Радиационная токсикология изучает распределение, кинетику обмена и биологическое действие радиоактивных изотопов. Эти сведения на практике используются для установления и оценки предельно допустимых уровней содержания и поступления радиоактивных изотопов в организме воздухом, водой и пищей.
Облучение при попадании радиоактивных изотопов внутрь организма продолжается непрерывно, пока изотоп полностью не распадется или не будет выведен из организма. Иногда облучение длится годами или даже в течение всей жизни пострадавшего. При этом чаще всего наблюдается преимущественное облучение отдельных органов и систем организма.
Степень токсичности и специфика биологического действия радиоактивного изотопа определяется его физическими (вид и энергия излучения, период полураспада, доза излучателя), химическими (форма вводимого соединения, растворимость при рН тканей и органов, степень сродства к тканевым структурам) и физиологическими (путь поступления, величина и скорость всасывания радионуклида из депо, характер и тип распределения, скорость выведения из организма) свойствами, а также степенью радиочувствительности изучаемого объекта.
Биологически активные количества большинства радиоактивных изотопов имеют ничтожный вес. Количество Sr90, соответствующее 1 кюри, весит 6,9·10-3 г, а предельно допустимая доза (2 мккюри) — всего 1,4·10-8 г. Поражающее действие радиоактивных изотопов вызывается не их химическими свойствами, а излучением при распаде. Лишь у очень медленно распадающихся радиоактивных изотопов (U238, Th232 и др.) на первый план выступает не радиационная, а химическая токсичность. Радиоактивные изотопы могут поступать в организм через легкие (вдыхание аэрозолей, паров, дыма), желудочно-кишечный тракт (с водой и продуктами питания), кожу и раны. Для диагностики и терапии, помимо перечисленных, используют подкожное, внутримышечное, внутрибрюшинное и внутритканевое введение изотопов.
При вдыхании радиоактивные аэрозоли, проходя через дыхательные пути, частично оседают в носоглотке и полости рта и оттуда возможно их попадание в пищеварительный тракт; определенного размера частицы и газы попадают в легкие. В результате деятельности мерцательного эпителия некоторая доля частиц удаляется из дыхательных путей и тоже вследствие заглатывания поступает в желудочно-кишечный тракт.
Степень проникновения, величина и продолжительность задержки аэрозолей в легких зависят от их заряда, размера частиц и свойств ингалируемого соединения. В случае ингаляции плохо растворимых соединений при условиях, оптимальных для задержки аэрозолей в легких (размер частиц >0,5≤2 мк), около 25% радиоактивного вещества немедленно удаляется с выдыхаемым воздухом, 50% задерживается в верхних дыхательных путях и удаляется в течение нескольких часов в результате деятельности мерцательного эпителия. Из 25% аэрозолей, проникших в нижние дыхательные пути, 10% довольно быстро, также благодаря деятельности мерцательного эпителия, удаляются из легких, попадают в ротовую полость и заглатываются.
Оставшиеся 15% медленно исчезают из легких. Большая часть остающейся активности задерживается в легких или фагоцитируется и попадает в лимфатические узлы легких, где прочно фиксируется. Вследствие этого, а также малого объема лимфатических узлов по сравнению с массой легких концентрация плохо растворимых радиоактивных аэрозолей в лимфатических узлах в поздние сроки после вдыхания изотопа может в 100—1000 раз превышать таковую в легких. Хорошо растворимые соединения радиоактивных веществ быстро всасываются из легких и в зависимости от своих свойств различным образом распределяются в организме. Всасывание радиоактивных изотопов из желудочно-кишечного тракта зависит от химических свойств вводимого соединения и физиологического состояния организма. За редким исключением (окись трития) радиоактивные изотопы плохо всасываются через неповрежденную кожу.
Распределение в организме изотопов элементов, принадлежащих к одной группе периодической системы, имеет много общего. Элементы I основной группы (Li, Na, К, Rb, Cs) полностью резорбируются из кишечника, сравнительно равномерно распределяются по органам, относительно быстро выделяются с мочой. Элементы II группы (Са, Sr, Ва, Ra) хорошо всасываются из кишечника, избирательно откладываются в скелете, в несколько большем количестве выводятся с калом, чем с мочой. Элементы III основной и IV побочной групп, в том числе легкие лантаниды, актиниды и трансурановые элементы, практически не всасываются из кишечника, но, попадая тем или иным путем в кровь, избирательно откладываются в печени и в меньшей степени в скелете. Они выделяются преимущественно с калом. Элементы V и VI основных групп за исключением полония сравнительно хорошо всасываются из кишечника и выводятся почти исключительно (до 70—80%) с мочой в течение первых суток, поэтому в органах откладываются в сравнительно небольшом количестве.
Уменьшение радиоактивности в органах происходит в результате радиоактивного распада, перераспределения изотопов в организме или выведения из него. Эти процессы происходят одновременно и независимо друг от друга.
Физический распад радиоактивных изотопов (см.) подчиняется экспоненциальному закону, что означает постоянство доли радиоактивных атомов, распадающихся в единицу времени. Промежуток времени, за который первоначальная радиоактивность изотопа уменьшается вдвое, называется физическим периодом полураспада.
Для описания кинетики выведения изотопа из органов и тканей и из организма в целом пользуются экспоненциальной или степенной моделью. В первом случае для расчета количества изотопа, находящегося в организме, принимают, что выделение его идет с постоянной скоростью, т. е. за единицу времени выделяется определенная доля имеющегося в организме изотопа. Выведение изотопа чаще всего описывается суммой двух или нескольких экспонент. Это свидетельствует о том, что в органе или ткани существует несколько фракций изотопа, обладающих разной прочностью связи с тканевыми структурами и разной скоростью выведения.
В степенной модели рассчитывают количество задержанного в организме изотопа как функцию времени, прошедшего с момента попадания изотопа в организм. Описывающие эту зависимость математические уравнения находят опытным путем для каждого изотопа.
Скорость выведения радиоактивного вещества из организма (или органа) характеризуют биологическим периодом полувыведения, т. е. временем, за которое радиоактивность снижается вдвое только за счет выведения вещества. Отрезок времени, в течение которого радиоактивность в организме уменьшается наполовину благодаря радиоактивному распаду и выведению вещества из организма, называется эффективным периодом полураспада.
Токсичность радиоактивных веществ, как правило, оценивают величиной радиоактивности на единицу веса животного (мккюри/г, мкюри/кг и т. д.). Биологический эффект, однако, удобнее связывать с поглощенной дозой в тканях, органах и организме в целом, измеренной в радах (см. Дозы ионизирующих излучений). Величина дозы в радах может быть рассчитана из данных о количестве изотопа на единицу веса ткани, знания схемы его распада, т. е. вида и энергии излучения и эффективного периода полураспада.
Клиническая картина поражения, обусловленная хорошо резорбирующимися из места введения радионуклидами (Sr89, Sr90, Ва140, Cs137, Ra226, Н3), не зависит от пути их поступления в организм. В случае плохо резорбирующихся из депо радиоактивных изотопов (Y91, Y90, Ce144, Pu239, Po210) поражение в значительной мере определяется способом введения вещества и характеризуется преобладанием патологических процессов на месте введения изотопа.
При попадании радиоактивных изотопов, равномерно распределяющихся в организме, клиническая картина лучевого поражения в основном такая же, как и при воздействии из внешних источников радиации. При поражении, обусловленном попаданием радиоактивных изотопов, избирательно откладывающихся в костной ткани и печени, на первый план выступают изменения, связанные с местом воздействия излучателя. В частности, характерно возникновение опухолей костей, лейкозов, циррозов и новообразований печени.
Учитывая, что биологическое действие попавших в организм радиоактивных изотопов может быть устранено только после их выведения из организма, а возможности ускорения этого процесса пока весьма ограничены, важнейшее значение имеет профилактика отравления радиоактивными изотопами (см. Радиационная гигиена). Терапия поражений, вызванных радиоактивными изотопами, сводится к мерам, снижающим всасывание их из желудочно-кишечного тракта, ускорению выведения их из организма при помощи различных комплексообразователей и лечению интоксикации.