Авторы: И.К. Беляев, Е.С. Жорова, B.C. Калистратова, П.Г. Нисимов, И.М. Парфенова, Г.С. Тищенко, В.Н. Яценко.
Раневой путь поступления радиоактивных веществ в организм наряду с ингаляционным - основной для производственных и лабораторных условий.
Случаи раневых поступлений актинидов зарегистрированы у сотен и тысяч лиц из числа персонала плутониевых производств как в России [17,23,44,49], так и за рубежом [41,43,45,46,52-54,56-58,60-62].
У персонала заводов и производств в Sellafield (Великобритания) зафиксировано 1 250 радиоактивных загрязнений повреждённых кожных покровов [64], в Rocky Flats (США) - 300 подобных случаев [37], в Hanford (США) - 136 ранений кожи, загрязнённых плутонием [39], на ПО «Маяк» - у 5% персонала загрязнения - излучающими радионуклидами сопровождались травмами кожи кистей рук [23], зарегистрировано 297 человек, у которых отмечено 385 инцидентов [25].
Ранения кожи зарегистрированы у 15% (у 133 из 888) обследованных работников Сибирского химического комбината - носителей плутония. Содержание радионуклида в их организме оказалось в 6,2 раза выше, чем у не имеющих травм. При содержании в организме плутония свыше 740 Бк, что зафиксировано в историях болезней, травмы кожи зарегистрированы у 40% работников [17].
Из 385 случаев ранений кожи, зарегистрированных с конца 1940-х по 1 января 2010 года на ПО «Маяк» [25], 74% и 16% повреждений - колотые и резаные раны кожи, 10% - химические ожоги, рваные раны, ссадины. Среди мест ранений - голова, плечи, живот, ягодицы, ноги и т.д. 97 % случаев приходилось на кисти рук. Повреждения правой и левой кисти встречались с одинаковой частотой. Около трети травм кожи кистей рук — повреждения указательных пальцев. В Лос-Аламосской лаборатории с 1960 по 1972 г.г. травмы работников, загрязненные трансурановыми элементами в 83% случаев локализованы в области пальцев и кистей рук [44].
Многообразие процессов, определяющих поведение плутония и других многозарядных катионов в ранах, иллюстрирует схема обмена элемента, предложенная в 1969 г. Schofield [67] (Рис. 1а).
Клиренс плутония из места ранения в значительной степени осуществляется посредством системы кровообращения [4,12] в виде комплексных соединений и в форме, связанной с протеинами. Многозарядные катионы тяжелых элементов образуют с белками тем более прочные, труднодиссоциирующие соединения, чем больше заряд и радиус катионов [2].
Радиоколлоидные частицы не диффундируют через стенку кровеносных капилляров с нормальной проницаемостью. Коллоидальная фракция (включая и нерастворимые частицы) поступает из раны в организм лимфатическим путем в результате «постепенного растворения» [4]. Вследствие фагоцитоза коллоидов, радионуклиды задерживаются в лимфатических узлах. При введении в лапы собак раствора азотнокислого или частиц (25 мкм) диоксида 239Pu его выведение происходит из места первоначального отложения в лимфатические узлы, дренирующие место ранения [28,30,31,43]. Количество плутония в региональных лимфатических узлах поросят через 1 и 7 суток после внутрикожного введения азотнокислого 239Pu достигает 4,5 и 12%, соответственно [29]. При подкожном или внутримышечном введении нитрата 239Pu в лапы крыс через неделю после инъекции 11 % от введённого количества найдено в плечевых и пазушных лимфатических узлах [40]. Перемещение в лимфоузлы нитрата 239Pu происходит быстрее, чем оксида [30,43]. Всасывание мелкодисперсных коллоидов PuO2 из подкожной клетчатки возможно и через кровеносные капилляры [42,43].
Склонность плутония к гидролизу зависит от размера и заряда иона и уменьшается в порядке Pu4+>PuO22+>Pu3+>PuO2+. При введении в мышечную или подкожную ткань соединения плутония гидролизуются (pH среды в организме ~ 7,36). При крайне малых значениях концентраций радионуклидов в растворе из-за непревышения произведений растворимости коллоидные осадки могут не образовываться [2]. При концентрации 6,8x10-8 М весь плутоний будет находиться в ионном состоянии [4]. Радионуклиды, введенные в микроконцентрациях, оказываются в тканях в виде катионов, что сопровождается их высокой резорбцией.
Камерная модель переноса радионуклидов из раны, опубликованная в 1989 г. Piechowski и соавт. (Рис. 1б), рассматривает три пути их выведения из места ранения [60]. В модели: Q1, — доля, долго удерживаемая в месте первоначального отложения радионуклида доля, Q2 — доля, перемещающаяся в кровь через повреждённые сосуды с периодом полувыведения из камеры 0,01 суток, Q3—доля, перемещающаяся с промежуточной скоростью в мягкие ткани (мышцы, соединительные ткани, и т.д.), откуда поступает в кровь или непосредственно, или через лимфатическую систему.
В 2007 г. в публикации №156 Национального совета по радиационной защите и измерениям США представлена наиболее полно проработанная под руководством Guilmette и Durbin биокинетическая модель обмена радионуклидов в месте ранения (Рис. 1в) [32].
Рис. 1.
Радиоактивный материал, поступающий в рану, классифицирован на 4 типа. Это — фрагменты (крупные осколки) — твёрдые материалы с размером частиц >20 мкм (металлические плутониевые заусенцы, загрязнённые радионуклидами осколки стекла, нерадиоактивного металла и т.д.), которые слишком велики для перемещения фагоцитами; частицы твердых материалов < 20 мкм, которые могут быть захвачены макрофагами; коллоиды и полимерные гидроксиды; растворимые соединения. Для растворимых соединений радионуклидов введены 4 вида их удержания в ране, классификация которых основана на долях радионуклида (% от первоначального отложения), остающихся в месте ранения через сутки и через несколько недель после поступления радиоактивного материала. Слабое, умеренное, сильное и сверхсильное удержание радионуклидов в количестве — 14, 7, 21 и 6, соответственно (Табл. 1).
При ранении может происходить поступление любой из этих форм или их различные комбинации. Модель, не делая различий в поведении радионуклидов, загрязняющих места колотых ранений, ссадин, рваных ран или ожогов, признает, что биокинетику радионуклида будет определять характер и глубина повреждения тканей.
Основным и обязательным условием корректности экстраполяции на человека данных о раневом поступлении, метаболизме и биологическом действии радиоактивных веществ у животных является адекватность исследовательской модели практическим, реальным ситуациям - глубине проникновения радионуклида и его исходному физико-химическому состоянию.
Основная функция многослойного кожного покрова тела млекопитающих — защитная, в том числе - препятствие проникновению во внутреннюю среду организма радиоактивных веществ.
Водно-жировая пленка кожи - первый слой защитного покрова. Органические и минеральные соединения, входящие в состав пленки определяют её комплексообразующие и сорбционные свойства в связывании радиоизотопов на поверхности [9].
Эпидермис (поверхностный, эпителиальный слой) и дерма (глубжележащий, соединительнотканный слой), состоящая из сосочкового и сетчатого слоев, разделенных базальной мембраной, образуют собственно кожу [18,26]. Подкожная клетчатка тесно связана с кожей. Во многих местах гиподерма переходит в подкожную жировую ткань и рядом авторов рассматривается как третий слой кожи [14,23].
Таблица 1. Классификация радиоактивных материалов, поступающих в раны [32]
Нерастворимые: |
||
Фрагменты > 20 мкм |
Частицы < 20 мкм |
Коллоиды и полимерные гидроксиды |
Растворимые: |
||
Удержание в ране |
Радионуклиды |
% от введенного количества через 1/16 или 64* суток после ранения |
Слабое |
Щелочные (I) и щелочноземельные (II) металлы, ионы Сu, уранила, оксо- и хлор- анион, анионные (I) формы йода |
<10/<3 |
Умеренное |
110Ag+, 223Ra2+, 48VO3-, 105RhC163-, 127mTeO42-, 193PtC142- и 188OsO52- |
11÷55/<5* |
Сильное |
Почти все III-валентные (241Аm3+), часть II-валентных, 238Рu (IV), 239Рu (не более 3,2 мг) |
32÷85 / 8÷40* |
Сверхсильное |
46Sc3+, 95Zr4+, 113Sn4+, 233Pa5+ и 238, 234Th4+ |
>80/> 50* |
Рис 2. Тетрадекаэдрическая «упаковка» клеток эпидермиса:
Механическая барьерная функция защиты от внешних воздействий (давление, ушибы, ссадины, колотые, рваные и резаные раны) обеспечивается плотным, благодаря тетрадекаэдрической упаковке клеток эпидермиса (Рис. 2), роговым слоем (особенно на ладонях и подошвах человека), эластичностью и механической резистентностью волокнистых структур соединительной ткани, буферными свойствами подкожной жировой клетчатки.
Толщина дермы различных участков тела человека возрастает в следующем по- рядке: лобок, палец, предплечье, подмышки, бедро, подошва, голень, плечо, грудь, лицо, спина, живот. У женщин и мужчин 26— 60 лет она варьирует в интервалах 634÷1930 и 857÷2584 мкм [68]. Толщина эпидермиса и дермы кожи — от 0,5 до 4 мм [65], кожи вместе с подкожной клетчаткой — от 2,5 до 6 мм [37]. Сравнительная интервальная оценка толщин соответствующих структурных слоев кожи млекопитающих подтверждает заключение о том, что контролируемые внутрикожные, подкожные и внутримышечные инъекции радионуклидов лабораторным животным моделируют колотые раны человека (Табл. 2) [12,27].
Таблица 2. Сравнительная морфометрическая характеристика кожи животных и человека [1,5,6,13,15,16,18, 20, 24, 57, 68]
Толщина, мкм | Мышь | Крыса | Свинья | Человек |
Эпидермиса | - | 30÷120 | 12,5÷100 | 18÷1094 |
Дермы | 200÷300 | - | 1060÷2200 | 100÷2584 |
Всей кожи | 750÷900 | 410÷1250 | 1000÷3000 | 500÷4000 |
При этом следует принимать во внимание степень васкуляризации раневого участка и глубину расположения в коже млекопитающих пяти кровеносных и двух лимфатических сетей сосудов. Поверхностная артериальная сеть располагается в основании сосочкового слоя дермы, глубокая артериальная — на границе подкожной клетчатки и дермы. Венозные сети представлены двумя поверхностными и одной глубокой сетью, которая состоит из 2-х сплетений и располагается в сетчатом слое дермы и в подкожной клетчатке [23]. Лимфатическая поверхностная сеть расположена ниже подсосочковых венозных сплетений и глубокая - в подкожной клетчатке.
Так через 0,5 ч после подкожного введения 241АmС13 крысам в хорошо васкуляризированную область хвоста общее резорбированное количество 241Аm составило 60% от количества введенного радионуклида. В печени, скелете, крови, мышцах и почках обнаружено 20,5; 5,9; 5,2; 4,0 и 2,1% соответственно [22], что в 40—200 раз (на два порядка) превышает данные при введении в область задней лапы, составляя соответственно, 0,21; 0,07; 0,05; 0,1; и 0,01% [12].
Через 24 часа после подкожной инъекции 241АmС13 в область задней лапы крыс всасывается 44,3% введенного радионуклида [12]. При введении 241АmС13 в область хвоста резорбция составила 86,5% т.е. в 2 раза выше, чем при введении в область задней лапы [22], (Рис. За).
Опасность загрязнения ран радиоактивными веществами, кроме радиационного воздействия на ткани, развития патологического процесса и возникновения злокачественных новообразований в месте внутрикожной, подкожной (или внутримышечной) инъекции [3,29,50,52] определяется облучением внутренних органов и тканей от резорбированной доли радионуклида.
При экстраполяции данных о резорбции радионуклидов через раны животных на человека необходима оценка, как глубины и топографической локализации их раневого проникновения, так и физикохимических свойств радиоизотопа [11].
Скорость всасывания 241Аm (Рис. 3б) и 239Рu (Рис. Зг) из мышечной ткани зависит от физико-химической формы его соединения. Резорбция 241Аm (III) за первые 4 суток после внутримышечной инъекции крысам растворов, содержащих 0,4—5% цитрата натрия, составила 97% [34], цитрата 241Аm за 3 суток — 91% от введенного количества [10]. Близкие данные о всасывании цитратных комплексов 241Аm из мышечной ткани получены и в опытах на других видах животных: у мышей — 98—99% [61], у обезьян - 98,4% [33].
Резорбция 241АmС13, 241Аm(SO4)3, 241Аm(NO3)3, 241Аm(ОН)3 за 1 сутки у крыс составила, 58, 24; 10 и 4,7% от внутримышечно введенного количества, соответственно [12,35].
Через сутки после внутримышечной инъекции в область задней лапы крысам 241АmС13 (рН≈3,0) в печени и скелете обнаружено 11,7% и 6,4% от количества введенного радионуклида. Максимальное, накопленное в основных органах депонирования количество 241Аm приходится: в печени на 4-е сутки (24,2%), в скелете — на 32-е сутки (24,5%). На 4-8-е сутки в месте инъекции содержалось 31—32 введенного количества 241Аm, что соответствует уровню резорбции 69—68%.
При внутримышечной инъекции гидроокиси 241Аm наблюдается более низкое (в 4—5 раз в первые 4 суток после введения) содержание америция в органах. Как и при введении хлорида америция, максимальное содержание нуклида в печени наблюдается на 4-е сутки (5,1%) после введения гидроокиси америция, а в скелете - на 64-е сутки (9,6%). В месте введения, являющимся депо 241Аm в организме, на 64-е сутки содержится 46,7+5,2% введенного количества [12].
На 1-е и 7-е сутки у поросят в месте внутрикожной инъекции азотнокислого 239Рu обнаруживается 75—84 и 40—55% введенного количества. К концу первых суток в печени содержится в 2,5—4,5 раза больше 239Рu, чем в скелете [29].
Из подкожной жировой клетчатки (Рис. Зв) более интенсивно всасывается лимоннокислый 239Рu. Через 6 часов у поросят на месте инъекции остается 36% лимоннокислого 239Рu и 72,4% 239Рu-пентакарбоната аммония (введенного в избытке карбоната). Через 64 и 128 суток ~ 1,3 и менее 3% введенных количеств, соответственно. Всасывание 239Рu (NO3)4 из подкожной клетчатки у человека составляет порядка 3,5% за 4 часа экспозиции [4].
Рис. 3.
Резорбированное количество 241Am после однократной подкожной инъекции AmC13 (а): в область хвоста (■ - 1) [22], задней лапы (♦ - 2) [12] и резорбция при внутримышечном введении крысам (б): цитрата (◊ - 3), AmC13 (■ – 4), Am (SO4)3 (▲ – 5), Am (NO3)3 (♦ - 6), Am (OH)3 (● – 7) [10, 12, 35].
Содержание 239Pu в месте подкожной (в): инъекции лимоннокислого (+ - 8), Pu – пентакарбоната аммония поросятам (× - 9) [3, 12] и внутримышечного (г): введения [69]; Pu (IV) цитрата (Δ – 10), Pu (VI) цитрата крысам (◊ - 11) и собакам (♦ - 12); PuC13 (○ – 13), PuO2 (NO3)2 (● – 14), PuO2C12 (□ – 15); Pu (NO3)4 крысам (▲ – 16), Pu (NO3)4 кроликам (■ – 17).
Время после введения, сутки |
Наиболее интенсивно из мышечной ткани всасываются комплексные соединения 239Pu — цитрат (IV и VI-валентный) [69]. При введении крысам резорбция этих соединений достигает 70—80% за 7 суток (Рис. Зг). В последующий период резорбция замедляется и 239Pu длительно задерживается в месте введения (12% на 420 сутки). У собак на 103-и сутки на месте ведения цитрата определяются следы 239Pu (0,001%). По-видимому, видовые особенности оказывают определенное влияние на скорость всасывания 239Pu из мышечного депо [12]. При внутримышечном введении цитрата 238Pu (IV) обезьянам: через 20 часов в месте инъекции остаётся от 16 до 32% введённой активности радионуклида, и через 56 и 106 дней — от 1 до 3%, соответственно [36].
Всасывание хлористого 239PuO2С12 и азотнокислого 239PuO2(NO3)2 плутонила (VI- валентных) при внутримышечном введении составляет 30% за первые 4 суток. В дальнейшем наблюдается медленная резорбция 239Pu с постепенным снижением его содержания в месте введения. На 256- 406-е сутки в мышечной ткани обнаруживается 13- 20% введенного количества 239Pu. Хлористый III-валентный 239Pu(РuC13) из мышечной ткани всасывается примерно одинаково с VI валентным (РuO2С12).
Резорбция азотнокислого VI валентного 239 Pu из мышечной ткани происходит более медленно по сравнению с другими растворимыми соединениями. Через 256 суток после инъекции нитрата 239Pu крысам в месте введения обнаружено 67% первоначально инъецируемого количества. У кроликов через год после введения азотнокислого плутония обнаружено 51% введенного количества.
В первые 15 суток период полувыведения 239Pu (VI) из места инъекции составляет 6— 7,5 суток. 35—40% введенного количества, оставшегося на месте инъекции, выводится с полупериодом 184 суток. Период полувыведения хлористого 239Pu (III) из мышечной ткани составляет 117 суток, азотнокислого 239Pu (VI) — 495 суток [4]. 65÷96% резорбированного 239Pu (на 3—7 сутки после инъекции) задерживается в скелете.
Наблюдалась и чрезвычайно низкая резорбция цитрата Pu (VI) — 3% за 4 суток, доли, отложившиеся в скелете и печени, составили 30 и 26% [38]. А при внутримышечной инъекции крысам в икроножную мышцу мономерного нитрата 239Pu — высокая резорбция: через 3 суток в месте введения обнаружено только 35% от введенного количества, доли, отложившиеся в скелете и печени, составили 84 и 15% [10].
Уровень всасывания PuO2 объясняется размером частиц [12]. Обожженная двуокись плутония с размером частиц менее 0,7 мкм отличается более высокой подвижностью в колотой ране лапы собак, чем PuO2, с более крупным размером частиц [28]. При нанесении PuO2 на поврежденную кожу кроликов плутоний в кровяном русле не обнаружен [49]. Доказана возможность накопления плутония в органах при подкожной имплантации металлического плутония [53]. Резорбция за длительный период жизни кроликов (260—1048 суток) и у крыс (356—580 суток) составила 0,16-1,2 и 0,09—0,28%, соответственно.
Все растворимые соединения плутония и америция согласно классификации, использованной в публикации [31], отнесены к сильному виду удержания в ране (таблица 1). Однако, согласно параметрам классификации, для подкожного введения пентакарбоната аммония 239Pu наблюдается слабое, а лимоннокислого 239Pu - умеренное удержание [3], при внутримышечной инъекции азотнокислого 239Pu, нитрата и гидроокиси 241Am — сверхсильное удержание [12,35] (Рис. 3).