют понятие кратность накопления, под которым понимают отношение полученной активности радионуклидов в органах и тканях к их ежесуточному поступлению в организм.

Кратность накопления F определяют по формуле

где С удельная активность радионуклидов в органах и тканях, Бк/кг; т масса органа или ткани, кг; g активность радионуклида, ежесуточно поступающего в организм, Бк.

Наибольшую опасность представляют те радионуклиды, которые имеют высокую кратность накопления. Это прежде всего изотопы йода, стронция и цезия.

Обычно темпы всасывания и депонирования изотопов в тканях прямо пропорциональны.

Попавшие в организм радионуклиды участвуют в обмене веществ по принципу, аналогичному тому, как это происходит для их стабильных изотопов: они выводятся из организма через те же самые выделительные системы, что и их стабильные носители.

Основное количество радиоактивных веществ выводится через желудочно-кишечный тракт и почки, в меньшей степени — через легкие и кожу. У беременных и лактирующих животных часть радионуклидов выделяется с плодом и молоком.

Скорость выведения радионуклидов зависит от их природы, а также от вида, возраста, физиологического состояния животных и ряда других факторов.

Наиболее быстро из организма выводятся радионуклиды, депонирующиеся в тканях, где скорость обмена веществ высокая. Существенно влияет на этот процесс состояние радионуклидов в тканях, т. е. находятся ли они в свободном состоянии или связаны с тканевыми структурами. Свободные радионуклиды быстрее выводятся из организма - это 131I, I06Ru, 132Te, 137Cs. Связанные с тканевым белком и находящиеся в коллоидном состоянии радионуклиды выводятся медленнее — 140La, 142Pr, 144Ce, 147Pm.

Остеотропные радионуклиды выводятся из организма медленнее, потому что в костной ткани гораздо ниже, чем в мягких тканях, обмен веществ. Кроме того, они способны включаться непосредственно в костную ткань, замещая там кальций (90Sr, 90Y, 140Ba и др.).

Однако основным фактором, определяющим пути выведения радионуклидов из организма, являются их физико-химические свойства. Так, радионуклиды редкоземельных элементов независимо от пути поступления выводятся через желудочно-кишечный тракт и незначительно с мочой.

При хроническом поступлении радионуклидов пути их экскреции у животных также различны. Во многом они определяются теми же факторами, что и при однократном поступлении. Однако при хроническом поступлении большое значение начинают приобретать характер кормления животных, полноценность и качество кормов, наличие кормовых добавок и другие факторы. При хроническом поступлении большая часть 131I и 137Сs выводится через почки, тогда как 60Со,89 90Sr, 106Ru, 104Ba, 109W удаляются из организма в основном через желудочно-кишечный тракт.

Введение в рацион животных стабильного изотопа изменяет не только скорость экскреции радионуклида, но и роль выделительных систем в этом процессе. Так, добавление в корм поросятам стабильного стронция уменьшает количество выводимого с мочой 89Sr вдвое. Напротив, увеличение в рационе животных кальция примерно в 10 раз усиливало выведение 89Sr с мочой.

Наиболее интенсивно с молоком 131I выводится в зимнее время. В конце беременности коров наблюдается увеличение поглощения йода молочной железой, достигающее своего максимума в период наиболее интенсивной лактации. Затем этот процесс снижается параллельно со снижением удоев. Экскреция йода у коров связана с продуктивностью. При удое 10,5 л в сутки выведение йода с молоком, мочой и калом составило 6,8; 42,2 и 31,5 %, а при удое 5 л в сутки 3,6; 46,6 и 14,6 % введенного количества соответственно (М.Д. Гольберд).

У мелких животных интенсивность поглощения йода щитовидной и молочной железами значительно выше, чем у крупных. Если у коров в щитовидной железе откладывается 10-20 %, а с молоком выводится 6-8 % поступившего орально 1311, то у коз и овец эти показатели практически одинаковы и колеблются в пределах 30-40 %.

Эффективный период полувыведения долгоживущих изотопов определяется в основном биологическим периодом полувыведения, короткоживущих — периодом полураспада.

На эффективный период полувыведения влияют вид, возраст, функциональное состояние организма, особенности поступления, распределения радионуклидов и другие факторы. Например, 137Cs выводится из организма быстрее 90Sr, а йод быстрее, чем цезий. При этом выведение цезия и стронция у кур происходит быстрее, чем у крупного рогатого скота, овец, коз и свиней, за счет более интенсивного обмена веществ.

У поросят 20-100-суточного возраста эффективный период полу выведения стронция из костей составляет 114-124 сут. У подсвинков в возрасте 200 сут при однократном введении радионуклидов эффективный период полувыведения увеличивается до 280 сут (И. Буров, И.А. Сарапульцев). Снижение концентрации строн - 11 нм в скелете у молодых животных обусловлено в основном приростом костной ткани, а у взрослых выведением его из организма. Выведение I37Cs из организма животных разного возраста происходит п основном за счет его биологического выведения.

Среди органов и тканей, имеющих пищевое значение, скорость выведения из мышц и костей I37Cs и 90Sr всегда наименьшая. Такие ткани считают критическими и о пригодности продукции в пищу человека судят по содержанию радионуклидов в этих тканях.

В организм плода радионуклиды проникают через плаценту. Скорость перехода через плаценту у животных разных видов определяется особенностями ее строения и связана со сроками беременности.

На скорость проникновения радионуклидов влияют вид животных, состав рациона и физико-химические свойства радионуклида.

Совокупность данных факторов приводит к тому, что значения проникновения и накопления радионуклидов в плоде могут различаться в несколько раз.

Метаболизм и токсикология некоторых радионуклидов

Среди множества радионуклидов, загрязняющих окружающее пространство, можно выделить несколько, оказывающих особенно токсическое действие на биоценозы. Это связано с тем, что они активно перемещаются по пищевым цепочкам, накапливаются в организме и остаются там на достаточно длительный срок, в течение которого создаются поглощённые дозы, приводящие к патологическим изменениям. К таким радионуклидам необходимо отнести 131I, 90Sr, 137Cs. Два последних радионуклида являются объектами, за концентрацией которых в продукции животноводства и растениеводства осуществляется постоянный ветеринарный надзор.

Метаболизм и токсикология 1311. Известны 24 радиоактивных изотопа йода с массовыми числами в интервалах 117...126 и 128...139. Все эти изотопы искусственные и являются продуктами ядерных реакций. Впервые радиоактивный йод (1281) получил в 1934 г. Е. Ферми из стабильного 1271 при бомбардировке его нейтронами. Йод как химически активный элемент реагирует со многими веществами, образуя йодаты, перйодаты и йодиды. Установлено, что физико-химические формы йода и скорость его осаждения зависят от температуры, окислительного и восстановительного характера среды, в которую поступает йод, от типов контактирующих с ним веществ. Например, в радиоактивных выпадениях в Англии в 1961 г. после испытаний ядерного оружия 75 % 1311 находилось в форме аэрозолей и 25 % в форме паров. Радиоактивные изотопы йода могут поступать в организм животных через органы пищеварения, дыхания, кожу, конъюнктиву, раны и другим путем. Йод активный биогенный элемент; при попадании в организм он полностью всасывается в кровь, и до 60 % его откладывается в щитовидной железе.

При ядерных взрывах радиоактивные изотопы йода в первые недели составляют до 19 % всех радиоактивных продуктов деления. Среди них наибольшее значение имеет 1311 с периодом полураспада 8,05 дня, 131I – гамма- и бета- излучающий изотоп.

При попадании в организм концентрация 1311 в тканях животного по отношению к концентрации радионуклида в крови, принятой за единицу, распределяется в следующем порядке: кровь, мышцы, селезенка, поджелудочная железа 1; почки, печень, яичники 2-3; слюнная железа, моча 3-5; кал, молоко 5-15; щитовидная железа 10000. У лактирующих коров с 1 л молока выделяется около 1 % поступившего в организм за день 1311. В желток куриных яиц при длительном поступлении 1311 переходит до 16 %, в белок до 1 % суточного количества. Токсическое действие радиоактивного йода проявляется прежде всего в поражении щитовидной железы. В малых индикаторных дозах радиоактивные изотопы йода не вызывают заметных нарушений в тиреоидной ткани. Большие дозы 131 I у всех животных приводят к разрушению щитовидной железы и замещению ее паренхимы соединительной тканью.

После введения радиоактивного йода обнаруживаются значительное снижение содержания ДНК и РНК в щитовидной железе, уменьшение щелочной фосфатазы и неравномерное распределение ДНК, нарушения расположения и структуры комплекса Гольджи, а также изменения активности некоторых ферментов. По данным Bustd et al., овцы, получавшие с кормом 240 мкКи 1311 в сутки, в течение 450 дней оставались живыми и давали потомство, однако ягнята погибали в течение первой недели после рождения. При полном разрушении щитовидной железы радиоактивным йодом взрослые овцы в первое время кажутся относительно нормальными, но затем быстро появляются признаки недостаточности функции железы: потеря аппетита, угнетение, запоры, шелушение кожи и высыхание шерсти. Клинические признаки отравления у свиней и крупного рогатого скота сходны с эффектами, наблюдаемыми у овец.

При интоксикации 1311 возникают существенные изменения в нервной (в центральном и периферическом отделах) и эндокринной системах. Изотопы йода в заметных количествах накапливаются в легких и обусловливают возникновение бронхитов и пневмоний. По мере нарастания патологических изменений в щитовидной железе появляется симптомокомплекс, характерный для микседемм: снижается температура тела, повышается нервная возбудимость, замедляется сердцебиение, увеличивается проницаемость сосудов. Отмечаются жировые перерождения печени, функциональные и морфологические изменения в почках, органах размножения и эндокринных железах. Поражение почек при попадании 1311 в организм зависит от дозы и кратности его поступления.

В отдаленные сроки тяжелым поражением почек может быть нефросклероз. Нарушение функции паращитовидной железы приводит к изменению кальциевого обмена. Следствием этого могут быть замедление активности центров окостенения и роста костей в длину, кариес зубов и другие виды костной патологии. Сдвиги электролитного обмена в организме во многом определяются ослаблением инкреторной функции надпочечников.

О существенных изменениях гормональной регуляции различных физиологических процессов в организме свидетельствуют также нарушения функции яичников и органов размножения. Это хорошо прослеживается у кур - носителей радиоактивного йода. Вследствие ухудшения функции яичников и органов яйцеобразования у них понижаются интенсивность яйцекладки и качество яиц. Радиоактивный йод вызывает изменения в кроветворных органах, что проявляется нарушением картины крови, снижается количество нейтрофилов, лимфоцитов и развивается анемия. В тяжелых случаях поражения могут наблюдаться острые лейкемии, тромбоцитопения, панцитопения. Радиоактивные изотопы йода могут индуцировать опухоли в щитовидной железе, аденогипофизе, половых железах и других органах. Структурные и функциональные изменения в органах при попадании в организм радиоактивного йода в основном обусловлены нарушением эндокринной регуляции, возникающим в результате поражения щитовидной железы.

Токсикология 137Cs. Из радиоактивных изотопов цезия наибольшую биологическую опасность представляет 137Cs бета- и гамма-излучатель. Период его полураспада 30 лет. Он является продуктом деления тяжелых ядер и по степени радиотоксичности относится к группе В (среднетоксичные радионуклиды.

При попадании в организм с кормом 137Cs может всасываться в кровь полностью и равномерно распределяться по тканям и органам. Тип распределения цезия у разных животных практически одинаков и не зависит от пути поступления в организм. Кратность накопления (от суточного поступления, число раз) и интенсивность выведения цезия из организма имеют прямую зависимость от массы животного.

При установлении равновесия концентрации 137Cs с молоком выводится ежесуточно около 1-2% суточного поступления. Лучевая болезнь развивается при поступлении 137Cs 0,5мКи/кг. ЛД50/30 5 мКи/кг. Клиническое проявление лучевой болезни сходно с признаками лучевой болезни при общем внешнем облучении.

Токсикология 90Sr. Из радиоактивных изотопов стронция, образующихся при делении ядер тяжелых элементов, наиболее важное биологическое значение имеет 90Sr. В случаях выпадения свежих (молодых) осколков деления опасность для биологических объектов представляет и 89Sr.

Изотоп 90Sr долгоживущий — период полураспада его равен 28 годам.

Претерпевая радиоактивный распад, 9°Sr превращается в дочерний радиоактивный изотоп 90Y с периодом полураспада 64,3 ч.

В случаях попадания 90Sr в организм животного биологическое действие его обусловливается бета-частицами, испускаемыми им самим и его дочерним продуктом 90Y. Средняя энергия бета-излучения 90Sr и 90Y равна 0,545МэВ. Биологическое действие, обусловленное химическими свойствами указанных изотопов и их солей, в данном случае не принимается во внимание, так как их массовые количества ничтожно малы. Например, 90Sr в дозе (2мкКи/г) массы вызывает смерть 50 % животных в течение 30 дней. В граммах это количество радионуклида будет составлять 1•10-8.

Средний пробег бета-частиц 90Sr в тканях животного составляет до 0,5 мм, для 90Y 4 мм. В костной ткани вследствие ее большой плотности по сравнению с мягкими тканями пробег частиц будет меньше. В связи с этим большая часть энергии бета-частиц 90Sr и 90Y, фиксированных в скелете, будет поглощаться костной тканью и костным мозгом. Особенностью действия 90Sr является то, что он, депонируясь в скелете, остается там длительное время, постоянно облучая ткани, и поэтому в костной ткани и кроветворном костном мозге изменения наступают в значительно большей степени, чем в других органах и тканях организма. Однако патологические процессы во внутренних и других органах развиваются в результате не только непосредственного действия излучения, но и отраженных реакций. Характер патологического процесса и интенсивность его развития при попадании в организм радиоактивного стронция в основном зависят от дозы и продолжительности поступления изотопа.

Развитие лучевой болезни у различных животных можно наблюдать при однократном поступлении 90Sr в количествах от 0,2 до11,2 мКи/кг.

При снижении концентрации в 2-3 раза, как правило, можно наблюдать развитие хронической лучевой болезни. При длительном поступлении в малых дозах наблюдаются снижение продолжительности жизни, торможение роста, компенсаторные процессы при хроническом течении болезни проявляются слабо.

Клинические и патоморфологические признаки острой лучевой болезни, вызванной 90Sr, во многом различны с наблюдаемыми при внешнем облучении. При этом животные постепенно слабеют, ухудшается аппетит. Рано наступает снижение массы животного, что в большинстве случаев совпадает с развитием желудочно-кишечных расстройств. Рост животных прекращается. По мере развития болезни нарушается структура кожи и кожных покровов. Шерсть становится взъерошенной, теряет блеск, затем начинает выпадать, иногда это наблюдается периодически. Кожа теряет эластичность. На слизистых оболочках появляются точечные кровоизлияния, а в ротовой полости иногда развиваются язвы. При подостром течении болезни в первые 2-3 недели степень указанных изменений выражена слабее. При воздействии радиоактивным стронцием отмечаются нарушения функционального состояния нервной системы. В острых и подострых случаях вначале развивается возбуждение, которое в дальнейшем сменяется угнетением. У собак некоторые авторы описывают слуховые и зрительные галлюцинации. В хронических случаях от мечаются трофические нарушения, проявляющиеся в виде облысения, поседения, изменения в костях и слизистых оболочках. Нарушения условнорефлекторной деятельности нервной системы, которые обнаруживаются сравнительно рано, указывают на ослабление корковой деятельности мозга и нервных центров.

Изменения со стороны сердечно-сосудистой системы при интоксикации 90Sr в острых и подострых случаях мало отличаются от изменений, вызванных внешним облучением. При хроническом поражении нарушения в первую очередь возникают в сосудах, костях и костном мозге. В более отдаленные сроки развиваются склеротические процессы — гиалиноз, утолщение стенок сосудов и сужение их просвета. Мышечные волокна миокарда набухают и при тяжелых отравлениях подвергаются жировому перерождению. В острых и подострых случаях интоксикации наблюдается повышение кровяного давления, к концу болезни оно значительно снижается.

Изменения в легких нехарактерны и обнаруживаются главным образом в сосудах. В них развиваются те же процессы, что и в сосудах других внутренних органов. Иногда отмечаются полнокровие легких и пневмония.

В желудочно-кишечном тракте при интоксикации 90Sr выражены значительные изменения функционального и морфологического характера. При остром отравлении у животных наблюдаются слюнотечение, периодическая рвота и понос, часто кровавый. Иногда отмечаются признаки спастического паралича кишечника. В подострых случаях обнаруживаются примерно те же нарушения, но они менее выражены.

В острых случаях отравления наблюдаются кровоизлияния в слизистую оболочку и подслизистый слой кишечника, уменьшение размеров лимфатических фолликулов и деструктивные изменения в железистых клетках почти всего желудочно-кишечного тракта. При хроническом течении болезни отмечаются слущивание покровного эпителия желудка, пикноз клеток обкладочных желез, расширение крипт в тонком кишечнике и уплощение выстилающего их эпителия. В толстом кишечнике уменьшается число бокаловидных клеток. В строме всего желудочно-кишечного тракта увеличено количество плазматических клеток, развиваются изменения в интрамуральных нервных сплетениях. Установлены также замедление и извращение течения воспалительных процессов в желудочно-кишечном тракте. Изменения в кроветворных органах и картине крови при поражении изотопом 90Sr занимают ведущее место во время всего болезненного процесса. По данным Н.К. Петровича, В.А. Киршина и др., при остром и подостром течении болезни изменения в крови отмечаются с первых часов, суток и 3-5 лет после поступления изотопа. Со 2-й недели после введения изотопа регистрируется снижение количества эритроцитов, к 4-7-му месяцу оно достигает максимума (40 %), цветной показатель при этом возрастает и становится выше единицы. Число ретикулоцитов уменьшается. В последующие сроки у выживших животных количество эритроцитов постепенно увеличивается и через 2-3 года становится несколько выше первоначальной величины. В этот период у животных отмечается макроцитоз с появлением в крови мегалоцитов. Увеличению количества эритроцитов предшествует резкий ретикулоцитарный криз, в период которого число ретикулоцитов увеличивается в 10-15 раз.

Со стороны белой фракции крови в начальные сроки после введения радиостронция отмечается слабо выраженный нейтрофилез. Через неделю количество лейкоцитов резко снижается, а через 4-5 недель число их составляет 40-70 % исходного. В последующие сроки у выживших животных количество лейкоцитов возрастает, но не достигает исходных величин. Лейкопения возникает за счет уменьшения на 50-60 % содержания нейтрофилов. В кроветворном костном мозге количество клеток, имеющих ядра, в течение первых суток несколько увеличивается, затем резко снижается (на 10-е сутки в 20 раз) и на этом уровне удерживается 2-3 мес. После этого начинается период постепенного восстановления, и к 24-26 мес количество их достигает исходных величин; в последующие сроки содержание указанных клеток вновь снижается, иногда в 5-6 раз. В миелограмме данных животных зрелые формы эритрогранулоцитарных элементов преобладают над молодыми формами на всем протяжении лучевой болезни.

Действие 90Sr на кости скелета млекопитающих подробно описал Н.Н. Литвинов. Из-за неравномерности распределения радиоактивного стронция в костях степень изменения скелета в разных отделах неодинаковая. У растущих животных наиболее выраженные нарушения проявляются в зонах роста костей, а у взрослых — в спонгиозном слое и мета-эпифизах длинных трубчатых костей. Патологические процессы в скелете при поражении изотопом 90Sr медленно прогрессируют. Вначале они проявляются своеобразным угнетением процессов остеогенеза, разрушением остеобластической ткани и сосудов, изменением сформированного костного вещества, развитием клеточно-волокнистой ткани, нарушением процессов регенерации кости с появлением атипичных незрелых костных структур, в результате чего в дальнейшем могут развиваться злокачественные костные опухоли.

При действии инкорпорированного 90Sr на организм животных, так же как и при внешнем облучении, снижаются иммунобиологические и защитные свойства организма: тормозится выработка антител при вакцинации, а также снижается напряженность иммунитета и угнетается фагоцитарная активность клеток крови и тканевых элементов.

При стронциевой интоксикации нарушаются все виды обмена веществ. Отмечаются изменения функций желез внугренней секреции — гипофиза, надпочечников, зобной, щитовидной, половых и др. Очень часто поражаются глаза, возникают дистрофические изменения, возможна катаракта.

С целью противорадиационной защиты, уменьшения резорбции радионуклидов и ускорения их выведения из организма проверено большое количество химических веществ для сорбирования радионуклидов или перевода их в прочные комплексы. К числу комплексонов, ускоряющих выведение радиоактивных изотопов стронция, цезия, иттрия, церия и др., следует отнести этилендиаминтетрауксусную, этилэфирдиаминтетрауксусную кислоту. Для уменьшения резорбции радионуклидов и ускорения выведения их и из крови положительные результаты дают сорбенты — сульфат магния, трикалийфосфат, цитрат натрия. Целесообразно создание конкурентных отношений элементов-аналогов или нерадиоактивных изотопов, например стронций — кальций, цезий — калий, йод радиоактивный — йод нерадиоактивный. Большое значение в комплексе мер защиты от радионуклидов имеют полноценные в минеральном отношении рационы.

1. Основные различия в токсичности ядов и радионуклидов.

2. Факторы, определяющие токсичность радионуклидов.

3. От чего зависит тип распределения радионуклидов в организме?

4. Накопление радионуклидов. Понятия о критическом органе.

5. Эффективный период полувыведения, порядок применения данного понятия.

6. Токсикология наиболее опасных радионуклидов.