Радиобиология (также известная как радиационная биология и реже как актинобиология ) — область клинических и фундаментальных медицинских наук , которая включает в себя изучение воздействия ионизирующего излучения на живые существа, в частности, воздействия радиации на здоровье . Ионизирующее излучение, как правило, вредно и потенциально смертельно для живых существ, но может иметь пользу для здоровья при лучевой терапии для лечения рака и тиреотоксикоза . Его наиболее распространенным воздействием является индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Высокие дозы могут вызывать визуально выраженные лучевые ожоги и/или быструю смерть из-за острого лучевого синдрома . Контролируемые дозы используются для медицинской визуализации и радиотерапии .
В целом ионизирующее излучение вредно и потенциально смертельно для живых существ, но может иметь пользу для здоровья при лучевой терапии рака и тиреотоксикоза .
Большинство неблагоприятных последствий для здоровья от воздействия радиации можно разделить на две основные категории:
Некоторые эффекты ионизирующего излучения на здоровье человека являются стохастическими , то есть вероятность их возникновения увеличивается с дозой, в то время как тяжесть не зависит от дозы. [2] Радиационно-индуцированный рак , тератогенез , снижение когнитивных способностей и болезни сердца — все это стохастические эффекты, вызванные ионизирующим излучением.
Наиболее распространенным его воздействием является стохастическая индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Механизм, посредством которого это происходит, хорошо изучен, но количественные модели, предсказывающие уровень риска, остаются спорными. Наиболее широко принятая модель утверждает, что заболеваемость раком из-за ионизирующего излучения увеличивается линейно с эффективной дозой облучения со скоростью 5,5% на зиверт . [3] Если эта линейная модель верна, то естественное фоновое излучение является наиболее опасным источником радиации для здоровья населения, за которым следует медицинская визуализация как второе место.
Количественные данные о влиянии ионизирующего излучения на здоровье человека относительно ограничены по сравнению с другими медицинскими состояниями из-за небольшого числа случаев на сегодняшний день и из-за стохастической природы некоторых эффектов. Стохастические эффекты могут быть измерены только с помощью крупных эпидемиологических исследований, в которых собрано достаточно данных для устранения мешающих факторов, таких как привычки курения и другие факторы образа жизни. Самый богатый источник высококачественных данных исходит из исследования японских людей, переживших атомную бомбардировку . Эксперименты in vitro и на животных информативны, но радиорезистентность сильно различается у разных видов.
Дополнительный пожизненный риск развития рака при однократной КТ брюшной полости в дозе 8 мЗв оценивается в 0,05%, или 1 из 2000. [4]
Детерминированные эффекты — это те, которые достоверно возникают при превышении пороговой дозы , и их тяжесть увеличивается с дозой. [2]
Высокая доза облучения приводит к детерминированным эффектам, которые надежно возникают выше порога, и их тяжесть увеличивается с дозой. Детерминированные эффекты не обязательно более или менее серьезны, чем стохастические эффекты; любой из них может в конечном итоге привести к временной неприятности или летальному исходу. Примерами детерминированных эффектов являются:
Комитет Национальной академии наук США по биологическим эффектам ионизирующего излучения «пришел к выводу, что нет убедительных доказательств, указывающих на пороговую дозу, ниже которой риск возникновения опухоли равен нулю» [5] .
При попадании в организм человека изотопов, испускающих альфа-частицы, они гораздо опаснее, чем можно было бы предположить по их периоду полураспада или скорости распада. Это связано с высокой относительной биологической эффективностью альфа-излучения, вызывающего биологические повреждения после попадания альфа-излучающих радиоизотопов в живые клетки. Поглощенные альфа-излучающие радиоизотопы, такие как трансурановые элементы или актиниды, в среднем примерно в 20 раз опаснее, а в некоторых экспериментах — до 1000 раз опаснее эквивалентной активности бета-излучающих или гамма-излучающих радиоизотопов. Если тип излучения неизвестен, его можно определить с помощью дифференциальных измерений в присутствии электрических полей, магнитных полей или при различной степени экранирования.
Риск развития рака, вызванного радиацией, в какой-то момент жизни выше при облучении плода, чем взрослого человека, как потому, что клетки более уязвимы, когда они растут, так и потому, что продолжительность жизни после дозы, приводящей к развитию рака, гораздо больше. Если воздействие радиации слишком велико, это может иметь пагубные последствия для будущего ребенка или репродуктивных органов. [7] Исследования показывают, что сканирование чаще, чем один раз в девять месяцев, может нанести вред будущему ребенку. [8]
Возможные детерминированные эффекты воздействия радиации во время беременности включают выкидыши , структурные врожденные дефекты , ограничение роста и умственную отсталость . [9] Детерминированные эффекты изучались, например, на людях, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки , а также в случаях, когда лучевая терапия была необходима во время беременности:
Интеллектуальный дефицит оценивается примерно в 25 баллов IQ на 1000 мГр в период с 10 по 17 неделю беременности. [9]
Эти эффекты иногда имеют значение при принятии решения о проведении медицинской визуализации во время беременности , поскольку проекционная рентгенография и КТ подвергают плод воздействию радиации.
Кроме того, риск для матери заболеть раком груди, вызванным радиацией , в дальнейшем, по-видимому, особенно высок при дозах радиации во время беременности. [10]
Человеческое тело не может ощущать ионизирующее излучение, за исключением очень высоких доз, но эффекты ионизации могут быть использованы для характеристики излучения. Интересующие нас параметры включают скорость распада, поток частиц, тип частиц, энергию пучка, керму, мощность дозы и дозу облучения.
Мониторинг и расчет доз для защиты здоровья человека называется дозиметрией и осуществляется в рамках науки физики здоровья . Ключевыми инструментами измерения являются использование дозиметров для получения внешнего эффективного поглощения дозы и использование биоанализа для поглощенной дозы. Статья о зиверте суммирует рекомендации ICRU и ICRP по использованию дозовых величин и включает руководство по воздействию ионизирующего излучения, измеряемого в зивертах, и дает примеры приблизительных цифр поглощения дозы в определенных ситуациях.
Ожидаемая доза является мерой стохастического риска для здоровья из-за поступления радиоактивного материала в организм человека. МКРЗ утверждает: «Для внутреннего облучения ожидаемые эффективные дозы обычно определяются на основе оценки поступления радионуклидов из измерений биопроб или других величин. Доза облучения определяется на основе поступления с использованием рекомендуемых дозовых коэффициентов». [11]
Поглощенная доза — это физическая величина дозы D, представляющая собой среднюю энергию, переданную веществу на единицу массы ионизирующим излучением . В системе единиц СИ единицей измерения является джоуль на килограмм, а ее специальное название — грей (Гр). [12] Иногда также используется внесистемная единица СГС — рад , в основном в США.
Для представления стохастического риска используются эквивалентная доза H T и эффективная доза E , а для их расчета из поглощенной дозы используются соответствующие дозовые факторы и коэффициенты. [13] Эквивалентные и эффективные величины дозы выражаются в единицах зиверт или бэр , что подразумевает, что биологические эффекты были приняты во внимание. Они обычно соответствуют рекомендациям Международного комитета по радиационной защите (МКРЗ) и Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (МКЕИ). Разработанная ими согласованная система величин радиологической защиты показана на прилагаемой диаграмме.
Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) управляет Международной системой радиологической защиты, которая устанавливает рекомендуемые пределы для поглощения дозы. Значения дозы могут представлять собой поглощенную, эквивалентную, эффективную или ожидаемую дозу.
Другие важные организации, изучающие эту тему, включают:
Внешнее облучение — это облучение, которое происходит, когда радиоактивный источник (или другой источник радиации) находится снаружи (и остается снаружи) организма, который подвергается облучению. Примеры внешнего облучения включают:
Внешнее облучение сравнительно легко оценить, и облученный организм не становится радиоактивным, за исключением случая, когда излучение представляет собой интенсивный нейтронный пучок, который вызывает активацию .
Внутреннее облучение происходит, когда радиоактивный материал попадает в организм, и радиоактивные атомы включаются в организм. Это может произойти через вдыхание, проглатывание или инъекцию. Ниже приведен ряд примеров внутреннего облучения.
Когда радиоактивные соединения попадают в организм человека, эффекты отличаются от тех, которые возникают при воздействии внешнего источника радиации. Особенно в случае альфа-излучения, которое обычно не проникает через кожу, воздействие может быть гораздо более разрушительным после приема внутрь или вдыхания. Воздействие радиации обычно выражается как ожидаемая доза .
Хотя радиация была открыта в конце 19 века, опасности радиоактивности и радиации не были сразу признаны. Острые эффекты радиации были впервые обнаружены при использовании рентгеновских лучей , когда немецкий физик Вильгельм Рентген намеренно подверг свои пальцы рентгеновскому излучению в 1895 году. Он опубликовал свои наблюдения относительно полученных ожогов, хотя он ошибочно приписал их озону, свободному радикалу, вырабатываемому в воздухе рентгеновскими лучами. Другие свободные радикалы, вырабатываемые в организме, теперь считаются более важными. Его травмы зажили позже.
Как область медицинских наук, радиобиология возникла в 1896 году, когда Леопольд Фройнд продемонстрировал терапевтическое лечение волосатого крота с помощью недавно открытой формы электромагнитного излучения, называемого рентгеновскими лучами. После облучения лягушек и насекомых рентгеновскими лучами в начале 1896 года Иван Романович Тарханов пришел к выводу, что эти недавно открытые лучи не только фотографируют, но и «влияют на жизненную функцию». [18] В то же время Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивные полоний и радий, которые позже использовались для лечения рака .
Генетические эффекты радиации, включая влияние на риск рака, были признаны гораздо позже. В 1927 году Герман Йозеф Мюллер опубликовал исследование, показывающее генетические эффекты, и в 1946 году был удостоен Нобелевской премии за свои открытия.
В более общем плане, в 1930-х годах были предприняты попытки разработать общую модель для радиобиологии. Здесь следует отметить Дугласа Ли , [19] [20], чье выступление также включало исчерпывающий обзор около 400 поддерживающих публикаций. [21] [ нужна страница ] [22]
До того, как стало известно о биологическом воздействии радиации, многие врачи и корпорации начали продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства и радиоактивное шарлатанство . Примерами были радиевые клизмы и радийсодержащие воды для употребления в качестве тонизирующих средств. Мария Кюри выступила против такого рода лечения, предупредив, что воздействие радиации на организм человека не было хорошо изучено. Позже Кюри умерла от апластической анемии , вызванной радиационным отравлением. Эбен Байерс , известная американская светская львица, умерла от множественных видов рака (но не от острого лучевого синдрома) в 1932 году после употребления больших количеств радия в течение нескольких лет; его смерть привлекла внимание общественности к опасностям радиации. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и смерти энтузиастов, радийсодержащие медицинские продукты почти исчезли с рынка.
В Соединенных Штатах опыт так называемых девушек радия , когда тысячи маляров радиевого циферблата заболели раком полости рта [23] — но не было ни одного случая острого лучевого синдрома [24] — популяризировал предупреждения о профессиональной гигиене, связанные с опасностью радиации. Робли Д. Эванс из Массачусетского технологического института разработал первый стандарт допустимой нагрузки радия на организм , что стало ключевым шагом в становлении ядерной медицины как области изучения. С развитием ядерных реакторов и ядерного оружия в 1940-х годах повышенное научное внимание было уделено изучению всех видов эффектов радиации.
Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки привели к большому количеству случаев радиационного отравления, что позволило лучше понять его симптомы и опасности. Хирург больницы Красного Креста доктор Теруфуми Сасаки провел интенсивное исследование синдрома в течение недель и месяцев после бомбардировок Хиросимы. Сасаки и его команда смогли отслеживать воздействие радиации у пациентов, находящихся в разной близости от самого взрыва, что привело к установлению трех зарегистрированных стадий синдрома. В течение 25–30 дней после взрыва хирург Красного Креста заметил резкое падение количества лейкоцитов в крови и установил это падение, наряду с симптомами лихорадки, как прогностические стандарты острого лучевого синдрома. [25] Актриса Мидори Нака , которая присутствовала во время атомной бомбардировки Хиросимы, была первым случаем радиационного отравления, который был тщательно изучен. Ее смерть 24 августа 1945 года стала первой официально подтвержденной смертью в результате радиационного отравления (или «атомной бомбовой болезни»).
Комиссия по жертвам атомной бомбардировки и Фонд исследований радиационных эффектов следят за состоянием здоровья выживших и их потомков с 1946 года. Они обнаружили, что воздействие радиации увеличивает риск рака, но также и то, что средняя продолжительность жизни выживших сократилась всего на несколько месяцев по сравнению с теми, кто не подвергался воздействию радиации. До сих пор не было обнаружено никаких последствий для здоровья у детей выживших. [26]
Взаимодействие организмов с электромагнитными полями (ЭМП) и ионизирующим излучением можно изучать несколькими способами:
В радиобиологических экспериментах обычно используется источник излучения, который может быть:
