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 ttipai 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 ggali 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 aatomo 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 eenergija 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 oore, 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 llyginant 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 ššių 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 ccheminių 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 kkurie 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 DDNR 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 – ttaikiniai, 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 įį

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 ggrėjų 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, pprasidėjo 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 pplutoje 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.