Радиобиология с основами радиоэкологии

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 453

Рис. 16.2. Рентгенограмма руки анатома Кулликера, сделанная В.К. Рентгеном­ в январе 1896 г., т.е. всего через несколько месяцев после открытия Х-лучей. Это первая рентгенограмма, которая положила начало применению рентгеновских лучей в диагностике.

Имеются данные о том, что американский врач Джиллман

ифизик Груббе буквально через 23 дня после известия об открытии рентгеновских лучей предприняли успешную попытку их использования для лечения рака молочной железы.

До настоящего времени эти направления – применение ионизирующих излучений в диаг­

ностике и лечении заболеваний – остаются основными в их использовании медициной. Но можно выделить еще два важных направления: применение излучений при трансплантации органов и тканей и для стерилизации медицинских инструментов и материалов.

16.1.1.Применение ионизирующих излучений

вдиагностике заболеваний

Внастоящее время рентгеновская радиация стала одним из наиболее мощных и широко применяемых инструментов диагностики­ всевозможных заболеваний различных органов. В большинстве цивилизованных стран не менее половины населения ежегодно проходит рентгенологическое обследование не столько с диагностической, сколько с профилактической целью раннего выявления заболеваний либо даже предрасположенности к ним.

Принцип получения рентгеновского изображения понятен

ихорошо известен – он основан на способности рентгеновских лучей проходить через организм человека, по-разному поглощаясь различными по плотности органами и тканями. В результате на фотопленке или другом светочувствительном материале можно получить рентгенограмму изображения сломанной или поврежденной кости, морфологические изменения в других тканях, язвы, опухоли, появление в организме инородных тел.

До настоящего времени рентгенограмма на фотоматериале была основным способом получения рентгеновского изображения. Однако с конца прошлого столетия ситуация начала изменяться. Уже во многих рентгеновских устройствах прошедшие

через тело лучи падают не на фотопленку, а на светочувствительные кристаллы, которые преобразуют их в электрические импульсы. В результате изображение может быть переведено на дисплей компьютера, зафиксировано на видеодиске, для получения дополнительной информации обработано с помощью электронных устройств, оперативно передано на любое расстояние.

В последние десятилетия в практической рентгенодиагностике получил широкое распространение метод компьютерной томографии, позволяющий с помощью специального сканирующего устройства получать на заданной глубине необычайно четкое изображение органа в виде своеобразного «тонкого среза», на котором можно определить любые отклонения от нормы (рис. 16.3). Более того, путем наложения на один снимок суммы многих таких срезов возможно получить отчетливое объемное изображение мельчайших деталей внутреннего строения органов. Прибор, который так и называется – рентгеновский компьютерный томограф – в условиях минимальной дозы облучения позволяет получить изображение сечения всего тела человека в любом месте, рассмотреть его с разных сторон, с разных точек зрения и получить общее синтезированное изображение его деталей. В принципе метод использует не только рентгеновские, но и γ-излучения, электроны, нейтроны различных в зависимости от задач энергий.

Специфической областью рентгенодиагностики является маммография – способ выявления опухолей молочной железы у женщин с помощью особых низковольтных рентгеновских аппаратов, позволяющих идентифицировать мягкие ткани. После рентгенографии грудной клетки маммография – второй рентге-

нографический диагностический метод массового обследования населения, позволяющий выявлять на самых ранних стадиях возникновения опухоли диаметром до 5 мм.

Появление радиоактивных изотопов открыло в медицине новое направление, известное как радиоизотопная диагностика. Од­ ним из первых методов обследования, разработанных в этой об-

Рис. 16.3. Компьютерно-томогра­ фическая­ сканограмма поперечного среза тела человека на уровне таза, дающая изображение печени.

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 455

ласти, была оценка состояния и функции щитовидной железы. С помощью вводимых в организм радиоактивных препаратов йода – специфического элемента, необходимого для образования вырабатываемого железой фермента тироксина, удается по степени его усвоения однозначно диагностировать нарушения в функционировании данного органа.

Как при пониженной, так и при повышенной функции щитовидной железы в ней могут возникать участки с измененной структурой, которые со временем развиваются в опухоль, могут возникать вторичные опухоли – метастазы. С помощью гам- ма-сканера удается получить сцинтиграмму железы с изображением картины распределения изотопа по органу и опухоли, на основании которой принимается решение о методике лечения или необходимости операции. Трудно переоценить значение этого метода в диагностике самых различных заболеваний щитовидной железы у населения, пострадавшего в результате выбросов в окружающую среду больших количеств радиоактивного йода при аварии на Чернобыльской АЭС.

Подобным образом с помощью радиоактивных изотопов исследуются структура и функции других органов – печени, почек, легких, мозга, костей. Для каждого из них используют различные изотопы. Так, для выявления опухолей мозга применяют мышьяк 74Аs, который накапливается в них значительно сильнее, чем в здоровой ткани. Атомы радиоактивного мышьяка испускают позитроны, которые, аннигилируя с электронами веществ мозга, образуют γ-кванты. Излучение легко регистрируется с помощью обычных сцинтилляционных детекторов, которые и дают полную картину распределения изотопа в мозге. Для выявления опухолей или камней в почках в качестве метки используют радиоактивную ртуть 197Нg или 203Нg, вводимую в форме специальных радиофармацевтических препаратов. Для получения информации о состоянии различных функций печени используют коллоидный раствор радиоактивного золота 198Аu, краситель бенгальский розовый, меченый 131I. При исследовании легких больной вдыхает газообразную метку или радиоактивный аэрозоль. В принципе для любого метаболического процесса можно подобрать, а при необходимости специально синтезировать вещество с включенным в его состав нужным радиоактивным изотопом.

Следует отметить, что для сведения к минимуму вероятности нанесения вреда здоровью в результате облучения ионизирующей радиацией, в радиоизотопной диагностике применяются препараты, содержащие ничтожно малые количества короткоживущих радиоактивных изотопов, как правило, быстро выводящихся из организма.

Одной из разновидностей метода радиоизотопной диагностики является радиоиммунный анализ – сверхчувствитель-

ный способ измерения ничтожных количеств гормонов, содержащихся, например, в крови больного. Принцип анализа несложен. Данные о концентрации антигена в биологическом образце получают сравнивая его ингибирующее влияние на процесс связывания меченого радиоактивным изотопом антигена с антителом и ингибирующее влияние на этот же процесс антигена из стандартных образцов. По уровню радиоактивности связанной фазы «антиген–антитело», сравненной с радиоактивностью стандарта, оценивают количество гормона.

Важным преимуществом данного метода обследования, который приобретает массовость, является то, что радиоактивное вещество не вводится в организм, а добавляется к исследуемому образцу, например, в пробирку с кровью больного. Поэтому человек не подвергается риску, связанному с возможным облучением, и тест при необходимости может быть многократно повторен для оценки эффективности лечения.

16.1.2.Применение ионизирующих излучений

влечении болезней

Основным путем использования ионизирующих излучений

вэтом направлении медицины является радиационная, или лучевая терапия локализированных злокачественных опухолей. Примерно 70% больных нуждаются в лучевом методе терапии, применяемом как самостоятельно, так и в сочетании с другими, преимущественно хирургическими и химическими методами лечения.

Опухоль растет вследствие неконтролируемых делений клеток. Радиационная терапия, в основе которой лежит закон Бер- гонье-Трибондо, базируется на способности излучений избирательно убивать делящиеся клетки опухолей, которые, как правило, обладают более высокой радиочувствительностью по сравнению с клетками окружающих их дифференцированных тканей.

Главная трудность при проведении радиационной терапии – доставить необходимую летальную для клеток дозу к опухоли, не вызывая слишком больших повреждений окружающих тканей. Это достигается с помощью различных приемов, основным из которых является определение точной локализации опухоли (в особенности это касается опухолей, формирующихся в глубине организма), с последующим облучением на специальных ротационных рентгеновских, гаммалибо установках другого типа излучений с точной фокусировкой пучка в центре опухоли (рис. 16.4).

Помимо внешнего облучения больного ионизирующей радиацией для лечения опухолей применяют метод внедрения источника облучения непосредственно в опухоль. Такой источник

ввиде иглы, проволоки или зерен, содержащих радиоактив-

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 457

Рис. 16.4. Принципиальная схема гамма-терапевтической установки для лечения опухолей человека (источник излучения – 60Со или 137Сs, помещенный в свинцовый контейнер с узким отверстием, перемещается в про - цессе облучения по окружности в разных плоскостях, фокусируя пучок в одной точке – опухоли).

ные вещества, оперативным путем имплантируется непосредственно в опухоль и остается в ней на некоторое время, обычно 3–10 сут., для обеспечения необходимой дозы облучения. Когда используют зерна из короткоживущих радиоактивных веществ, например, 125I с периодом полураспада 60 сут., они остаются в тканях навсегда, где постепенно распадаются и рассасываются. Необходимость в повторной операции для их извлечения отпадает.

Используются в радиационной терапии опухолей и радио­ активные изотопы, которые могут строго локализироваться в определенном органе или ткани. Так, изотопы йода применяются не только для распознавания заболеваний щитовидной железы, но и для лечения определенных ее болезней, прежде всего, узлового зоба и опухолей, развивающихся на фоне гиперфункции этого органа. Конечно, приходится значительно увеличивать удельную радиоактивность препарата по сравнению с используемой для диагностических целей, чтобы обеспечить необходимую дозу облучения.

В наше время радиационная терапия превратилась в исключительно эффективную технологию борьбы с раком. Она обеспечивает более высокую частоту выздоровления, чем при хирургическом вмешательстве при лечении таких форм злокачественных заболеваний, как рак молочной железы, шей-

ки матки, предстательной железы, гортани, желчного пузыря, языка, нёба и многих других. А при лечении рака кожи с помощью использования неглубоко проникающих мягких рентгеновских лучей вылечивают до 95% случаев заболеваний.

В лечении некоторых болезней радиоактивные изотопы оказываются практически единственным возможным приемом. Например, при нервно-психических заболеваниях, таких как маниакально-депрессивный психоз, фобии важное значение имеет наличие избыточных связей между определенными центрами ствола мозга и высшими психическими центрами полушарий. Хирургическая операция очень сложна и нередко заканчивается неудачно. В этих случаях прибегают к радиационной терапии – в место прохождения нервных связей между центрами вводят радиоактивный иттрий 91Y. Его мягкое β-излучение, действуя строго локально в радиусе всего 3–4 мм, прерывает передачу нервных импульсов по отдельным нервным волокнам и дает выраженный лечебный эффект в случаях, не поддающихся другим видам терапии.

Своеобразное применение нашел радиоактивный изотоп плутония 238Рu – его α-излучение используют в качестве автономного источника энергии для кардиостимулятора – миниатюрного прибора, задающего нормальный ритм сокращений сердца. Обычно такие приборы вместе с источником питания (электрической батарейкой) оперативным путем вживляются в организм. Для замены батарейки операция каждые два-три года повторяется. Плутониевый источник питания обеспечивает работу кардиостимулятора в течение 10–25 лет. Доза облучения больного ионизирующей радиацией при этом возрастает совсем незначительно по сравнению с естественным радиационным фоном – в 1.5–2.0 раза.

16.1.3. Использование ионизирующих излучений при трансплантации органов и тканей

Под влиянием ионизирующих излучений в клетке изменяется контроль биосинтеза белков. С этим нарушением важнейшей функции клеточного обмена веществ связано проявление некоторых радиобиологических реакций, в том числе подавление иммуно-биохимического узнавания, защищающего организм от проникновения чужеродных белков. Использование радиационного ослабления межклеточного узнавания, ответственного за иммунитет, является основой для решения практических задач, в частности, преодоления несовместимости тканей при пересадке органов и тканей.

16. Использование биологических эффектов ионизирующих излучений... 459

16.1.4. Радиационная стерилизация материалов и инструментов, применяемых в медицине

Главным толчком для использования радиационного способа стерилизации в медицине послужило широкое внедрение в медицинскую практику материалов и инструментов из пластмасс и полимерных материалов. Традиционные методы стерилизации на основе автоклавирования при высоких температурах и давлениях оказались непригодными из-за низкой термоустойчивости­ большинства видов подобных материалов, а также возможности образования при действии на них высоких температур токсических продуктов. И во многих случаях радиационная стерилизация оказалась единственным из возможных способов стерилизации. Более того, ярко продемонстрировав неоспоримые преимущества (возможность стерилизовать медицинскую продукцию в уже упакованном и готовом виде, технологическая простота – необходимость контроля единственного параметра – дозы облучения, высокая производительность и вследствие всего этого – высокая экономическая эффективность), радиационная стерилизация стала вытеснять обычные способы стерилизации даже в тех случаях, где они традиционно использовались.

Воснове радиационной стерилизации лежит бактерицидное действие ионизирующего излучения, поэтому теоретически величина стерилизующей дозы определяется характером контаминации продукции и радиоустойчивостью микроорганизмов. Практически в большинстве стран используется стерилизующая доза 25 или 30 кГр. В свое время доза 25 кГр была принята в СССР для предприятий медицинской промышленности как минимальная эффективная стерилизующая доза. Считается, что она является летальной для всех видов и форм микроорганизмов (см. главу 10).

Внастоящее время на основе этой РБТ стерилизуют сотни видов медицинской продукции. В первую очередь это, безусловно, инструменты и материалы на основе полимеров: шприцы для инъекций, системы взятия и переливания крови, катетеры, сердечные клапаны, искусственные кровеносные сосуды

имногочисленные другие материалы и предметы протезирования, многие детали к аппаратам искусственного кровообращения, искусственная почка и многие другие. Радиационной стерилизации в настоящее время подвергаются такие шовные и перевязочные материалы, как кетгут, бинты, вата, тампоны и даже лекарственные препараты, которые могут быть стерилизованы и обычными методами. Но ввиду явных преимуществ радиационной стерилизации, позволяющих кроме перечисленных выше достоинств сохранять после обработки неизменными первоначальные свойства и функциональные особенности, гораздо предпочтительней оказывается новейшая технология. Вслед-

ствие этого номенклатура материалов и инструментов, подвергающихся радиационной стерилизации, непрерывно растет.

Очень специфическую группу материалов в области медицины, которую необходимо подвергать стерилизации, представляют собой предназначенные для трансплантации биологические ткани – кровь, кровеносные сосуды, кости, хрящи и некоторые органы, используемые в качестве каркасов, которые впоследствии прорастают тканями реципиента. Ни тепловые, ни химические методы стерилизации в данном случае совершенно не пригодны, так как повреждают клетки живых тканей. Нельзя в этих случаях использовать и указанные для стерилизации дозы, которые могут приводить к денатурации белков. Выход был найден в комбинировании термических и радиационных обработок при щадящих уровнях. Так, например, для стерилизации крови рекомендуется облучение в сравнительно невысокой дозе 7.5 кГр при ее подогреве до 60 °С. Этот режим позволяет получить стерильный препарат с практически полностью сохранившимися биологическими свойствами.

Приведенный пример свидетельствует о том, что метод радиационной стерилизации совершенствуется, модифицируется в связи с новыми задачами и требованиями различных направлений медицинской практики. И это в целом касается всех методов, способов и технологий использования ионизирующих излучений в медицине.

16.2.Использование ионизирующих излучений

всельском хозяйстве

Практически сразу же после открытия в 1898 г. эффекта радиационной стимуляции в форме ускорения прорастания облученных в невысоких дозах рентгеновской радиации семян в растениеводстве получил распространение прием предпосевного облучения семян и растений для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Впоследствии прием радиа­ ционной стимуляции нашел применение и в некоторых отраслях животноводства. В 1930-х гг. после открытия явления радиационного мутагенеза у микроорганизмов и дрозофилы он был показан на растениях. Прикладные работы в области радиационного мутагенеза сельскохозяйственных растений получили наибольшее распространение в мире. Исследования радиочувствительности различных видов организмов в зависимости от фазы развития, сравнительной радиочувствительности отдельных процессов метаболизма и функций были положены в основу разработки радиационных методов борьбы с насекомыми – вредителями растений и разносчиками инфекционных заболеваний животных. На этих же исследованиях базируются многочисленные приемы использования излучений для