Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Опыт реконструкции индивидуальных поглощенных доз млекопитающих при радиоэкологических исследованиях

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Опыт реконструкции индивидуальных поглощенных доз млекопитающих при радиоэкологических исследованиях"

Сц

Г*

^о ^ ШИШКИНА

'Л/

ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

На правах рукописи УДК 574:539.16.047:599

ОПЫТ РЕКОНСТРУКЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПОГЛОЩЕННЫХ доз МЛЕКОПИТАЮЩИХ ПРИ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ.

03.00.16-Экология.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук.

Челябинск - 1998.

Работа выполнена в лаборатории эксгшремен . альной экологии Института экологии растений и животных Уральского отделения Российской Академии Наук и в лаборатории биофизики Уральского научно практического центра радиационной медицины Минздрава России.

Научный руководитель:

доктор биологических наук Любашевский Н. М.

Оффициальные оппоненты:

доктор биологических наук Васильев А. Г.

кандидат физико-математических наук Жуковский М. В.

Ведущая организация:

Челябинский государственный педагогический университет им. А.М. Горького.

г"

Защита состоится /У'лМа 1998 г.

в " часов на заседании диссертационного совета Д 002.05.01 в Институте экологии растений и животных УрО РАН по адресу: 620144, Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и животных УрО РАН.

Г

Автореферат разослан Я&КАеЛА 1998 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, ___ М-Г- Нифонтова

кандидат биологических наук

кие, представляют собой особый интерес для изучения как индивидуальных радиационных эффектов, так и соотнесения этих результатов со статистическими данными о радиационных эффектах, наблюдаемых в поколениях на популяци-онном уровне. Краткое время жизни по сравнению с человеком и, соответственно, множество сменившихся поколений на загрязненной территории обеспечивают такую возможность. Исследования отдаленных последствий обитания мелких млекопитающих на радиационно-загрязненных территориях служат отправной точкой для экстраполяции данных наблюдений от животных к человеку.

с

Однако, дозовые нагрузки даже для населения Урала определены недостаточно прецизионно, приводимые в литературе расчетные данные по млекопитающим являются ориентировочными.

Дозовая нагрузка на организм определяется прежде всего характером загрязнения окружающей среды. Для Уральского региона характерен комбинированный характер облучения: внешнее - когда источник находится вне организма (гамма- и рентгеновское воздействие), и внутреннее облучение от инкорпорированных в тканях организма радионуклидов. Среди прочих радионуклидов особую опасность для млекопитающих представляет долгоживущий 0-излучатель '"Бг. Он является метаболическим аналогом кальция и встраивается в костные структуры. С появлением дозиметрической методики ЭПР-спектро-скопии зубной эмали как надежного способа измерения кумулятивной индивидуальной дозы, накопленной в течение всей жизни особи, возник вопрос о механизмах дозообразования в эмали и возможности разделения дозы от инкорпорированного в зубе '"вг и внешнего гамма облучения. Выбор зубных

тканей как объекта исследования проистекает из фундаментального различия физиологии зуба и кости. По сравнению с костной тканью прирост и резорбция тканей зуба незначительна. Следовательно, имеет место крайне медленное выведение первоначально отложившейся активности на протяжение всей жизни особи.

Актуальность исследований, направленных на интерпретацию ЭПР-изме-рений при комбинированном хроническом облучении, обусловлена необходимостью получения достоверных оценок индивидуальных доз, с одной стороны, и разделения вклада внешнего и внутреннего облучения - с другой, для дальнейшего изучения зависимости радиационных эффектов от дозовых нагрузок.

Цель работы - исследование механизмов дозообразования в зубных тканях от инкорпорированного в них ®°8г и обоснование методики индивидуальной дозиметрии млекопитающих, обитающих на радиационо-загрязненных территориях.

Задачи исследования:

- изучение механизмов дозообразования в зубных тканях при помощи фантома без учета обменных процессов в зубе;

- расчет дозовых коэффициентов вкладов различных дозообразующих факторов в каждую из зубных тканей.

- изучени" ^метаболизма 908г в зубах и прилегающих тканях и выяснение закономерностей потканевого перераспределения 908г внутри зуба и в окружающих его тканях;

- реконструкция индивидуальных доз полевки обыкновенной, обитающей на территории ВУРСа и разделение внешней и внутренней дозы;

формулировка методических рекомендаций по реконструкции индивидуальных доз с использованием ЭПР-спектрометрических исследований зубов.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в обосновании и разработке подхода к интерпретации ЭПР-измерений, которая позволяет ретроспективно оценить индивидуальную дозовую нагрузку.

При этом впервые предложены методические рекомендации по восстановлению индивидуальных доз крупных и мелких млекопитающих методом ЭПР-спектрометрии. Проведена реконструкция индивидуальных ЭПР доз мелких млекопитающих, обитающих на территории ВУРСа и разделение внутренней и внешней компоненты дозы. Показано, что характер динамики "Зг в слюне ана-

90о

логичен его динамике в крови; количественно описана потканевая динамика аг в зубах крыс. Показано, что активности тканей симметричных зубов не одинаковы. Оценены вклады различных зубных тканей - источников облучения в суммарную дозу на каждую из детектируемых тканей в процессе самооблучения зуба. Рассчитаны дозовые коэффициенты. Получена картограмма поверхностных доз черепа собаки и, в частности, зубных поверхностей с наружной и внутренней стороны и поверхностей околокорневой кости. Показано, что зубы, расположенные рядом со слюнными протоками, имеют большую концентрацию 905г в эмали, чем остальные зубы

Практическая ценность. Научные исследования в эпидемиологии, экото-ксикологии и радиоэкологии требуют информации об индивидуальных дозах для сравнения с наблюдаемыми пострадиационными эффектами. Предлагаемая методика параллельных ЭПР и радиометрических измерений, а так же использование полученных в исследовании дозовых коэффициентов, позволяют сопоставить накопленную за многие годы информацию о разнообразных пострадиационных эффектах с реальными дозовыми нагрузками. Данные исследования уже используются для реконструкции доз человека.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На защиту выносится сумма материалов, обосновывающих методику параллельных ЭПР и радиометрических измерений зубных тканей для восстановления индивидуальных доз крупных и мелких млекопитающих.

2. Расчетная методика определения дозы внутреннего облучения на основе бетаметрических исследований и, соответственно, разделения внешнего и внутреннего воздействия для крупных и мелких млекопитающих.

3. У мелких млекопитающих измеряемая ЭПР-доза на зубах отражает дозовую нагрузку на красный костный мозг. Радиометрические исследования костных тканей позволяют оценить дозу на красный костный мозг от инкорпорированного 908г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научнопрактическом семинаре международной выставки "Уралэкология-96", (17-19 апреля 1996); IV Международном Симпозиуме "Урал атомный, Урал промышленный" (30 сентября - 3 октября 1996 г., Екате-

ринбург, 1996); I международном симпозиуме "Хроническое радиационное воздействие: риск отдаленных эффектов" (Челябинск, янв. 9-13, 1995); Молодежной конференции "Механизмы поддержания биологического разнообразия" (Екатеринбург, 1995); конференции молодых ученых-экологов Уральского региона "Проблемы изучения биоразнообразия на популяционном и экосистемном уровне." (1-4 апреля 1997 года, Екатеринбург), 1997; конференции молодых ученых-экологов Уральского региона "Актуальные проблемы общей и прикладной экологии." (21-24 апреля 1998 года, Екатеринбург); конференции "Проблемы экологии и экологического образования Челябинской области. (29-30 апреля 1998г, Челябинск.).

Апробация работы состоялась на заседании Ученого совета Уральского научно практического центра радиационной медицины Минздрава России (Челябинск, 1998) и на лабораторном семинаре лаборатории экспериментальной экологии Института экологии растений и животных Уральского Отделения Российской Академии Наук.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 165 страниц основного текста, 26 таблиц, 54 рисунка. Она содержит введение, 8 глав, включая обзор литературы и описание применяемых методик, заюпочёние, выводы и список цитированной литературы (107 источников, из них 49 на русском и 58 на иностранных языках). Имеется 13 приложений объемом в 37 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Глава I. Проблемы оценки дозовой нагрузки ионизирующего излучения у

млекопитающих и человека. В первой главе рассмотрены существующие подходы к оценкам доз. Обосновано приемущество ЭПР-дозиметрии на зубных тканях. Проведен анализ литературы, описывающей физико-химические свойства зубных тканей, особенности их формирования и минерального обмена.

Глава 2. Структура исследования механизмов формирования ЭПР-регистрируемой дозы. На основе представленного обзора была разработана структурная схема исследований. Решение проблемы интерпретации ЭПР-измерений представляет собой комплексную многоступенчатую задачу. В данной главе представлена подробная постановка всего комплекса исследований и описывается общая структура работы.

Глава 3. Материалы и методы.

3.1. Эксперимент на лабораторных крысах линии ВИСТАР. В эксперименте использовались 13 лабораторных крыс линии ВИСТАР в возрасте 3-3.5 мес. Животным внутривенно вводился равновесный раствор 908г. По оригинальной методике отбирались пробы слюны. Параллельно брались пробы крови. Животные забивались на разных сроках с момента введения 908г. Делались авторадиограммы шлифов зубов.

3.2. Эксперимент на собаке. В опыте использовалась беспородная самка 3.5 лет, не рожавшая, весом 8.1 кг. Внутривенно был введен равновесный раствор общей активностью 8.76*107Бк. Брали пробы крови, слюны, а так же оперативно

удалялись фаланги передней и задней конечностей, экстирпированы 2 зуба. Собака забита через 52ч. после введения радиостронция с помощью эфирного наркоза.

3.3. Фантомный эксперимент. Череп собаки использован в качестве фантома. Симметричные восьмые верхние зубы и их антогонисты использовались для ЭПР исследований и радиометрии. Дозы измерялись на тканях зуба и прилежащих к их корням челюстных костях. Ткани зубов радиометрироваяись. На основе полученных значений активности рассчитывали поглощенную дозу от инкорпорированных радионуклидов. Расчеты проводились при помощи компьютерной программы "Каскад-5" (разработчики - Лаппа А.В., Бурмистров Д. С.). На поверхности черепа и костей размещались ТЛ-детекторы типа А1203 (ТЛД-500К), разработанные на кафедре ФМПК УГТУ-УПИ (Екатеринбург), аттестованные на дозиметрические параметры.

3.4. Оценка индивидуальных доз МгсгоШ ¡згудИя. Всего было исследовано 6 животных, отловленных в 1994 году на территории ВУРСа (500-юори) и 2 животных, отловленных в 1995 году и обитавших на "чистой" территории. Черепа хранились изолированно друг от друга и от других возможных источников излучения. У удаленных для ЭПР-анализа зубов предварительно измерялись линейные размеры. Зубы взвешивались и описывалась их геометрия. Оставшиеся фрагменты черепа озолялись и бетаметрировались.

Подробно описаны физические методики, применявшиеся на различных этапах исследований: метод спектрометрии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР); метод термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД); радиометрия; ав-

торадиография. Описан используемый численный метод расчедд поглощенных доз.

Глава 4. Исследование дозообразующих факторов в зубных тканях без учета обменных процессов (статическое описание).

Каждая ткань зуба является одновременно как источником р-излучения, так и ЭПР-детектором (исключая пульпу, непригодную для ЭПР-измерений). Суммарная доза на каждой из зубных тканей, измеряемая методом ЭПР-спектрометрии, складывается из внешней компоненты и суммы внутренних. В качестве факторов, формирующих внутреннюю дозу, рассматриваются только радионуклиды 908г и его дочернего элемента 90У, содержащиеся в эмали, дентине коронки зуба, пульпе, дентине корня, цементе, околокорневой кости, костях черепа, мягких тканях полости рта, слюне, эмали соседних зубов (итого 10 факторов). Формирование дозы в различных зубных тканях исследовалось на фантоме черепа собаки.

4.1. ТЛД исследования на фантоме черепа собаки. Данные измерений сопоставлялись с известными из литературы. Показано, что индивидуальные особенности метаболизма собаки не являются аномальными. Были построены картограммы распределения дозовой нагрузки по поверхности черепа, костей скелета и зубов собаки, в частности, зубных поверхностей с наружной и внутренней стороны и поверхности околокорневой кости. Показано, что облучение эмали черепными костями не является доминирующим фактором для крупных млекопитающих и человека. Поглощенная доза на поверхности эмали зубов нижней челюсти в среднем в 1.6 раза выше, чем на зубах верхней челюсти.

Между значениями поверхностных доз на эмали различных зубов наблюдаются существенные (до 5-кратных) различия. Более высокую поверхностную дозу (в 2-4 раза), нежели прочие, имеют те зубы, которые расположены рядом со слюнными протоками (4-е верхние), и те, у которых тонкая эмаль (передние) [I]. На 7-м нижнем зубе датчик накладывался не только на эмаль, но и непосредственно на дентин этого зуба после удаления эмали. Доза на дентине

превысила дозу на эмали почти в 7 раз. Этот результат свидетельствует о

J

практически полном поглощении эмалью излучения от дентина. На костных поверхностях различных участков скелета распределение поглощенной дозы неоднородно. Картограмма поверхностных доз черепа и костей скелета показала, что различия в поглощенных дозах отдельных локусов достигают шестикратной величины. Наиболее высокие дозовые значения - в трабекулярной костной ткани, содержащей в своих ячейках красный костный мозг. На периостальных поверхностях доза заметно меньше, чем на эндостальных. Различия доз в трабекулярной кости - в 1.5-3 раза [2].

Представленные материалы свидетельствуют о применимости ТЛД-метода к оценке in vitro дозы внутреннего облучения в различных участках скелета, то есть к выявлению локусов наиболее высокого риска, а так же о возможности применения аналогичных исследований для верификации и уточнения моделей метаболизма остеотропных радионуклидов в организме [3]. 4.2 ЭПР-исследования на фантоме черепа собаки. Проведены ЭПР-измерения зубных тканей и околокорневой кости на симметричных 8-х верхних и их антогонистах 9-х нижних зубах, на корнях и околокорневой кости 6-х верхних и

околокорневой костью различна и различно влияние геометрии корня на самооблучение.

4.3. Радиометрические исследования. В таблице 2 представлены значения удельных активностей тканей, получение для зубов, ранее измеренных ЭПР-спектрометрически. Из сопоставлений ЭПР-измерений и измерений 0-активности видно, что, несмотря на то, что активность эмали на порядок отличается от активности дентина, ЭПР-доза на эмали отличается от дозы на дентине в 1.5-2 раза. То есть доза на эмали формируется в значительной степени за счет радионуклидов, инкорпорированных в дентине. Перераспределение активности внутри дентина проверялось экспериментально на зубах фантома. Такие исследования были проведены на клыках, премолярах и молярах. В результате были получены численные характеристики перераспределения активности внутри зубных тканей.

Таблица 2. Удельная активность зубных тканей (Бк/г).

Номер зуба Эмаль Дентин коронки Дентин корня Кость околокорневая

8 верхний правый 2400 24000 32800 137900

8 верхний левый 6400 50500 37900 117200

9 нижний правый 5900 46700 53800 92500

9 нижний левый 2700 26100 51500 89400

При этом наблюдалась высокая вариабильность численных значений распределений в зависимости от положения зуба в зубном ряду и существенные колебания значений активности отдельных слоев относительно среднего внутри каждого зуба. Показано, что активности тканей симметричных зубов могут быть

неодинаковы. Особенно сильно по концентрациям радионуклидов отличается эмаль. Наименее отличаются средние удельные активности дентина различных зубов, что хорошо согласуется с приведенными выше результатами ЭПР-измерений.

4.4. Модель зуба как источника и. одновременно, деггектора Р-излучения. Содержание 905г в зубных тканях определяет в той или иной степени детектируемую ЭПР-дозиметрически поглощенную в тканях зуба дозу у обследуемых индивидов, облученных в результате радиационных инцидентов [4]. Суммарная измеряемая доза складывается из внешней компоненты, индуцированной гамма источниками, расположенными вне организма, и из внутренней дозы от инкорпорированных в ткани зуба и ротовой полости радионуклидов 908г [5].

В первом приближении зуб - физическое тело, представляющее собою систему слоев (ткани зуба) с различными физико-химическими свойствами, каждый из которых является одновременно как источником, так и детектором [6] излучения. Форма зуба не является правильной, поэтому для удобства расчетов необходимо сделать следующие геометрические приближения:

1. Коронка моляров и премоляров крупных млекопитающих и человека -система вложенных цилиндров, образованных эмалью, дентином и пульпой. Так же принималась в рассмотрение околокорневая кость челюсти как источник излучения. Для мелких аналогичное приближение принималось не для всего зуба, а для каждой эмалевой петли коренных зубов.

2. В качестве геометрического приближения для корней зубов примем коническое приближение.

3. Плотность зуба меняется с расстоянием от оси вращения и не зависит от высоты.

Для крупных млекопитающих и человека определен вклад различных зубных тканей-источников в кумулятивную дозу на тканях-детекторах. Различные зубные ткани имеют разный объем, следовательно, фактор самооблучения играет в них различную роль. Кроме того, они имеют разную степень радиационной изоляции от прочих тканей-источников. На этом этапе решения задачи проверялась правомерность принимаемых упрощений и их вклад в погрешность расчетов. Расчеты производились на основе измерения р-акгивности тканей зуба фантома черепа собаки и сопоставлялись с результатами ЭПР-измерений. Распределение доз по объему зуба оказалось весьма неоднородно. На разных участках эмали они отличаются на порядок. Таким образом, результат ЭПР-измерений может зависеть от расположения участка эмали, где была взята проба. В результате проведенных расчетов были получены средние дозовые коэффициенты, позволяющие в дальнейшем по радиометрическим данным определять поглощенную дозу не только в различных зубных тканях, но и на различных их участках. В таблице 3 приведены дозовые коэффициенты вкладов различных тканей зубов собаки, рассчитанные в среднем для жевательной и боковой поверхностей эмали. В таблице 4 - для полевки обыкновенной. Дозовые коэффициенты для полевки рассчитывались для каждой из эмалевых петель, а усредненный дозовый коэффициент

нормировался на массу всех зубов. Показано, что формирование дозы для крупных млекопитающих в различных тканях в разной степени зависит от самооблучения и определяется за счет комплексного облучения всем окружением. Менее всего от прочих тканей зависит доза на дентине коронки. Таблица 3. Дозовые коэффициенты для эмали от различных дозообразующих

источников для 8-9-х зубов собаки (Гр/(Бк*сутки)).

Пульпа | Эмаль 1 Дентин коронки [ Кость 1. Эмаль соседних зубов Пульпа корня Дентин корня | Цемент 1

Эмаль жевательной поверхности 4.31* 10'8 3.50* ю-5 1.12* Ю"м 6.04* 10-ю 2.87* Ю"08 1.27* 10"09 3.46* Ю"08 8.48*' Ю"08

Эмаль боковой поверхности 3.05* ю-'2 3.38* Ю'06 1.11* Ю"06 1.02* ю-07 2.87* Ю"08 1.27* Ю"09 3.46* 10"°* 8.48* 10"м

Таблица 4. Средние дозовые коэффициенты для зубов М дт?/«, рассчитанные от различных дозообразующих источников (Гр/распад).

Зубы Погрешность Череп Погрешность Пища и мягкие ткани Погрешность

1.2* КГ1" 5% Ь.5*10"ш 11% 6,15*10-" 22%

Оценены вклады различных зубных тканей как источников облучения в суммарную дозу на каждую из детектируемых зубных тканей в процессе самооблучения зуба. Так, вклад дентина коронки в дозу на эмали составил около 65% эмалевой дозы. 28%-30% дозы на эмали образовано излучением самой эмали, соответственно 5-7% составили все прочие факторы. Дентин коронки формирует собственную дозу самооблучаясь на 80%. 15-17% дозы на дентине коронки образуется за счет его прилегания к дентину корня. Таким образом, нами выделены доминирующие дозообразующие источники. Для мелких

млекопитающих расчеты показали превалирующую роль черепа в процессе дозообразования. Таким образом, эмалевые петли зубов полевки можно считать точечными детекторами, размещенными внутри костного «чехла», аналогично красному костному мозгу, что позволяет непосредственно перейти от дозы на зубах мышевидных грызунов к нагрузке на их красный костный мозг.

Глава 5. Изучение кинетики поступления радионуклида в органы и ткани

ротовой полости.

5.1. Авторадиографические исследования шлифов зубов крыс. Полученные авторадиограммы показали, что потемнение на них не симметрично. Наблюдаются существенные различия в характере объемного перераспределения радионуклидов. Для взрослой крысы разница между максимальным и минимальным значе-нием активности в единице объема на порядок выше, чем у крысят в возрасте 4-12 дней, то есть, для взрослого животного радиальная дифференциация гораздо выше, нежели для растущего. Значение удельной активности, нормированной на единицу введенной, в области эмали зуба для взрослой крысы близко к 0 Бк/ммЗ, а для крысенка около 40 Бк/мм^, в то время, как в области припульпарного дентина для взрослого 2000Бк/ммЗ, а для крысенка - 200Бк/ммЗ. Описано изменение содержания ^Бг в зубе крыс в зависимости от времени и расстояния от пульпарной полости. [7]

5.2. Динамика 905г в слюне. Описана закономерность динамики 908г в слюне и доказано, что она аналогична его динамике в крови. [8]

Глава 6. Исследование накопленной дозы у мышевидных грызунов из природных популяций.

Представленное исследование является впервые осуществленной попыткой использовать метод ЭПР-дозиметрии в реконструкции индивидуальных доз для мелких млекопитающих. Показаны принципиальные различия в механизмах формирования дозы на зубах крупных и мелких млекопитающих. Эмалевые призмы зубов полевок представляют собой точечные детекторы, самооблучение которых не играет в большинстве случаев

существенной роли в процессе дозо-образования. Основным источником, формирующим дозу на зубах, является череп. Таким образом, коэффициент перехода от дозы на зубе полевки обыкновенной к дозе на красный костный мозг можно принять равным 1. Прижизненная доза на зубах полевки от пищи и мягких тканей составила всего 5-7% суммарной прижизненной внутренней дозы. Сопоставляя рассчетную и ЭПР-дозы, мы находим для 5-ти из 8-ми животных, что ЭПР-дозиметрическая оценка соответствует внутренней дозе, накопленной в зубах (Рис. 1). Для третьего, шестого и восьмого животного наблюдается превышение ЭПР-дозы над рассчетной внутренней. Либо имела место существенная внешняя компонента облучения, либо в зубных тканях присутствовали а-источники излучения. Не стронциевая компонента куммулятивной дозы 3-его животного оценивается с

с. и

о

я п о

<=с

Рнс. 1. Сопоставление ЭПР и расчетной дозы

пза Оэпр

2.5 2 2 3.5 1 1 2 1 Возраст, мес.

учетом погрешностей и рассчетов и измерений в пределах 2.1-К3.5Гр, для 6-го животного - 2.3+3.8Гр, для 8-го - 4+бГр.

Глава 7. Оценка индивидуальных доз человека.

Сопоставление литературных данных ЭПР и радиометрических исследований зубных тканей человека с полученными в данной работе результатами продемонстрировало достоверное совпадение полученных нами теоретически и в лабораторных экспериментах представлений о механизмах дозообразования с результатами исследования населения прибрежных территорий реки Теча [9,10].

Глава 8. Общие рекомендации к проведению ретроспективных оценок индивидуальных доз млекопитающих в условиях комбинированного внешнего и

внутреннего облучения.

1. Отбор проб. При отборе и приготовлении проб необходимо фиксировать размер зуба. Для крупных млекопитающих важными параметрами являются: высота, максимальный и минимальный диаметр коронки, толщина и место взятия эмали (жевательная или боковая поверхность). Для мелких следует фиксировать только массу всех зубов. Их зубные ткани не разделяются.

2. Измерения. Рекомендуется методика параллельных ЭПР и радиометрических измерений. При этом препараты для бетаметрии не требуют озоления, поскольку в процессе стандартной подготовки образцов для ЭПР-измерений костные ткани путем травления избавляются от органической компоненты. Для крупных млекопитающих исследование дозы на эмали требует бетаметрии как самой эмали, так и дентина. Для мелких млекопитающих ЭПР-дозиметрия

осуществляется на всех зубах зубного ряда. Параллельно радиометрируется череп животного.

3. Интерпретация. Используя приводимые в работе дозовые коэффициенты, рассчитывается доза от инкорпорированного в зубных тканях 908г. Внешняя доза равна разности суммарной ЭПР-дозы и внутренней расчетной.

ВЫВОДЫ.

1. Изучен и количественно охарактеризован механизм формирования поглощенных доз внутреннего облучения в кальцифицированных тканях зубов. Показаны различия дозообразования зубов мелких и крупных млекопитающих. Определены доминирующие дозообразующие факторы для каждой из тканей зуба, при этом показано:

для различных фрагментов эмали зубов крупных млекопитающих, в зависимости от месторасположения на коронке зуба, доза может существенно отличаться;

для мелких млекопитающих геометрия зубов не играет значимой роли, и они могут рассматриваться как точечные детекторы;

поверхностные дозы на внешней и внутренней стороне зубов практически одинаковы, что свидетельствует о недомшшрующем влиянии геометрии черепа на формирование дозы на эмали.

2. Впервые с использованием метода ЭПР реконструирована индивидуальная накопленная доза у мышевидных грызунов.

3. Доказано, что регистрируемая ЭПР-методом доза на зубах мелких млекопитающих отражает дозовую нагрузку на красный костный мозг.

4. Осуществлена дифференциация доз внешнего и внутреннего воздействия для М агчаИх, обитающих на радиационно-загрязненных территориях.

5. Описаны метаболические закономерности динамики 908г в тканях ротовой полости:

доказано, что динамика 908г в слюне аналогична динамике его в крови; продемонстрированы особенности динамики 908г в зубных тканях; показана высокая вариабельность содержания 9с8г в различных зубах, в зависимости от номера;

внутритканевое распределение активности существенно варьирует от зуба к зубу.

6. Показано, что зубы, расположенные рядом со слюнными протоками, имеют большую активность на поверхности эмали, а поверхностные дозы на зубах нижней челюсти, более интенсивно омываемые слюной, выше чем на верхней, что свидетельствует о существенной роли слюны в инкорпорации радионуклида в эмаль.

7. Результаты, полученные в фантомном эксперименте на собаке, применимы к человеку.

8. Получены картограммы поверхностных доз на черепе и костях скелета собаки.

9. На основании проведенных исследований разработаны и обоснованы методические рекомендации для реконструкции индивидуальных доз путем:

параллельных ЭПР и радиометрических измерений зубных тканей для крупных млекопитающих и параллельных ЭПР-измерений зубов и радиометрии

костей черепа для мелких при наличии комбинированного внешнею и внутреннего облучения;

расчетов с использованием приведенных дозовых коэффициентов для любой из зубных тканей крупных млекопитающих и для всех зубов зубного ряда мышевидных грызунов.

определения доз на костных поверхностях in vitro при помощи термолюминисцеитных детекторов.

Список работ, опубликованых по теме диссертации.

1. Любашевский Н. Ml, Шишкина Е. А., Бетенекова Т. А., Клюшина О. А., Никифоров С. В. Использование ТЛД-метода для оценки дозовых нагрузок в зубах от инкорпорированного стронция-90 как этап разработки подходов к экстраполяции поглощенной дозы на ткани-мишениЛ Проблемы экологии и охраны окружающей среды. Тезисы докладов научно-практических семинаров на международной выставке "Уралэкология-96" (17-19 апреля 1996), Екатеринбург, 1966, стр. 165.

2. Любашевский Н. М., Шишкина Е. А., Бетенекова Т. А., Маринич О. А., Никифоров С. В. Оценка дозовых нагрузок от инкорпорированного стронция-90 ткани-мишени ТЛД-методомЛ Проблемы экологии и охраны окружающей среды. Тезисы докладов научно-практических семинаров на международной выставке "Уралэкология-9б" (17-19 апреля 1996), Екатеринбург, 1966, стр. 166.

3. Lubashevsky N., Starichenko V., Golubev A., Shishkina Е. The theory of individual variability of osteotropic radionuclides metabolism.// IPRA9 1996 International Congress on Radiation Protection. April 14-19, Viena, Austria, 1996, pp. 128-130.

4. Романюха A.A., Дегтева М.О., Сереженков В.А., Кожеуров В.П., Воробьева М.И., Василенко Е. К., Wieser А., Клещенко Е.Д., Шишкина Е.А., Хохряков В.Ф. Реконструкция индивидуальных доз для жителей уральского региона на основе ЭПР-измерений зубной эмали.// I международный симпозиум "Хроническое радиационное воздействие: риск отдаленных эффектов" (Тезисы докладов), Челябинск, янв. 9-13, 1995, стр. 67-68.

5. Degteva МО., Kozheurov V.P., Burmistrov D.S., Valchuk V.V., Vorobiova M.I., Bougrov N.G., Shishkina E.A. Art approach to dose reconstruction for the Urals population.// Health Physics, V. 71(1), 1996, pp.71-76.

6. Шишкина E. А., Зуб как дозиметрическая система.// I международный симпозиум "Хроническое радиационное воздействие: риск отдаленных эффектов" (Тезисы докладов), Челябинск, янв. 9-13, 1995,66-67.

7. Шишкина Е. А., Знамешцикова H. M Изучение метаболизма 90Sr в зубных тканях.// Механизмы поддержания биологического разнообразия. Матер, конф. Екатеринбург, 1995, стр. 177-178.

8. Шишкина Е. А., Луговская И. В. Динамика 90Sr в слюне млекопитающих и ее роль в формировании накопленной дозы на эмали зуба./f Проблемы изучения биоразнообразия на популяционном и экосисгемном уровне. Материалы конференции молодых ученых-экологов Уральского региона (1-4 апреля 1997 года), Екатеринбург, 1997, стр. 240-246.

9. Romanyukha A. A., Degteva M. О., Kozheurov V. Р., Wieser A., Jacob P., Vorobiova M. I., Ignatiev E. A., Shishkina E. A., Koshta A. A. Retrospective evaluation of external component of individual doses for Techa riverside residents.//

IRPA9. ¡966 International Congress on Radiation Protection, April 14 19, 1996, pp. 111-113.

10. Романюха А. А., Кошта А. А., Игнатьев E. А., Деггева M. О., Кожеуров В. П., Шишкина Е. А., Воробьева М. И., Якоб П., Визер А. Ретроспективная оценка внешней компоненты индивидуальной дозы облучения жителей для реки ТечаЛ IV Международный Симпозиум "Урал атомный, Урал промышленный", 30 сентября - 3 октября 1996 г., Екатеринбург, 1996, стр. 147-150.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шишкина, Елена Анатольевна, Екатеринбург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИИ УРАЛЬСКИЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЦЕНТР РАДИАЦИОНОЙ

МЕДИЦИНЫ

ОПЫТ РЕКОНСТРУКЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ПОГЛОЩЕННЫХ ДОЗ МЛЕКОПИТАЮЩИХ ПРИ РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКИХ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук.

На правах рукописи

ШИШКИНА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЯХ.

03.00.16 - Экология.

Научный руководитель: доктор биологических наук Любашевский Н. М.

Екатеринбург, 1998.

Оглавление.

Введение............................................................................................................................................................5

1. Проблемы оценки дозовой нагрузки ионизирующего излучения у млекопитающих и человека................................................................................................................9

1.1. Существующие дозиметрические подходы к оценкам доз и

их роль в описании радиационной ситуации на Урале..........................11

1.2. Методы оценки индивидуальных доз. Сравнительные характеристики............................................................................................................................13

1.3. Особенности минерального обмена твердых тканей зубов... 19

2. Структура исследования механизмов формирования ЭПР-регистрируемой дозы..............................................................................................................................53

2.1. Изучение механизмов формирования дозы в зубных тканях

без учета обменных процессов (статическое описание зуба)............56

2.2. Изучение кинетики поступления радионуклида в органы и

ткани ротовой полости..................................................... 58

2.3. Исследование накопленной дозы у мышевидных грызунов

из природных популяций.................................................. 60

2.4. Сопоставление полученных в экспериментах на животных результатов с ЭПР-исследованиями индивидуальных накопленных доз человека................................................................................................60

3. Материалы и методы..........................................................................................................................61

3.1. Эксперимент на лабораторных белых крысах......................................61

3.2. Эксперимент на собаке..............................................................................................63

3.3. Фантомный эксперимент..........................................................................................64

3.4. Оценка индивидуальных доз М. arvalis......................................................66

3.5. Метод спектрометрии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)........................................................................................................................68

3.6. Метод термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД)..........................70

3.7. Радиометрия........................................................................................................................74

3.8. Авторадиография............................................................................................................75

3.9. Метод расчета поглощенных доз......................................................................76

4. Исследование дозообразующих факторов в зубных тканях без учета обменных процессов (статическое описание)....................................................................82

4.1. ТЛД исследования на фантоме черепа собаки....................................82

4.2. ЭПР-исследования на фантоме черепа собаки....................................86

4.3. Радиометрические исследования......................................................................92

4.4. Модель зуба как источника и, одновременно, детектора риз лучения..........................................................................................................................................98

5. Изучение кинетики поступления радионуклида в органы и ткани ротовой полости............................................................................................................................................111

5.1. Авторадиографические исследования шлифов зубов крыс... 112

5.2. Динамика 90Sr в слюне................................................ 121

6. Исследование накопленной дозы у мышевидных грызунов, обитающих в природных популяциях........................................... 126

7. Сопоставление полученных результатов для млекопитающих с данными о ЭПР-исследованиях человека....................................... 132

8. Общие рекомендации к проведению ретроспективных оценок индивидуальных доз млекопитающих в условиях комбинированного

внешнего и внутреннего облучения............................................. 141

Выводы................................................................................. 145

Литература............................................................................. 148

Приложения

Введение.

Одна из центральных проблем современной экологии - влияние конкретных условий среды обитания животных на особенности их биологии. Исследования влияния техногенных загрязнений, в том числе и радиационных, на организм млекопитающих составляют научную основу современного подхода к проблемам определения последствий антропогенного воздействия на отдельные виды и их сообщества и охраны окружающей среды. Среди наиболее актуальных экологических проблем при изучении последствий радиационных аварий особо выделяют анализ отдаленных эколого-генетических последствий загрязнения экосистем радионуклидами, так и хронического воздействия малых доз. Подобные исследования требуют достоверных дозиметрических оценок. В настоящее время и в обозримом будущем в мире сохраняется опасность возникновения ситуаций, при которых возможны случаи радиационных поражений биоты. Поэтому разработки новых дозиметрических методов, применимых в радиоэкологических исследованиях, остаются весьма актуальными.

На Урале произошло три крупных радиационных аварии, связанных с производственной деятельностью ПО "Маяк". В результате радиационно загрязнены пойма реки Теча и обширные территории Челябинской, Свердловской, Курганской и Тюменской областей. Популяции растений и животных, население этих территорий подвергались воздействию

ионизирующего излучения на протяжении многих лет. Как у млекопитающих, так и у человека обнаруживаются разнообразные радиобиологические эффекты. Млекопитающие, в особенности мелкие, представляют собой особый интерес для изучения как индивидуальных радиационных эффектов, так и соотнесения этих результатов со статистическими данными о радиационных эффектах, наблюдаемых в поколениях на популяционном уровне. Краткое время жизни по сравнению с человеком и, соответственно, множество сменившихся поколений на загрязненной территории обеспечивают такую возможность. Исследования отдаленных последствий обитания мелких млекопитающих на радиационно-загрязненных территориях служат отправной точкой для экстраполяции данных наблюдений от животных к человеку. Однако, дозовые нагрузки даже для населения Урала определены недостаточно прецизионно, приводимые в литературе расчетные данные по млекопитающим являются ориентировочными.

Дозовая нагрузка на организм определяется прежде всего характером загрязнения окружающей среды. Для Уральского региона характерен комбинированный характер облучения: внешнее - когда источник находится вне организма (гамма- и рентгеновское воздействие), и внутреннее - от инкорпорированных в тканях организма радионуклидов. Среди прочих радионуклидов особую опасность для организма млекопитающих представляет долгоживущий р-излучатель 908г. Он является метаболическим аналогом кальция и встраивается в костные структуры. С появлением дозиметрической методики ЭПР-спектроскопии зубной эмали как надежного способа измерения куммулятивной индивидуальной дозы, накопленной в течение всей жизни особи, возник вопрос о

механизмах дозообразования в эмали и других зубных тканях и возможности разделения дозы от инкорпорированного в зубе 908г и внешнего гамма облучения. Выбор зубных тканей как объекта исследования проистекает из фундаментального различия физиологии зуба и кости. По сравнению с костной тканью прирост и резорбция тканей зуба незначительна. Следовательно, имеет место крайне медленное выведение первоначально отложившейся активности на протяжение всей жизни особи.

Актуальность исследований, направленных на интерпретацию ЭПР-изме-рений при комбинированном хроническом облучении, обусловлена необходимостью получения достоверных оценок индивидуальных доз с одной стороны, и разделения вклада внешнего и внутреннего облучения - с другой для дальнейшего изучения зависимости радиационных эффектов от дозовых нагрузок.

Цель работы - исследование механизмов дозообразования в зубных тканях от инкорпорированного в них 908г и обоснование методики индивидуальной дозиметрии млекопитающих, обитающих на радиационо-загрязненных территориях.

Задачи исследования:

- изучение механизмов дозообразования в зубных тканях при помощи фантома без учета обменных процессов в зубе;

- расчет дозовых коэффициентов вкладов различных дозообразующих факторов в каждую из зубных тканей.

- изучение метаболизма 908г в зубах и прилегающих тканях и выяснение закономерностей потканевого перераспределения 908г внутри зуба и в окружающих его тканях;

- реконструкция индивидуальных доз полевки обыкновенной, обитающей на территории ВУРСа, и разделение внешней и внутренней дозы;

формулировка методических рекомендаций по реконструкции индивидуальных доз с использованием ЭПР-спектрометрических исследований зубов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. На защиту выносится сумма материалов, обосновывающих методику параллельных ЭПР и радиометрических измерений зубных тканей для восстановления индивидуальных доз крупных и мелких млекопитающих.

2. Расчетная методика определения дозы внутреннего облучения на основе бетаметрических исследований и, соответственно, разделения внешнего и внутреннего воздействия для крупных и мелких млекопитающих.

3. У мелких млекопитающих измеряемая ЭПР-доза на зубах отражает дозовую нагрузку на красный костный мозг. Радиометрические исследования костных тканей позволяют оценить дозу на красный костный мозг от инкорпорированного 908г.

Глава 1. Проблемы оценки дозовой нагрузки ионизирующего излучения у млекопитающих и человека.

Среди наиболее актуальных экологических проблем особо выделяется анализ воздействия радиоактивного загрязнения биогеоценозов на популяции и сообщества животных. Группа позвоночных животных, как наиболее близкая к человеку, является моделью для выявления закономерностей радиационного воздействия с целью экстраполяции их как на другие виды млекопитающих, так и на человека (Любашевский и др., 1986.). Исследование толерантности различных видов млекопитающих к лучевому воздействию необходимо для прогнозирования судеб отдельных видов и фауны в целом, а так же для понимания природы экологической пластичности видов. Особый интерес представляет анализ отдаленных эколого-генетических и морфофизиологических последствий загрязнения экосистем радионуклидами и хронического воздействия на организмы так называемых "малых доз". Проблема индикации отдаленных последствий радиационных аварий изучалась во многих странах мира различными специалистами, однако в каждом таком случае условия воздействия на окружающую среду зачастую специфичны и во многом неповторимы (Howe et. al., 1967.; Dunaway et. al., 1963; Aarkrog et. al., 1992, Чеботина и др. 1992.). Особенностью радиационного загрязнения территории Восточно-Уральского радиоактивного следа и прибрежных территорий реки Теча является комбинированный характер облучения: наличие внешней гамма-

компоненты облучения и внутренней бета компоненты, сформированной за счет присутствия в окружающей среде остеотропного бета-излучателя 908г, хронически поступающего в организм млекопитающих с пищей и водой. При этом среди мелких млекопитающих, обитающих на этих территориях на протяжение десятков лет, обнаруживаются морфофизиологические отклонения, такие, как увеличение числа хромосомных аберраций и повышение показателя микроядерного теста, имеются изменения некоторых морфометрических и популяционных показателей (Ильенко и др., 1989, Любашевский и др., 1994, 1995; Гилева и др., 1996; Васильев (ред.), 1998). Изучение данного вопроса требует комплексного исследования природной среды в районах радиационного поражения, опирающегося на методы радиохимического, цитогенетического, феногенетического и экологического анализа (Криволуцкий, 1983, Соколов и др., 1989.). И, что очень важно, необходима адекватная дозиметрическая информация. При хроническом облучении применение общепризнанных методов определения поглощенной дозы часто не в состоянии учесть многие обстоятельства, существенно влияющие на ее оценку. Сложную проблему

90 о

представляет определение дозовои нагрузки от инкорпорированного 8г. Реакция на внутреннее облучение инкорпорированными радионуклидами зависит от их кинетики и пространственного распределения в костной и других тканях организма, обеспечивающих дозовую нагрузку, с другой стороны - от индивидуальной радиочувствительности. Не менее серьезной представляется проблема разделения внешней и внутренней дозы, поскольку эффекты радиационного воздействия зависят от характера облучения.

1.1. Существующие дозиметрические подходы к оценкам доз и их роль в описании радиационной ситуации на Урале.

В реконструкции доз принято несколько различных стандартных подходов, в зависимости от задач, стоящих перед исследователями. Так, оцениваться могут популяционные дозы, коллективные, среднегрупповые и индивидуальные (Гусев и др. 1986). Различие заключается, во-первых, в выборе облучаемого контингента. Популяционная доза есть сумма всех доз, полученных всеми индивидами в целой популяции по всем облучаемым контингентам лиц. Коллективная - сумма индивидуальных доз по некоторой ограниченной выборке, например по одному полу, возрасту и т.д. Во-вторых, различия могут быть в способе оценки - интегральная или дифференцированная. Популяционная и

коллективная дозы есть сумма всех доз - интеграл 51 = {Н)йН, где Н -

н

индивидуальная доза, 1Чн(Н) - функция распределения исследуемых по получаемым дозам. Среднегрупповая доза есть усредненная доза, рассчитанная

\тн{н)йн,

на одного индивида в выделенной когорте исследуемых: Б = --—-. В-

третьих, подходы к оценкам могут быть гигиеническими, основанными на модельно-статистических исследованиях, и индивидуальными, основанными на оценке дозы (экспериментально или модельно-экспериментально) для конкретного индивида. Разработки этого пути исследований являются наиболее

перспективными при сегодняшнем уровне развития экспериментальных технологий.

Существующие методы ретроспективной оценки индивидуальной дозовой нагрузки ионизирующего излучения имеют точность до порядка величин, поэтому, несмотря на десятилетия исследований, дозы у населения Урала определены недостаточно прецизионно и требуют уточнения. Индивидуальные дозы млекопитающих ранее не определялись.

Дозовая нагрузка на организм определяется прежде всего характером загрязнения окружающей среды. Облучение может быть внешним, когда источник находится вне организма. Обычно это гамма- и рентгеновское воздействие. В чистом виде внешнее облучение характерно для медицинских рентгеновских обследований или для доз, получаемых персоналом атомных электростанций. В случае радиоактивного загрязнения окружающей среды радионуклиды неизбежно попадают в организм, обеспечивая внутреннее облучение. Различные радионуклиды, инкорпорирующиеся в организм, определяют специфику внутреннего облучения в каждом конкретном случае. В частности, особенностью дозовой нагрузки у населения ВУРСа и поселков, расположенных вдоль реки Теча, является высокий и крайне неравномерный

ОП 1 "37

вклад во внутреннее облучение инкорпорированного 8г и Се - долгоживущих радионуклидов (приложение 1). 908г - (3-излучатель, метаболический аналог кальция, встраивающийся в костные структуры. Период полураспада 29.12лет. Дочерний элемент - 90У радиоактивен, период полураспада - 6.4час. 137С8 - р-

излучатель, метаболический аналог калия, инкорпорирующийся в мягкие ткани (Публикация 38 МКРЗ, 1987).

1.2. Методы оценки индивидуальных доз. Сравнительные характеристики.

В настоящее время существует ряд методов реконструкции доз:

- оценка внешнего облучения осуществляется моделированием ситуации облучения на основе измерений гамма-полей, радиометрических измерений почв и воды и с учетом поведения особей во внешних гамма-полях. Подобные оценки являются, как правило, среднегрупповыми (Дрожко и др., 1996; Перемыслова и др., 1996).

- существующие расчетные гигиенические методы определения дозы основаны на концепции критических органов (Под. ред. Москалева, 1969). Они сводятся к получению дозовых коэффициентов на органы-мишени, в зависимости от типа радионуклида и пути его поступления в организм. Кинетика радионуклидов в тканях и органах описывается математическими моделями (Marshall, 1972). Обычно дозовые коэффициенты рассчитываются для условного человека из определенной когорты (часто выбранной по комбинации признаков: пол, возраст, место проживания, профессия, и т.д.). Ясно, что подобные расчеты сильно усредняют результаты и дают высокую погрешность (до 200%) в определении дозы. Для индивидуализации расчетов используются данные

QA 1"37

Счетчика Излучения Человека (