13.7. Кинетика обмена, распределение и выведение радионуклидов

Поступив в организм, радиоактивные вещества всасываются в кровь и лимфу и разносятся по различным органам и тканям. Знание закономерностей распределения, особенностей обмена и депонирования радионуклидов, их перераспределение в организме имеет исключительно большое значение, так как дает представление о преимущественном лучевом поражении тех или иных органов, позволяет понять механизм действия радионуклида, установить критический орган, оценить величину облучения критического органа и дать заключение о прогнозе лучевого поражения.

В отечественной и иностранной литературе имеется большое число работ по изучению особенностей обмена и закономерностей распределения радионуклидов в организме. Однако изучение вопросов распределения нельзя считать завершенным, так как метаболизм радионуклидов в организме представляет собой динамический процесс, обусловленный физико-химическими и физиологическими факторами.

Распределение радиоактивных веществ в организме может быть различным. Радиоактивные и стабильные изотопы одного и того же элемента, обладая одинаковыми химическими и физическими свойствами, распределяются в организме однотипно. Однако одни радионуклиды распределяются в организме равномерно по всем органам и тканям, другие же проявляют тропность к определенным органам, где и откладываются. Орган с преимущественным накоплением радионуклида, подвергающийся наибольшей опасности вследствие значительного облучения, называется критическим органом.

Существует понятие «коэффициент отложения» радиоактивного вещества. Это доля радионуклида, поступившая из крови в данный орган. Если радионуклид всасывается через кишечник, то через 5-10 мин после введения он поступает в кровь и лимфу. Концентрация его в крови зависит от введенного количества, скорости резорбции и скорости выделения из организма. Кровь является активной средой, вступающей во взаимодействие с молекулами радионуклида, образуя растворимые и нерастворимые комплексы. Поэтому в органы и ткани радионуклид может поступать как в свободном состоянии, так и в виде радиоколлоидов.

Все радионуклиды по характеру своего распределения условно делят на четыре группы:

1. остеотропные — ³²P, ⁴⁵Са, ⁹⁰Sr, ⁹⁰Y, ⁹⁵Zr, ¹⁴⁰Ba, ²²⁶Ra, ²³⁸U, ²³⁹Pu (цитрат);
2. преимущественно накапливающиеся в органах с ретикулоэндотелиальной тканью (печень) ¹⁴⁰La, ¹⁴⁴Ce, ¹⁴⁷Pm, ²²⁷Ac, ²³²Th, ²³⁹Pu (нитрат);
3. специфически участвующие в обмене веществ и избирательно накапливающиеся в отдельных органах и тканях: ¹³¹I в щитовидной железе, ⁵⁹Fe в эритроцитах, ⁶⁵Zn в поджелудочной железе, ⁹⁹Мо в радужной оболочке глаза;
4. равномерно распределяющиеся по всем органам и тканям: ³Н, ⁴⁰К, ⁸⁶Rb, ⁹⁵Nb, ¹⁰⁶Ru, ¹³⁷Cs.

Характер распределения радиоактивных веществ в организме не является неизменным. Имеется целый ряд факторов, которые могут существенно менять характер распределения радионуклидов. Распределение радионуклидов в организме обусловлено их химическими свойствами, способностью образовывать коллоиды и легко гидролизоваться.

Существует определенная связь между валентностью элементов и их распределением. Одновалентные катионы (Li, Na, К, Rb и Cs) равномерно распределяются в организме, двухвалентные (Be, Ca, Sr, Ba и Ra) преимущественно накапливаются в скелете. Трех- и четырехвалентные катионы (La, Се, Pm, Hf, Th, Am) — в печени. Пяти-, шести- и семивалентные элементы (F, С1, Вг, Те, Mb, Sb, Po) откладываются в почках или распределяются равномерно.

Первоначальный тип распределения радионуклидов в организме может изменяться, так как со временем, вследствие обмена, происходит перераспределение нуклидов в организме. Одни органы прочно удерживают на длительный срок радионуклиды, другие относительно быстро освобождаются от них.

На характер распределения радионуклида влияет весовое количество носителя. Так, при добавлении стабильного Y к невесомым количествам радиоактивного Y изменяется характер его распределения: из остеотропного он становится гепатотропным. Распределение радионуклидов в организме зависит от рН раствора. При повышении рН отложение ²³¹Ра и ¹⁴⁴Се в органах, богатых ретикулоэндотелиальными клетками, значительно увеличивается, а в почках и костях уменьшается. Известные комплексообразователи (этилендиаминтетрауксусная кислота, пентацин) могут изменять характер распределения радионуклидов (радиопротекторы).

Распределение радионуклидов в организме может изменяться в зависимости от исходного состояния центральной нервной системы. Угнетение центральной нервной системы способствует накоплению, а возбуждение, наоборот, снижению содержания нуклидов Sr и Со в органах и тканях. При возбуждении центральной нервной системы кардиозолом увеличивается накопление радиоактивных веществ во внутренних органах. Угнетение нервной системы люминалом вызывает снижение содержания некоторых радионуклидов в паренхиматозных органах и увеличивает отложение их в костях. Некоторые радионуклиды (²¹⁰Ро) способны накапливаться в значительном количестве в воспалительном очаге и опухолевой ткани.

При хроническом поступлении радионуклидов в организм наблюдается постепенное накопление изотопов в органах и тканях. Через определенное время в зависимости от скорости обменных процессов, периода полураспада, эффективного периода полувыведения, наступает равновесное состояние, когда, несмотря на ежесуточное введение радионуклида, содержание его в организме остается постоянным. Это связано с тем, что количество радионуклида, ежесуточно поступающего в организм, становится равным количеству, выводящемуся из организма в результате обмена и физического распада. Равновесное состояние изотопов в организме может сохраняться при наличии постоянства скорости обменных процессов. Факторы, влияющие на обменные процессы, могут нарушить равновесное состояние. Равновесное состояние может быть нарушено вследствие изменения величины и ритма поступления изотопа, а также при нарушении структуры и функции органа при лучевом повреждении. Распределение радионуклидов внутри одного и того же органа может быть неравномерным.

Установлено, что ⁹⁰Sr и ²²⁶Ra при однократном введении в организм концентрируются в определенных участках скелета, а именно: в растущей части трубчатых костей — метафизах и эпифизах. При ингаляции ²³⁹Pu неравномерно распределяется в ткани легкого. Вокруг бронхов наблюдаются очаговые скопления ²³⁹Pu, такие же скопления обнаружены в лимфатических узлах средостения, в стенке альвеол и альвеолярных макрофагах. При введении ¹³¹I также наблюдается неравномерное распределение его в микроструктурных элементах щитовидной железы. Микрораспределение радионуклидов имеет важное значение в тканевой дозиметрии при оценке мощности тканевой дозы, а также в определенной мере может помочь в выяснении патогенеза лучевого поражения отдельных органов и систем. Органы с повышенным содержанием радионуклидов будут получать большую дозу облучения, что может сказаться на тяжести лучевого поражения. Накопление радионуклида в зоне роста костной ткани приводит к образованию «горячих пятен», где количество его может превышать в 5- 20 раз содержание нуклида в ближайших тканях. Распределение некоторых радионуклидов в организме человека представлено в табл. 13.11.

Процессы выведения радионуклидов из организма протекают с различными скоростями и зависят от многих факторов, а также от функционального состояния выделительных систем. Наибольшее количество радиоактивных веществ выделяется через ЖКТ, особенно радионуклиды, которые плохо всасываются в пищеварительном тракте: трансурановые элементы, лан-таноиды. Растворимые соединения радионуклидов, а также НТО, ¹³⁷Cs хорошо выделяются через почки. Величина и скорость выведения радиоактивных веществ из организма зависят от их физико-химических свойств. Быстро выводятся из организма газообразные ^ЗH,²²²Rn, ¹³³Xe, ⁸⁵Кг. Основное количество радиоактивных газов выделяется через легкие и кожу. Наибольшее число радионуклидов выделяется в первые дни после введения их в организм. Длительно задерживаются в органах и тканях изотопы элементов с большой атомной массой, а также радионуклиды, находящиеся в организме в коллоидном состоянии (²¹⁰Ро, ²²⁶Ra, ²³⁸U и РЗЭ). Относительно быстро выводятся из организма ²⁴Na, ¹³⁷Сз, ¹³¹I и др. Радионуклиды, образующие коллоидные комплексы с белками, поступают в печень и выделяются с желчью в кишечник.

Таблица 13.11

Распределение некоторых радионуклидов в организме человека

Одним из основных органов выделения радиоактивных веществ из организма являются почки. Большинство растворимых радионуклидов выделяется через почки в течение первых суток. Радиоактивные аэрозоли, а также продукты распада Ra, Th, Rn могут выделяться из организма через органы дыхания.

Процессы экскреции радиоактивных веществ из легких, кишечника, почек неразрывно связаны с явлениями реабсорбции. Величина реабсорбции радионуклидов при выделении из организма может быть различной, поэтому эти данные необходимо учитывать при оценке величины депонирования радионуклидов. Уменьшение содержания радиоактивного вещества в организме может происходить не только вследствие его выведения, но и благодаря радиоактивному распаду, что особенно характерно для короткоживущих радионуклидов. Биологическое выведение и радиоактивный распад — это два независимых процесса. Время, в течение которого из организма выделяется половина однократно поступившего радионуклида, называют биологическим периодом полувыведения (). Фактическая же убыль радиоактивного изотопа в организме измеряется эффективным периодом полувыведения (). Это время, в течение которого организм освобождается от половины депонированного в нем вещества как путем биологического выведения, так и вследствие радиоактивного распада

(13.9).

Для долгоживущих радионуклидов эффективный период полувыведения в основном определяется биологическим выведением. Эффективный период полувыведения зависит от вида химического соединения радионуклида, особенностей его распределения, поступившего количества, функционального состояния органов выделения, и времени, прошедшего после поступления радионуклида в организм.

Выведение радиоактивных веществ из организма представляет собой сложный процесс, так как каждый орган имеет свое значение (табл. 13.12).

Таблица 13.12

Эффективные периоды полувыделения некоторых радионуклидов из организма, сут

Использование относительно простых (одно-, двух- или трехэкспоненциальных) моделей выведения радионуклидов из органов является слишком приближенным описанием процессов метаболизма радионуклидов в организме человека. Поэтому для значительного количества радионуклидов уже разработаны подробные биокинетические модели, учитывающие сложные процессы перераспределения радионуклидов между органами. Пример биокинетической модели поведения радионуклидов железа представлен на рис. 13.8. Параметры данной модели представлены в табл. 13.13. Биокинетическая модель для тория и трансурановых элементов приведена на рис. 13.9. Параметры данной модели для плутония, взятые непосредственно из базы данных МКРЗ, представлены в табл. 13.14.

Рис. 13.10. Диаграмма биокинетической модели для железа

Таблица 13.13

Возраст-специфические константы биокинетической модели для железа (сут^-1)

Рис. 13.11. Диаграмма биокинетической модели для тория, нептуния, плутония, америция и кюрия

Таблица 13.14

Возраст-специфические константы биокинетической модели для плутония (сут^-1)

С использованием биокинетических моделей поведения радионуклидов в организме человека, путем составления и решения системы дифференциальных уравнений первого порядка, может быть рассчитана активность радионуклида s в органе в момент времени после поступления радионуклида в кровь — .