Текст книги "Ядерные излучения и жизнь"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 18 страниц)

Наконец, существует довольно большая группа противолучевых средств, так называемые биогенные амины, которые существенно снижают вредное действие излучения, затрудняя доставку кислорода по сосудам к радиочувствительным органам. Эти содержащие аминогруппу вещества являются нормальными компонентами тканей млекопитающих и выполняют в организме очень ответственные функции гормонов, медиаторов (передатчиков нервного возбуждения), регуляторов обменных процессов. Таковы гормон мозгового вещества надпочечников адреналин, медиаторы норадреналин и ацетилхолин, сосудисто-активные вещества, серотонин и гистамин.

Один из них (адреналин, норадреналин, серотонин и их производные) дают противолучевой эффект, вызывая длительное и сильное сужение сосудов, снабжающих кровью костный мозг, селезенку и другие радиочувствительные органы, вследствие чего поступление кислорода и уровень его в них резко падают; это и дает защиту. Другие (ацетилхолин и гистамин), наоборот, расширяют сосуды внутренних органов, что приводит к резкому замедлению и даже остановке кровотока и в конечном счете дает тот же результат, что применение адреналина: тканевую гипоксию и увеличение устойчивости к облучению.

Выброс в кровь биогенных аминов – нормальная реакция организма на облучение, сопровождает также введение в организм наиболее эффективных радиозащитных препаратов (цистеамина, АЭТ, мексамина, а также нитрита натрия), обусловливая в некоторой степени их противолучевую эффективность. Применение биогенных аминов можно рассматривать как удачную попытку усиления собственных защитных сил организма.

Интересно, что биогенные амины, будучи антагонистами в своем физиологическом действии, в то же время усиливают противолучевой эффект друг друга. Л.Ф.Семенов установил, что комбинация адреналина с его физиологическим антагонистом – ацетилхолином – дает значительно более высокую защиту, чем применение каждого из препаратов в отдельности. Нам удалось выяснить один из механизмов этого взаимодействия: адреналин временно блокирует активность фермента (хо-линэстеразы), разрушающего ацетилхолин. Поэтому ацетилхолин, введенный в организм вместе с адреналином, дольше сохраняется и дает более сильный эффект.

Некоторый защитный эффект удается получить даже в том случае, если искусственно ограничить кровоснабжение отдельных участков тела, например путем наложения жгута на конечности или хвост мышей, крыс и т. п. Участки костного мозга в костях таких конечностей лучше переносят облучение и облегчают выздоровление облученного животного.

Таким образом, в результате многочисленных исследований открыта и изучена большая группа защитных противолучевых средств. Значит ли это, что задача химической защиты животных организмов от действия радиации решена?

К сожалению, этого сказать пока нельзя. Известные науке и подробно изученные противолучевые препараты в подавляющем большинстве обладают серьезными недостатками. Прежде всего, их защитное действие кратковременно: лишь при введении препаратов за 5 – 30 мин., максимум за 1 – 2 часа до облучения, удается эффективно уменьшить размер лучевых поражений. Ясно, что во всех тех случаях, когда момент лучевого воздействия заранее неизвестен (в полевых условиях, при авариях и т. п.) либо когда облучение продолжительно (при космических полетах) или многократно (лучевая терапия опухолей), такие защитные препараты практического значения не имеют.

Большинство сульфогидрильных препаратов легко окисляется, теряя свою эффективность. Поэтому срок их хранения ограничен. Все эти соединения не оказывают никакого влияния на размер лучевых поражений или даже осложняют их течение, если ввести их после облучения, даже через 20 – 30 секунд.

Далее, большинство защитных препаратов, таких как цистеамин, цистамин, АЭТ, цистафос, мексамин и др., в опытах на животных проявляют противолучевую активность, будучи введены в максимально переносимых, субтоксических дозах. Казалось бы, чем меньше доза облучения, тем меньше должна быть и доза защитного препарата. Но эксперименты на животных убедительно показали, что независимо от дозы радиации для получения защитного эффекта цистеамин нужно вводить в максимально переносимой дозе. А это значит, что самая небольшая погрешность в расчете потребного количества препарата или веса защищаемого организма может привести к передозировке и тяжелым последствиям для организма. Если учесть индивидуальные различия в реакции организма на введение лекарственных препаратов, то станет ясно, что применять в широких масштабах описанные защитные средства нельзя.

При введении людям препаратов, содержащих тиоловые и аминные группы, их дозировку (в расчете на килограмм веса тела) приходится уменьшать в десятки раз по сравнению с опытами на животных. Тем не менее при применении цистафоса, АЭТ и других препаратов нередко наблюдаются побочные реакции – тошнота, рвота, колебания артериального давления и т. п. Очевидно, при таком уменьшении дозировки препарата (повторяем, вынужденном уменьшении) действие на организм и механизм защиты будут совершенно иными, чем в опыте на животных. Более того, необходимо еще доказать, что в такой малой дозе препарат вообще оказывает противолучевое действие. А в клинических условиях доказать защитный эффект химического препарата применительно к человеку очень непросто. Во всяком случае методы, применяемые в опытах на мышах, собаках и даже обезьянах, для этой цели не подходят: ведь невозможно на людях определить сравнительную выживаемость после смертельной дозы облучения при защите исследуемым препаратом и без нее. А новых, специально "человеческих" методов пока еще никто не предложил.

Итак, высокая токсичность, кратковременность защитного эффекта, неэффективность при длительном, фракционированном и местном облучении (наиболее типичном для условий лучевого лечения опухолей), отсутствие методов учета защитного эффекта при облучении людей – все эти факторы крайне ограничивают возможности противолучевой химической защиты. К ним можно еще добавить, что применять защитный препарат в условиях лучевой терапии опухолей имеет смысл только в том случае, если твердо установлено, что этот препарат защищает от облучения здоровые ткани и не защищает (или даже делает более чувствительными к облучению) клетки опухоли. В эксперименте данные такого рода получены, но так ли это при защите людей – пока точно неизвестно. Таким образом, приходится сделать вывод, что, несмотря на немалые успехи, полученные при защите от облучения подопытных лабораторных животных, в целом проблема противолучевой химической защиты еще далека от разрешения.

Каковы же современные представления о механизмах противолучевого защитного эффекта и вытекающие из них основные направления поисков и экспериментальных исследований? .Перечислим прежде всего те защитные механизмы, о которых шла речь выше. Это перехват образующихся при облучении активных радикалов, защита сульфогидридных групп белков путем образования смешанных дисульфидов, увеличение уровня сульфо-гидрильных групп в клетках в результате "биохимического шока", создание тканевой гипоксии путем блокады поступления или транспорта кислорода, а также путем снижения уровня окислительных процессов в тканях (с помощью гипотермии или связывания ионов металлов с переменной валентностью, катализирующих перенос кислорода в ходе окислительных процессов). Благодаря новейшим достижениям науки намечаются новые перспективные направления вмешательства в течение процессов лучевого поражения с целью их ослабления.

Несколько лет назад английские исследователи Александер и Чарлсби высказали предположение, что некоторые защитные вещества могут, образуя временные соединения с биополимерами, отводить от них часть поглощенной и мигрирующей по макромолекуле энергии радиации. Тем самым была обоснована принципиальная возможность ослабления с помощью химических веществ не только косвенного, но и прямого действия радиации.

К этой точке зрения близка гипотеза советского ученого Г. Е. Фрадкина. Согласно гипотезе, значительная доля разрушительного эффекта радиации связана с излучением возбужденными атомами и молекулами организма, подвергшегося действию ионизирующей радиации, коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Вводя в организм перед облучением некоторые вещества, поглощающие ультрафиолетовые лучи, Фрадкин получил определенный защитный эффект.

Наконец, весьма перспективны методы временной задержки, блокады синтеза и распада таких важнейших биологических структур, как белки и нуклеиновые кислоты, а также блокады клеточных делений, митозов. Такого рода воздействия защищают от разрушительного действия облучения самые радиочувствительные этапы и процессы биологических превращений биополимеров и развития клеток, повышая общую устойчивость организма к ядерным излучениям.

Большой размах и объем поисков новых противолучевых средств в разных странах, а также уже достигнутые в этом направлении успехи внушают надежду на разрешение в скором будущем важнейшей проблемы химической защиты организма от действия ядерных излучений. Решение этой задачи имеет жизненно важное значение для целого ряда областей техники, медицины, практической жизни, а также для научных экспериментов, от исследований дальнего космоса до проблем термоядерной энергетики.

Особенности защиты при облучении нейтронами, протонами и другими частицами

Потоки частиц высоких энергий (электронов, протонов, нейтронов, альфа-частиц и более тяжелых многозарядных ионов) при взаимодействии с молекулами вещества вызывают в нем главным образом ионизацию и возбуждение, т. е. те же основные процессы, что и рентгеновские и гамма-лучи – излучения электромагнитной природы. Во всех случах в роли основных факторов ионизации выступают вторичные электроны или ядра отдачи, расходующие энергию первичной ионизирующей частицы на ионизацию и возбуждение молекул вещества. Таким образом, все виды ядерных излучений оказывают на вещество, в том числе и на живое, принципиально одинаковое воздействие. Очевидно, и последующие процессы, развивающиеся в облученном объекте, будут сохранять сходство, а значит, и противолучевые мероприятий в главном должны быть аналогичны или во всяком случае сходны.

Однако такие физические различия, как различия в массе ионизирующих частиц, их энергии, скорости движения, линейной потере энергии и т. п., могут иметь решающее значение для последующего биологического эффекта и, следовательно, эффективности радиозащитного действия химических препаратов. В отличие от рентгеновских и гамма-лучей, распространяющихся всегда со скоростью света и обладающих поэтому более или менее стабильной и относительно небольшой (0,5 – 2 пары ионов на 1 мк пробега в веществе) линейной потерей энергии, потоки частиц могут обладать очень различной энергией и скоростью. Соответственно изменяется и плотность вызываемой ими ионизации на единицу пути пробега часгицы, различным бывает и биологический эффект. Известное значение имеют также размеры и масса ионизирующей частицы.

При относительно низких энергиях и скоростях частицы вызывают большое количество ионизаций по траектории полета, сравнительно быстро расходуют запас энергии и не проникают глубоко в облучаемую ткань. Классический пример – альфа-частицы, возникающие при радиоактивном распаде урана, тория, радия и т. п. Образуя 5 – 6 тыс. пар ионов на 1 км пути, они не проникают в глубь тела более чем на доли миллиметра. С увеличением энергии и скорости полета частицы быстро растет ее проникающая способность; одновременно снижается линейная потеря энергии. Когда скорость ионизирующих частиц приближается к скорости света, линейная плотность ионизации оказывается приблизительно того порядка, что и при гамма-облучении.

Соответственно изменяется и биологический эффект излучения. Советскими исследователями установлено, что поток протонов с энергией 660 Мэв[13]13
  Протоны с такой энергией получены па синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований в Дубне.


[Закрыть], двигающихся с очень большой скоростью, по линейным потерям энергии и биологическому эффекту мало отличается от гамма-излучения. Относительная биологическая эффективность этого излучения по различным биологическим показателям составляет 0,6 – 1,0.

Применение средств химической защиты в этом случае оказалось приблизительно столь же эффективным, как и при облучении соответствующей дозой рентгеновских или гамма-лучей. Значительно ослабляют эффект протонного облучения цистеин, цистеамин, цистамин, АЭТ, понижение кислорода во вдыхаемом воздухе (гипоксия) и т. п.

При уменьшении энергии потока протонов возрастают линейные потери энергии и относительная биологическая эффективность. По существу то же наблюдается и при облучении нейтронами, альфа-частицами и более тяжелыми ядрами. Частицы, обладающие большой линейной плотностью ионизации и относительной биологической эффективностью 10 – 20, вызывают внутри облученной клетки значительно более грубые и серьезные повреждения, чем кванты электромагнитного излучения. На долю ядра, хромосом, отдельных молекул нуклеиновых кислот и белков приходится относительно гораздо больше ионизации и соответствующие повреждения бывают грубыми и значительно хуже поддаются восстановлению. Например, под влиянием плотно ионизирующих излучений гораздо больше случаев не восстанавливающихся разрывов обеих нитей в молекуле ДНК, чем при попадании гамма-квантов; соответственно выше доля необратимого поражения.

Наконец, особенность биологического эффекта плотно ионизирующих излучений – снижение доли поражения, зависящей от кислородного эффекта. Кислород препятствует взаимной нейтрализации (рекомбинации) возникших в результате облучения радикалов органических соединений и воды, способствует возникновению более долгоживущих радикалов и перекисей, что при гамма-рентгеновском облучении примерно втрое увеличивает поражение. Если в пределах одной молекулы биополимера возникает не одна, а несколько ионизации (это возможно лишь при действии плотноионизирующих излучений), сразу возникают грубые поломки, разрывы, и присутствие кислорода особого значения уже не имеет.

Так как действие радиозащитных препаратов направлено преимущественно против зависимой от кислорода части поражения, в условиях облучения организма потоками альфа-частиц, нейтронов, а также протонов относительно низких энергий, эффективность тиоловых препаратов (цистамина, цистеина, АЭТ и т. п.) оказыается значительно пониженной, а гипоксия, нитрит натрия, адреналин, серотонин либо совсем не дают эффекта, либо он незначителен. Очевидно, хорошо изученные, ставшие традиционными средства химической защиты мало применимы при лучевых поражениях, вызванных быстрыми нейтронами, альфа-частицами и т. п. Это подчеркивает необходимость активных поисков новых средств химической защиты, изыскания и изучения новых механизмов противолучевого эффекта, так как только в этом случае можно рассчитывать на положительный эффект при попытках вмешательства в течение лучевого поражения.

Как бороться с радиоактивными изотопами, попавшими внутрь организма

Если источник ионизирующей радиации проник внутрь организма, против него оказываются совершенно непригодными те методы борьбы, которые подробно рассмотрены выше и эффективны по отношению к внешнему облучению. Физическая защита от изотопов, попавших внутрь организма, невозможна. Наука не знает также и химических способов, с помощью которых можно было бы нейтрализовать изотопы, прекратить радиоактивный распад их ядер. Поэтому борьба против опасности внутреннего облучения организма строится на принципиально иных основах, чем защита от внешнего облучения. Наилучшие результаты, разумеется, дают те методы, которые предупреждают опасность поступления изотопов в организм или по крайней мере ее ослабляют.

Что же это за методы? Прежде всего важное значение имеют получение, хранение и работа с изотопами в условиях, исключающих возможность заражения ими. Для этого необходимо герметизировать источники излучения, использовать "механические руки" – дистанционные микроманипуляторы, которые помогают избежать соприкосновения с изотопом; хранить радиоактивные отходы атомной промышленности в специальных закрытых бетонированных хранилищах в условиях, обеспечивающих защиту почвы, воздуха, грунтовых вод от опасности радиоактивного загрязнения.

Однако все эти мероприятия не могут полностью предотвратить опасности радиоактивного заражения. Эта опасность реальна не только для работников атомной промышленности и научно-исследовательских радиоизотопных лабораторий, где не исключена возможность аварии, технической неисправности оборудования, ошибки управления и т. п. Радиоактивные изотопы необычайно широко используют в самых различных отраслях народного хозяйства: в геологоразведочных и геофизических исследованиях (так называемый нейтронный и гамма-каротаж); в металлургической, металлообрабатывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности (в форме радиоактивных средств регулирования и контроля ряда производственных процессов); с целью гамма-дефектоскопии; для "холодной" стерилизации и пастеризации пищевых продуктов; для измерения массы, толщины, уровня материалов и т. п.

В перспективе следует ожидать еще большего расширения сферы применения радиоактивных изотопов. Следовательно, с каждым годом все больше людей будет соприкасаться с изотопами, г. е. будет увеличиваться опасность радиоактивного заражения людей в результате нарушения технических норм и правил, вследствие ошибок и аварий. А такие явления, как выпадение радиоактивных осадков при атомных испытаниях, вообще не поддаются контролю и оказывают влияние (пусть пока не ощутимое) на все человечество.

В 1959 г. вышла в свет книга известного американского ученого и писателя Ральфа Лэппа "Рейс "Счастливого дракона"", в которой подробно рассказано о судьбе японских рыбаков, ставших жертвами взрыва американской водородной бомбы в 1954 г. Описанный в ней факт, разумеется, исключителен, но разница между японскими рыбаками и миллионами людей, проживающих в сфере выпадения радиоактивных осадков, не качественная, а только количественная.

Что же можно сделать для уменьшения вредоносного действия изотопов, попавших внутрь живого организма? Обычные защитные препараты, применяемые при внешнем облучении, в данном случае малоэффективны, так как их кратковременное противолучевое действие не может оказать существенного влияния на размер поражений, вызываемых длительным внутренним облучением организма. Кроме того, особенностью действия большинства изотопов является преимущественное накопление в отдельных органах (и преимущественное их поражение). Противолучевой эффект может быть достигнут лишь в том случае, если защитный препарат тоже обладает свойством избирательного накопления в том же органе и действует также длительно, как изотоп. Такими препаратами наука пока не располагает.

Можно наметить два основных мероприятия, с помощью которых удастся ослабить вредное действие внутреннего облучения. Первое из этих мероприятий имеет в виду проникновение изотопов в организм через рот и исходит из того, что всасывание изотопов из пищеварительного аппарата в кровь представляет собой процесс, длящийся во времени. Если в этот промежуток времени в пищеварительный тракт зараженного организма ввести вещества, которые сами не всасываются, но зато способны задерживать находящиеся в кишечнике изотопы, то всасывание последних в кровь затруднится, и размер внутреннего облучения уменьшится. Для этой цели особенно пригодны высокомолекулярные индифферентные вещества – адсорбенты, в том числе некоторые ионообменные смолы. Эффективны и некоторые низкомолекулярные вещества (сернокислый барий и др.).

Этот путь особенно пригоден при заражении изотопами, сравнительно медленно всасывающимися из пищеварительного тракта и легко адсорбирующимися (радиоактивные изотопы церия, иттрия, циркония, рутения, прометия, а также радий, торий, плутоний).

Второе мероприятие можно осуществлять тогда, когда изотопы проникли в кровь и способны в связи с этим распределяться по различным внутренним органам, фиксироваться в некоторых из них. В этом случае весьма целесообразно применять вещества, которые ускоряют выведение из организма изотопа, т. е. вытесняют его или образуют с ним хорошо растворимые и легко выводимые из организма комплексы.

Веществами-комплексообразователями могут быть препараты относительно низкомолекулярные, хорошо всасывающиеся, легко растворимые в жидкостях организма. Они не должны вступать в химические реакции с веществами организма, т. е. быть "чуждыми" его обменным процессам, быстро образовывать прочные и хорошо растворимые комплексы с ионами изотопов и в таком виде свободно выводиться из организма с мочой или калом.

В качестве таких соединений наиболее пригодны по-лиаминокарбоновые кислоты, подробно изученные швейцарским ученым Г. Шварценбахом и получившие в литературе название клешневидных (хелатных) соединений, или комплексонов. Простейший представитель этой группы соединений – иминодиуксусная кислота, а наиболее широкое применение в качестве комплексона приобрела этилендиаминотетрауксусная кислота (ЭДТА):

Способностью образовывать комплексы обладают также и другие органические кислоты (щавелевая, лимонная), унитиол, пентацин, оксатиол и некоторые новые, менее токсичные и более эффективные препараты. Обширные исследования в направлении поисков более эффективных комплексных соединений и разработки методов ускорения выведения из организма радиоактивных изотопов ведутся сейчас во всем мире. В нашей стране известные в этой области достижения получены коллективами сотрудников, руководимыми А. А. Городецким и В. С. Балабухой.

Эффективность тех или иных комплексных соединений в каждом отдельном случае во многом зависит от свойств радиоактивного изотопа. Особенно легко образуют растворимые комплексы многовалентные изотопы церия, циркония, прометия, иттрия, плутония и других, т. е. как раз те самые изотопы, которые плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта и которые можно связать и вывести из организма еще до момента их всасывания в кровь. Таким образом, по отношению к этой группе долгоживущих радиоактивных изотопов уже существуют достаточно эффективные и надежные методы борьбы. К сожалению, этого пока нельзя сказать о наиболее опасных изотопах, таких как цезий – 137 и стронций – 90. Эти изотопы, образующиеся в значительном количестве в результате ядерных испытаний, вследствие близости к стабильным элементам – калию и кальцию, легко переходят в растительные и животные организмы. Обладая хорошей растворимостью, они очень быстро (в течение 30 – 60 мин.) всасываются в кровь. В связи с этим первый путь воздействия на них малоэффективен из-за краткости времени, в течение которого возможна адсорбция изотопов в пищеварительном тракте.

Поступивший в кровь цезий – 137, подобно калию и натрию, к которым он химически чрезвычайно близок, довольно равномерно распределяется по всему организму. В крови он, так же как и калий, сосредоточивается главным образом в эритроцитах, а из всех тканей тела в наибольшем количестве накапливается в мышечной ткани.

Стронций – 90, подобно кальцию, не образует в крови более или менее устойчивых соединений и довольно быстро, в течение первых четырех суток, фиксируется в депо кальция, т. е. в костях. Депонированный стронций с большим трудом и то лишь в незначительном количестве может быть прижизненно извлечен из костей и удален из организма. Поэтому все мероприятия, направленные на ускорение выведения из живого тела этого изотопа, должны проводиться в течение первых нескольких суток после его попадания в организм, пока стронций-90 еще не осел полностью в костях. Когда этот процесс завершается, современными методами почти ничего сделать не удается. Длительность процесса распада стронция-90 (период его полураспада равняется 27,7 года) обеспечивает внутреннее облучение организма до конца его жизни.

Сложность борьбы с опасностью внутреннего облучения этими изотопами состоит в том, что против стронция – 90 и цезия – 137 пока малоэффективны мероприятия не только первого, но и второго типа. Эти изотопы крайне неохотно образуют комплексные соединения. Для ускорения выведения этих изотопов предлагались другие методы. Так, Э. Б. Курляндская предложила вводить в организм в большом количестве стабильные нерадиоактивные изотопы цезия и стронция. Однако этот метод успеха не имел. Очевидно, радиоактивного изотопа в жидкостях организма бывает относительно мало по сравнению с возможными размерами его растворения. Однако в применении к другим изотопам этот метод дал хорошие результаты. Например, Т. И. Сиваченко установила, что введение фосфатов в виде инъекций, а также питание продуктами, богатыми фосфором (например, куриными яйцами), значительно ускоряет выведение из организма радиоактивного изотопа – фосфора – 32.

Гораздо лучшие результаты дает применение нагрузки калием при отравлении радиоактивным цезием. В опыте на мышах этот метод приводит к значительному ускорению выведения цезия; натрий, примененный с той же целью, дал значительно худшие результаты. В течение первых дней после попадания в организм стронция некоторый эффект дает кальциевая нагрузка. Э. 3. Рябовой удалось несколько ускорить выведение из организма цезия-137 с помощью таких комплексооб-разователей, как щавелевая и лимонная кислоты, а также глюконат кальция.

По данным А. Н. Марея и В. А. Книжникова, некоторые виды пищи и питьевая вода, обогащенные кальцием и фтором, достоверно препятствуют всасыванию в организм некоторых радиоактивных изотопов и уменьшают их поражающее действие.

Что же касается методов борьбы со стронцием-90, то до сегодняшнего дня наиболее эффективными остаются методы его адсорбции в пищеварительном тракте. Борьба со стронцием, всосавшимся в кровь и особенно с осевшим в костях, весьма трудна. Как показали многочисленные исследования, с помощью нагрузки стабильным стронцием и кальцием удается достичь лишь весьма незначительного эффекта.

Таким образом, знакомство с основными достижениями в области борьбы с вредным действием внутреннего облучения организма убеждает нас в том, что и в этой области защиты организма от действия ионизирующей радиации имеются значительные успехи. Большие исследования, ведущиеся в разных странах, внушают серьезные надежды на то, что проблема выведения из организма стронция – 90 в ближайшие годы получит более полное разрешение.