Что такое детерминированные эффекты облучения людей
Что такое детерминированные эффекты облучения людей
Действие излучения на организм зависит от многих факторов. Определяющими факторами являются: доза, вид излучения, продолжительность облучения, размеры облучаемой поверхности, индивидуальная чувствительность организма. Возможные последствия облучения человека дозами, бульшими фонового уровня, делятся на детерминированные и стохастические (вероятностные).
К детерминированным эффектам относятся поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растут по мере увеличения дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог. К таким эффектам относят, например, незлокачественное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (потемнение хрусталика), повреждение половых клеток (временная или постоянная стерилизация).
Имеются данные многочисленных и длительных наблюдений за персоналом и населением, подвергшимся воздействию повышенных доз облучения [11]. Из этих данных следует, что профессиональное длительное облучение дозами до 50 мЗв в год взрослого человека не вызывает никаких неблагоприятных соматических изменений, регистрируемых с помощью современных методов исследования. Детерминированные эффекты проявляются при достаточно высоких дозах облучения всего тела или отдельных органов.
Последствия для здоровья от доз облучения всего тела за короткий период (секунды, минуты или часы) бывают следующими:
облучение дозой 0,25 Зв не приводит к заметным изменениям в организме;
при дозе 0,25–0,5 Зв наблюдаются изменения показателей крови;
доза 0,5–1,0 Зв вызывает снижение уровня лейкоцитов или белых кровяных телец, но вскоре нормальные уровни восстанавливаются;
пороговой дозой, вызывающей лучевую болезнь, считается 1 Зв. Лучевая болезнь проявляется в виде тошноты, рвоты, кишечных спазмов, чувства усталости, апатии, повышенного потоотделения, головной боли;
доза около 2 Зв может вызвать тошноту, головную боль, наблюдается снижение уровня лимфоцитов и тромбоцитов примерно на 50 %. Нормальные уровни восстанавливаются относительно быстро;
при дозе около 3 Зв наблюдается рвота, слабость, высокая температура, обезвоживание организма, выпадение волос. Существует небольшой риск смерти, выжившие выздоравливают в течение нескольких недель или месяцев;
при дозе 4–6 Зв происходит поражение слизистых оболочек внутренних органов и тканей костного мозга. 4 Зв создают существенную угрозу жизни, 5 Зв означают высокую вероятность смерти, а 6 Зв без интенсивного медицинского лечения почти определенно
означают смерть;
при дозе свыше 6 Зв шансы выжить дольше нескольких недель весьма малы;
Стохастическими эффектами считаются такие, для которых от дозы зависит только вероятность возникновения поражений, а не их тяжесть. Для стохастических эффектов отсутствует дозовый порог. К стохастическим эффектам относят злокачественные опухоли, индуцированные излучением, а также врожденные уродства, возникшие в результате мутаций и других нарушений в половых клетках. Стохастические эффекты не исключаются при малых дозах, так как не имеют дозового порога. Повреждения, вызываемые большими дозами облучения, обыкновенно проявляются в течение нескольких часов или дней. Малые дозы облучения могут «запустить» не до конца еще установленную цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. Раковые заболевания проявляются спустя много лет после облучения, как правило, не ранее чем через одно-два десятилетия. Врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, проявляются лишь в следующем или последующих поколениях (дети, внуки и более отдаленные потомки). Изучение генетических последствий облучения связано с большими трудностями. Невозможно отличить наследственные дефекты, полученные при облучении, от тех, которые возникли совсем по другим причинам. Около 10 % всех новорожденных имеют те или иные генетические дефекты. Генетические нарушения можно отнести к двум основным типам: хромосомные аберрации, включающие изменения числа или структуры хромосом, и мутации в самих генах.
Теоретически достаточно самой малой дозы, чтобы вызвать такие последствия, как рак или повреждение генетического аппарата. В то же время никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях. Даже при относительно больших дозах облучения далеко не все люди обречены на эти болезни: действующие в организме человека репарационные механизмы обычно ликвидируют все повреждения. Однако вероятность (или риск) наступления таких последствий больше у человека, который был облучен. И риск этот тем больше, чем больше доза облучения.
В 1955 г. Генеральная Ассамблея ООН основала Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР ООН). Комитет систематически анализирует все природные и искусственные радиоактивные источники в окружающей среде или используемые человеком. В своей работе НКДАР опирается на два основных допущения:
1) не существует пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком; любая сколь угодно малая доза увеличивает вероятность заболевания раком для человека, получившего эту дозу;
2) вероятность (риск) заболевания раком возрастает прямо пропорционально дозе облучения.
НКДАР полагает, что при таком допущении возможна переоценка риска в области малых доз, но вряд ли возможна его недооценка.
Согласно имеющимся данным, первыми в группе раковых заболеваний, поражающих население в результате облучения, стоят лейкозы. По оценкам НКДАР, от каждой дозы облучения в 1 Зв от лейкозов в среднем умерли бы 2 человека из 1000. Самыми распространенными видами рака, вызванными действиями радиации, оказались рак молочной железы и рак щитовидной железы. По оценкам НКДАР, примерно у 10 человек из 1000 облученных отмечается рак щитовидной железы, а у 10 женщин из 1000 — рак молочной железы (в расчете на каждый зиверт индивидуальной поглощенной дозы). Однако обе разновидности рака в принципе излечимы, а смертность от рака щитовидной железы особенно низка. Рак легких тоже принадлежит к распространенным разновидностям раковых заболеваний среди облученных групп населения. Согласно оценкам НКДАР, 5 человек из 1000 умерли бы от рака легких в расчете на 1 Зв средней индивидуальной дозы облучения.
Рак других органов и тканей встречается реже среди облученных групп населения. Согласно оценкам НКДАР, из 1000 человек от рака желудка, печени или толстой кишки умер бы 1 человек (в расчете на 1 Зв средней индивидуальной дозы облучения). Риск возникновения рака костных тканей, пищевода, тонкой кишки, мочевого пузыря, поджелудочной железы, прямой кишки и лимфатических тканей составляет от 0,2 до 0,5 на каждую тысячу человек (в расчете на каждый зиверт индивидуальной дозы облучения).
Учеными получены неоспоримые доказательства вредного действия низкоинтенсивной радиации на отдельные системы живых организмов и на организм в целом [12]. Малые дозы очень коварны, они провоцируют у человека разнообразные заболевания, которые обычно врачи не связывают с прямым действием радиации. Уровень наших знаний не позволяет в настоящее время однозначно принять определенные механизмы биологического действия малых доз радиации. Есть основания считать, что и для стохастических эффектов существует порог, величина которого остается невыясненной.
Что такое детерминированные эффекты облучения людей
Московский энергетический институт (ТУ)
Кафедра инженерной экологии и охраны труда
Учебно-методический комплекс
Справки по телефону: 362-71-32; e-mail: NovikovSG@mpei.ru доцент Новиков С.Г.
X. Радиационная безопасность
6. Радиационные эффекты облучения
При воздействии на организм человека ионизирующая радиация может вызвать два вида эффектов: детерминированный и стохастический.
Детерминированные – биологические эффекты излучения, в отношении которых предполагается существование дозового порога (0,5 ¸ 1 Гр), выше которого тяжесть эффекта зависит от дозы.
К детерминированным эффектам относятся:
1. Острая лучевая болезнь (ОЛБ) – проявляется как при внешнем, так и при внутреннем облучении. В случае однократного равномерного внешнего фотонного облучения ОЛБ возникает при поглощенной дозе D ³ 1 Гр и подразделяется на четыре степени:
III – тяжелая ( D = 4 ¸ 6 Гр) средняя летальная доза – в течение 30 дней возможен летальный исход в 50% случаев.
2. Хроническая лучевая болезнь формируется постепенно при длительном облучении дозами, значения которых ниже доз, вызывающих ОЛБ, но выше предельно-допустимых. Последствия – лейкоз, опухоли – через 10 – 25 лет возможен летальный исход.
3. Локальные лучевые повреждения характеризуются длительным течением заболевания и могут приводить к лучевому ожогу и раку (некрозу) кожи, помутнению хрусталика глаза (лучевая катаракта).
Стохастические (вероятностные) эффекты – это биологические эффекты излучения, не имеющие дозового порога. Принимается, что вероятность этих эффектов пропорциональна дозе, а тяжесть их проявления от дозы не зависит.
Основные стохастические эффекты:
1. Канцерогенные – злокачественные опухоли, лейкозы – злокачественные изменения крове образующих клеток.
2. Генетические – наследственные болезни, обусловленные генными мутациями.
Стохастические эффекты оцениваются значениями эффективной (эквивалентной) дозы. Имеют длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятками лет после облучения, трудно обнаруживаемы.
Что такое детерминированные эффекты облучения людей
Прочитав и изучив этот раздел Вы должны:
Понимать, что такое мутации и представлять себе механизм их возникновения;
Согласно современным представлениям, воздействие ионизирующего излучения на людей может привести к возникновению у некоторых из облученных лиц детерминированных и стохастических эффектов излучения.
Детерминированные эффекты излучения являются основой лучевой болезни при местном и общем облучении с высокими дозами. К этой категории эффектов относятся лучевые поражения отдельных органов и тканей, а также аномалии и пороки развития, являющиеся детерминированными эффектами облучения плода в эмбриональном периоде.
Значение пороговой дозы определяется радиочувствительностью клеток пораженного органа или ткани и способностью организма компенсировать или восстанавливать такое поражение. Как правило, детерминированные эффекты излучения специфичны и не возникают под действием других физических факторов, а связь между эффектом и облучением однозначна (детерминирована). Пороговые дозы возникновения детерминированных эффектов, приводящих к скорой гибели взрослых людей, приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Детерминированные эффекты равномерного однократного облучения всего тела фотонами
В случае длительного хронического облучения пороговая доза выше, чем для случая однократного облучения.
В производственных условиях возникновение детерминированных эффектов возможно только при радиационной аварии, когда источник излучения находится в неуправляемом состоянии.
В этом случае ограничение облучения людей осуществляется путем срочного вмешательства. Принятые в НРБ-99 дозовые критерии срочного вмешательства в случае радиационной аварии (см. табл. 6.1 НРБ-99) основаны на данных о пороговых дозах возникновения опасных для жизни детерминированных эффектах, как это показано в Таблице 2.
Таблица 2. Пороговые дозы возникновения детерминированных эффектов и критерии срочного вмешательства при радиационной аварии.
Значения пороговых доз возникновения детерминированных эффектов в десятки и сотни раз превосходят пределы доз профессионального облучения, поэтому главной задачей современной радиационной безопасности является ограничение последствий возможного возникновения стохастических эффектов у человека вследствие его облучения ионизирующим излучением в нормальных условиях.
В основе стохастического эффекта излучения лежит радиационно-индуцированная мутация отдельных клеток облученного органа или ткани.
Мутацией называют внезапно возникающее естественное или искусственно вызываемое стойкое изменение структур клетки, ответственных за хранение наследственной информации, и ее передачу от клетки к клетке в процессе клеточного деления, без которого невозможно существование живого организма. Возникающие под действием излучения мутации половых клеток родителей могут привести к возникновению генетических (передающихся по наследству) эффектов излучения у потомков облученных лиц. Мутации соматических клеток тела человека могут привести к возникновению раковых заболеваний.
Возникновение мутаций под действием излучения, и их реализация в виде наблюдаемого стохастического эффекта излучения имеют вероятностную природу. Мутация соматических и половых клеток живого организма является мощным фактором биологического развития. Клеточные мутации под действием природных и искусственных факторов окружающей среды являются первопричиной и того, что дети не являются копиями своих родителей и того, что любой человеческой популяции присущ определенный фоновый уровень спонтанных раковых и генетических заболеваний. До настоящего времени среди стохастических эффектов излучения не обнаружено специфических заболеваний, которые возникают только под действием излучения.
Ионизирующее излучение является всего лишь одним из факторов, воздействие которых может увеличить вероятность возникновения онкологических или генетических заболеваний в популяции.
С представлением о мутациях согласуется понятие о беспороговом характере действия излучения и о линейной зависимости эффекта от дозы.
Считается, что одна измененная клетка может положить начало развитию опухоли, а первичным изменением в клетке, достаточным для возникновения мутации, может быть разрыв ДНК, возникший вследствие одной ионизации.
В то же время в организме человека всегда имеется большое число клеток, имеющих повреждения ДНК, достаточные для развития опухоли, но возникшие по другим, нерадиационным, причинам.
Рисунок иллюстрирует связь между вероятностью возникновения ракового заболевания. График показывает наличие значительного уровня спонтанных раков в большой группе людей (популяции) и относительно небольшую вероятность возникновения дополнительных заболеваний под действием излучения.
В настоящее время нет каких-либо фактических материалов кроме сведений о радиационном канцерогенезе у жителей Хиросимы и Нагасаки, а также у шахтеров урановых рудников, которые могли бы подтвердить возникновение дополнительных (относительно спонтанного уровня) раковых заболеваний.
В 1950 г. в Японии была проведена национальная перепись населения, согласно которой к категории лиц, облученных в результате атомной бомбардировки, было отнесено 280 000 человек. Для исследования отдаленных последствий атомной бомбардировки из них были выбраны когорты общей численностью приблизительно 200 000 человек. Целью эпидемиологического наблюдения за этими людьми было исследование отдаленных последствий действия ионизирующего излучения, в том числе и радиогенного рака, которые после однократного облучения могли возникнуть в течение всего периода жизни людей и их потомков.
Рисунок Рис.2 иллюстрирует зависимость вероятности заболевания раком в результате облучения в зависимости от времени, прошедшего после однократного облучения всего тела фотонами.
В области малых доз эта вероятность пропорциональна дозе облучения.
Для времен много меньших или много больших длительности латентного периода вероятность возникновения заболевания близка к нулю.
Пожизненную вероятность эффектов, приводящих к смерти человека, обычно называют вероятностью преждевременной смерти. Она имеет сложную зависимость от возраста человека в момент облучения и линейную зависимость от дозы (в области малых доз).
В качестве характеристики тяжести стохастического эффекта рассматривают сокращение продолжительности периода полноценной жизни человека D Тпот в результате преждевременной смерти или заболевания, вызванного облучением.
Принято, что тяжесть стохастических эффектов не зависит от дозы облучения и равна разности между ожидаемой средней продолжительностью жизни человека (необлученного) и длительностью латентного периода в случае возникновения радиогенного рака.
В Таблице 3 приведены значения сокращения продолжительности периода полноценной жизни человека в результате преждевременной смерти или заболевания, вызванных облучением. Для целей радиационной безопасности принято, что генетические последствия облучения в среднем характеризуются потерей 15 лет продолжительности полноценной жизни.
Таблица 3
Сокращение продолжительности периода полноценной жизни человека в результате возникновения радиогенного рака
Что такое детерминированные эффекты облучения людей
В настоящее время все биологические эффекты и последствия действия ионизирующих излучений на человека принято разделять на два класса: детерминированные и стохастические.
Детерминированные эффекты это клинически значимые эффекты, которые проявляются в виде явной патологии, например острая или хроническая лучевая болезнь, лучевые ожоги (так называемые местные лучевые поражения), катаракты хрусталика глаз, клинически регистрируемые нарушения гемопоэза, временная или постоянная стерильность и др.
В подавляющем большинстве случаев эти эффекты возникают при кратковременном действии больших доз и больших мощностей доз радиации. Например, при атомных взрывах в Хиросиме и Нагасаки поражающие дозы γ-нейтронного облучения людей (несколько грей) были реализованы в течение миллионных долей секунды.
Главной отличительной особенностью детерминированных эффектов является их пороговый характер. Иными словами, для возникновения той или иной болезни необходимо достижение неких пороговых уровней доз облучения человека, ниже которых эти эффекты клинически не проявляются. Степень тяжести детерминированных эффектов напрямую зависит от поглощенной дозы облучения: чем больше доза, тем глубже тяжесть поражения. Например, для кожных покровов порог эритемы и сухого шелушения составляет примерно 35 Гр; гибель клеток в эпидермальном и дермальном слоях, приводящая к некрозу тканей, наступает после острого облучения в дозе около 50 Гр.
При остром, кратковременном облучении могут возникать различные формы острой лучевой болезни. Так при общем облучении всего тела человека в дозе порядка 1 Гр острая лучевая болезнь не возникает и смертельные исходы исключены; при дозах 35 Гр в результате повреждения стволовых клеток костного мозга 50 % облученных могут погибнуть (без лечения) в течение 60 сут. При дозах 515 Гр вследствие поражения клеточного пула желудочно-кишечного тракта возникает так называемая кишечная форма острой лучевой болезни, и гибель возможна через 1020 сут, а при дозах свыше 15 Гр (церебральная форма острой лучевой болезни) летальный исход у всех облученных наступает в течение 5 сут.
В настоящее время спектр детерминированных эффектов и зависимость их от уровней облучения человека достаточно изучены, однако еще нет окончательных суждений относительно количественных различий в порогах облучения за счет индивидуальной радиочувствительности отдельных представителей гетерогенных групп населения.
В качестве примера в таблице 1 приведены пороговые дозы некоторых детерминированных эффектов в наиболее радиочувствительных тканях и органах человека. Диапазон пороговых доз для различных радиочувствительных органов и тканей неодинаков. В то же время важно отметить, что пороги доз облучения для острого, кратковременного радиационного воздействия и для протяженного во времени облучения существенно различаются. Следовательно, облучение (в аналогичных суммарных дозах), растянутое во времени, в общем повышает уровень порога. Несомненно, что эта закономерность, определяемая прежде всего процессами репарации повреждений в целостном организме, характерна и для воздействия так называемых малых доз облучения (под малыми дозами понимают уровни воздействия в диапазонах менее 0,2 Гр и мощности дозы менее 0,1 Гр/ч), особенно если учесть, что системы клеточного восстановления в организме функционируют более эффективно после облучения дозой малой мощности, чем после воздействия дозы большой мощности. Иными словами, при прочих равных условиях острое воздействие ионизирующего излучения всегда опаснее хронического, длительного облучения в эквивалентных дозах. Так, Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) подчеркивает, что « протяженные (малая мощность дозы) и фракционированные облучения менее эффективны в отношении многих биологических последствий, включая индуцирование опухолей, чем однократные с большой мощностью дозы».
Оценки порогов детерминированных эффектов у взрослых людей в семенниках, яичниках, хрусталиках глаз
и в красном костном мозге [МКРЗ, 1990. Публикация № 60]
Следующий класс последствий радиационного облучения получил название стохастических (вероятностных, случайных) эффектов, которые иногда называют отдаленными последствиями облучения. В отличие от детерминированных эффектов, для которых доказан и существует дозовый порог проявления и которые, как правило, возникают при значительных дозах облучения в основном за счет гибели большей части клеток в поврежденных органах или тканях, для стохастических последствий, по современным представлениям, не существует дозового порога. Это в свою очередь означает, что реализация стохастических эффектов теоретически возможна при сколь угодно малой дозе облучения, при этом вероятность их возникновения тем меньше, чем ниже доза. Вопрос о том, какова же эта вероятность, является ключевым вопросом для объективного понимания всей проблемы.
Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) ООН и Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) пришли к выводу, что доказано только два основных вида стохастических эффектов облучения. Первый возникает в соматических клетках и может быть причиной развития рака у облученного индивида. Второй вид, появляющийся в зародышевой ткани половых желез, может привести к наследуемым нарушениям у потомства облученных людей. Важно подчеркнуть, что если возможность индукции злокачественных опухолей у облученных людей является фактом, доказанным мировой наукой, то до настоящего времени прямых научных подтверждений генетически обусловленных эффектов облучения человека не получено. Тем не менее, располагая прямыми данными о наличии таких эффектов на других биологических объектах (растениях, клеточных культурах, микроорганизмах, мелких лабораторных животных), МКРЗ в целях исключения возможной недооценки их значимости признала необходимым включить наследственные эффекты в перечень стохастических последствий облучения человека. В этом контексте необходимо обратить внимание на следующее принципиальное обстоятельство.
Нередко многие ученые и врачи, недостаточно знакомые с современными представлениями о патогенезе стохастических эффектов облучения, наряду со злокачественными опухолями и генетическими дефектами к этой категории последствий облучения относят различные соматические заболевания у облученных людей, не имеющие радиационного генеза и патогенетически не обусловленные ионизирующим излучением. Например, в свое время к этому классу эффектов относили так называемый синдром преждевременного старения (преждевременной смерти). Впоследствии после тщательного анализа научной информации этот синдром был исключен из класса стохастических эффектов облучения, так как было установлено, что любое сокращение продолжительности жизни у облученных людей или экспериментальных животных связано с избыточной смертностью от вызванного излучением рака. Таким образом, при прогностических оценках последствий радиоактивного облучения человека, уточнения регламентов облучения и т.п. необходимо исходить из положения о том, что радиологически обусловленными стохастическими последствиями облучения являются только злокачественные опухоли (в том числе доброкачественные опухоли в некоторых органах) и генетические (наследственные) дефекты у потомства облученных людей.