Радиобиология (также известная как радиационная биология и реже как актинобиология ) — область клинических и фундаментальных медицинских наук , которая включает изучение воздействия ионизирующего излучения на живые существа, в частности последствий радиации для здоровья . Ионизирующее излучение, как правило, вредно и потенциально смертельно для живых существ, но может принести пользу здоровью при лучевой терапии для лечения рака и тиреотоксикоза . Его наиболее частым воздействием является индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Высокие дозы могут вызвать визуальные драматические радиационные ожоги и/или быструю смерть в результате острого лучевого синдрома . Контролируемые дозы используются для медицинской визуализации и лучевой терапии .
В целом ионизирующее излучение вредно и потенциально смертельно для живых существ, но может принести пользу здоровью при лучевой терапии для лечения рака и тиреотоксикоза .
Большинство неблагоприятных последствий радиационного воздействия для здоровья можно сгруппировать в две общие категории:
Некоторые эффекты ионизирующего излучения на здоровье человека являются стохастическими , то есть вероятность их возникновения увеличивается с увеличением дозы, а тяжесть воздействия не зависит от дозы. [2] Радиационно-индуцированный рак , тератогенез , снижение когнитивных функций и болезни сердца — все это стохастические эффекты, вызванные ионизирующим излучением.
Его наиболее частым воздействием является стохастическая индукция рака с латентным периодом в годы или десятилетия после воздействия. Механизм, посредством которого это происходит, хорошо изучен, но количественные модели, прогнозирующие уровень риска, остаются спорными. Наиболее широко распространенная модель утверждает, что заболеваемость раком из-за ионизирующего излучения увеличивается линейно с увеличением эффективной дозы радиации 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 ним следует медицинская визуализация, занимающая второе место.
Количественные данные о влиянии ионизирующей радиации на здоровье человека относительно ограничены по сравнению с другими медицинскими состояниями из-за небольшого числа случаев на сегодняшний день, а также из-за стохастического характера некоторых эффектов. Стохастические эффекты можно измерить только с помощью крупных эпидемиологических исследований, в ходе которых было собрано достаточно данных, чтобы исключить мешающие факторы, такие как привычка к курению и другие факторы образа жизни. Самым богатым источником высококачественных данных являются исследования японцев, 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 с дозой 8 мЗв оценивается в 0,05%, или 1 на 2000. [4]
Детерминированные эффекты — это те, которые достоверно возникают при дозе, превышающей пороговую , и их тяжесть увеличивается с увеличением дозы. [2]
Высокая доза радиации приводит к детерминированным эффектам, которые достоверно возникают выше порогового значения, и их тяжесть увеличивается с увеличением дозы. Детерминистические эффекты не обязательно более или менее серьезны, чем стохастические эффекты; любой из них может в конечном итоге привести к временной неприятности или смертельному исходу. Примерами детерминированных эффектов являются:
Комитет Национальной академии наук США по биологическим эффектам ионизирующего излучения «пришёл к выводу, что не существует убедительных доказательств, указывающих на порог дозы, ниже которого риск индукции опухоли равен нулю». [5]
Когда альфа-частицы, испускающие изотопы, попадают в организм, они гораздо более опасны, 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 проникновения альфа-излучающих радиоизотопов в живые клетки. Поступившие внутрь радиоизотопы альфа-излучателей, такие как трансураны или актиниды , в среднем примерно в 20 раз более опасны, а в некоторых экспериментах - до 1000 раз более опасны, чем эквивалентная активность радиоизотопов, излучающих бета- или гамма-излучение. Если тип излучения неизвестен, его можно определить путем дифференциальных измерений в присутствии электрических полей, магнитных полей или при различной степени защиты.
Риск развития радиационно-индуцированного рака в какой-то момент жизни выше при облучении плода, чем у взрослого, как потому, что клетки более уязвимы, когда они растут, так и потому, что продолжительность жизни после дозы, вызывающей развитие рака, значительно увеличивается. Слишком большое радиационное облучение может оказать вредное воздействие на будущего ребенка или репродуктивные органы. [7] Исследования показывают, что сканирование чаще одного раза в девять месяцев может нанести вред будущему ребенку. [8]
Возможные детерминированные последствия радиационного воздействия во время беременности включают выкидыш , структурные врожденные дефекты , задержку роста и умственную отсталость . [9] Детерминированные эффекты изучались, например, на людях, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, а также на случаях, когда лучевая терапия была необходима во время беременности:
По оценкам, интеллектуальный дефицит составляет около 25 баллов IQ на 1000 мГр на сроке беременности от 10 до 17 недель. [9]
Эти эффекты иногда имеют значение при принятии решения о медицинской визуализации во время беременности , поскольку проекционная рентгенография и компьютерная томография подвергают плод воздействию радиации.
Кроме того, риск развития радиационно-индуцированного рака молочной железы у матери в дальнейшем представляется особенно высоким при дозах радиации во время беременности. [10]
Человеческое тело не может ощутить ионизирующее излучение, за исключением очень высоких доз, но эффекты ионизации можно использовать для характеристики излучения. Интересующие параметры включают скорость распада, поток частиц, тип частиц, энергию пучка, керму, мощность дозы и дозу радиации.
Мониторинг и расчет доз для защиты здоровья человека называется дозиметрией и осуществляется в рамках науки физики здравоохранения . Ключевыми инструментами измерения являются использование дозиметров для определения эффективной дозы внешнего поступления и использование биоанализа для определения дозы, принятой внутрь. Статья о зивертах обобщает рекомендации ICRU и ICRP по использованию величин дозы, включает руководство по воздействию ионизирующего излучения, измеряемого в зивертах, а также приводит примеры приблизительных цифр поглощения дозы в определенных ситуациях.
Ожидаемая доза является мерой стохастического риска для здоровья вследствие поступления радиоактивного материала в организм человека. МКРЗ заявляет: «Для внутреннего облучения ожидаемые эффективные дозы обычно определяются на основе оценки поступления радионуклидов на основе измерений биоанализа или других величин. Доза радиации определяется на основе поступления с использованием рекомендуемых дозовых коэффициентов». [11]
Поглощенная доза – это физическая величина дозы D , представляющая собой среднюю энергию, сообщаемую веществу на единицу массы ионизирующим излучением . В системе СИ единицей измерения является джоуль на килограмм, а ее особое название — серый (Гр). [12] Иногда также используется единица измерения Рад , не относящаяся к системе СИ СГС , преимущественно в США.
Для представления стохастического риска используются эквивалентная доза H T и эффективная доза E , а для их расчета на основе поглощенной дозы используются соответствующие дозовые коэффициенты и коэффициенты. [13] Эквивалентные и эффективные дозы выражаются в зивертах или бэрах , что означает, что биологические эффекты были приняты во внимание. Обычно они соответствуют рекомендациям Международного комитета по радиационной защите (ICRP) и Международной комиссии по радиационным единицам и измерениям (ICRU). Разработанная ими стройная система величин радиологической защиты представлена на прилагаемой схеме.
Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) управляет Международной системой радиологической защиты, которая устанавливает рекомендуемые пределы 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 излучения) находится вне (и остается вне) подвергающегося облучению организма. Примеры внешнего воздействия включают в себя:
Внешнее облучение относительно легко оценить, и облученный организм не становится радиоактивным, за исключением случая, когда излучение представляет собой интенсивный пучок нейтронов , вызывающий активацию .
Внутреннее облучение происходит, когда радиоактивный материал попадает в организм и радиоактивные атомы внедряются в организм. Это может произойти при вдыхании, проглатывании или инъекции. Ниже приведен ряд примеров внутреннего облучения.
При попадании радиоактивных соединений в организм человека последствия отличаются от последствий воздействия внешнего источника радиации. Особенно в случае альфа-излучения, которое обычно не проникает через кожу, воздействие может быть гораздо более разрушительным после проглатывания или вдыхания. Радиационное воздействие обычно выражается как ожидаемая доза .
Хотя радиация была обнаружена в конце 19 века, опасность радиоактивности и радиации не была сразу осознана. Острые эффекты радиации были впервые обнаружены при использовании рентгеновских лучей, когда немецкий физик Вильгельм Рентген намеренно подверг свои пальцы рентгеновскому облучению в 1895 году. Он опубликовал свои наблюдения относительно возникших ожогов, хотя ошибочно приписал их озону, свободному радикалу. производятся в воздухе рентгеновскими лучами. Сейчас считается, что другие свободные радикалы, вырабатываемые в организме, более важны. Его раны позже зажили.
Как область медицинских наук, радиобиология возникла после демонстрации Леопольдом Фройндом в 1896 году терапевтического лечения волосатой родинки с использованием недавно открытой формы электромагнитного излучения, называемой рентгеновскими лучами. Облучив в начале 1896 года лягушек и насекомых рентгеновскими лучами, Иван Романович Тарханов пришел к выводу, что эти вновь 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, а в 1946 году за свои открытия был удостоен Нобелевской премии .
В целом, в 1930-е годы были предприняты попытки разработать общую модель радиобиологии. Здесь следует отметить Дугласа Ли , [19] [20], чья презентация также включала исчерпывающий обзор около 400 вспомогательных публикаций. [21] [ нужна страница ] [22]
До того, как были известны биологические эффекты радиации, многие врачи и корпорации начали продавать радиоактивные вещества как патентованные лекарства и радиоактивное шарлатанство . Примерами могут служить радиевые клизмы и радийсодержащие воды для питья в качестве тонизирующих средств. Мария Кюри выступила против такого лечения, предупредив, что влияние радиации на организм человека недостаточно изучено. Позже Кюри умер от апластической анемии , вызванной радиационным отравлением. Эбен Байерс , известный американский светский человек, умер от множественного рака (но не острого лучевого синдрома) в 1932 году после употребления большого количества радия в течение нескольких лет; его смерть привлекла внимание общественности к опасности радиации. К 1930-м годам, после ряда случаев некроза костей и смерти энтузиастов, радийсодержащие медицинские препараты практически исчезли с рынка.
В Соединенных Штатах опыт так называемых «Радиевых девушек» , где тысячи маляров с радиевыми циферблатами заболели раком полости рта [23] – но не было случаев острого лучевого синдрома [24] – популяризировал предупреждения о гигиене труда, связанной с радиационной опасностью. . Робли Д. Эванс из Массачусетского технологического института разработал первый стандарт допустимого содержания радия в организме , что стало ключевым шагом в становлении ядерной медицины как области исследований. С развитием ядерных реакторов и ядерного оружия в 1940-х годах повышенное научное внимание стало уделяться изучению всевозможных радиационных эффектов.
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 интенсивные исследования синдрома в течение нескольких недель и месяцев после взрывов в Хиросиме. Сасаки и его команда смогли отслеживать последствия радиации у пациентов, находящихся в различной близости от самого взрыва, что привело к установлению трех зарегистрированных стадий синдрома. Через 25–30 дней после взрыва хирург Красного Креста заметил резкое падение количества лейкоцитов и установил это падение, наряду с симптомами лихорадки, как прогностические стандарты острого радиационного 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 зарегистрированной смертью в результате радиационного отравления (или «болезни атомной бомбы»).
Комиссия по жертвам атомной бомбы и Фонд исследования радиационных эффектов следят за состоянием здоровья выживших и их потомков с 1946 года. Они обнаружили, что радиационное воздействие увеличивает риск рака, но также и то, что средняя продолжительность жизни выживших сократилась лишь на несколько месяцев по сравнению с теми, кто не подвергался воздействию радиации. Никаких последствий для здоровья у детей выживших до сих пор не обнаружено. [26]
Взаимодействие между организмами и электромагнитными полями (ЭМП) и ионизирующим излучением можно изучать несколькими способами:
В радиобиологических экспериментах обычно используется источник излучения, которым может быть:
