РАЗНОЕ (последнее)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ОБЩЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. РАДИАЦИОННЫЙ РИСК ОБРАЗОВАНИЯ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ У КОСМОНАВТОВ В ТЕЧЕНИЕ ИХ ЖИЗНИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕЖПЛАНЕТНОГО И ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
Публикации на разные темы ("без рубрики").
Государственный научный центр РФ "Институт медико-биологических проблем"
____________________________
Рассмотрены модельные представления о бласттрансформации клеток и развитии опухолей у человека при воздействии ионизирующих излучений с различной мощностью дозы и длительностью облучения. Представлены данные эпидемиологических исследований о риске развития опухолей различных органов и тканей в течение года в расчете на единицу поглощенной дозы (на 1 с Гр) после облучения людей разного возраста. Проведены оценки вероятности развития опухолей у мужчин различного возраста в течение жизни при хроническом облучении разной длительности в расчете на единицу дозы. На основе вышеуказанных данных и с учетом возможных дозовых нагрузок на членов экипажей при осуществлении межпланетного и орбитальных космических полетов проведены расчеты риска развития опухолей у космонавтов в течение жизни. Проанализирована зависимость радиационного риска канцерогенеза от характера полета, его продолжительности, толщины защиты космического аппарата, цикла солнечной активности. В работе сопоставляются значения суммарного радиационного риска и риска развития опухолей для космонавтов, осуществляющих полет в различном возрасте.
Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2000. - Т.34, N 1.-С. 14-21
Значительная реальная опасность воздействия ионизирующих излучений в отношении увеличения вероятности развития неопластических заболеваний была осознана сравнительно недавно, после почти 40-летнего наблюдения за лицами, оказавшимися жертвами атомных бомбардировок или испытаний ядерного оружия. Кроме того, значительные материалы об увеличении вероятности выхода рака при больших уровнях доз были получены в результате терапевтического использования ионизирующих излучений в клинике.
Основная сложность в отношении определения риска выхода опухолей разных органов и тканей и общего канцерогенного риска для случаев воздействия в меньших дозах связана с точностью экстраполяции в область малых доз и малых значений мощностей доз для излучений с различной плотностью ионизации и биологической эффективностью. При такой экстраполяции необходимо использовать основные закономерности о действии излучений с различной величиной ЛПЭ, различной мощностью дозы на клеточном, тканевом и организменном уровнях. Прежде всего это относится к наиболее часто встречающимся, относительно простым подходам по прогнозу вероятности раковых заболеваний, связанным с использованием модельных представлений о развитии первичных генетических повреждений и вероятности бластомогенной трансформации клеток. При этом подразумевается пропорциональная связь между выходом первично измененных клеток и вероятностью последующего развития новообразований. В этих подходах уже включается в анализ взаимодействие между собой первично возникающих повреждений в клетке, приводящих к возникновению необратимо измененных клеток или к восстановлению повреждений.
При рассмотрении данной проблемы более сложные модельные представления дополнительно включают вопросы гибели предканцерогенных клеток в более позднем периоде либо за счет продолжающегося облучения в связи с их высокой радиочувствительностью, либо в результате воздействия эндогенных факторов, обусловленных активацией защитных систем организма.
Из-за сложности самого процесса канцерогенеза (наличия длительного латентного периода до момента развития самой опухоли, вероятностного характера ее формирования, действия многих факторов и аспектов, еще недостаточно изученных) более громоздкие модельные представления сегодня не могут быть убедительно ни доказанными, ни опровергнутыми. В экспериментальных исследованиях они, как правило, выдвигаются для объяснения характера наблюдаемой зависимости выхода опухолей от дозы. Однако,
стр. 14
--------------------------------------------------------------------------------
во-первых, эти исследования осуществляются на недостаточно большом статистическом материале (в отличие от эпидемиологических данных) и среднеквадратическая погрешность для каждого значения дозы является значительной, во-вторых, используется недостаточно большое количество доз, что затрудняет обоснование вида зависимости как в области малых доз, так и при больших дозах. В-третьих, зависимость выхода опухолей для различных органов и тканей от дозы носит неодинаковый характер, что обусловлено различной радиочувствительностью клеток этих тканей, разной скоростью пролиферации и способностью восстановления.
Все вышеуказанное обусловливает то, что в настоящее время получил максимальное распространение лишь первый, более упрошенный подход, при котором прогноз вероятности развития неопластических заболеваний связывается с числом образовавшихся и сохраненных бласттрансформированных клеток в ближайшем пострадиационном периоде [4, 6, 7, 13- 15, 17-19]. В последнее время общепризнанной также является концепция о беспороговом бластомогенном действии ионизирующих излучений, предполагающая, что даже незначительное увеличение космического фона излучений и увеличение уровней радиационного воздействия приведут к конечному, отличному от нуля, увеличению выхода рака по сравнению с нормальным обычным уровнем. Этот принцип впервые был сформулирован в работе [5] и используется в значительном числе публикаций, посвященных оценке риска развития новообразований при радиационных воздействиях, в том числе и в работах [4, 6, 13-15, 17-19].
Как указывалось выше, на основе данных длительных наблюдений за лицами, подвергавшимися атомным бомбардировкам, облучению по следу радиоактивного облака, при испытаниях атомного оружия, а также анализа клинических материалов по терапевтическому использованию ионизирующих излучений получены оценки по выходу опухолей различных органов и тканей для людей различного возраста, которые систематизированы в соответствующие эпидемиологические таблицы. Эти данные постоянно корректировались с учетом уточнения доз, поглощенных при ядерных взрывах. В последнее время в исследованиях при вычислении радиационного риска [15, 16, 19] используются материалы, разработанные рабочей группой Национального института здоровья США, с уточненными радиоэпидемиологическими данными [17].
Имеется, как правило, неопределенность в установлении риска развития опухолей при малых уровнях доз и малых мощностях дозы для излучений с низкими значениями ЛПЭ. Для излучений с высокими значениями ЛПЭ сравнительно точную оценку можно получить с помощью простой линейной экстраполяции значений риска с больших уровней доз в область малых. Вопрос экстраполяции для редкоионизирующих излучений более сложен и связан с выбором какой-либо модели, описывающей образование относительной доли предканцерогенных клеток, о которых говорилось выше. В наиболее общем виде зависимость выхода бласттрансформированных клеток от дозы может быть представлена следующим образом [13]:
где первый сомножитель определяет образование первичных предканцерогенных клеток в результате облучения, а экспоненциальный член - их последующую гибель. Коэффициент
определяет долю спонтанно образующихся клеток в отсутствии радиации. Коэффициент
характеризует среднюю долю первично образующихся бласттрансформированных клеток при облучении редкоионизирующим излучением с низкими значениями мощностей доз и определяет предельный наклон сигмоидной кривой выхода опухолей в области малых доз. Квадратичный член связан с увеличением эффективности образования первично измененных клеток при воздействии с более высокими значениями мощностей доз вплоть до острых воздействий и в более высоких дозах. Экспоненциальный член во многих исследованиях либо опускают, либо ограничиваются линейным членом в показателе экспоненты. В более простых случаях рассматривают просто линейную модель выхода предканцерогенных клеток:
В таблице представлены материалы по выходу рака различных органов и тканей в течение года на
человек в расчете на 1 сГр поглощенной дозы на основе радиоэпидемиологических данных работы [17], которые используются большинством исследователей при оценке риска радиационно-обусловленного выхода опухолей. Так, в работе [15] такие расчеты проводились как по линейной модели
(где D - поглощенная доза, Гр), так и по линейно-квадратичной модели
Коэффициент
основывается на линейной беспороговой концепции и может быть непосредственно использован для оценки выхода опухолей при воздействии излучений с высокими значениями ЛПЭ. Его значение выбиралось на основе данных работ [15, 17, 18] и равно 0,1 [1/Гр] (при расчете риска на
человек). При действии ионизирующего излучения линейная модель дает верхнюю завышенную оценку риска для малых доз, в то время как линейно- квадратичная более точно отражает вероятность образования опухоли при малых значениях доз и мощностей доз для излучений с малыми значениями ЛПЭ.
Значение линейного коэффициента для линейно-квадратичной модели получено путем деления коэффициента для линейной беспороговой модели [17, 18] на коэффициент 2,5, определяющий снижение эффективности образования опухолей при малой мощности дозы. В работе [15] при расчетах канцерогенного риска рекомендовали использовать этот фактор при мощности доз ниже 5 сГр/сут.
Отметим, что такой подход к учету влияния мощности дозы применяется и в других работах, но оценки значений коэффициентов редукции, определяющих степень снижения радиационно-обусловленного выхода опухолей, лежат в диапазоне от 2,0 до 5,0 [2, 6. 8, 11, 13]. Граничное значение мощности дозы, ниже которого рекомендуется использовать этот коэффициент, пока также не является общепризнанным.
стр. 15
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица
Выход опухолей различных органов и тканей в течение года на
человек для излучений с низким значением ЛПЭ в расчете на 1 сГр (от 5 до 35 лет наблюдения после облучения) [17]
В работе [6] рекомендуется пороговое значение мощности дозы 10 сГр/ч и коэффициент редукции, равный 2,0. Это же значение рекомендовано для описания снижения эффективности радиационных воздействий при дозе ниже 20 сГр и воздействии излучений с низкими значениями ЛПЭ [б].
Значения коэффициентов риска на единицу дозы в отношении развития опухолей в течение года для различных возрастных групп мужчин и женщин представлены в таблице. Вероятность реализации предканцерогенных изменений в клетках во времени и превращения их в опухоли с учетом обобщенного влияния факторов на тканевом и орган измен ном уровнях производится на основе представления о том, что имеется некоторое распределение вероятности возникновения опухоли вокруг среднего значения латентного периода Т (50 %) для каждого органа или ткани, которое принимают обычно в виде логнормального распределения.
Общая вероятность образования опухоли к моменту времени Т вычисляется на основе произведения вероятности выхода бласттрансформированных клеток при рассматриваемой дозе радиационного воздействия на значение интеграла вероятности для указанной плотности распределения событий образования опухоли от момента начала облучения до рассматриваемого времени Т. В наиболее общем виде выход определенного вида рака для отдельного органа к моменту времени Т в зависимости от длительности облучения
представлена в работе [13]:
где
- время начала облучения (возраст, годы);
вероятность бласттрансформации клетки на единицу дозы;
- мощность дозы радиационного воздействия;
- длительность облучения; n - число клеток в единицу массы данного органа; М - масса органа;
Т - текущий возраст, для которого определяется вероятность развития новообразования;
функция erf- интеграл ошибки.
Для расчета суммарных значений вероятностей радиационно-обусловленного риска развития опухоли к определенному возрасту необходимо проинтегрировать вероятность за весь промежуток времени от возраста, при котором облучение было начато, до исследуемого промежутка времени. Подобная модель распределения вероятности образования опухолей во времени для различных органов и тканей представлена в [12] и была использована при расчетах канцерогенного риска в работе [15]. В этой работе проводились расчеты риска образования опухолей за всю жизнь. Подход установления канцерогенного риска за всю жизнь является более простым, поскольку выражение в фигурных скобках стремится к 2,0 и вероятность выхода определяется лишь долей бласттрансформированных клеток. Он является более удобным для сравнения различных режимов облучения с отличающимся характером распределения дозы во времени, и ряд исследователей применяли его для оценки опасности радиационного воздействия в условиях космического
стр. 16
--------------------------------------------------------------------------------
пространства в отношении риска развития опухолей [14, 15, 19], а также при обосновании нормативных значений доз за всю профессиональную деятельность астронавтов [ 14-16, 19].
Часть выражения (2) вместе с сомножителем 0,5 может рассматриваться как некоторый коэффициент
определяющий вероятность образования опухоли в течение жизни из бласттрансформированных клеток. Следует отметить, что при непродолжительном облучении в относительно молодом возрасте этот коэффициент стремится к единице и мы наблюдаем развитие опухоли в течение жизни:
На основе данных, представленных в работе [15], нами рассчитаны значения коэффициента К (То, t) при облучении людей в течение одного года, 5, 10 и 20 лет с различным начальным возрастом То от 25 до 55 лет. Зависимость этих коэффициентов, отражающих вероятность развития опухоли в течение жизни, от начального возраста То представлена на рис. 1. Как видно из данных, представленных на рисунке, при кратковременном облучении людей старших возрастных групп или при протяженном профессиональном облучении с малой мощностью дозы, но в течение многих лет, людей, начинающих карьеру в молодом возрасте, этот коэффициент существенно меньше - единицы, поскольку из-за протяженного латентного периода развития опухолей они могут и не развиться за оставшийся промежуток жизни.
Анализируя значения риска выхода опухолей за год на единицу дозы, представленные в работе [15], можно обнаружить более высокие величины, чем в ранее опубликованных радиоэпидемиологических таблицах [17] (см. таблицу), что, по-видимому, связано с последующим уточнением значений риска развития опухолей различных органов и тканей и более широким спектром учитываемых опухолей.
На основе вышерассмотренных материалов нами были рассчитаны значения риска развития опухолей в течение жизни на 1 Зв эквивалентной дозы для космонавтов (астронавтов), начинающих свою деятельность в различном возрасте. Проведены два расчета на основе данных американских исследователей в работах [15, 17]. Первый расчет основан на использовании эпидемиологических данных о риске выхода опухолей различных органов и тканей на единицу дозы, представленных в работе [17] (см. таблицу). Второй осуществлен на основе данных, которые представлены в более поздней работе [15]. Рассматривали различные варианты длительности профессионального облучения в течение одного года, 10 и 20 лет, как это осуществлялось в работе [15]. Риск развития опухолей определяли к 65 годам. Сравнительные данные расчетов представлены на рис. 2.
Как видно из данных этого рисунка, радиационный риск на единицу дозы, рассчитанный на основе более современных данных, является существенно более высоким, особенно для молодых возрастных групп.
Рис. 1. Зависимость вероятности развития опухоли в течение жизни от возраста начала облучения и его продолжительности (из бласттрансформируемых клеток под воздействием облучения).
По оси абсцисс - начальный возраст облучения, годы; по оси ординат - вероятность развития опухоли за жизнь, отн. ед. К(То, t)
Рис. 2. Радиационный риск развития опухоли у человека за жизнь в расчете на единицу дозы (на 1 Зв) в зависимости от возраста начала облучения и его продолжительности (сравнительный расчет на основе [15, 17]).
По оси абсцисс - возраст начала облучения, годы; по оси ординат - риск выхода опухолей в течение жизни на 1 Зв, отн. ед.
Если руководствоваться принципом недопущения риска развития опухолей у космонавтов (астронавтов) в течение жизни выше 3 % (критерий, используемый в нормативах США [14-16]), то предельные значения доз за всю их профессиональную деятельность должны быть значительно снижены.
Предельные значения доз для космонавтов на основе последнего расчета риска, по данным работ [15, 17], при длительностях профессиональной работы один год, 10 и 20 лет представлены на рис. 3.
стр. 17
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 3. Предельно допустимое значение среднетканевой эквивалентной дозы в зависимости от возраста начала облучения и его продолжительности, чтобы риск развития опухоли за жизнь не превысил бы 3 % (сравнительный расчет на основе [15, 17])
По оси абсцисс - возраст начала облучения, годы; по оси ординат - эквивалентная доза, Зв
Как видно из рис. 2Б, в предположении, что длительность профессионального облучения космонавтов заключена в диапазоне одного года - 10 лет, допустимые дозы (при сохранении вышеуказанного критерия) не должны превышать 75 сЗв для космонавтов, начинающих карьеру в возрасте 25 лет, и 240 сЗв для космонавтов в возрасте 55 лет (расчет по данным работы [15]).
Выше рассмотрен гипотетический случай равномерного облучения человека в течение всего профессионального периода с некоторой средней мощностью дозы. Представляет определенный интерес на основе вышерассмотренной методики провести также расчеты риска образования опухолей у космонавтов после завершения некоторых вариантов межпланетных и орбитальных полетов. Для наиболее точного определения риска образования опухолей у космонавтов можно было бы применить подход, предложенный в работах [5, б], с использованием концепции эффективной эквивалентной дозы. Для этого необходимо знать распределение эквивалентных доз по отдельным органам от различных источников радиационной опасности за каждый отдельный этап профессиональной деятельности космонавтов, предшествующий рассматриваемому полету, и в течение его. В условиях отсутствия данных по фантомным измерениям поглощенных доз различными органами при размещении фантомов внутри отсеков космических аппаратов указанный подход, с успехом применяемый в наземных условиях, пока не может быть использован при определении риска развития опухолей у космонавтов.
Сегодня поэтому приемлемым дозиметрическим функционалом для расчета канцерогенного риска может служить суммарная величина среднетканевой эквивалентной дозы за всю предшествующую профессиональную деятельность и в течение рассматриваемого полета. Предполагается при этом, что все органы и ткани оказываются подвержены воздействию в данной дозе.
Для полноты оценки дозовой нагрузки на космонавтов следует учитывать также радиационное воздействие при рентгенодиагностических процедурах. Эффективная эквивалентная доза, определяемая по данным рентгенологических процедур согласно нормативно-техническому документу [3], может быть использована в качестве верхней оценки исходного значения среднетканевой эквивалентной дозы до проведения первого космического полета. По данным вышерассмотренных исследований [15, 17], для оценки суммарной величины риска канцерогенеза за жизнь следует использовать суммарное значение риска выхода опухолей всех локализаций на единицу дозы.
Среднетканевая эквивалентная доза, оцениваемая в ходе полета, может быть рассчитана на основе выбранного стандартизованного фантома модели тела человека [I], знания радиационной обстановки на трассе полета, толщины защиты различных отсеков космического аппарата, средней циклограммы размещения членов экипажа в течение суток в различных отсеках. Она может быть скорректирована с учетом данных системы бортовой дозиметрии.
При проектировании защиты космических аппаратов в случае проведения межпланетного полета в период максимальной солнечной активности, кроме детерминированного значения среднетканевой дозы от ГКЛ, оцениваются также среднее значение среднетканевой эквивалентной дозы от стохастических источников излучения в космосе и его среднеквадратическое отклонение. При этом в расчетах используются стандартизованные стохастические модели солнечных вспышек и метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Расчеты проводятся для большого числа историй. В результате расчетов по программе, кроме среднего значения среднетканевой эквивалентной дозы за
историй, возможно оценить также риск его превышения [8]. Это позволяет получить как среднее значение вероятности развития опухолей у космонавтов за счет радиационного воздействия в ходе рассматриваемого полета, так и риск его превышения.
В работах [8-11] представлены алгоритмы и материалы расчетов суммарного радиационного риска в ходе полетов и в отдаленном послеполетном периоде. В алгоритме и программе расчета суммарного радиационного риска предусмотрена подпрограмма расчета суммарного среднего значения среднетканевой эквивалентной дозы от различных источников радиационной опасности в космосе.
На основе вышерассмотренных данных и работы [15] можно представить выражение для расчета радиационного риска развития опухолей в течение жизни у человека при воздействии излучений с низкими значениями ЛПЭ с небольшими величинами доз и мощности дозы:
где коэффициент
D - Среднетканевая эквивалентная доза; К (То, t) - функционал от возраста начала облучения То и его продолжительности t, представляющий собой вероятность развития опухоли
стр. 18
--------------------------------------------------------------------------------
в течение жизни (уравнение (3) и рис. 1); F - фактор, определяющий снижение эффективности образования опухолей при малой мощности дозы, значение которого равно 2,5 [15]. Расчеты радиационного риска развития опухолей у космонавтов на основе данных о суммарных значениях среднетканевых эквивалентных доз с использованием уравнения (4) могут служить его нижней оценкой.
При описании радиационного риска смертности в отдаленном периоде и анализе эффектов радиационно-обусловленного сокращения продолжительности жизни в работах [2, 11] отмечено отсутствие зависимости указанных эффектов от мощности дозы в условиях воздействия излучений с высокой плотностью ионизации (воздействие быстрых нейтронов реакторного спектра с ЛПЭ в пределах 60-78 кэВ/мкм с мощностью дозы, изменяющейся в диапазоне от 0,1 до 1000 сЗв/сути более). При воздействии этих излучений в отличие от гамма-излучения не наблюдали снижения радиобиологической эффективности со снижением мощности дозы. Для этих видов излучений в данном диапазоне мощностей доз не наблюдается также уменьшения эффективности бласттрансформации клеток и вероятности образования опухолей с уменьшением мощности дозы. Потому при определении риска выхода опухолей у человека после воздействия излучений с высокими ЛПЭ значение коэффициента F в уравнении (4) следует принять равным 1,0. В этом случае может быть получена максимальная оценка радиационного риска выхода опухолей в течение жизни. Именно этот подход мы применяли далее для получения верхней оценки радиационного риска выхода опухолей у космонавтов в течение жизни.
Рассчитанные нами величины суммарного радиационного риска для космонавтов в возрасте 40 лет (аналогично расчетам в работе [11]) и риска развития опухолей в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в различные периоды солнечной активности (для толщины защиты бортового отсека космического аппарата, равной
представлены на рис. 4. Как видно из представленных данных, суммарный радиационный риск более чем в 2,5 раза превышает риск развития опухолей, поскольку включает кроме выхода опухолей также риск гибели в результате других неопухолевых заболеваний. Следует отметить, что, хотя суммарная среднетканевая доза в рассмотренных случаях не превышала 132 сЗв (менее допустимого уровня за всю профессиональную деятельность), радиационный риск развития опухолей может вдвое превысить предельное значение риска (3 %), допускаемое существующими нормативными документами для американских астронавтов за всю их профессиональную деятельность [14-16]. Поскольку в основном вклад в суммарную среднетканевую дозу при рассматриваемой толщине защиты космического аппарата определялся ГКЛ, которые характеризуются большой плотностью ионизации и высокими значениями ЛПЭ, при расчетах принимали значение коэффициента F в уравнении (4) равным 1,0. При этом проводилась максимальная оценка риска развития опухолей в течение жизни космонавтов.
Рис. 4. Суммарные значения радиационного риска и риска развития опухолей в течение жизни у космонавтов, начинающих полет в возрасте 40 лет, в зависимости от длительности межпланетного космического полета в различные периоды солнечной активности (СА) при толщине защиты бортового отсека космического аппарата Хбо =30 г/см 2
По оси абсцисс - длительность полета, сутки; по оси ординат - суммарный радиационный риск и риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Рис. 5. Радиационный риск развития опухолей у космонавтов различного возраста в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в период максимума солнечной активности (толщина защиты Хбо =30 г/см 2 ).
По оси абсцисс - длительность полета, сутки; по оси ординат - риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Из данных рис. 4 видно, что при рассматриваемом уровне защиты космического аппарата максимальные значения радиационного риска имеют место в случае межпланетного космического полета, осуществляемого в период минимума солнечной активности, а минимальные - при полете в период максимума солнечной активности.
Данные о радиационном риске развития опухолей у космонавтов различного возраста в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в период максимума солнечной активности (толщина защиты отсека космического аппарата 30 г/см 2 ), представлены на рис. 5.
стр. 19
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 6. Суммарный радиационный риск и риск развития опухолей у космонавтов в течение жизни в зависимости от возраста космонавтов на начало межпланетного космического полета (длительность полета 2 года в период максимальной солнечной активности, толщина защиты Хбо =30 г/см 2 ).
По оси абсцисс - возраст космонавтов на начало полета, годы; по оси ординат - суммарный радиационный риск и риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Рис. 7. Радиационный риск развития опухолей в течение жизни у космонавтов в возрасте 40 лет в зависимости от длительности орбитального космического полета, осуществляемого в различные периоды солнечной активности (орбита станции "Мир", Хбо = 10 г/см 2 ).
По оси абсцисс - длительность орбитального полета, сутки; по оси ординат - риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Можно отметить существенную зависимость риска развития опухолей после полета от возраста космонавтов. У космонавтов, осуществляющих полет в более молодом возрасте, более высокие значения радиационного риска развития опухолей.
На рис. 6 приведены значения суммарного радиационного риска, рассчитанного на основе работы [11], и риска развития опухолей в зависимости от возраста космонавтов на начало межпланетного полета (рассматривается межпланетный полет в период максимальной солнечной активности продолжительностью 2 года при толщине защиты бортового отсека космического аппарата, равной 30 г/см 2 ). На рисунке представлены две кривые риска развития опухолей, соответствующие максимальной (F = 1) и минимальной (F == 2,5) расчетной оценке, о которых говорилось выше. Как видно из данных, представленных на рисунке, суммарный радиационный риск для космонавтов в результате всех причин гибели в течение всей жизни (к 70 годам) существенно превышает риск развития опухолей, особенно для лиц старших возрастных групп. Риск развития опухолей для космонавтов, начинающих полет в возрасте 25 лет, составляет большую часть суммарного радиационного риска. В то же время для космонавтов, начинающих свою профессиональную деятельность в возрасте 45-55 лет, он в 4-8 раз ниже. Ведущими причинами гибели в отдаленном периоде для космонавтов указанной возрастной группы, по- видимому, являются неопухолевые заболевания, поскольку вероятность развиться опухоли в течение жизни у них существенно ниже, чем у космонавтов более молодого возраста.
Значительно более высокие значения суммарного радиационного риска и слабая его зависимость от возраста космонавтов делают более предпочтительным использование именно этого показателя, наряду с оценками возможного сокращения продолжительности жизни [11] для целей нормирования уровней радиационного воздействия на космонавтов по сравнению с риском развития опухолей.
Данные о величине радиационного риска развития опухолей в течение жизни у космонавтов в возрасте 40 лет в зависимости от длительности орбитального космического полета (орбита ОК "Мир", Х = 10 г/см 2 ), осуществляемого в различные периоды солнечной активности (максимальная оценка, коэффициент F = 1,0), представлены на рис. 7. Из сравнения данных, приведенных на рис. 4 и 7, видно, что после осуществления орбитальных космических полетов на высоте 400 км с углом наклона плоскости орбиты к плоскости экватора
величина радиационного риска развития опухолей у космонавтов существенно ниже, чем после межпланетного космического полета (даже при меньшей толщине защиты космического аппарата), что связано с меньшими уровнями облучения при одинаковой длительности полета.
Как свидетельствуют данные, представленные на рисунке, максимальные значения радиационного риска канцерогенеза имеют место при осуществлении орбитального космического полета в период нечетного минимума солнечной активности. Такой же вывод был сделан в работе [11] в отношении суммарного радиационного риска для космонавтов при проведении полетов на орбитальном комплексе "Мир".
Литература
1. ГОСТ 25645.203-83. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. - М., 1984.
2. Григорьев Ю.Г., Попов В.И., Шафиркин А.В., Антипенко Ж.Б. Соматические эффекты хронического гамма-облучения. - М., 1986.
стр. 20
--------------------------------------------------------------------------------
3. Методические указания. РД.50-25645. 209-85. БРЭ-КАКП. Методика учета индивидуальных доз космонавтов в период их профессиональной деятельности. - М., 1986.
4. Радиация. Дозы, эффекты, риск. - М., 1990.
5. Радиационная защита. Рекомендации МКРЗ. Публикация N 26. - М., 1978.
6. Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 1990 года. Пределы годового поступления радионуклидов в организм работающих, основанные на рекомендациях 1990 года. Публикации N 60 и 61. - М., 1994.
7. Филюшкин И.В., Петоян И.М. // Материалы I Всесоюзного радиобиологического съезда 21-27 августа 1989 г. - Пущино, 1989. - Т. 4. - С. 856.
8. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П., Коломенский А.В. и др. //Авиакосм, и эколог, мед. - М., 1999. - Т. 33, N 3. -С. 56-61.
9. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П. // Там же. - М., 1999. - Т. 33, N3.-С. 13-15.
10. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П., Коломенский А.В. и др. //Там же.- N4. -С. 12-17.
11. Шафиркин А. В., Бенедиктова В. П. // Там же. - N 5. - С. 57-64.
12. BoicheJ.D. et al. //J. Nat. Cancer Inst. - 1985. - Vol. 74. - P. 955.
13. Dose-Response Relationship for Radiation-Induced Cancer U.N. Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Thirty-third Session of UNCEAR. Vienna, 25-29 June,1984.
14. Fry R.J.M., Nachtwey D.S. // Health Physics. - 1988.-Vol. 55, N 2.-P. 159-164.
15. Guidance on radiation received in space activities. Recommendation of the National Council on Radiation, Protection and Measurements NCRP, Report No. 98, 7910 Woodmont Avenue/Bethesda, MD, 20814, 1989.
16. Nachtwey D.S. // 19th Intersociety Conference on Environmental System. - San Diego, California, July 24-26, 1989.
17. Rail J.F. el al. Report of the National Institute of Health Ad. Hoc. Working Group to Develop Radioepidemiological Tables DHHS. Publication (NIH) No. 85- 2748. -Washington, 1985.
18. The Effect on Population of Exposure to Low Level of Ionizing Radiation. Report of the Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation, NAS/NRC, 1980.
19. Weyland М. et al. // Radiation Research - A Twentieth-Centure Perspective. 9th Abstract Congress ICRR, Toronto, 7-12 July, 1991.
Поступила 18.08.97
RADIATION RISK OF MALIGNANT TUMORS IN COSMONAUTS OVER LIFE TIME AS A RESULT OF PARTICIPATION IN INTERPLANETARY AND ОRBITAL MISSIONS
A.V.Shafirkin, V.P.Venediktova
Aviakosmicheskaya i Ekologicheskaya Meditsina (Russia), 2000, Vol. 34, No. 1, pp. 14-21
The paper considers model concepts of cell blast-transformation and oncogenesis in humans consequent to ionizing irradiation with varying dose rates and lengths of exposure. Presented are data of epidemic logic studies of oncologic risks for different organs and body tissues at different ages in a year since exposure calculated per a unit of absorbed dose (1 cGy). Probability of tumor development in males of different age due to chronic irradiation of various lengths was determined per a dose unit. Based on these data and with regard for possible dose loads on interplanetary and orbital crews, oncologic risk for cosmonauts was calculated in terms of life time. The dependence of radiation-induced oncologic risks on type and duration of space mission, shielding thickness, and solar cycle was analyzed. The authors compare values of the total radiation risk and oncologic risk for cosmonauts launched at various ages.
стр. 21
____________________________
Рассмотрены модельные представления о бласттрансформации клеток и развитии опухолей у человека при воздействии ионизирующих излучений с различной мощностью дозы и длительностью облучения. Представлены данные эпидемиологических исследований о риске развития опухолей различных органов и тканей в течение года в расчете на единицу поглощенной дозы (на 1 с Гр) после облучения людей разного возраста. Проведены оценки вероятности развития опухолей у мужчин различного возраста в течение жизни при хроническом облучении разной длительности в расчете на единицу дозы. На основе вышеуказанных данных и с учетом возможных дозовых нагрузок на членов экипажей при осуществлении межпланетного и орбитальных космических полетов проведены расчеты риска развития опухолей у космонавтов в течение жизни. Проанализирована зависимость радиационного риска канцерогенеза от характера полета, его продолжительности, толщины защиты космического аппарата, цикла солнечной активности. В работе сопоставляются значения суммарного радиационного риска и риска развития опухолей для космонавтов, осуществляющих полет в различном возрасте.
Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2000. - Т.34, N 1.-С. 14-21
Значительная реальная опасность воздействия ионизирующих излучений в отношении увеличения вероятности развития неопластических заболеваний была осознана сравнительно недавно, после почти 40-летнего наблюдения за лицами, оказавшимися жертвами атомных бомбардировок или испытаний ядерного оружия. Кроме того, значительные материалы об увеличении вероятности выхода рака при больших уровнях доз были получены в результате терапевтического использования ионизирующих излучений в клинике.
Основная сложность в отношении определения риска выхода опухолей разных органов и тканей и общего канцерогенного риска для случаев воздействия в меньших дозах связана с точностью экстраполяции в область малых доз и малых значений мощностей доз для излучений с различной плотностью ионизации и биологической эффективностью. При такой экстраполяции необходимо использовать основные закономерности о действии излучений с различной величиной ЛПЭ, различной мощностью дозы на клеточном, тканевом и организменном уровнях. Прежде всего это относится к наиболее часто встречающимся, относительно простым подходам по прогнозу вероятности раковых заболеваний, связанным с использованием модельных представлений о развитии первичных генетических повреждений и вероятности бластомогенной трансформации клеток. При этом подразумевается пропорциональная связь между выходом первично измененных клеток и вероятностью последующего развития новообразований. В этих подходах уже включается в анализ взаимодействие между собой первично возникающих повреждений в клетке, приводящих к возникновению необратимо измененных клеток или к восстановлению повреждений.
При рассмотрении данной проблемы более сложные модельные представления дополнительно включают вопросы гибели предканцерогенных клеток в более позднем периоде либо за счет продолжающегося облучения в связи с их высокой радиочувствительностью, либо в результате воздействия эндогенных факторов, обусловленных активацией защитных систем организма.
Из-за сложности самого процесса канцерогенеза (наличия длительного латентного периода до момента развития самой опухоли, вероятностного характера ее формирования, действия многих факторов и аспектов, еще недостаточно изученных) более громоздкие модельные представления сегодня не могут быть убедительно ни доказанными, ни опровергнутыми. В экспериментальных исследованиях они, как правило, выдвигаются для объяснения характера наблюдаемой зависимости выхода опухолей от дозы. Однако,
стр. 14
--------------------------------------------------------------------------------
во-первых, эти исследования осуществляются на недостаточно большом статистическом материале (в отличие от эпидемиологических данных) и среднеквадратическая погрешность для каждого значения дозы является значительной, во-вторых, используется недостаточно большое количество доз, что затрудняет обоснование вида зависимости как в области малых доз, так и при больших дозах. В-третьих, зависимость выхода опухолей для различных органов и тканей от дозы носит неодинаковый характер, что обусловлено различной радиочувствительностью клеток этих тканей, разной скоростью пролиферации и способностью восстановления.
Все вышеуказанное обусловливает то, что в настоящее время получил максимальное распространение лишь первый, более упрошенный подход, при котором прогноз вероятности развития неопластических заболеваний связывается с числом образовавшихся и сохраненных бласттрансформированных клеток в ближайшем пострадиационном периоде [4, 6, 7, 13- 15, 17-19]. В последнее время общепризнанной также является концепция о беспороговом бластомогенном действии ионизирующих излучений, предполагающая, что даже незначительное увеличение космического фона излучений и увеличение уровней радиационного воздействия приведут к конечному, отличному от нуля, увеличению выхода рака по сравнению с нормальным обычным уровнем. Этот принцип впервые был сформулирован в работе [5] и используется в значительном числе публикаций, посвященных оценке риска развития новообразований при радиационных воздействиях, в том числе и в работах [4, 6, 13-15, 17-19].
Как указывалось выше, на основе данных длительных наблюдений за лицами, подвергавшимися атомным бомбардировкам, облучению по следу радиоактивного облака, при испытаниях атомного оружия, а также анализа клинических материалов по терапевтическому использованию ионизирующих излучений получены оценки по выходу опухолей различных органов и тканей для людей различного возраста, которые систематизированы в соответствующие эпидемиологические таблицы. Эти данные постоянно корректировались с учетом уточнения доз, поглощенных при ядерных взрывах. В последнее время в исследованиях при вычислении радиационного риска [15, 16, 19] используются материалы, разработанные рабочей группой Национального института здоровья США, с уточненными радиоэпидемиологическими данными [17].
Имеется, как правило, неопределенность в установлении риска развития опухолей при малых уровнях доз и малых мощностях дозы для излучений с низкими значениями ЛПЭ. Для излучений с высокими значениями ЛПЭ сравнительно точную оценку можно получить с помощью простой линейной экстраполяции значений риска с больших уровней доз в область малых. Вопрос экстраполяции для редкоионизирующих излучений более сложен и связан с выбором какой-либо модели, описывающей образование относительной доли предканцерогенных клеток, о которых говорилось выше. В наиболее общем виде зависимость выхода бласттрансформированных клеток от дозы может быть представлена следующим образом [13]:
где первый сомножитель определяет образование первичных предканцерогенных клеток в результате облучения, а экспоненциальный член - их последующую гибель. Коэффициент
определяет долю спонтанно образующихся клеток в отсутствии радиации. Коэффициент
характеризует среднюю долю первично образующихся бласттрансформированных клеток при облучении редкоионизирующим излучением с низкими значениями мощностей доз и определяет предельный наклон сигмоидной кривой выхода опухолей в области малых доз. Квадратичный член связан с увеличением эффективности образования первично измененных клеток при воздействии с более высокими значениями мощностей доз вплоть до острых воздействий и в более высоких дозах. Экспоненциальный член во многих исследованиях либо опускают, либо ограничиваются линейным членом в показателе экспоненты. В более простых случаях рассматривают просто линейную модель выхода предканцерогенных клеток:
В таблице представлены материалы по выходу рака различных органов и тканей в течение года на
человек в расчете на 1 сГр поглощенной дозы на основе радиоэпидемиологических данных работы [17], которые используются большинством исследователей при оценке риска радиационно-обусловленного выхода опухолей. Так, в работе [15] такие расчеты проводились как по линейной модели
(где D - поглощенная доза, Гр), так и по линейно-квадратичной модели
Коэффициент
основывается на линейной беспороговой концепции и может быть непосредственно использован для оценки выхода опухолей при воздействии излучений с высокими значениями ЛПЭ. Его значение выбиралось на основе данных работ [15, 17, 18] и равно 0,1 [1/Гр] (при расчете риска на
человек). При действии ионизирующего излучения линейная модель дает верхнюю завышенную оценку риска для малых доз, в то время как линейно- квадратичная более точно отражает вероятность образования опухоли при малых значениях доз и мощностей доз для излучений с малыми значениями ЛПЭ.
Значение линейного коэффициента для линейно-квадратичной модели получено путем деления коэффициента для линейной беспороговой модели [17, 18] на коэффициент 2,5, определяющий снижение эффективности образования опухолей при малой мощности дозы. В работе [15] при расчетах канцерогенного риска рекомендовали использовать этот фактор при мощности доз ниже 5 сГр/сут.
Отметим, что такой подход к учету влияния мощности дозы применяется и в других работах, но оценки значений коэффициентов редукции, определяющих степень снижения радиационно-обусловленного выхода опухолей, лежат в диапазоне от 2,0 до 5,0 [2, 6. 8, 11, 13]. Граничное значение мощности дозы, ниже которого рекомендуется использовать этот коэффициент, пока также не является общепризнанным.
стр. 15
--------------------------------------------------------------------------------
Таблица
Выход опухолей различных органов и тканей в течение года на
человек для излучений с низким значением ЛПЭ в расчете на 1 сГр (от 5 до 35 лет наблюдения после облучения) [17]
В работе [6] рекомендуется пороговое значение мощности дозы 10 сГр/ч и коэффициент редукции, равный 2,0. Это же значение рекомендовано для описания снижения эффективности радиационных воздействий при дозе ниже 20 сГр и воздействии излучений с низкими значениями ЛПЭ [б].
Значения коэффициентов риска на единицу дозы в отношении развития опухолей в течение года для различных возрастных групп мужчин и женщин представлены в таблице. Вероятность реализации предканцерогенных изменений в клетках во времени и превращения их в опухоли с учетом обобщенного влияния факторов на тканевом и орган измен ном уровнях производится на основе представления о том, что имеется некоторое распределение вероятности возникновения опухоли вокруг среднего значения латентного периода Т (50 %) для каждого органа или ткани, которое принимают обычно в виде логнормального распределения.
Общая вероятность образования опухоли к моменту времени Т вычисляется на основе произведения вероятности выхода бласттрансформированных клеток при рассматриваемой дозе радиационного воздействия на значение интеграла вероятности для указанной плотности распределения событий образования опухоли от момента начала облучения до рассматриваемого времени Т. В наиболее общем виде выход определенного вида рака для отдельного органа к моменту времени Т в зависимости от длительности облучения
представлена в работе [13]:
где
- время начала облучения (возраст, годы);
вероятность бласттрансформации клетки на единицу дозы;
- мощность дозы радиационного воздействия;
- длительность облучения; n - число клеток в единицу массы данного органа; М - масса органа;
Т - текущий возраст, для которого определяется вероятность развития новообразования;
функция erf- интеграл ошибки.
Для расчета суммарных значений вероятностей радиационно-обусловленного риска развития опухоли к определенному возрасту необходимо проинтегрировать вероятность за весь промежуток времени от возраста, при котором облучение было начато, до исследуемого промежутка времени. Подобная модель распределения вероятности образования опухолей во времени для различных органов и тканей представлена в [12] и была использована при расчетах канцерогенного риска в работе [15]. В этой работе проводились расчеты риска образования опухолей за всю жизнь. Подход установления канцерогенного риска за всю жизнь является более простым, поскольку выражение в фигурных скобках стремится к 2,0 и вероятность выхода определяется лишь долей бласттрансформированных клеток. Он является более удобным для сравнения различных режимов облучения с отличающимся характером распределения дозы во времени, и ряд исследователей применяли его для оценки опасности радиационного воздействия в условиях космического
стр. 16
--------------------------------------------------------------------------------
пространства в отношении риска развития опухолей [14, 15, 19], а также при обосновании нормативных значений доз за всю профессиональную деятельность астронавтов [ 14-16, 19].
Часть выражения (2) вместе с сомножителем 0,5 может рассматриваться как некоторый коэффициент
определяющий вероятность образования опухоли в течение жизни из бласттрансформированных клеток. Следует отметить, что при непродолжительном облучении в относительно молодом возрасте этот коэффициент стремится к единице и мы наблюдаем развитие опухоли в течение жизни:
На основе данных, представленных в работе [15], нами рассчитаны значения коэффициента К (То, t) при облучении людей в течение одного года, 5, 10 и 20 лет с различным начальным возрастом То от 25 до 55 лет. Зависимость этих коэффициентов, отражающих вероятность развития опухоли в течение жизни, от начального возраста То представлена на рис. 1. Как видно из данных, представленных на рисунке, при кратковременном облучении людей старших возрастных групп или при протяженном профессиональном облучении с малой мощностью дозы, но в течение многих лет, людей, начинающих карьеру в молодом возрасте, этот коэффициент существенно меньше - единицы, поскольку из-за протяженного латентного периода развития опухолей они могут и не развиться за оставшийся промежуток жизни.
Анализируя значения риска выхода опухолей за год на единицу дозы, представленные в работе [15], можно обнаружить более высокие величины, чем в ранее опубликованных радиоэпидемиологических таблицах [17] (см. таблицу), что, по-видимому, связано с последующим уточнением значений риска развития опухолей различных органов и тканей и более широким спектром учитываемых опухолей.
На основе вышерассмотренных материалов нами были рассчитаны значения риска развития опухолей в течение жизни на 1 Зв эквивалентной дозы для космонавтов (астронавтов), начинающих свою деятельность в различном возрасте. Проведены два расчета на основе данных американских исследователей в работах [15, 17]. Первый расчет основан на использовании эпидемиологических данных о риске выхода опухолей различных органов и тканей на единицу дозы, представленных в работе [17] (см. таблицу). Второй осуществлен на основе данных, которые представлены в более поздней работе [15]. Рассматривали различные варианты длительности профессионального облучения в течение одного года, 10 и 20 лет, как это осуществлялось в работе [15]. Риск развития опухолей определяли к 65 годам. Сравнительные данные расчетов представлены на рис. 2.
Как видно из данных этого рисунка, радиационный риск на единицу дозы, рассчитанный на основе более современных данных, является существенно более высоким, особенно для молодых возрастных групп.
Рис. 1. Зависимость вероятности развития опухоли в течение жизни от возраста начала облучения и его продолжительности (из бласттрансформируемых клеток под воздействием облучения).
По оси абсцисс - начальный возраст облучения, годы; по оси ординат - вероятность развития опухоли за жизнь, отн. ед. К(То, t)
Рис. 2. Радиационный риск развития опухоли у человека за жизнь в расчете на единицу дозы (на 1 Зв) в зависимости от возраста начала облучения и его продолжительности (сравнительный расчет на основе [15, 17]).
По оси абсцисс - возраст начала облучения, годы; по оси ординат - риск выхода опухолей в течение жизни на 1 Зв, отн. ед.
Если руководствоваться принципом недопущения риска развития опухолей у космонавтов (астронавтов) в течение жизни выше 3 % (критерий, используемый в нормативах США [14-16]), то предельные значения доз за всю их профессиональную деятельность должны быть значительно снижены.
Предельные значения доз для космонавтов на основе последнего расчета риска, по данным работ [15, 17], при длительностях профессиональной работы один год, 10 и 20 лет представлены на рис. 3.
стр. 17
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 3. Предельно допустимое значение среднетканевой эквивалентной дозы в зависимости от возраста начала облучения и его продолжительности, чтобы риск развития опухоли за жизнь не превысил бы 3 % (сравнительный расчет на основе [15, 17])
По оси абсцисс - возраст начала облучения, годы; по оси ординат - эквивалентная доза, Зв
Как видно из рис. 2Б, в предположении, что длительность профессионального облучения космонавтов заключена в диапазоне одного года - 10 лет, допустимые дозы (при сохранении вышеуказанного критерия) не должны превышать 75 сЗв для космонавтов, начинающих карьеру в возрасте 25 лет, и 240 сЗв для космонавтов в возрасте 55 лет (расчет по данным работы [15]).
Выше рассмотрен гипотетический случай равномерного облучения человека в течение всего профессионального периода с некоторой средней мощностью дозы. Представляет определенный интерес на основе вышерассмотренной методики провести также расчеты риска образования опухолей у космонавтов после завершения некоторых вариантов межпланетных и орбитальных полетов. Для наиболее точного определения риска образования опухолей у космонавтов можно было бы применить подход, предложенный в работах [5, б], с использованием концепции эффективной эквивалентной дозы. Для этого необходимо знать распределение эквивалентных доз по отдельным органам от различных источников радиационной опасности за каждый отдельный этап профессиональной деятельности космонавтов, предшествующий рассматриваемому полету, и в течение его. В условиях отсутствия данных по фантомным измерениям поглощенных доз различными органами при размещении фантомов внутри отсеков космических аппаратов указанный подход, с успехом применяемый в наземных условиях, пока не может быть использован при определении риска развития опухолей у космонавтов.
Сегодня поэтому приемлемым дозиметрическим функционалом для расчета канцерогенного риска может служить суммарная величина среднетканевой эквивалентной дозы за всю предшествующую профессиональную деятельность и в течение рассматриваемого полета. Предполагается при этом, что все органы и ткани оказываются подвержены воздействию в данной дозе.
Для полноты оценки дозовой нагрузки на космонавтов следует учитывать также радиационное воздействие при рентгенодиагностических процедурах. Эффективная эквивалентная доза, определяемая по данным рентгенологических процедур согласно нормативно-техническому документу [3], может быть использована в качестве верхней оценки исходного значения среднетканевой эквивалентной дозы до проведения первого космического полета. По данным вышерассмотренных исследований [15, 17], для оценки суммарной величины риска канцерогенеза за жизнь следует использовать суммарное значение риска выхода опухолей всех локализаций на единицу дозы.
Среднетканевая эквивалентная доза, оцениваемая в ходе полета, может быть рассчитана на основе выбранного стандартизованного фантома модели тела человека [I], знания радиационной обстановки на трассе полета, толщины защиты различных отсеков космического аппарата, средней циклограммы размещения членов экипажа в течение суток в различных отсеках. Она может быть скорректирована с учетом данных системы бортовой дозиметрии.
При проектировании защиты космических аппаратов в случае проведения межпланетного полета в период максимальной солнечной активности, кроме детерминированного значения среднетканевой дозы от ГКЛ, оцениваются также среднее значение среднетканевой эквивалентной дозы от стохастических источников излучения в космосе и его среднеквадратическое отклонение. При этом в расчетах используются стандартизованные стохастические модели солнечных вспышек и метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Расчеты проводятся для большого числа историй. В результате расчетов по программе, кроме среднего значения среднетканевой эквивалентной дозы за
историй, возможно оценить также риск его превышения [8]. Это позволяет получить как среднее значение вероятности развития опухолей у космонавтов за счет радиационного воздействия в ходе рассматриваемого полета, так и риск его превышения.
В работах [8-11] представлены алгоритмы и материалы расчетов суммарного радиационного риска в ходе полетов и в отдаленном послеполетном периоде. В алгоритме и программе расчета суммарного радиационного риска предусмотрена подпрограмма расчета суммарного среднего значения среднетканевой эквивалентной дозы от различных источников радиационной опасности в космосе.
На основе вышерассмотренных данных и работы [15] можно представить выражение для расчета радиационного риска развития опухолей в течение жизни у человека при воздействии излучений с низкими значениями ЛПЭ с небольшими величинами доз и мощности дозы:
где коэффициент
D - Среднетканевая эквивалентная доза; К (То, t) - функционал от возраста начала облучения То и его продолжительности t, представляющий собой вероятность развития опухоли
стр. 18
--------------------------------------------------------------------------------
в течение жизни (уравнение (3) и рис. 1); F - фактор, определяющий снижение эффективности образования опухолей при малой мощности дозы, значение которого равно 2,5 [15]. Расчеты радиационного риска развития опухолей у космонавтов на основе данных о суммарных значениях среднетканевых эквивалентных доз с использованием уравнения (4) могут служить его нижней оценкой.
При описании радиационного риска смертности в отдаленном периоде и анализе эффектов радиационно-обусловленного сокращения продолжительности жизни в работах [2, 11] отмечено отсутствие зависимости указанных эффектов от мощности дозы в условиях воздействия излучений с высокой плотностью ионизации (воздействие быстрых нейтронов реакторного спектра с ЛПЭ в пределах 60-78 кэВ/мкм с мощностью дозы, изменяющейся в диапазоне от 0,1 до 1000 сЗв/сути более). При воздействии этих излучений в отличие от гамма-излучения не наблюдали снижения радиобиологической эффективности со снижением мощности дозы. Для этих видов излучений в данном диапазоне мощностей доз не наблюдается также уменьшения эффективности бласттрансформации клеток и вероятности образования опухолей с уменьшением мощности дозы. Потому при определении риска выхода опухолей у человека после воздействия излучений с высокими ЛПЭ значение коэффициента F в уравнении (4) следует принять равным 1,0. В этом случае может быть получена максимальная оценка радиационного риска выхода опухолей в течение жизни. Именно этот подход мы применяли далее для получения верхней оценки радиационного риска выхода опухолей у космонавтов в течение жизни.
Рассчитанные нами величины суммарного радиационного риска для космонавтов в возрасте 40 лет (аналогично расчетам в работе [11]) и риска развития опухолей в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в различные периоды солнечной активности (для толщины защиты бортового отсека космического аппарата, равной
представлены на рис. 4. Как видно из представленных данных, суммарный радиационный риск более чем в 2,5 раза превышает риск развития опухолей, поскольку включает кроме выхода опухолей также риск гибели в результате других неопухолевых заболеваний. Следует отметить, что, хотя суммарная среднетканевая доза в рассмотренных случаях не превышала 132 сЗв (менее допустимого уровня за всю профессиональную деятельность), радиационный риск развития опухолей может вдвое превысить предельное значение риска (3 %), допускаемое существующими нормативными документами для американских астронавтов за всю их профессиональную деятельность [14-16]. Поскольку в основном вклад в суммарную среднетканевую дозу при рассматриваемой толщине защиты космического аппарата определялся ГКЛ, которые характеризуются большой плотностью ионизации и высокими значениями ЛПЭ, при расчетах принимали значение коэффициента F в уравнении (4) равным 1,0. При этом проводилась максимальная оценка риска развития опухолей в течение жизни космонавтов.
Рис. 4. Суммарные значения радиационного риска и риска развития опухолей в течение жизни у космонавтов, начинающих полет в возрасте 40 лет, в зависимости от длительности межпланетного космического полета в различные периоды солнечной активности (СА) при толщине защиты бортового отсека космического аппарата Хбо =30 г/см 2
По оси абсцисс - длительность полета, сутки; по оси ординат - суммарный радиационный риск и риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Рис. 5. Радиационный риск развития опухолей у космонавтов различного возраста в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в период максимума солнечной активности (толщина защиты Хбо =30 г/см 2 ).
По оси абсцисс - длительность полета, сутки; по оси ординат - риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Из данных рис. 4 видно, что при рассматриваемом уровне защиты космического аппарата максимальные значения радиационного риска имеют место в случае межпланетного космического полета, осуществляемого в период минимума солнечной активности, а минимальные - при полете в период максимума солнечной активности.
Данные о радиационном риске развития опухолей у космонавтов различного возраста в течение жизни в зависимости от длительности межпланетного полета, осуществляемого в период максимума солнечной активности (толщина защиты отсека космического аппарата 30 г/см 2 ), представлены на рис. 5.
стр. 19
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 6. Суммарный радиационный риск и риск развития опухолей у космонавтов в течение жизни в зависимости от возраста космонавтов на начало межпланетного космического полета (длительность полета 2 года в период максимальной солнечной активности, толщина защиты Хбо =30 г/см 2 ).
По оси абсцисс - возраст космонавтов на начало полета, годы; по оси ординат - суммарный радиационный риск и риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Рис. 7. Радиационный риск развития опухолей в течение жизни у космонавтов в возрасте 40 лет в зависимости от длительности орбитального космического полета, осуществляемого в различные периоды солнечной активности (орбита станции "Мир", Хбо = 10 г/см 2 ).
По оси абсцисс - длительность орбитального полета, сутки; по оси ординат - риск развития опухолей в течение жизни, отн. ед.
Можно отметить существенную зависимость риска развития опухолей после полета от возраста космонавтов. У космонавтов, осуществляющих полет в более молодом возрасте, более высокие значения радиационного риска развития опухолей.
На рис. 6 приведены значения суммарного радиационного риска, рассчитанного на основе работы [11], и риска развития опухолей в зависимости от возраста космонавтов на начало межпланетного полета (рассматривается межпланетный полет в период максимальной солнечной активности продолжительностью 2 года при толщине защиты бортового отсека космического аппарата, равной 30 г/см 2 ). На рисунке представлены две кривые риска развития опухолей, соответствующие максимальной (F = 1) и минимальной (F == 2,5) расчетной оценке, о которых говорилось выше. Как видно из данных, представленных на рисунке, суммарный радиационный риск для космонавтов в результате всех причин гибели в течение всей жизни (к 70 годам) существенно превышает риск развития опухолей, особенно для лиц старших возрастных групп. Риск развития опухолей для космонавтов, начинающих полет в возрасте 25 лет, составляет большую часть суммарного радиационного риска. В то же время для космонавтов, начинающих свою профессиональную деятельность в возрасте 45-55 лет, он в 4-8 раз ниже. Ведущими причинами гибели в отдаленном периоде для космонавтов указанной возрастной группы, по- видимому, являются неопухолевые заболевания, поскольку вероятность развиться опухоли в течение жизни у них существенно ниже, чем у космонавтов более молодого возраста.
Значительно более высокие значения суммарного радиационного риска и слабая его зависимость от возраста космонавтов делают более предпочтительным использование именно этого показателя, наряду с оценками возможного сокращения продолжительности жизни [11] для целей нормирования уровней радиационного воздействия на космонавтов по сравнению с риском развития опухолей.
Данные о величине радиационного риска развития опухолей в течение жизни у космонавтов в возрасте 40 лет в зависимости от длительности орбитального космического полета (орбита ОК "Мир", Х = 10 г/см 2 ), осуществляемого в различные периоды солнечной активности (максимальная оценка, коэффициент F = 1,0), представлены на рис. 7. Из сравнения данных, приведенных на рис. 4 и 7, видно, что после осуществления орбитальных космических полетов на высоте 400 км с углом наклона плоскости орбиты к плоскости экватора
величина радиационного риска развития опухолей у космонавтов существенно ниже, чем после межпланетного космического полета (даже при меньшей толщине защиты космического аппарата), что связано с меньшими уровнями облучения при одинаковой длительности полета.
Как свидетельствуют данные, представленные на рисунке, максимальные значения радиационного риска канцерогенеза имеют место при осуществлении орбитального космического полета в период нечетного минимума солнечной активности. Такой же вывод был сделан в работе [11] в отношении суммарного радиационного риска для космонавтов при проведении полетов на орбитальном комплексе "Мир".
Литература
1. ГОСТ 25645.203-83. Модель тела человека для расчета тканевой дозы. - М., 1984.
2. Григорьев Ю.Г., Попов В.И., Шафиркин А.В., Антипенко Ж.Б. Соматические эффекты хронического гамма-облучения. - М., 1986.
стр. 20
--------------------------------------------------------------------------------
3. Методические указания. РД.50-25645. 209-85. БРЭ-КАКП. Методика учета индивидуальных доз космонавтов в период их профессиональной деятельности. - М., 1986.
4. Радиация. Дозы, эффекты, риск. - М., 1990.
5. Радиационная защита. Рекомендации МКРЗ. Публикация N 26. - М., 1978.
6. Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите 1990 года. Пределы годового поступления радионуклидов в организм работающих, основанные на рекомендациях 1990 года. Публикации N 60 и 61. - М., 1994.
7. Филюшкин И.В., Петоян И.М. // Материалы I Всесоюзного радиобиологического съезда 21-27 августа 1989 г. - Пущино, 1989. - Т. 4. - С. 856.
8. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П., Коломенский А.В. и др. //Авиакосм, и эколог, мед. - М., 1999. - Т. 33, N 3. -С. 56-61.
9. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П. // Там же. - М., 1999. - Т. 33, N3.-С. 13-15.
10. Шафиркин А.В., Бенедиктова В.П., Коломенский А.В. и др. //Там же.- N4. -С. 12-17.
11. Шафиркин А. В., Бенедиктова В. П. // Там же. - N 5. - С. 57-64.
12. BoicheJ.D. et al. //J. Nat. Cancer Inst. - 1985. - Vol. 74. - P. 955.
13. Dose-Response Relationship for Radiation-Induced Cancer U.N. Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation Thirty-third Session of UNCEAR. Vienna, 25-29 June,1984.
14. Fry R.J.M., Nachtwey D.S. // Health Physics. - 1988.-Vol. 55, N 2.-P. 159-164.
15. Guidance on radiation received in space activities. Recommendation of the National Council on Radiation, Protection and Measurements NCRP, Report No. 98, 7910 Woodmont Avenue/Bethesda, MD, 20814, 1989.
16. Nachtwey D.S. // 19th Intersociety Conference on Environmental System. - San Diego, California, July 24-26, 1989.
17. Rail J.F. el al. Report of the National Institute of Health Ad. Hoc. Working Group to Develop Radioepidemiological Tables DHHS. Publication (NIH) No. 85- 2748. -Washington, 1985.
18. The Effect on Population of Exposure to Low Level of Ionizing Radiation. Report of the Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation, NAS/NRC, 1980.
19. Weyland М. et al. // Radiation Research - A Twentieth-Centure Perspective. 9th Abstract Congress ICRR, Toronto, 7-12 July, 1991.
Поступила 18.08.97
RADIATION RISK OF MALIGNANT TUMORS IN COSMONAUTS OVER LIFE TIME AS A RESULT OF PARTICIPATION IN INTERPLANETARY AND ОRBITAL MISSIONS
A.V.Shafirkin, V.P.Venediktova
Aviakosmicheskaya i Ekologicheskaya Meditsina (Russia), 2000, Vol. 34, No. 1, pp. 14-21
The paper considers model concepts of cell blast-transformation and oncogenesis in humans consequent to ionizing irradiation with varying dose rates and lengths of exposure. Presented are data of epidemic logic studies of oncologic risks for different organs and body tissues at different ages in a year since exposure calculated per a unit of absorbed dose (1 cGy). Probability of tumor development in males of different age due to chronic irradiation of various lengths was determined per a dose unit. Based on these data and with regard for possible dose loads on interplanetary and orbital crews, oncologic risk for cosmonauts was calculated in terms of life time. The dependence of radiation-induced oncologic risks on type and duration of space mission, shielding thickness, and solar cycle was analyzed. The authors compare values of the total radiation risk and oncologic risk for cosmonauts launched at various ages.
стр. 21
Опубликовано 30 января 2010 года
Новые статьи на library.by:
РАЗНОЕ:
Комментируем публикацию: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И ОБЩЕТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. РАДИАЦИОННЫЙ РИСК ОБРАЗОВАНИЯ ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ОПУХОЛЕЙ У КОСМОНАВТОВ В ТЕЧЕНИЕ ИХ ЖИЗНИ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕЖПЛАНЕТНОГО И ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ
подняться наверх ↑
ССЫЛКИ ДЛЯ СПИСКА ЛИТЕРАТУРЫ
По стандарту ВАК Республики Беларусь
Стандарт используется в белорусских учебных заведениях различного типа.
По ГОСТу Российской Федерации
Для образовательных и научно-исследовательских учреждений РФ
Прямой URL на данную страницу для блога или сайта
Предполагаемый источник
Полностью готовые для научного цитирования ссылки. Вставьте их в статью, исследование, реферат, курсой или дипломный проект, чтобы сослаться на данную публикацию №1264850678 в базе LIBRARY.BY.
подняться наверх ↑
ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!
подняться наверх ↑
ОБРАТНО В РУБРИКУ?
Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.
Добавить статью
Обнародовать свои произведения
Редактировать работы
Для действующих авторов
Зарегистрироваться
Доступ к модулю публикаций