Количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования

Левкина, Екатерина Васильевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования
ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования"

005020292

Левкина Екатерина Васильевна

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА МИКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛУТОНИЯ В ОРГАНАХ ОСНОВНОГО ДЕПОНИРОВАНИЯ

03.01.01 - Радиобиология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

2 9 мдр 2СТ2

Москва-2012

005020292

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии ЮжноУральский институт биофизики Федерального медико-биологического агентства

Научный руководитель:

кандидат биологических наук

Романов Сергей Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, ФГБУ Федеральный ме- Соловьев Владимир Юрьевич дицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА России, лаборатория Анализа техногенных рисков, заведующий лабораторией

доктор биологических наук, ФГБ УН «Уральский Толстых Евгения Игоревна научно-практический центр радиационной медицины» ФМБА России, ведущий научный сотрудник биофизической лаборатории

Ведущая организация:

Федеральное государственное учреждение науки Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт радиационной гигиены имени профессора П.В. Рамзаева Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека

Защита диссертации состоится « 12 » апреля 2012 г. в _10_ час. _00_ мин. на заседании диссертационного совета Д. 462.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна» Федерального медико-биологического агентства по адресу: 123182, г. Москва, ул. Живописная, д. 46

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна» Федерального медико-биологического агентства

Автореферат разослан « 07 » марта 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Шандала Наталия Константиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность исследования

В атомной энергетике и промышленности на протяжении 70 лет широко использу ется 239Ри (далее по тексту - плутоний). За эти годы на планете наработано несколько со тен тонн плутония, что обусловило необходимость его хранения и утилизации. При контакте с плутонием возможно облучение персонала промышленных предприятий и населения, проживающего вблизи этих предприятий, за счет поступления радиоактивных веществ в воздух рабочих помещений и осаждения на поверхности основного и вспомогательного оборудования и почвы (Романов Г.Н. и соавт., 1990; Третьяков Ф.Д., 2009).

Гигиенические нормативы, регламентирующие правила обращения с плутонием, основаны на коэффициентах риска неблагоприятных медицинских последствий, в первую очередь, канцерогенных. Результаты многочисленных экспериментальных и эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что набольшую опасность для здоровья представляют труднорастворимые или легкогидролизующиеся при pH организма низкотранспортабельные соединения плутония при попадании их в организм (Ерохин P.A. и соавт., 1966; Любчанский Э.Р., Булдаков Л.А., 1966; Булдаков Л.А. и соавт., 1969; Оса-нов Д.П. и соавт., 1970; Sanders C.L., 1973; Москалев Ю.И., 1989; Хохряков В.Ф. и соавт., 1994; Маслюк А.И. и соавт., 2005; Щадилов А.Е., 2009; Кошурникова H.A., 2010).

Распределение плутония в организме характеризуется выраженной неравномерностью. Основными органами депонирования при любых путях поступления являются скелет и печень, а в случае ингаляции - и лёгкие, как по уровню радиационной нагрузки, так и по тяжести патологических эффектов (Булдаков Л.А. и соавт., 1969; Кошурникова H.A., 1978).

Наиболее тяжелыми последствиями ингаляционного поступления плутония являются плутониевый пневмосклероз и злокачественные новообразования (ЗНО) лёгких, скелета и печени (Аристов В.П., 1974; Sanders C.L. et al„ 1988; Кошурникова H.A. и соавт., 1995; Хохряков В.Ф. и соавт., 1996; Окладникова Н.Д. и соавт., 2000; Shilnikova N.S. et al„ 2003; Сокольников М.Э., 2004). В экспериментах на крысах с использованием электронной микроскопии В.П. Аристовым (1974) было показано, что в патогенезе плутониевого пнев-москлероза ведущим событием является радиационно-индуцированная гибель эндотелия капилляров в межальвеолярных перегородках и разрастание соединительной ткани за счет интенсивной пролиферации фибробластов. Плутоний инкапсулируется в очагах интерсти-циального склероза, образуя депо фиксации, которое характеризуется образованиями из соединительной ткани, расположенными на месте погибшей лёгочной паренхимы (Ари-

стов В.П., 1974; Хохряков В.Ф. и соавт., 1998; Романов СЛ., 2003; Кошурникова H.A., 2010).

Несмотря на многочисленные исследования, описывающие качественный характер микрораспределения плутония в лёгочной ткани, в литературе есть только единичные работы, посвященные количественной оценке микрораспределения радионуклида в лёгких (Романов С.А. и соавт., 2003; Hahn F.F. et al., 2004). К настоящему времени исследователи расходятся в оценке вклада в поглощенную в лёгких дозу альфа-излучения плутония, локализованного в депо фиксации (Хохряков В.Ф., 1984; Романов С.А., 2003). Это обстоятельство вносит значительную неопределенность в оценку поглощенной дозы в лёгких и, как следствие, в оценку коэффициента риска возникновения рака лёгкого, лежащего в основе норм радиационной безопасности. Кроме того, без количественной оценки микрораспределения плутония в лёгочной ткани невозможна разработка дозиметрической модели дыхательного тракта.

Поскольку скелет при любых способах попадания плутония в организм человека является конечным органом депонирования радионуклида, количественная оценка микрораспределения плутония в костной ткани также актуальна. Преимущественное депонирование радионуклида на эндостальных поверхностях (Бухтоярова З.М., 1963; Москалев Ю.И., 1989) обуславливает неравномерное облучение костной ткани и является причиной развития опухолей скелета (Wronski ТJ. et al., 1980; Koshurnikova N.A. et al., 2000; Miller S.C. et al., 2003). Количественная оценка микрораспределения плутония в кости с учетом отношения содержания радионуклида в объёме костной ткани к содержанию на ее поверхности, как для трабекулярной, так и для кортикальной кости, даст возможность уточнить параметры обмена радионуклида в костной ткани, что позволит внести поправки в биокинетическую модель скелета, и, соответственно, в дозиметрическую модель экстра-пульмонального отдела.

Печень, наряду с лёгкими и скелетом, является органом депонирования плутония. Результаты эпидемиологических исследований демонстрируют статистически значимое увеличение частоты ЗНО печени и зависимость их гистоструктуры при инкорпорации различных альфа-активных радионуклидов, включая плутоний (Gilbert E.S. et al., 2000; То-karskaya Z.B. et al., 2006). Так же, как и для скелета, микрораспределение плутония в печени оценено только качественно (Нифатов А.П., 1964).

Количественная оценка микрораспределения радионуклида в органах основного депонирования позволит определить гетерогенные поглощенные дозы альфа-излучения от инкорпорированного плутония у профессионалов, работавших в условиях контакта с аэрозолями плутония. Полученные в рамках настоящего исследования данные, дополненные

информацией о патологических изменениях п органах основного депонирования радионуклида, дадут возможность скорректировать оценки риска развития заболеваний, индуцированных альфа-излучением от инкорпорированного плутония, и, соответственно, уточнить стандарты радиационной безопасности персонала предприятий атомной промышленности.

Цель исследования

Целью настоящего исследования является количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования и тестирование биокинетической модели транспорта и экскреции плутония.

Задачи исследования

1. Изучить динамику количественных закономерностей микрораспределения плутония в лёгких собак, подвергшихся однократной ингаляции аэрозолей диоксида плутония с различным активностным медианным аэродинамическим диаметром (АМЛД).

2. Оценить динамику накопления плутония в депо фиксации в лёгких.

3. Провести количественную оценку микрораспределения плутония в различных структурных элементах костной ткани человека.

4. Провести тестирование параметров биокинетической модели экстрапульмо-нального отдела МКРЗ-67.

5. Провести количественную оценку микрораспределения плутония в различных структурных элементах печеночной ткани человека.

Научная новизна исследования

В работе впервые проведена количественная оценка динамики микрораспределения плутония в различных структурных элементах лёгких после однократной ингаляции собакам аэрозолей диоксида плутония с разным АМАД.

Впервые количественно изучена динамика накопления плутония в депо фиксации в лёгких. Показано, что накопление плутония в депо фиксации носит линейный характер и имеет прямо пропорциональную зависимость от АМАД аэрозоля. Предложен новый способ учета содержания плутония в депо фиксации для расчета поглощенной дозы облучения в лёгких.

Впервые с использованием метода нейтронно-индуцированной авторадиографии проведена количественная оценка микрораспределения плутония в костной ткани человека на примере образца грудного позвонка.

Впервые при тестировании параметров биокинетической модели экстрапульмо-нального отдела показано, что фактическое отношение содержания плутония в объеме

костной ткани к содержанию в эндосте превышает значение, рекомендованное МКРЗ-67, более чем в 10 раз для кортикальной кости и в 2 раза для трабекулярной кости.

Впервые получена количественная оценка микрораспределения плутония в различных структурных элементах печени человека.

Научно-практическая значимость исследования

Количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования предлагает новые подходы для уточнения оценок поглощенных доз альфа-излучения и модификации параметров биокинетических моделей. Полученные результаты в сопоставлении с данными о медицинских последствиях облучения могут служить основой для оценки коэффициентов канцерогенного риска.

Положения, выносимые на защиту

1. Количественная оценка микрораспределения плутония дает возможность получить сведения о гетерогенности поглощенных доз альфа-излучения в органах основного депонирования и уточнить параметры биокинетических моделей.

2. Доля плутония в депо фиксации в лёгких собак растет с увеличением АМАД ингалируемого аэрозоля и имеет статистически значимую линейную зависимость от времени, прошедшего после ингаляции, при сроках наблюдения до двух лет.

3. Средняя плотность треков осколков деления плутония на эндостальных поверхностях выше, чем в собственно костной ткани, в кортикальной кости - в 4,7 раза, в трабекулярной кости - в 2,9 раза в образце грудного позвонка человека (случай 440 из хранилища аутопсийного материала).

4. Количественная оценка микрораспределения плутония в печени человека при ингаляционном поступлении подтверждает данные качественного исследования о преимущественном накоплении радионуклида в гепатоцитах.

Личный вклад соискателя

Настоящее исследование выполнено лично автором. Большая часть анализа гисто-авторадиограмм лёгочной ткани собак и печени человека проведена непосредственно автором. Анализ авторадиограмм костной ткани человека с последующим тестированием параметров биокинетической модели экстрапульмонального отдела МКРЗ-67, а также статистический анализ данных выполнен автором единолично.

Апробация диссертации

Материалы диссертации представлены и обсуждены на молодежной научно-практической конференции «Молодые ученые на пороге XXI века» (Озёрск, 2000); Второй

молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озёрск, 2003); 11-й Международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующего излучения» (Томск, 2003); IV-й Международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующего излучения» (Томск, 2007); 37th Annual Meeting of the European Radiation Research Society (Prague, 2009); V-й Международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующего излучения» (Томск, 2010); IV-й Международной конференции «Хроническое радиационное воздействие: эффекты малых доз» (Челябинск, 2010); расширенном заседании Ученого Совета Южно-Уральского института биофизики (г. Озёрск, 2012).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 опубликовано в журналах, входящих в перечень рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 108 страницах машинописного текста, включает 19 таблиц и 27 рисунков, состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, главы, посвященной результатам собственных исследований, обсуждения, выводов и списка использованных источников, содержащего 186 библиографических источников (74 отечественных и 112 иностранных публикаций).

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалы и методы исследования

В настоящей работе использованы данные морфометрических исследований, выполненных автором в лаборатории микродозиметрии ЮУрИБФ.

Для изучения количественной оценки динамики микрораспределения плутония в лёгких в настоящей работе использован материал архива тканей собак из лаборатории ингаляционной токсикологии Лавлейсовского института респираторных проблем (г. Альбукерке, США), подвергшихся однократной ингаляции через нос одним из трёх монодисперсных аэрозолей диоксида плутония, содержавшего 96,9% 239Ри, с АМАД 0,72, 1,4 или 2,8 мкм. Ингалирование собак было проведено для изучения биокинетики диоксида плутония в лёгких животных в зависимости от АМАД аэрозоля (Guilmette R.A. et al., 1984). Полученный архивный тканевой материал лёгких собак вырезан с помощью метода случайного отбора гистопрепаратов (Gundersen H.J.G. et al., 1988), при котором все отделы лёгких отбираются с равной вероятностью.

Образцы лёгочной ткани 18 собак были переданы в виде залитых в парафин блоков сотрудникам лаборатории микродозиметрии ЮУрИБФ для изучения динамики микрораспределения плутония в лёгких. Одновременно была передана информация на всех собак, включающая АМАД аэрозоля, период после ингаляции, измеренное посмертно содержание плутония в лёгких, начальное содержание плутония в лёгких (содержание плутония, измеренное в лёгких при забое собаки, плюс содержание в кале и моче за весь период наблюдения) (см. таблицу 1).

Таблица 1 - Основные характеристики экспериментальных животных

№ Код собаки АМАД. мкм Период после ингаляции, сут. Начальное содержание плутония в лёгких, кБк Содержание плутония в лёгких на момент смерти, кБк Экспозиция получения гистоавто-радиограмм Количество блоков Количество гистоавтора-диограмм

1 D3 0.72 4 29,86 29.08 4 сут. 24 24

2 D17 32 23.53 19,06 17 17

3 D22 64 21,31 17,54 9 9

4 D25 128 36,82 29,79 28 28

5 D30 365 24.49 14.32 30 30

6 D.37 730 23.13 8,73 27 27

7 92.3S 1.4 4 34,30 34.15 1 сут. 5 5

8 796А 4 108,97 108,41 7 7

9 832В 128 33.56 27,64 7 7

10 836U 128 25.09 17.61 7 7

11 823В 365 34.04 18,98 8 8

12 830V 365 28,45 16.98 7 7

13 D10 2.8 4 33,19 32.38 4 час. 30 60

14 D9 4 112,18 111.04 29 58

15 D27 128 24,72 16.72 29 58

16 D28 128 63.97 51.50 30 60

17 D31 365 32.26 19.50 28 56

18 839С 365 68.01 54.54 8 16

Распределение плутония в лёгких собак исследовали при помощи классического метода фотоэмульсионной гистоавторадиографии (Бойд Д., 1957). На ротационном микротоме случайным образом нарезали срезы толщиной 5 мкм, помещали их на предметные стекла, погружали в жидкую фотоэмульсию Kodak NTB-3. Экспозицию препаратов проводили в светонепроницаемых контейнерах при температуре 4°С. По истечении срока экспо-

зиции гистоавторадиограммы проявляли с использованием проявителя Kodak D19 и окрашивали гематоксилином Гарриса и эозином.

Количество гистоавторадиограмм для исследования определяли эмпирически, исходя из условия получения на всех гистоавторадиограммах, взятых из каждого парафинового блока, количества частиц, необходимого для набора статистической мощности (как минимум 1000 частиц плутония) при минимальном количестве гистоавторадиограмм.

Морфометрический анализ гистоавторадиограмм проводили с помощью оптического микроскопа Olympus ВХ40 при 200- и 400-кратном увеличении. Для определения относительного содержания плутония в лёгких собак частицы плутония классифицировали по группам в соответствии с числом видимых треков, исходящих из одной точки. Треком считали четыре и более проявленных зерен серебра по прямой линии. Группы частиц имели следующую градацию: 1 трек, 2-4 трека, 5-10 треков, 11 - 20 треков, 21-40 треков и > 40 треков.

Каждую обнаруженную на гистоавторадиограммах частицу плутония относили к той или иной гистологической структуре. Классификация анатомических отделов и гистологических структур лёгких приведена в таблице 2. Для определения относительного объема различных анатомических отделов лёгких использовали планиметрический метод точечного счета (Gundersen H.J.G. et al., 1988).

Таблица 2 - Классификация анатомических отделов и гистологических структур лёгких собак

Плевра Патологически неизмененная ткань

Склерозированная плевра

Бронхи Эпителий

Перибронхиальная и периваскулярная соединительная ткань

Просветы

Участки перибронхиального склероза

Проводящие бронхиолы Эпителий

Перибронхиолярная и периваскулярпая соединительная ткань

Просветы

Участки перибронхиолярного склероза

Респираторная область Межальвеолярные перегородки

Межсегментарные и междольковые перегородки

Периваскулярная соединительная ткань

Просветы

Склерозированные межальвеолярные перегородки

Лимфоидная ткань Лимфатические узлы и перибронхиальные и перибронхиоляр-ные скопления лимфоцитов I

Биологический материал для изучения количественной оценки микрораспределения плутония в скелете и печени был получен из Радиобиологического хранилища тканей че-

ловека (РХТЧ) ЮУрИБФ, основу которого составляет архивный аутопсийный материал бывших работников радиохимического и плутониевого заводов ПО «Маяк». На каждого регистранта аутопсийных тканей имеются детальные медицинские данные, информация о профессиональном маршруте и истории облучения, дозах облучения; известно посмертное содержание плутония в организме и органах основного депонирования, полученное на основании результатов радиохимического анализа (Муксинова К.Н. и соавт., 2001).

Изучение микрораспределения плутония в костной ткани человека проводилось на фрагменте архивного образца кости (грудного позвонка), хранившегося в РХТЧ в нейтральном 10%-ном формалине в течение 12 лет (случай 440). Основные медико-дозиметрические характеристики случая 440 представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Основные медико-дозиметрические характеристики случая 440

Характеристика Описание

Пол Мужской

Период работы в контакте с плутонием 13,5 лет (1949- 1962 гг.)

Время после прекращения поступления плутония до момента смерти 25,5 лет

Возраст на момент смерти 63 года

Причина смерти Рак лёгкого

Наличие хронических заболеваний органов основного депонирования Очаговая жировая дистрофия печени

Посмертное содержание плутония в организме 30,6 кБк

Посмертное содержание плутония в скелете 20,6 кБк

Посмертное содержание плутония в печени 6,5 кБк

Посмертное содержание плутония в лёгком 0,4 кБк

Из формалин-фиксированиого фрагмента грудного позвонка вырезали образец костной ткани, который после промывки в воде проводили через серию этиловых спиртов возрастающей концентрации (40%, 50%, 70%, 80%, 95%, 100%) для обезвоживания. В качестве уплотняющей среды использовали метилметакрилат. Для усиления проникновения уплотнителя и вытеснения из кости воздуха использовали вакуумный насос. Залитую в метилметакрилат кость разрезали с помощью низкоскоростной циркулярной пилы (Isomet, Buehler) на 3 пластины толщиной 300-400 мкм, которые затем шлифовали с использованием порошкообразного оксида алюминия до толщины пластины 100 мкм и очищали от пыли при помощи ультразвукового прибора (Bransonic Ultrasonic Cleaner, В200). Срезы подвергали 15-минутпой обработке 5%-ным раствором бората натрия, контурирующим

костные балки на авторадиограмме за счет распада атомов бора, промывали в дистиллированной воде и высушивали.

Для детектирования плутония в костной ткани человека использовался метод нейтронно-индуцированной авторадиографии (НИАР), являющийся оптимальным для костной ткани, т.к. не требует ее декальцинации (Jee W.S.S. et al, 1972). Подготовленные срезы костной ткани были отправлены в США для проведения НИАР в реакторе Массачу-сетского технологического института. В качестве твердотельных трековых детекторов радиоактивных частиц использовали поликарбонатную пленку (Lexan film, International Plastics, USA). Отполированные препараты костной ткани помещали между предварительно очищенными пленками. Подготовленные сборки загружали в пенал из плотного полиэтилена, специально изготовленного под размеры экспериментального канала ядерного реактора. Пенал помещали в канал реактора (плотность потока тепловых нейтронов 8 1012 нейтрон/(см2 • с)). Суммарный флюенс тепловых нейтронов в процессе эксперимента облучения составил 9,6 Ю'6 нейтрон/см2. В процессе облучения индуцированные тепловыми нейтронами осколки деления ядер плутония взаимодействовали с трековыми детекторами. После извлечения из реактора пенал со сборками помещали в специально оборудованное помещение, где выдерживали в течение одной недели, необходимой для распада' образовавшихся короткоживущих радионуклидов. Трековые детекторы обрабатывали в щелочном растворе (SM КОН) при температуре 70°С в течение 8-12 минут, промывали в фильтрованной деионизированной воде и анализировали под микроскопом. Собственно шлифы кости приклеивали на предметные стекла и окрашивали по Гимза (Shea J.E., Miller S.C., 2005).

Полученные гистологические препараты костной ткани и трековые детекторы были переданы сотрудникам лаборатории микродозиметрии ЮУрИБФ для анализа микрораспределения радионуклида. Микроскопирование проводили при 400-кратном увеличении на оптическом микроскопе Olympus ВХ40. Для этого на полученных авторадиограммах были отобраны и сфотографированы каждое четвертое поля зрения. Наличие соответствующих изображений выбранных полей зрения на микрофотографиях гистопрепаратоа позволило идентифицировать на авторадиограммах различные структурные элементы кости. Для анализа были выделены эндостальные поверхности, костный мозг, просветы гаверсо-вых каналов и собственно костная ткань кортикальной и трабекулярной кости.

Так как для дозиметрических расчетов необходимо определение локализации плутония в костной ткани, то было сделано допущение, что полоса, очерчивающая границу раздела костная ткань - костный мозг или костная ткань - просветы гаверсовых каналов, относится к области эндоста. Для подсчета треков на эндостальных поверхностях ширина

этой полосы была выбрана в соответствии с измеренной длиной треков осколков деления плутония в костной ткани (16,2 мкм) и равнялась 32,4 мкм (по 16,2 мкм в обе стороны от границ раздела). Если трек пересекал границу раздела (например, эндост - костный мозг), то его относили к эндосту, поскольку вероятность нахождения плутония в эндосте выше, чем в костном мозге (Лемберг В.К., Бухтоярова З.М., 1962; Bruenger F.W. et al., 1983). Измерение микрообъектов осуществлялось с помощью программы Axiovision Rel. 4.7 (Carl Zeiss).

Для изучения особенностей микрораспределения плутония в печени человека был отобран биологический материал 11 регистрантов РХТЧ в широком диапазоне содержаний плутония в печени (0,02 - 20,3 кБк) и организме (0,3 - 108,0 кБк) (см. таблицу 4).

Таблица 4 - Основные сведения о регистрантах, аутопсийный материал от которых использован для изучения микрораспределения плутония в ткани печени

Код в РХТЧ Возраст, лет Период поступления плутония, лет Период между прекращением поступления плутония и датой смерти, лет Содержание плутония в печени, кБк Содержание плутония в организме, кБк Среднее кол-во треков на одну гистоав-торадиог-рамму Изменения в печени

020 49 5,3 17,3 20,3 89,3 247,0 Гемангиосаркома; цироз

084 50 5,3 24,2 19,0 97,8 349,0 Гепатоцеллюляный рак; цирроз

106 59 * - 0,3 2,3 52,5 Холангиоцеллляр-ный рак

147 52 10,8 20,9 4,2 85,6 32,0 Гемангиосаркома

201 56 12,7 21,0 5,7 41,2 166,5 Гемангиосаркома

214 54 - 1,9-10"1 0,3 9,0 Гепатоцеллюляр-ный рак; цирроз

277 64 6,5 29,0 нет данных 1,3 22,0 Холангиоцеллю-лярный рак

366 68 5,3 32,8 0,1 0,5 32,0 Недифференцро-ванный рак; цирроз

467 64 2,5 38,2 12,3 46,1 100,5 Гемангиосаркома

517 67 22,0 15,0 3,1 108,0 65,0 Гемангиосаркома

522 56 5,5 18,9 нет данных нет данных 70,5 Гемангиосаркома

Эти регистранты являлись сотрудниками центральной заводской лаборатории и периодически выезжали на заводы

Исследование проводили на срезах, приготовленных из блоков, содержащих залитую в парапласт печеночную ткань, при помощи классического метода фотоэмульсионной гистоавторадиографии (БойдД., 1957). На ротационном микротоме из блоков случайным образом нарезали срезы толщиной 5 мкм (по два среза на каждого регистранта), помещали на предметные стекла, погружали в жидкую фотоэмульсию Kodak NTB-3. Экспозиция

препаратов проводилась в светонепроницаемых контейнерах при температуре 4°С в течение 30 суток. По истечении срока экспозиции гистоавторадиограммы проявляли с использованием проявителя Kodak D19 и окрашивали гематоксилином Гарриса и эозином.

Морфометрический анализ проводился при 400-кратном увеличении на оптическом микроскопе Olympus ВХ40. На авторадиограммах печени плутоний отчетливо верифицировался в виде одиночным треков. Каждый трек был отнесен к той или иной гистологической структуре в соответствии с классификацией, приведённой в таблице 5,

Таблица 5 - Перечень гистологических структур печени для гистоавторадиографического исследования

Найме нтлте структуры Гистологическое описание

Печеночная долька Печеночная балка Концевой секреторный отдел, образованный двумя рядами гепатоцитов; включает желчный капилляр

Синусоид Внугридолькоаый гемокапилляр

Клетка Купфера Макрофаг, локализуется в синусоидах, может мигрировать с током крови

Портальный тракт(печеночная триада) Строма Рыхлая соединительная ткань

Желчный проток Губулярное образование; образован однослойным кубическим эпителием и рыхлой соединительной тканью

Междольковая артерия Кровеносные сосуды типичного строения

Междольковая вена

Статистическая обработка полученных результатов была проведена с использованием программ Microsoft Excel 2003 и STATISTICA 6.0 по общепринятым методикам статистического анализа (Гмурман В.Е., 2003). При этом применялись методы вариационного, корреляционного и регрессионного анализа.

Результаты исследования

Количественная оценка микрораспределения плутония о лёгких собак

Для получения количественной оценки микрораспределения плутония в лёгких собак проанализированы гистоавторадиограммы. Частицы на всех срезах посчитаны и распределены по различным анатомическим отделам и гистологическим структурам лёгких и шести группам в соответствии с числом видимых треков, исходящих из одной точки. Результаты подсчета треков альфа-частиц плутония в процентах от общего количества треков в лёгких в различных анатомических отделах и гистологических структурах для 18 собак приведены в таблице 6. В связи с тем, что внутрилёгочные лимфоузлы собак были использованы Guilmette R.A. et al. в другой работе (Guilmette R.A. et al., 1984), в насто-

ящем исследовании отсутствовала возможность изучения микрораспределения плутония в лимфоидной ткани.

Для создания корректных биокинетических моделей необходимо иметь данные о концентрации радионуклида в различных отделах лёгочной ткани. Для оценки концентрации плутония планиметрическим методом точечного счета определяли доли объема, занимаемого каждым анатомическим отделом, от всего объема лёгких, представленного на ги-стоавторадиограммах. Эти данные приведены в диссертации вместе со значениями относительной концентрации плутония во всех гистологических структурах.

Как следует из данных, представленных в таблице 6, наибольшее количество частиц плутония располагается в межальвеолярных перегородках, просветах альвеол и соединительной ткани проводящих бронхиол, независимо от размера частиц ингалированного аэрозоля, начального и конечного содержания плутония в лёгких собак, а также срока забоя животных. Значительный процент частиц плутония зарегистрирован в склерозирован-ных межальвеолярных перегородках (до 16,9 % у собаки 823В через год после ингаляции).

Проведенные ранее экспериментальные исследования показали, что индуцированное плутонием склерозирование лёгочной ткани развивается достаточно рано (Аристов В.П., 1974; Кошурникова H.A., 1978). Этот факт был подтвержден и в настоящем исследовании. Так, в группе собак, которым иигапировали 239РиС>2 с АМАД 0,72 мкм, отмечена локализация частиц плутония в склерозированных межальвеолярных перегородках уже при сроке забоя 32 сут. (0,3 % от общего содержания в лёгких).

В группе собак, которым ингалировали 239Рч02 с АМАД 0,72 мкм, относительное содержание плутония в склерозированной ткани было ниже, чем в группе собак, ингалиро-ванных 2МРи02 с АМАД 2,8 мкм. Так, при одних и тех же сроках наблюдения, через год после ингаляции, при вдыхании аэрозоля с АМАД 0,72 мкм относительное содержание плутония в склерозированных межальвеолярных перегородках у собаки D30 составило 3,6 %, в то время как при ингаляции аэрозоля с АМАД 2,8 мкм эта величина у собаки D31 составила 13,1 %. Склерозирование плевры имело место в образцах лёгочной ткани собак всех групп, но процент содержания плутония в склерозированных участках плевры статистически значимо не зависел от АМАД аэрозоля (/; < 0,05).

Частицы плутония, находящиеся в просветах воздухоносных путей всех уровней, как правило, связаны с макрофагами (90,5 ± 1,5)%. Этот факт свидетельствует о том, что очищение лёгких собак от частиц плутония путем фагоцитоза происходило на протяжении всей жизни.

Таблица б - Относительное распределение треков плутония в различных анатомических отделах лёгких собак (%)

Коя собаки AM АД, мкм Срок забоя, сут. Анатомические отделы и гистологические структуры легких собак

Плеара Бронхи Проводящие бронхиолы Респираторная область

Норм, ткань Скле-розир. плевра Эпителий Пери-бронх. соед. ткань Просветы Пери-бронх, склероз Эпителий Пери-бронх, соед. ткань Просветы Пери-бронх, склероз Межальвеол. перегородки Межсегмент, н междолькопая перегородки, пе-риваскул. соед. ткань Просветы Скле-розир. меж-альв. пере-гор.

D3 0.72 4 0 0,17 0,03 0,05 0,08 0 1,09 2,23 1,13 0 22,75 0.48 71.92 0.07

D17 32 0.36 0.91 0,07 0,93 0,04 0 1,09 4,65 0,59 0 53.04 1,80 36.22 0.31

D22 64 0,10 1.33 0,10 0,38 0,43 0 0,48 5.49 1,40 0 16,24 3.48 62.52 6.83

D25 128 0.07 1,64 0,03 0,70 0,05 0 0,53 3.81 0,66 0.0) 25,95 4,87 59,42 2.27

D30 365 0 2,40 0 0,62 0.03 0 0,07 11,54 0,18 0 44.51 9.99 27.09 3.56

D37 730 0.05 6,34 0 3,14 0,09 0 0,07 13,42 0,42 1,12 29,85 21,17 13.71 10.61

923S 1.4 4 0,17 0.17 0 0,51 0,03 0 0,17 0,87 0,50 0 71,92 1.22 24.11 0.33

7 96 А 4 0,02 0.60 0,07 0,05 0 0 0,57 1,97 0,19 0 69,91 2.21 24,40 0

83 2В 128 0 2,60 0 3,87 0 0 0 17.00 0,46 0 59,04 6.31 8.72 1.99

836U 128 0 0.54 0 0,48 0 0 0,01 4,75 0.02 0 44,53 6.44 41.03 2.18

823В 365 0 1.76 0 1,93 0,19 0 0,01 22,98 0,38 0 25,06 4,05 26.66 16.93

83 0V 365 0 2,47 0 3,01 0,08 0 0,04 12.76 0,04 0 41,01 19.33 16.41 4.84

DIO 2.8 4 о.оз 0.09 0,03 0.37 0,27 0 1,11 2,06 0,49 0 53,19 0,93 41,36 0,07

D9 4 0 0,37 0,04 0,41 0,11 0 1,14 1,43 0,79 0 45,82 0.90 49.00 0

D27 128 0.64 2.34 0,07 2,16 0,24 0,14 0,02 10,32 0,40 0,24 46,74 6.74 21.04 8.92

D28 128 0.15 4.70 0,01 2.23 0,14 0 0,14 3.79 0,31 0 32,88 8,47 45,48 1.72

D31 365 0,13 6,66 0 2,57 0,29 0 0,28 11,38 0,49 0 34,31 13.58 17.25 13.06

839С 365 0 3,95 0 4,56 0 0 0 8.64 0,29 0 25,38 14.74 26.15 16.28

При тех размерах частиц, которые были использованы при ингаляции собак в настоящем исследовании (АМАД 0,72, 1,4 и 2,8 мкм), склерозирование лёгочной ткани наблюдалось, в основном, в респираторном отделе лёгких.

Для оценки поглощенных доз в различных органах человека в результате внутреннего облучения радионуклидами используют биокинетические модели, которые являются математическими описаниями транспорта и экскреции радиоактивного вещества в организме и позволяют теоретически определять содержание радионуклида в органе и кинетику обмена вещества в нём (ICRP 66, 1994; 1CRP 67, 1993). В настоящее время большое внимание уделяется созданию специфичных биокинетических моделей для различных химических элементов с учетом неравномерности облучения органа, в частности лёгких, и неопределенностей, вызванных этим обстоятельством (Diel J. et al., 2007).

Со времени публикации модели дыхательного тракта человека (ICRP 66, 1994) выполнен ряд работ, результаты которых свидетельствуют о долгосрочной задержке частиц в лёгких (Leggett R.W. et al., 2005; Gregoratto D. et al., 2010). По мнению В.Ф.Хохрякова (1984), который добавил в модель дыхательного тракта МКРЗ-ЗО (ICRP 30, 1979) компарт-мент «депо фиксации», вся энергия распада альфа-частиц плутония в лёгких, в том числе находящихся в депо фиксации, должна учитываться при расчете поглощенной дозы. В терминологии концепции «источник - мишень», используемой МКРЗ при оценке поглощенных доз облучения в органе от различных источников излучения, это означает, что доля энергии ионизирующего излучения вида R, которая поглощается в ткани-мишени Т(в данном случае, всё лёгкое, L) за время / при распаде радионуклида в ткани-источнике S (в данном случае, в депо фиксации, DF), AF(T<—S, I)r, равна 1 :

AF(L*—DF, t)a=l. О

Позднее С.А. Романов (2003) предложил альтернативную гипотезу - концепцию «потерянной дозы», заключающуюся в том, что при расчете поглощенной дозы следует исключать энергию частиц, относящихся к депо фиксации в лёгких, т.е.

AF (L+-DF, t)a=0. (2)

В настоящей работе предлагается модификация концепции «потерянной дозы». А именно, предполагается, что сразу после поступления частиц плутония в респираторный тракт вся энергия, выделившаяся при их распаде, передается окружающим тканям лёгкого. Под действием ионизирующего альфа-излучения частиц плутония, расположенных в межальвеолярных перегородках, происходит гибель эндотелия капилляров и альвеолоцитов. Просветы капилляров закупориваются, начинают интенсивно размножаться фибробласты, происходит склерозирование межальвеолярных перегородок (Аристов В.П., 1974). Частицы плутония, расположенные в склерозированных межальвеолярных перегородках облучают

теперь радиорезистентную соединительную ткань. Таким образом, предпологается, что энергия альфа-излучения, выделившаяся при распаде плутония в депо фиксации и достигшая ткани-источника £, убывает со временем.

Так как содержание радионуклида напрямую связано с энергией, выделяемой при распаде альфа-частицы, предполагаем, что доля энергии, выделившаяся при распаде плутония в депо фиксации, от общей энергии альфа-излучения, выделившейся при распаде плутония во всем лёгком, равна доле числа распадов альфа-частиц в депо фиксации от общего числа распадов во всем лёгком. Таким образом:

-Р(Г), (3)

где р(0 ~ функция доли содержания плутония в депо фиксации от времени.

Распад альфа-частицы визуализируется на гистоавторадиограмме в виде трека. Таким образом, результаты, полученные в настоящем исследовании, позволяют найти функцию доли энергии, выделившуюся при распаде плутония в депо фиксации, от времени.

Данные по динамике накопления плутония в склерозированных очагах лёгочной ткани собак (т.е. в депо фиксации), приведенные в таблице 6, удовлетворительно описываются уравнением линейной регрессии без свободного члена (см. таблицу 7):

Щ=к-1, при I < 730 сут. ^

где к - угол наклона прямой, [сут1], I - период после ингаляции, [сут].

Таблица 7 - Значения коэффициентов уравнений линейной регрессии (4) и коэффициентов корреляции для зависимости относительного содержания плутония в депо фиксации от времени после ингаляции для трёх групп собак

АМАД, мкм (к±Ак) хю^ суг'1 « г

0,72 1,42 ±0,33 0,74

1,4 2,83 ± 0,72 0,78

2,8 4,03 ± 0,46 0,93

/■-коэффициент корреляции (р < 0,05)

Угол наклона прямых в уравнении (4) характеризует динамику относительного содержания плутония в депо фиксации. Все уравнения линейной регрессии (4), полученные для трех АМАД, были статистически значимыми по ^-критерию Фишера (р < 0,05), коэффициенты угла наклона прямых и соответствующие им коэффициенты корреляции были также статистически значимыми по /-критерию Стыодента (р < 0,05).

При попарном сравнении коэффициентов угла наклона прямых (см. таблицу 7) было выявлено статистически значимое различие только между коэффициентами к, соответствующими группам собак, ингалированных аэрозолями 33,РиСЬ с АМАД 0,72 мкм и 2,8 мкм (Стьюдент, р < 0,05). Таким образом, с увеличением АМАД ингалируемого аэрозоля отмечен рост доли плутония в депо фиксации.

Полученные результаты согласуются с результатами работы Guilmette R.A. et al. (1984), проведенной на собаках из настоящего эксперимента. В упомянутой работе был выявлен рост периода полувыведения плутония из лёгких собак с увеличением АМАД аэрозоля: периоды полувыведения плутония из лёгких собак, которым ингалировали аэрозоли '19PuOj с АМАД 0,72, 1,4 и 2,8 мкм, составили 680, 1400 и 1800 суток, соответственно.

Полученные в настоящем исследовании данные по динамике накопления плутония в депо фиксации можно использовать для более корректной оценки поглощенной дозы.

По определению, поглощенная доза альфа-излучения в лёгких вычисляется по формуле:

где О - поглощенная доза облучения в лёгких, [Гр],

£г. - полная энергия альфа-излучения, переданная ткани лёгких, [МэВ],

гп1 - масса лёгких, [кг],

1,6 ■ 10"13-постоянная перевода, [Дж/Мэв],

N - число альфа-распадов,

Еа - энергия альфа-частицы, [МэВ],

д^ут«—1)„, -доля энергии альфа-излучения, которая поглощается в ткани-мишени Т за время г при распаде плутония в ткани-источнике 5.

В рамках выдвинутых гипотез о динамике накопления плутония в депо фиксации (4) и необходимости вычитания доли энергии, выделившейся при распаде радионуклида в депо фиксации, из общей доли энергии, выделившейся при распаде плутония во всем лёгком, за время 1 (3), формула расчета поглощенной дозы облучения в лёгких (5), примет вид:

Данные по микрораспределению плутония в лёгких человека (Романов С.А., 2003), дополненные информацией, полученной в настоящем исследовании, по динамике накопле-

(5)

D = i,6. ю-" OLIslL 'f(l - F№ = 1,6-10-" ^.i'fd-k-t)dl =

(6)

= | ), при i < 730 cym.

mL 2

иия содержания плутония в депо фиксации в лёгких, позволят разрабатывать и тестировать биокинетические и дозиметрические модели специфичные для плутония.

Количественная оценка микрораспределения плутония в костной ткани человека

Подсчитано число треков осколков деления плутония в каждом структурном элементе костной ткани, а также площадь этих структур на слайдах. Для определения площадей эндо-стальных поверхностей измеряли длины границ раздела костная ткань - костный мозг и костная ткань - просветы гаверсовых каналов с помощью программы Axiovision Reí. 4.7. Полученные значения длины границ раздела умножали на 16,2 мкм - максимальное расстояние от поверхности костного среза, с которого треки осколков деления плутония достигли бы лексановской пленки, выступающей в роли трекового детектора. Нахождение площадей остальных областей осуществлялось посредством программы Axiovision Reí. 4.7. Результаты подсчета треков осколков деления плутония в различных областях костной ткани, площадь этих областей на изучаемых препаратах и средние плотности треков на единицу поверхности приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Результаты подсчета треков осколков деления плутония в различных областях костной ткани, площадей этих областей на препаратах и значения средней плотности треков в этих областях

Тип кости Отдел Число треков в отделе Площадь области подсчета треков, xio-V Средняя плотность треков, х10', трек/м2

Собственно костная ткань 6 283 25,3 248,3

Кортикальная Полости гаверсовых систем 29 0,5 58,0

Эндост 985 0,8

Эндост гаверсовых каналов 415 0,4 1 166,7

Трабекулярная Собственно костная ткань 10 165 27,1 375,1

Эндост 9 955 9,2 1 082,1

Костный мозг 2 728 216,6 ---- 12,6

Полученные данные продемонстрировали неравномерное микрораспределение плутония в костной ткани. Средняя плотность треков осколков деления плутония в эндосте выше, чем в собственно костной ткани, в кортикальной кости - в 4,7 раза, в трабекулярной кости -

в 2,9 раза, хотя значения средней плотности треков в эндосте кортикальной и трабекулярной кости практически равны.

Полученные в настоящем исследовании данные позволяют протестировать параметры текущей биокинетической модели эксграпульмонального отдела МКРЗ-67, рекомендуемой для обеспечения стандартов радиационной защиты. Рассмотрено соотношение числа треков в собственно костной ткани (объеме), д(У), к числу треков в эндосте (на поверхности), с^), в кортикальной и трабекулярной кости - с/(СУ)^(С5) и ц(ТУ)/ц(Т8), соответственно.

Для аппроксимации полученных данных (см. таблицу 8) на весь скелет использованы данные МКРЗ-89 (КЖР-89, 2002), представленные в таблице 9, и получены значения количества треков осколков деления плутония (т.е. содержания) в собственно костной ткани и в эндосте кортикальной и трабекулярной кости. При этом для определения объема костной ткани, в котором посчитаны треки осколков деления плутония, площадь области подсчета треков умножалась на длину трека в костной ткани (16,2 мкм).

Таблица 9 - Значения объемов и площадей поверхности костной ткани в кортикальной и трабекулярной кости в скелете стандартного мужчины (1СЯР-89, 2002)

Тип кости Объем костной ткани, см3 Площадь поверхности костной ткани, м2

Кортикальная кость 2130 6,5

Трабекулярная кость 580 10,5

С помощью программного обеспечения, разработанного специалистами ЮУрИБФ на основе биокинетической модели МКРЗ-67, проведены расчеты для двух сценариев поступления плутония: острого (поступление в первый рабочий день) и хронического (равномерное поступление на протяжении всего времени контакта с радионуклидом). Фактические и расчетные значения отношений треков осколков деления плутония в объеме кости к числу распадов на поверхности кости представлены в таблице 10.

Как свидетельствуют данные таблицы 10, фактическое отношение значений содержания плутония в объеме кости к содержанию нуклида на поверхности в 10 раз выше, чем рекомендовано МКРЗ-67, для кортикальной кости и в 2 раза выше для трабекулярной кости.

Различие в фактических и расчетных значениях отношения числа треков осколков деления плутония в объеме кости к числу треков на ее поверхности, вероятнее всего, связано с различиями в анатомическом строении скелета человека и животных, на которых была создана биокинетическая модель экстрапульмонального отдела МКРЗ-67.

Полученные в настоящей работе количественные данные по микрораспределению плутония в костной ткани человека требуют уточнения в дополнительных исследованиях, для того чтобы провести коррекцию параметров обмена биокинетической модели скелета, с

привлечением данных по количественному микрораспределению плутония в других костях скелета человека и случаев с различными ритмами поступления радионуклида.

Таблица 10 - Фактические и расчетные значения отношений числа распадов в объеме кости к числу распадов на поверхности кости в кортикальной и трабекулярной кости

Параметр Фактические значения Расчетные значения

Сценарий поступления

острое хроническое

д(СУ)/</(СУ 4,3 0,4 0,3

чстют6 1,2 0,6 0,6

(¡(СУ) и (¡(С5) - количества треков в объеме и на поверхности кортикальной кости, соответственно; и 1(ТУ) - количества треков в объеме и на поверхности трабекулярной кости, соответственно.

Количественная оценка микрораспределения плутония в печени человека

В рамках настоящего исследования проанализированы гистоавторадиограммы печени 11 регистрантов РХТЧ (см. таблицу 4). Средний возраст регистраитов составил (58,1 ±6,5) лет. У всех регистрантов зарегистрированы и верифицированы опухоли печени. Среди злокачественных заболеваний печени выбранных регистрантов преобладали геман-гиосаркомы (6 случаев из 11).

На всех гистоавторадиограммах четко определялись многочисленные одиночные треки. Основываясь на данных профмаршрута привлеченных регистрантов, наблюдаемые треки были отнесены к "9Ри. Данные по среднему количеству треков на одну гистоавторадиограм-му представлены в таблице 4. Коэффициент корреляции между содержанием плутония в печени по результатам радиохимического анализа и средним количеством треков на одну ги-стоавторадиограмму печени был статистически значимым (г = 0,81) с уровнем значимости р < 0,05 (см. рисунок 1).

Изучено количественное микрораспределение плутония в печеночной ткани как в отсутствие опухолевой ткани на гистоавторадиограммах (7 регистрантов), так и при наличии таковой (4 регистранта). Данные по относительному микрораспределенню плутония в различных гистологических структурах печени всех регистрантов представлены в таблице 11 и на рисунке 2.

При анализе гистоавторадиограмм максимальное количество треков зарегистрировано в печеночных дольках. Гораздо меньше треков выявлено в структурах портальных трактов. В дольке печени треки чаще регистрировались в цитоплазме гепатоцитов. Минимальное число треков плутония наблюдалось в клетках Купфера.

350

В >> 300

О 5

* 2

Э- 250

о О

и К

В 9 200

-о ......-......--------------------------------------------------------

-50 '- ------------

-2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Содержание плутония в печени регистрантов по данным радиохимического анализа, кБк

Рисунок 1 - Корреляция между содержанием плутония в печени регистрантов по данным радиохимического анализа и средним количеством треков на одну гистоавторадиограмму

Так как в исследование были взяты микропрепараты, содержащие и не содержащие участки опухолевой ткани, микрораспределение плутония в таких препаратах изучалось в отдельности для каждого участка. В препаратах, не содержащих фокусов неопластического роста, среднее значение доли треков, зарегистрированных в гепатоцитах, составило (70,9 ± 1,4)%, в синусоидах - (20,6 ± 2,9)%, в клетках Купфера и строме портального тракта -(2,7 ± 1,1)% и (2,5 ± 1,1)%, соответственно.

В срезах печени, содержащих очаги опухолевого роста, среднее значение доли треков в гепатоцитах составило (46,9 ±2,9)%, в синусоидах - (11,5 ±5,2)%, строме портального тракта - (4,6 ± 2,4)% и в клетках Купфера - (0,5 ± 0,5)%.

В целом распределение долей треков в тех или иных структурах печени вне опухоли в изучаемых подгруппах статистически значимо не отличалось (по критерию Стьюдента для малых выборок при р < 0,05). В препаратах, характеризующихся наличием как интактной ткани, так и фокусов неоплазии, преобладали треки, локализованные в гепатоцитах.

Результаты настоящего исследования подтверждают данные, которые были получены в работе Нифатова А.П. (1964) при изучении качественного микрораспределения плутония в печени человека. Отличием данной работы от вышеуказанной является выбор регистрантов -все они имели опухоли. Данные таблицы 4 показывают, что наиболее высокое содержание плутония в печени зарегистрировано при гемангиосаркоме и наименьшее при

Таблица 11 - Относительное микрораспределение плутония в печени человека (%)

Код в РХТЧ Гистологическая структура Опухоль

Печеночная долька Триада (портальный тракт) Другое"

Гепатоцит Синусоид Клетка Купфера Строма Желчный проток Печеночная артерия Печеночная вена

020 а 43,7 5,7 0 0,8 0 0 0 2,0 47,8

084 73,8 22,6 0,4 1,4 0 0 0 1,7 0

106а 42,9 20,0 1,9 8,6 0 0 0 0 26,7

147 75,0 21,9 1,6 0 0 1,6 0 0 0

201 66,1 22,8 9,0 1,2 0 0 0 0,9 0

214а 55,6 0 0 0 0 0 0 22,2 22,2

277 а 45,5 20,5 0 9,1 4,5 0 0 9,1 11,4

366 67,2 15,6 1,6 6,3 3,1 0 4,7 1,6 0

467 74,1 24,4 1,5 0 0 0 0 0 0

517 72,3 6,2 3,1 0 0 0 0 18,5 0

522 68,1 30,5 1,4 0 0 0 0 0 0

М ± т6 62,2 ±3,9 17,3 ±2,8 1,9 ±0,8 2,5 ± 1,1 0,7 ± 0,5 0,1 ±0,1 0,4 ±0,4 5,1 ±2,4 9,8 ±4,8

М±тв 70,9 ± 1,4 20,6 ± 2,9 2,7 ± 1,1 1,3 ±0,9 0,4 ± 0,4 0,2 ± 0,2 0,7 ±0,7 3,2 ±2,6 -

М±тг 46,9 ± 2,9 11,5 ±5,2 0,5 ± 0,5 4,6 ± 2,4 1,1 ± 1,1 0 0 8,3 ±5,0 27,0 ± 7,6

0 Случаи, на гистоавторадиограммах которых имелись опухоли печени 5 Среднее значение и стандартная ошибка для всех случаев

Е Среднее значение и стандартная ошибка для случаев без фокусов неоплазии на гистоавторадиограммах

г Среднее значение и стандартная ошибка для случаев с фокусами неоплазии на гистоавторадиограммах

л Другое - другие гистологические структуры печени, не относящиеся к печеночной дольке и триаде, такие как центральная вена, внепеченочный желчный проток, долевые и сегментарные артерии и вены

холангиоцеллюляриом раке. Несмотря на наличие опухолей на гистоавторадиограммах, представляется вероятным накопление плутония в гепатоцитах даже в отдаленные сроки после прекращения поступления.

Рисунок 2 - Микрораспределение треков плутония в печени, все наблюдения

Вместе с тем, полученные данные отличаются от данных экспериментальных исследований (Бухтоярова З.М. и Нифатов А.П., 1969; Лемберг В.К. и соавт., 1961; ОеагЬаП Ш. ег а1., 1980). Исследования, проведенные на животных (крысах, кроликах и собаках), показали, что после внутрибрюшинного или внутривенного введения азотнокислой соли плутония радионуклид локализуется преимущественно в клетках Купфера и, в меньшей степени, в гепатоцитах. Такое расхождение результатов связано с различными путями поступления плутония в организм. В экспериментальных работах проводили внутривенное введение плутония в виде различных солей, вследствие чего радионуклид поступал в печень в коллоидной форме. В настоящем исследовании у работников ПО «Маяк» имело место ингаляционное поступление, и плутоний при этом поступал в печень в ионной форме.

Таким образом, изучение количественной оценки микрораспределения плутония в печени человека подтвердило неравномерность распределения плутония в печени при ингаляционном поступлении.

выводы

1. Впервые проведена количественная оценка динамики микрораспределения плутония в различных структурных элементах лёгких после однократной ингаляции собакам аэрозолей диоксида плутония с разным АМАД. Установлено, что доля плутония в депо фиксации растет с увеличением АМАД и имеет статистически значимую линейную зависимость от времени, прошедшего после ингаляции, при сроках наблюдения до двух лет. Предложен

новый способ учета содержания плутония в депо фиксации для расчета поглощенной дозы облучения в лёгких.

2. Впервые проведена количественная оценка микрораспределения плутония в костной ткани человека с применением метода нейтронно-индуцированной авторадиографии к образцам грудного позвонка. Получено, что в грудном позвонке регистра,™ (случай 440) средняя плотность треков осколков деления плутония в эндосте выше, чем в собственно костной ткани, в кортикальной кости - в 4,7 раза, в трабекулярной кости - в 2,9 раза. Показано, что фактическое отношение содержания плутония в объеме кости к содержанию на костной поверхности превышает значение, рекомендованное МКРЗ-67, более чем в 10 раз для кортикальной кости и в 2 раза для трабекулярной кости.

3. Впервые количественно оценено микрораспределение плутония в печени человека при ингаляционном поступлении. Показано преимущественное накопление радионуклида в гепатоцитах (62,2 %), что подтвердило данные, полученные при качественной оценке микрораспределении плутония в печени человека.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Hahn F.F., Romanov S.A., Guilmette R.A., Nifatov A.P., Zaytseva Y.V., Diel JH Allen S.W., Lyovkina Y.V. Distribution of plutonium particles in the lungs of Mayak worker // Radial. Prot. Dosim. - 2003. - Vol. 105, № 1. - P. 81-84.

Лёвкина E.B., Нифатов А.П., Зайцева E.B. Морфологические изменения ткани лёгкого при инкорпорации плутония // Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы: тез. докл. II-ой молодежной науч.-практ. конф,- Озёрск, 2003 - С 56-58 Romanov S.A., Guilmette R.A., Hahn F.F., Nifatov A.P., Zaytseva Y.V., Lyovkina Y V Modify,ng the ICRP 66 dosimetry model based on results obtained from Mayak pk.tonh™ workers // Radiat. Prot.Dosim. - 2003. - Vol. 105, № 1. - P. 85-90.

Романов C.A., Зайцева E.B., Нифатов А.П., Лёвкина Е.В., Хан Ф.Ф., Гилметт Р.А Микрораспределение плутония-239 в лёгких // Сибирский медицинский журнал - 2003 -Т. 18, №5.-С. 112-118.

5. Лёвкина Е.В., Романов СЛ., Миллер С.С., Крэйнбьюл М.П., Белосохов М.В. Количественное микрораспределение плутония в костной ткани человека в условиях профессионального облучения // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2008. - Т.48, №3. - С. 356-363.

6. Романов С.А., Лёвкина Е.В., Зайцева Е.В., Миллер С.С., Крэйнбьюл М.П. Особенности микрораспределения плутония-239 в костной и мягких тканях у человека // Вопросы радиационной безопасности. - 2008. - №4. - С. 44-59.

7. Лёвкина Е.В., Белосохов М.В., Аладова Е.Е., Киселёва О.И., Романов С.А. Количественное микрораспределение плутония в печени работников радиохимического производства // Медицинская радиология и радиационная безопасность. - 2010. - Т.55, № 4. -С. 31-36.

8. Lyovkina Y.V., Miller S.C., Romanov S.A., Krahenbuhl M.P., Belosokhov M.V. Quantitative plutonium microdistribution in bone tissue of vertebra from a Mayak worker // Health Phys. -2010. - Vol. 99, № 4. - P. 464-470.

9. Лёвкина E.B., Романов СЛ., Белосохов М.В., Киселёва О.И., Востротин В.В. Динамика формирования плутониевого пневмосклероза у собак // Хроническое радиационное воздействие: эффекты малых доз»: тез. докл. IV Междунар. конф.- Челябинск, 2010. -С. 14-15.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АМАД Активностный медианный аэродинамический диаметр

ЗНО Злокачественные новообразования

МКРЗ Международная комиссия по радиологической защите

НИАР Нейтронно-индуцированная авторадиография

ПО «Маяк» Производственное объединение «Маяк»

РХТЧ Радиобиологическое хранилище тканей человека

ЮУрИБФ Южно-Уральский институт биофизики

DF Депо фиксации

L Лёгкие

Отпечатано в типографии ОТИ МИФИ Тираж 100 экземпляров. Заказ № 123.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Левкина, Екатерина Васильевна, Москва

61 12-3/747

ФЕДЕРАЛЬНОЕ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ АГЕНСТВО ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДДРИЯТИЕ ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ

На правах рукописи

Левкина Екатерина Васильевна

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА МИКРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛУТОНИЯ В ОРГАНАХ ОСНОВНОГО ДЕПОНИРОВАНИЯ

03.01.01 — Радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

^ тт„,™- Романов Сергей Анатольевич

кандидат биологических наук ГШс1нив р

Москва-2012

Содержание

Список использованных сокращении.......................................................

............5

Введение............................................................................

, _ ...............10

1 Обзор литературы..............................................................

1.1 Пути поступления плутония в организм..........................................10

1.2 Распределение плутония в организме.............................................15

1.3 Микрораспределения плутония в органах основного депонирования.....21

1.3.1 Микрораспределение плутония в легких...................................^

1.3.2 Распределение плутония в скелете...........................................

1.3.3 Микрораспределение плутония в печени.......................................^

1.4 Заключение.............................................................................

2 Материалы и методы........................................................................

2.1 Изучение микрораспределения плутония в лёгких собак......................36

2.2 Изучение микрораспределения плутония в костной ткани человека......40

2.2.1 Нейтронно-индуцированная авторадиография...........................42

2.2.2 Расчеты параметров экстрапульмонального отдела действующей системной модели

МКРЗ-67.........................................................

2.3 Изучение микрораспределения плутония в печени человека..............44

.........46

3 Результаты исследования......................................................

3 1 Количественная оценка микрораспределения плутония в лёгких

собак...........................................................................................46

3.2 Количественная оценка микрораспределения плутония в костной

.................57

ткани человека..........................................................

/ГЛ

3.2.1 Результаты анализа авторадиограмм кости...............................™

3.2.2 Возможные неопределенности при количественной оценке микрораспределения плутония в костной ткани................................

3.3 Количественная оценка микрораспределения плутония в печени

.................66

человека....................................................................

1-1 с.

4 Обсуждение результатов..................................................................

4.1 Применение морфометрических результатов для коррекции параметров

биокинетических моделей респираторного тракта МКРЗ..........................76

4.2 Тестирование параметров биокинетической модели

ОЛ

экстрапульмонального отдела МКРЗ-67...............................................0/1

4.3 Анализ количественного микрораспределения плутония в печени

...................85

человека.........................................................................

...................87

Выводы..........................................................................

Список использованных источников......................................................

Список использованных сокращений

АМАД Активностный медианный аэродинамический диаметр

ГХБД Гексахлорбутадиен

ДТПА Диэтилентриаминпентауксусная кислота

ЖКТ Желудочно-кишечный тракт

ЗНО Злокачественные новообразования

МКРЗ Международная комиссия по радиологической защите

НИАР Нейтронно-индуцированная авторадиография

НРБ Нормы радиационной безопасности

ПО «Маяк» Производственное объединение «Маяк»

РХТЧ Радиобиологическое хранилище тканей человека

ТБФ Трибутилфосфат

ТХБ Трихлорбензол

ЮУрИБФ Южно-Уральский институт биофизики

ОР Депо фиксации

Ь Лёгкие

Введение

Актуальность исследования

В атомной энергетике и промышленности на протяжении 70 лет широко используется 239Ри (далее по тексту - плутоний). За эти годы на планете наработано несколько сотен тонн плутония, что обусловило необходимость его хранения и утилизации. При контакте с плутонием возможно облучение персонала промышленных предприятий и населения, проживающего вблизи этих предприятий, за счет поступления радиоактивных веществ в воздух рабочих помещений и осаждения на поверхности основного и

вспомогательного оборудования и почвы [51,61].

Гигиенические нормативы, регламентирующие правила обращения с плутонием, основаны на коэффициентах риска неблагоприятных медицинских последствий, в первую очередь, канцерогенных. Результаты многочисленных экспериментальных и эпидемиологических исследований свидетельствуют о том, что набольшую опасность для здоровья представляют труднорастворимые или легкогидролизующиеся при рН организма низкотранспортабельные соединения плутония при попадании их в организм [8, 18, 25, 34, 39, 41, 47, 66, 73, 160].

24].

Наиболее тяжелыми последствиями ингаляционного поступления плутония являются плутониевый пневмосклероз и злокачественные новообразования (ЗНО) лёгких, скелета и печени [3, 26, 46, 58, 67, 162, 168]. В экспериментах на крысах с использованием электронной микроскопии В.П. Аристовым [3] было показано, что в патогенезе плутониевого

пневмосклероза ведущим событием является радиационно-индуцированная гибель эндотелия капилляров в межальвеолярных перегородках и разрастание соединительной ткани за счет интенсивной пролиферации фибробластов. Плутоний инкапсулируется в очагах интерстициального склероза, образуя депо фиксации, которое характеризуется образованиями из соединительной ткани, расположенными на месте погибшей лёгочной паренхимы [3, 25, 52, 69].

Несмотря на многочисленные исследования, описывающие качественный характер микрораспределения плутония в лёгочной ткани, в литературе есть ТОп,т еттт-шчяьте оаботы, посвященные количественной оценке микрораспределения радионуклида в лёгких [53, 108]. К настоящему времени исследователи расходятся в оценке вклада в поглощенную в лёгких дозу альфа-излучения плутония, локализованного в депо фиксации [52, 64]. Это обстоятельство вносит значительную неопределенность в оценку поглощенной дозы в лёгких и, как следствие, в оценку коэффициента риска возникновения рака лёгкого, лежащего в основе норм радиационной безопасности. Кроме того, без количественной оценки микрораспределения плутония в лёгочной ткани невозможна разработка дозиметрической модели дыхательного тракта.

Поскольку скелет при любых способах попадания плутония в организм человека является конечным органом депонирования радионуклида, количественная оценка микрораспределения плутония в костной ткани также актуальна. Преимущественное депонирование радионуклида на эндостальных поверхностях [11, 41] обуславливает неравномерное облучение костной ткани и является причиной развития опухолей скелета [131, 149, 186]. Количественная оценка микрораспределения плутония в кости с учетом отношения содержания радионуклида в объёме костной ткани к содержанию на ее поверхности, как для трабекулярной, так и для кортикальной кости, даст возможность уточнить параметры обмена радионуклида в костной ткани, что позволит внести поправки в биокинетическую модель скелета, и, соответственно, в дозиметрическую модель экстрапульмонального отдела.

Печень, наряду с лёгкими и скелетом, является органом депонирования плутония. Результаты эпидемиологических исследований демонстрируют статистически значимое увеличение частоты ЗНО печени и зависимость их гистоструктуры при инкорпорации различных альфа-активных радионуклидов, включая плутоний [104, 180]. Так же, как и для скелета, микрораспределение

плутония в печени оценено только качественно [43].

Количественная оценка микрораспределения радионуклида в органах основного депонирования позволит определить гетерогенные поглощенные nbfha-H3nv4eHHH от инкорпорированного плутония у профессионалов, работавших в условиях контакта с аэрозолями плутония. Полученные в рамках настоящего исследования данные, дополненные информацией о патологических изменениях в органах основного депонирования радионуклида, дадут возможность скорректировать оценки риска развития заболеваний, индуцированных альфа-излучением от инкорпорированного плутония, и, соответственно, уточнить стандарты радиационной безопасности персонала предприятий атомной промышленности.

Цель исследования:

Задачи исследования, необходимые для достижения цели:

1) Изучить динамику количественных закономерностей микрораспределения плутония в лёгких собак, подвергшихся однократной ингаляции аэрозолей диоксида плутония с различным активностным медианным аэродинамическим диаметром

(АМАД).

2) Оценить динамику накопления плутония в депо фиксации в лёгких.

3) Провести количественную оценку микрораспределения плутония в различных структурных элементах костной ткани человека.

4) Провести тестирование параметров биокинетической модели экстрапульмонального отдела МКРЗ-67.

5) Провести количественную оценку микрораспределения плутония в различных структурных элементах печеночной ткани человека.

Научная новизна исследования

Впервые при тестировании параметров биокинетической модели экстрапульмонального отдела показано, что фактическое отношение содержания плутония в объеме костной ткани к содержанию в эндосте превышает значение, рекомендованное МКРЗ-67, более чем в 10 раз для кортикальной кости и в 2 раза для трабекулярной кости.

Научно-практическая значимость исследования состоит в том, что количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования предлагает новые подходы для уточнения оценок поглощенных доз альфа-излучения и модификации параметров биокинетических моделей. Полученные результаты в сопоставлении с данными о медицинских последствиях облучения могут служить основой для оценки коэффициентов канцерогенного риска.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Количественная оценка микрораспределения плутония дает возможность получить сведения о гетерогенности поглощенных доз альфа-излучения в органах основного депонирования и уточнить параметры

биокинетических моделей.

2) Доля плутония в депо фиксации в лёгких собак растет с увеличением АМАД ингалируемого аэрозоля и имеет статистически значимую линейную зависимость от времени, прошедшего после ингаляции, при

сроках наблюдения до двух лет.

3) Средняя плотность треков осколков деления плутония на эндостальных поверхностях выше, чем в собственно костной ткани, в кортикальной кости - в 4,7 раза, в трабекулярной кости - в 2,9 раза в образце грудного позвонка человека (случай 440 из хранилища аутопсийного материала).

4) Количественная оценка микрораспределения плутония в печени человека при ингаляционном поступлении подтверждает данные качественного исследования о преимущественном накоплении радионуклида в гепатоцитах.

1 Обзор литературы

Благодаря многочисленным экспериментальным исследованиям и наблюдениям у человека по радиобиологии инкорпорированных актинидов, начавшимся полвека назад и продолжающимся по настоящее время [8, 18, 24, 28, 37, 41, 52, 59, 64, 78, 79, 88, 99, 106, 134, 144, 153, 161, 184], накоплен огромный объем знаний по метаболизму плутония на всех уровнях биологической организации.

1.1 Пути поступления плутония в организм

В организм человека и животных плутоний может поступать через органы дыхания, кожные покровы, ожоговые поверхности, раны и перорально [13, 63, 70]. Для изучения метаболизма в экспериментальных исследованиях используются все виды поступления радионуклида, большинство из них -внутривенное и внутрибрюшинное, но в достаточном количестве работ описано поступление через органы дыхания, имеющее большое значение.

Значимость возможных путей поступления плутония в организм животных и человека была проанализирована в ряде работ [8, 13, 27, 64, 70, 91,

99,114, 177].

Еще в ранних исследованиях, проведенных в первые годы после создания радиохимического производства, было показано, что наиболее опасным путем поступления плутония в организм человека и животных является ингаляционный [8, 24, 37, 64]. Этот факт нашел свое подтверждение и в современных исследованиях [20, 46, 52, 67, 70, 150, 185].

Органы дыхания представляют по своей сути фильтр, улавливающий инородние частицы (пылевые, аэрозольные и т.д.), в том числе и плутония, из общего объема вдыхаемого воздуха. Задержка аэрозолей плутония в дыхательной системе зависит от их размера и транспортабельности, а также от объёма дыхания. Осаждение пылевых частиц в респираторном тракте происходит в основном под влиянием процессов инерционного осаждения,

седиментации (осаждения под действием силы тяжести), диффузии и броуновского движения. В верхних дыхательных путях (носоглотка, трахея, бронхи) происходит инерционное осаждение, в результате которого при резкой смене направления воздушного потока на слизистых оболочках задерживаются крупные частицы размером более 1 мкм. Более мелкие частицы проникают в проводящие и респираторные бронхиолы, где скорость воздуха значительно меньше, и осаждаются там под действием силы тяжести. И только самые мелкие частицы размером менее 0,1 мкм достигают альвеолярных ходов и альвеол, где механизмами осаждения уже являются диффузия и броуновское

движение [8, 86].

В период становления атомной промышленности, при освоении технологического процесса, случаи нештатных ситуаций происходили достаточно часто [61]. При этом было возможным проникновение радиоактивных веществ, в том числе и плутония, в помещения, где находится персонал. В настоящее время на производстве подобные явления представляют собой крайне редкие события, однако их возможность нельзя исключать [1].

Пероральное поступление в производственных условиях имеет не столь существенное значение в связи с запретом приёма пищи на рабочих местах. Плутоний может поступать в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) работников в результате занесения нуклида в ротовую полость через загрязненные руки, а также вследствие механического клиренса частиц, поступивших в респираторный тракт с загрязненным воздухом.

У млекопитающих всасывание радиоактивных веществ происходит в тонком кишечнике, имеющем наибольшую величину всасывательной поверхности, создаваемой за счет складок, ворсинок и микроворсинок. В многочисленных экспериментальных работах показано, что на уровни всасывания плутония из ЖКТ в кровь и лимфу у различных видов млекопитающих определяющее влияние оказывают химическая форма вводимого соединения, масса нуклида и физиологические факторы, такие как

возраст животного и голодание [8, 41, 80, 84, 111, 112, 135, 155, 172, 173]. Так, при введении плутония мышам, не получавшим пищи в течение суток, всасывание нуклида было в 13 раз выше, чем у сытых мышей [84]. Резорбция нуклида в ЖКТ у новорожденных крыс и свиней была выше от 84 до 100 раз по сравнению со взрослыми особями [80, 173]. Такую разницу авторы связывают с особенностями физиологии кишечника у растущих млекопитающих.

В ряде исследований было установлено, что комплексные соединения плутония, не склонные к гидролизу при рН организма, всасываются из ЖКТ эффективнее простых солей [8, 82, 93, 169, 172, 173, 174, 184]. Например, в наблюдениях на крысах при введении цитрата плутония коэффициент резорбции находился в пределах от 0,03 до 0,41% [184]. В то время как значение коэффициента всасывания азотнокислого плутония, являющегося простой солью, было ниже и колебалось в пределах от 0,001 до 0,050% [82, 83]. В указанных работах это явление объясняется тем, что простые соли плутония быстро гидролизуются при характерном для кишечника щелочном рН и образуют трудно растворимую, плохо абсорбирующуюся гидроокись. Диоксид плутония всасывается в Ж�

Информация о работе

Левкина, Екатерина Васильевна
кандидата биологических наук
Москва, 2012
ВАК 03.01.01

Диссертация

Количественная оценка микрораспределения плутония в органах основного депонирования - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы