Руководство по радонотерапии: теоретические основы и практическое применение
- -
- 100%
- +
Приведем несколько реальных фактов воздействия ионизирующих излучений на человека. Как отмечено в докладе Научного комитета по действию атомной радиации ООН в 2000 году, ни одного случая острой лучевой болезни среди ликвидаторов в Чернобыле, то есть тех людей, которые участвовали в ликвидации аварии в течение двух лет (1986—1987 гг.), и населения, проживающего в так называемой чернобыльской зоне, — зафиксировано не было [18].
По данным МАГАТЭ за период с 1945 по 2011 год произошло 99 крупных аварий на ядерных объектах; общее число жертв составляет порядка 340 человек, в том числе в Чернобыле — 31 человек, в Фукусиме — 3 человека. Крупнейшими же по количеству жертв являются Каштымская («Маяк», Челябинск-40, СССР), 200 погибших, и Селлафилдская (Камбрия, Англия), 240 погибших, аварии [217].
Это несопоставимо с жертвами других техногенных катастроф. Так, взрыв на химзаводе американской компании «Юнион Карбид» (Union Carbide) в Бхопале (Индия) в декабре 1984 года унёс жизни 160 тысяч человек, трагедия на дамбе Баньцяо (Китай) в августе 1975 года — 171 тысяча погибших.
Ежегодно во всем мире погибает около 12 тысяч шахтеров [222], а в автоавариях на дорогах мира — порядка 1,4 млн человек [218]. Однако ионизирующие излучения вызывают у людей больший страх, чем автобусы или грузовики.
Если в период «радийной эры» человечество поплатилось за свою беспечность в увлечении неизученным до конца физическим фактором, то и радиофобия имеет серьезные последствия для общества: отказ ряда стран от безопасной и экономичной ядерной энергии, траты на ненужные и очень дорогие программы защиты жилых и промышленных зданий от радона, отказ тяжелобольных пациентов от методов лучевой диагностики и лечения, часто приводящий их к преждевременной смерти. Страх общества перед радиацией поощряет террористов к созданию и последующему шантажу «грязными бомбами» (боеприпасами, основным поражающим элементом которого являются радиоактивные вещества, приводящие к заражению местности и облучению людей).
Радиофобия навредила и радонотерапии: необоснованный страх перед радиацией привел к снижению приверженности пациентов радонолечению, падению спроса и, связанному с этим, закрытию части радонолечебниц и радоновых лабораторий.
Современные представления о влиянии на живые организмы малых доз радиоактивного излучения
В современной радиобиологии сосуществуют два принципиально противоположных подхода в оценке влияния на биоту малых доз радиации: линейная беспороговая модель и концепция радиационного гормезиса. Согласно первому — проблемы малых доз не существует и все закономерности больших доз можно экстраполировать на малые. Согласно второму — малые дозы по эффекту принципиально отличаются от больших.
Все биологические эффекты и последствия действия ионизирующих излучений на человека разделяют на два класса: детерминированные и стохастические. (Разделение это, на наш взгляд, искусственное, и обусловлено недостатком накопленных и обобщенных наблюдений. С ростом их числа отдельные стохастические эффекты будут переходить в разряд детерминированных: для каждого повреждения будет определена, вызывающая его доза облучения).
Детерминированные эффекты — это явные, клинически значимые поражения: острая или хроническая лучевая болезнь, лучевые ожоги, катаракта хрусталика, нарушения кроветворения и др. Эти эффекты возникают при кратковременном действии больших доз радиации. Например, при взрывах в Хиросиме и Нагасаки поражающая доза гамма — облучения людей в несколько Грей (Гр), была реализована в течение миллионных долей секунды. Главным свойством детерминированных эффектов является их пороговый характер, т.е., для возникновения той или иной болезни необходимо достижение определенной пороговой дозы, ниже которой эта болезнь не состоится. Степень тяжести детерминированных эффектов зависит от поглощенной дозы: чем больше доза, тем более выражены повреждения. Например, при местном облучении для развития кожной эритемы достаточно облучения 3 — 5 Гр, а для гибели клеток дермы и развития некроза кожи необходимо 50 Гр.
При общем гамма — облучении человека в дозе 1 Гр — острая лучевая болезнь не наступит и смертельные исходы исключены. При дозах 3—5 Гр наступит повреждение стволовых клеток костного мозга, кроветворная функция будет нарушена и половина облученных людей погибнет в течение 60 суток. При дозах 5—15 Гр возникает «кишечная форма» острой лучевой болезни (из-за гибели стволовых клеток ЖКТ) и 50% людей погибнет через 10—20 суток. При дозах свыше 15 Гр наступает «церебральная форма» острой лучевой болезни, и летальный исход всех облученных наступает в течение 5 суток [70].
Второй класс последствий радиационного воздействия — стохастические (случайные) эффекты. В отличие от детерминированных эффектов, для которых доказан дозовый порог, для стохастических последствий облучения дозовый порог не доказан. К стохастическим эффектам относят, например, возникновение злокачественных опухолей или развитие генных мутаций. Концепция (точнее, рабочая гипотеза) беспорогового действия ионизирующих излучений постулирует линейную зависимость биологических эффектов от дозы облучения [70]. Согласно этой гипотезе, реализация стохастических эффектов теоретически возможна при сколь угодно малой дозе облучения вплоть до значений, практически не отличающихся от нуля; и вероятность события тем меньше, чем меньше полученная доза.
LNT — Модель
Линейная зависимость эффекта от дозы (Модель LNT) была принята в качестве рабочей гипотезы Научным комитетом по действию атомной радиации ООН (UN SCEAR) и Международной комиссией по радиационной защите (ICRP) для обоснования принципов и методов регламентации малых доз облучения. В 1958 году UN SCEAR провел оценку модели LNT и отметил трудность получения «надежной информации о корреляции между малыми дозами и их воздействием на отдельных людей и большие группы населения». Объединенный комитет США по атомной энергии (JCAE) также не установил, есть ли «порог» или «безопасный уровень» радиации для человека и ввел понятие о «разумно достижимом низком уровне» (ALARA), который станет в будущем фундаментальным принципом радиационной защиты. В 1959 году Федеральный радиационный совет США (FRC) в своем первом отчете поддержал экстраполяцию LNT в области малых доз. Отмечалось, что, «несмотря на то, что зависимость доза-эффект для рентгеновских и гамма-лучей не может быть линейной функцией, использование линейной экстраполяции может быть оправдано с прагматической точки зрения, как основа для оценки риска». К 1970 году модель LNT стала стандартом радиационной защиты для большинства стран и организаций.
Как уже указывалось выше, эта модель считает правомерной экстраполяцию эффектов от действия больших доз ионизирующего излучения на живые организмы на малые дозы. При расчетах рисков развития тех или иных последствий облучений используется понятие коллективной дозы. Пример таких расчетов приводят Ильин Л. А. и др. [70]. Одна группа людей численностью 1 млн. человек облучена в средней эффективной индивидуальной дозе 0,001 Зв, а другая группа, численностью 10000 в дозе 0,1 Зв. Коллективные дозы в обоих случаях окажутся одинаковыми (1000 чел.-Зв), а, следовательно, как утверждает беспороговая гипотеза, одинаковым окажется и количество индуцированных излучением случаев рака. Следовательно, в рамках этой концепции конечный демографический прогноз заболеваемости будет абсолютно идентичным для обеих групп, вопреки очевидной разнице в реальных биологических рисках для каждого конкретного человека.
Модель LNT всегда оспаривалась рядом ученых. Многие исследователи считают, что для всех стохастических эффектов существует свой порог. Вредное действие ионизирующего излучения начинает проявляться после его превышения. Для обоснования концепции выдвигаются не только теоретические соображения, но и материалы эпидемиологических наблюдений и экспериментальных исследований.
Так, Г. М. Матаноский (G. M. Matanoski) [163, 167] сравнил коэффициенты смертности среди работников судостроительных верфей, получивших за время работы дозы порядка 50 мЗв, и работников, не подвергшихся повышенному облучению. В группе облучившихся частота смертности от всех смертей была значительно ниже (0,76 против 1,00 в контрольной группе). Аналогичные результаты получены при мониторинге работников ядерных производств США. Коэффициент их смертности составил 0,68 от среднего по США. По этим исследованиям видно, что тотальное внешнее облучение человека в низких дозах снижает смертность и увеличивает среднюю продолжительность жизни.
Более 100 тысяч мужчин и женщин, переживших атомную бомбардировку в Хиросиме и Нагасаки и облученных в дозах 31—40 сантигрей (сГр), обнаружили значительно меньшую смертность, чем необлученные. У мужчин этот показатель составлял 0,62, у женщин — 0,85 (в контрольной группе — 1,00) [201]. При анализе частоты смертности от всех видов рака у людей, переживших атомную бомбардировку, было обнаружено достоверное уменьшение смертности при малых дозах облучения от рака прямой кишки, рака легкого, рака молочной железы и от лейкемии [187].
Еще более убедительные данные о мощном антиканцерогенном действии хронического тотального облучения получены при наблюдении за 1000 жителями Тайваня [193]. Люди жили в домах, при строительстве которых были использованы детали металлических конструкций, содержащие радиоактивный кобальт Со60 (гамма-излучатель), и получили в среднем 33 сЗв (330мЗв) за 10—16 лет. Число всех злокачественных новообразований у них составило 5% по сравнению с контрольной популяцией, то есть было в 20 раз меньше.
Представленные данные и множество других исследований свидетельствуют о явном благоприятном действии низких уровней однократного и хронического радиоактивного облучения. Лучевое воздействие на млекопитающих и человека в дозах, превышающих уровни природного излучения в десятки — тысячи раз, не вызвало вредных последствий. «Точная оценка величины доз, вызывающих только благоприятные эффекты, вероятно, выше, чем 10 сГр, и ниже, чем 250 сГр суммарно за жизнь. Эти величины можно считать порогом, хотя в ряде случаев пожизненные дозы с благоприятным эффектом достигали 1000 сГр…» [30]. Профессор ядерной медицины из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе Кэрол Маркус прямо называет модель LNT «научной чепухой».
Одним из первых Линейную беспороговую модель поддержал Герман Джозеф Мюллер (Herman Joseph Muller), получивший Нобелевскую премию 1946 г. за открытие мутагенеза дрозофил под действием рентгеновского излучения. Эдвард Калабрезе (Edward J Calabrese) в статье «Нобелевская лекция Мюллера: когда идеология возобладала над наукой» [172] обвиняет Германа Мюллера в том, что он «сознательно сделал вводящие в заблуждение комментарии, касающиеся реакции… на дозу». «Поддерживая точку зрения линейности, Мюллер заявил, что „нет никакого порога“, в то время как уже был знаком с результатами недавнего исследования Эрнста Каспари и Курта Стерна, противоречащими этой концепции» [172]. «Эти выводы имеют историческое и практическое значение, — продолжает Э. Калабрезе, — поскольку комментарии Мюллера были заметным фактором, изменившим способ оценки рисков для канцерогенов (то есть переход от пороговой к линейной модели) на протяжении всего XX-го века до настоящего времени». Распространение модели LNT усилило в обществе иррациональный страх перед радиацией.
Радиационный гормезис
Противоположный подход предлагает концепция радиационного гормезиса. Термин «гормезис» был введен в употребление С. Зонтманом и
Д. Эрлихом в 1943 году [209]. Гормезис (от греч. hórmēsis — быстрое движение, стремление) — стимуляция какой-либо системы организма внешними факторами, имеющими силу, недостаточную для проявления вредного действия. Стимулирующие гормезис факторы инициируют адаптивную стресс-реакцию, формирующую устойчивость клетки и организма в целом к высоким дозам того же фактора (которые в обычных условиях были бы губительны).
В основе гормезиса лежит основной биологический закон Арндта-Шульца — закономерность отклика живых систем на раздражители различной силы. Слабые раздражители стимулируют работу живых систем (клеток, тканей, органов и организмов в целом), средние — поддерживают, сильные — тормозят, очень сильные — разрушают. В СССР этот же принцип был сформулирован в «Научном открытии №158» от 3 октября 1969 г. «Закономерность развития общих неспецифических адаптационных реакций организма» (Авторы Гаркави Л. X., Уколова М. А., Квакина Е. Б.) [38].
Характерным примером гормезиса является, например, ишемическое прекондиционирование — ситуация, когда кратковременные эпизоды ишемии защищают сердце и мозг от последующего более сильного и продолжительного снижения поступления кислорода и питательных веществ [198].
Термин радиационный гормезис был предложен в 1980 году
Т. Д. Лакки [195] и означает благоприятное воздействие ультрамалых доз облучения. Малые дозы ионизирующего излучения не вызывают гибель отдельной клетки или всего организма, не способствуют злокачественному перерождению клеток и росту опухолей, а, наоборот, снижают риск развития опухолей, ведут к увеличению продолжительности жизни и плодовитости живых существ.
Гормезис — эволюционно сформированный механизм, присущий всему живому. В течение своей жизни организмы постоянно подвергаются воздействию различных повреждающих факторов физической, химической и биологической природы. Это ультрафиолетовое, электромагнитное и ионизирующее излучения, химические вещества, перепады температуры, акустические удары, агрессивные воздействия других живых организмов. Кроме того, в процессе жизнедеятельности организма в его внутренней среде постоянно образуются токсические продукты метаболизма. Несмотря на разный характер, все эти воздействия приводят, в конечном итоге, к образованию в клетках свободных радикалов, повреждающих клеточные структуры.
В обычных условиях жизнедеятельности, то есть, в условиях постоянного влияния перечисленных факторов внешней и внутренней среды, в каждой клетке должно образовываться в среднем 1.000.000.000 свободных радикалов [26, 30]. Каждый из них может вызвать повреждение ДНК. Учитывая, что диплоидный геном млекопитающих содержит не более 6 × 1.000.000.000 нуклеотидов [40], через неделю все гены каждой клетки должны были бы быть повреждены. На самом деле у клетки есть много механизмов защиты, выработанных в процессе эволюции. Антиоксидантный щит организма (совокупность ферментов, витаминов и микроэлементов) подавляет часть образовавшихся радикалов, в результате их ежесуточное количество снижается в тысячи раз, примерно до 1.000.000. Репаративные процессы в клетке устраняют большинство образовавшихся повреждений так, что их число снижается до 100 на одну клетку в день. Клетки, ДНК которых не поддались репарации, подвергаются элиминации (уничтожению) посредством апоптоза (самоустранение поврежденной клетки) или иммунитета. В результате, по оценкам исследователей [26, 30], количество реальных повреждений снижается, до одного на клетку в день.
Все эти сложные многоуровневые защитные системы работают в живом организме постоянно, однако при некоторых условиях способны резко активизироваться.
Предложено несколько моделей, объясняющих механизм радиационного гормезиса. Одной из них, опубликованной в 2003 году, является модель М. Полякова и Л. Финидегана (Pollycove M., Feinendegen L.E.) [203]. Согласно этой модели, система гормезиса обеспечивается четырьмя основными элементами.
1. Стимуляция системы клеточной детоксикации (удаление токсических продуктов из клеток).
В сложную антиоксидантную систему организма входят ферменты, витамины и низкомолекулярные соединения. К основным ферментам, обеспечивающим антиоксидантную защиту, относятся: супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидаза. С их помощью организм человека связывает и расщепляет молекулы перекиси водорода и молекулярного кислорода. Витамины А, Е, С и бета-каротин, а также некоторые олигоэлементы (цинк, селен) способны вмешиваться в механизмы защиты от метаболитов активного кислорода. Кроме того, антиоксидантной активностью обладают стероидные гормоны, билирубин, церрулоплазмин, трансферин, альбумин и некоторые другие белки.
2. Активация систем репарации ДНК, защищающих геном от хромосомных аберраций.
Репарация — способность клеток исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК. Прямая репарация — наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Пострепликативная репарация — тип репарации, происходящей, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения и образуемые бреши заполняются при помощи особого белка RecA. Существуют и другие системы репарации ДНК.
3. Активация иммунитета (путем возрастания числа лимфоцитов) и уничтожение критически поврежденных клеток извне.
Иммунитет (лат. Immunitas — освобождение, избавление от чего-либо) — невосприимчивость, сопротивляемость организма к инфекциям и инвазиям чужеродных организмов (в том числе болезнетворных микробов), а также воздействию чужеродных веществ, обладающих антигенными свойствами. Иммунные реакции возникают и на собственные клетки организма, измененные в антигенном отношении. Иммунитет обеспечивает гомеостаз (постоянство) организма на клеточном и молекулярном уровне организации. Реализуется иммунной системой.
4. Апоптоз (самоуничтожение) критически поврежденных клеток и замена их здоровыми.
Апоптоз (по древнегреч. — опадание листьев) — программируемая клеточная смерть, регулируемый процесс самоликвидации на клеточном уровне, в результате которого клетка фрагментируется на отдельные тельца. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 мин фагоцитируются (захватываются и перевариваются) другими клетками. Одной из основных функций апоптоза является уничтожение дефектных (поврежденных, мутантных, инфицированных) клеток. Апоптоз наблюдается как у одноклеточных простейших, так и у высших организмов. Термин «апоптоз» был впервые употреблен в 1972 году в работе британских ученых Дж. Керра, Э. Уайли и А. Керри [184].
В организме среднестатистического взрослого человека в результате апоптоза погибает ежедневно порядка 50—70 миллиардов клеток. Суммарная масса клеток, которые на протяжении 1 года жизни подвергаются разрушению, эквивалентна массе тела человека. При этом восполнение утраченных клеток обеспечивается за счет пролиферации — увеличения клеточной популяции путем деления.
2
Что такое радонотерапия?
Природный радиационный фон и эволюция
Внешнее и внутреннее облучение человека
Что такое радонотерапия?
Природный радиационный фон и эволюция
Мы живем в радиоактивном мире. Почти все химические элементы, из которых строится Вселенная, имеют радиоактивные изотопы. Их атомные ядра слишком тяжелые для стабильности и распадаются, испуская элементарные частицы и электромагнитные излучения. Интенсивность распада разных элементов значительно различается: от долей микросекунд до миллиардов лет4. В любой точке планеты каждое живое существо всю свою жизнь находиться под воздействием радиации. Радиоактивно все, что нас окружает: вода, еда, воздух, да и само наше тело радиоактивно. Доза облучения от природных источников носит название природного, или естественного, радиационного фона. Основоположником учения о Природном радиационном фоне (ПРФ) был В. И. Вернадский. Радиоактивные элементы возникли на Земле задолго до появления на ней живых существ. Все организмы, включая человека, с самого их зарождения непрерывно подвергались воздействию природного радиационного фона и, поэтому, на протяжении своего длительного развития сумели приспособиться к воздействию радиации в определенном диапазоне доз. Ионизирующие излучения оказывали и оказывают прямое влияние на эволюцию живых организмов. Природный радиационный фон на планете меняется с течением времени и за 4,5 миллиарда лет существования Земли снизился примерно в 10 раз [144]. Но этот процесс не был равномерным. Как установил С. Г. Неручев5, тектонические и геологические циклы Земли порождали целые эпохи аномального обогащения ураном суши и вод Мирового океана [121]. Такие всплески радиоактивности резко меняли привычный ход эволюции: они провоцировали лавинообразный рост мутаций у живых организмов, выступая одновременно и как фактор массового вымирания, и как мощнейший катализатор видообразования.
Небольшие дозы радиации оказывают стимулирующее действие на размножение и развитие простейших организмов, поэтому начало эпохи уранонакопления знаменовалось усиленным размножением фито- и зоопланктона, увеличением биомассы Океана [79]. Неравномерные периоды роста радиоактивного фона на Земле приводили к неравномерности развития органического мира. Меняющийся радиоактивный фон нашей планеты влиял на возникновение новых форм жизни, на интенсификацию процессов видообразования фауны и флоры. Длительное нахождение организмов в среде с повышенной радиоактивностью приводило к появлению новых радиоустойчивых форм жизни [69, 76]. В периоды повышенной радиоактивности происходило массовое вымирание радиочувствительных видов и их замещение радиоустойчивыми видами, которые постепенно завоевывали новые ареалы жизнеобитания. ПРФ внес весомый вклад в эволюции биосферы Земли [80, 149].
Внешнее и внутреннее облучение человека
Природный радиационный фон обусловлен источниками облучения, находящимися как вне, так и внутри человека [19]. Источниками внешнего облучения человека являются космические лучи и радиоактивные вещества, содержащиеся в воздухе, воде, почве, горных породах, строительных материалах. Эти радиоактивные вещества испускают три основных вида радиоактивных излучений: альфа-, бета- и гамма. Главную роль во внешнем облучении играет гамма-излучение, т.к. альфа- и бета-излучения обладают малой проникающей способностью и, большей частью, поглощаются воздухом, одеждой, стенами жилищ. География местонахождения и время года имеют значение: над уровнем моря радиации меньше, над горными породами — больше; зимой — меньше, чем летом (слой снега в 30 см снижает интенсивность гамма-излучения вдвое) [95]. За счет космических лучей для местности, расположенной в средних широтах, доза радиации составляет около 0,5 мЗв в год на уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уровнем моря она возрастает до 0,9 мЗв в год, а на высоте 5 км — 8 мЗв в год [68, 133].
Источниками внутреннего облучения являются радиоактивные изотопы, входящие в состав нашего тела: Углерод-14, равномерно распределенный по организму, Калий-40, содержащийся, в основном, в нервной и мышечной ткани, Радий-226 и Торий-232, откладывающиеся в костной ткани, а также, незначительно, Уран-235, Уран-238, Рубидий-87, Полоний-210. Однако, наибольший вклад в мощность дозы внутреннего облучения (около 60%) дает вдыхаемый радон-222 и продукты его распада, накапливающиеся в дыхательных путях.
Как радионуклиды попадают в наш организм?
Радон и его ДПР, как уже сказано, попадают в организм при дыхании. Калий-40 из почвы через корневую систему поступает в растения и затем с растительной пищей попадает в организм животных и человека. Рубидий-87, накапливается в некоторых растениях (1 л виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Полоний-210 и свинец-210 кроме корневой системы попадают в растения через листья с дождевой влагой. Свинец-210 наиболее сильно аккумулируется лишайниками (содержание в 50 раз выше, чем в высших растениях) и мхами (в 20—30 раз выше); мясо оленей отличается высокой концентрацией этих радионуклидов [121]. В организме коренных жителей районов Крайнего Севера РФ, Скандинавии, США и Канады концентрация свинца-210 и полония-210 в 2—12 раз выше, чем у жителей Западной Европы [124, 154]. При возрастании доли морепродуктов в рационе питания (как, например, в Японии) поступление свинца и полония в организм человека также существенно повышается [118]. Лучшими аккумуляторами урана среди растений являются мхи. Население Западной Австралии, проживающее в районах с повышенной концентрацией урана и питающееся мясом овец и кенгуру, получает дозы, в 75 раз превосходящие средний уровень [118, 154].