Химические соединения и концентрации тяжелых элементов, обнаруженных в альвеолярных макрофагах - патология органов дыхания у ликвидаторов аварии на чаэс
А. Л. Черняев, Г. В. Неклюдова, П. Г. Плешанов, D. Sayers, S. McHugo, A. Thomson, К. Jackson, D. Hoffshir, О. А. Ляскина, В. П. Черников
Химические соединения и концентрации тяжелых элементов, обнаруженных в альвеолярных макрофагах бронхоальвеолярного лаважа ликвидаторов аварии на ЧАЭС
По образному выражению В. И. Вернадского (1940), все организмы пропускают через себя &ldquo-атомные вихри&rdquo-, а элементный состав их находится в тесной зависимости от состава земной коры. Важным является вопрос о потенциальной биологической опасности химических веществ — загрязнителей атмосферного воздуха. Среди последних отмечены токсические химические элементы — металлы, переносимые потоками воздуха в виде взвешенных пылевых частиц, паров и аэрозолей, содержащих свинец, ртуть, кадмий, бериллий, марганец, мышьяк и фториды. Известно, что проникающие в организм извне микро- и макроэлементы способны оказывать на него разнообразные неблагоприятные биологические воздействия, как во время катастроф, так и в условиях повседневной жизни (Авцын А. П. и соавт., 1991). В этой связи катастрофа на Чернобыльской АЭС поставила множество вопросов о воздействии смеси аэрозолей, состоящих из элементов почвы, конструкционных материалов реактора и отдельных радионуклидов, на органы дыхания, кожу, желудочно-кишечный тракт у ликвидаторов последствий аварии и у лиц, проживающих на загрязненных территориях, В связи со сложным составом такой пыли она получила название &ldquo-чернобыльской&rdquo- (Chuchalin А. G. et al., 1997). В доступной литературе до сих пор отсутствовали сведения о ее химическом составе.
В результате аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду попали следующие элементы.
Уран как топливо атомных электростанций, состоящий из трех радиоактивных изотопов с массовыми числами 233, 235, 238.
Нептуний как продукт &beta--распада ядер урана. Элемент накапливается в небольших количествах и в результате &beta--распада превращается в плутоний. Радиоактивен.
Плутоний как продукт радиоактивного распада нептуния. Реактор на Чернобыльской АЭС (типа РБМК) служат, помимо выработки электроэнергии, для накопления плутония (оружейного и топливного). Радиоактивен (&alpha--распад — элементы с № 82—92, &beta--распад — америций).
Цирконий — элемент конструкционных материалов реактора.
Элементы с зарядом ядер 82—92 (Pb-U) как продукты &alpha--распада ядер урана в результате ядерной реакции. Часть изотопов этих элементов радиоактивны, другая часть — стабильны.
Элементы, представляющие интерес в связи с антропогенным и техногенным загрязнением окружающей среды: свинец, мышьяк, никель, кадмий, ртуть и ряд других. Отдельно можно выделить такие жизненно важные элементы, как цинк, медь, железо.
За двенадцать лет, прошедших после аварии на ЧАЭС, концентрации элементов значительно изменились. Часть элементов, короткоживущие изотопы, полностью распались, содержание элементов с периодом полураспада 3—10 лет значительно уменьшилось (например, йод). Содержание стабильных изотопов также непостоянно (за счет естественной эрозии, работ по ликвидации аварии и т.п.).
В результате выполнения работ по ликвидации последствий аварии, проживания в зоне аварии многие из перечисленных выше элементов через органы дыхания и пищеварения могли попасть в человеческий организм. Кроме естественных процессов их вывода из организма могут происходить процессы накопления их в различных органах.
По данным С. К. Иванова, С. С. Полянцева (1994), в состав аэрозолей могли входить Cs-137, Sr-90, Kr-85, Ru... и Be-7. Известно, что степень радиационной загрязненности территории зависит от скорости осаждения аэрозолей из атмосферы — радиоактивных выпадений. Анализ содержания радиоактивных элементов в аэрозолях, входящих в состав &ldquo-горячих частиц&rdquo-, приведен, в частности, в работе В. А. Кутькова (1993). Согласно этим данным, в легких длительно могут задерживаться легкие частицы диаметром 1—2 мкм. Однако при этом следует отметить, что длительность их задержки в легких может зависеть от химических свойств частиц. В то же время часть химических элементов попадает из просвета бронхов и альвеол в лимфатическое русло легких. Через него вывод элементов происходит в прикорневые лимфатические узлы и в висцеральную плевру, где они и откладываются в виде различных пигментов. Меньшая часть элементов &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo- через лимфатические пути поступает в подключичную, полую вены и вновь попадает в легкие, что и способствует отложению пигмента в межальвеолярных перегородках и периваскулярно. Подобный феномен описан при профпатологии, в том числе при силикозах и антракозах (Лощилов Ю. А., 1996). Определенная часть инородных частиц захватывается альвеолярными макрофагами, накапливается в фаголизосомах цитоплазмы, как бы &ldquo-заболачивая&rdquo- ее, то есть, другими словами, наблюдается незавершенный фагоцитоз. В период накопления инородных тел вырабатывается значительное количество активных форм кислорода и множество цитокинов. После разрушения таких нагруженных альвеолярных макрофагов гибнущие частицы цитоплазмы захватываются другими молодыми макрофагами. В то же время выброшенные активные формы кислорода и цитокины вызывают усиленную фибропластическую реакцию в ткани легких, что и ведет к пневмосклерозу (Величковский Б. Т, 1995).
На наш взгляд, мелкие частицы могут служить источником мелкоочагового фиброза и последующего развития злокачественных опухолей легких. Экспериментальные исследования показывают, что при аэрозольном поражении легких опухолевый рост вызывается любыми радиоактивными веществами, если в определенном участке ткани накапливается необходимое для индукции злокачественного роста количество поглощенной энергии (Иванов А. Е. и соавт., 1990). При этом отмечается, что проблема хронического влияния малых доз радиации состоит в индукции бластоматозного процесса.
По данным комиссии по атомной энергии США, в 70% радиационные поражения людей происходят в результате ингаляции радиоактивных и смешанных аэрозолей. Учитывая характер аэрозолей, содержащих радионуклиды, которые воздействовали на органы дыхания ликвидаторов аварии на ЧАЭС, возникли как острые реакции на облучение, так и поздние, через несколько месяцев и лет после воздействия (Ярмоненко С. П. и др., 1992). Общим проявлением таких реакций повреждения здоровых тканей является клеточная депопуляция, то есть нарушение соотношения паренхиматозных и стромальных клеток, что приводит к временной или постоянной функциональной недостаточности ткани. По характеру организации указанные клеточные популяции делятся на быстро- и, медленнообновляющиеся и системы, не обновляющиеся во взрослом организме. Исходя из этого, в легких присутствуют в основном медленнообновляющиеся популяции (фибробласты и эндотелий сосудов) и практически необновляющиеся паренхиматозные клетки. Полагают, что основной механизм развития отдаленных лучевых реакций заключается в повреждении сосудов с последующей гибелью окружающих паренхиматозных клеток (Reinhold Н. et al., 1974- Micholowsky А., 1986). При этом происходит стерилизация клеток эндотелия, способных к пролиферации, запустевание капилляров на фоне ингибирования роста новых сосудов, иногда наблюдается тромбоз в месте гибели эндотелиоцитов. Гибель паренхиматозных перифокальных тканей носит пассивный характер. Наряду с поражением кровеносных сосудов могут возникать повреждения лимфатических сосудов и коллекторов, приводя к уменьшению оттока лимфы, что может способствовать длительной персистенции альвеолярных макрофагов в состоянии незавершенного фагоцитоза и обломков разрушенных клеток (Ярмоненко С. П. и др., 1992). Если предположить такой механизм повреждения паренхимы легких, то наличие через 7—10 лет после аварии альвеолярных макрофагов с инородными частицами, содержащих химические элементы &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo-, может быть обоснованным.
В связи с вышеизложенным и учитывая наличие у ликвидаторов аварии на ЧАЭС клинических симптомов поражения легких, изменений диффузионной способности легких, обнаружение значительного числа альвеолярных макрофагов, содержащих инородные частицы в цитоплазме, можно было предположить, что альвеолярный макрофаг становится центральной клеткой в патогенезе поздних повреждений органовдыхания. Кроме того, эти клетки играют важную роль в развитии опухолей легких, так как могут содержать отдельные радионуклиды, способствующие пролиферации паренхиматозных клеток.
Мы попытались установить химический состав инородных частиц в цитоплазме альвеолярных макрофагов, для чего были использованы методики качественного и количественного определения химических элементов в альвеолярных макрофагах бронхоальвеолярных смывов (БАС) у ликвидаторов аварии на ЧАЭС. Эти элементы представляют собой как металлы, так и неметаллы, поэтому из известных методов определения содержания элементов наиболее пригодными являются методы лазерной масс-спектрометрии, EXAFs-спектрометрии и микросканирование пучком синхротронного излучения по образцу рентгенофлюоресцентного анализа. Первый метод более интересен с точки зрения получения результатов не только о качественном и количественном составе, но и об изотопном составе проб, однако по быстроте получения информации, простоте аппаратного оформления и себестоимости анализа предпочтение может быть отдано методу рентгенофлюоресцентного анализа. Кроме того, в части наблюдений определялась концентрация микро- и макроэлементов после проведения лечебного программного бронхоальвеолярного лаважа.
Концентрация и состав химических элементов определялись также в аутопсийной легочной ткани двух ликвидаторов аварии на ЧАЭС и в 8 наблюдениях рака легкого у лиц, работавших на радиохимическом производстве в Челябинске-95 и Красноярске-26 (авторы приносят благодарность за представленный материал профессору Гиллеру Б. М.).
Для определения химического состава альвеолярных макрофагов использовали следующие методы.
- Качественный рентгеноспектральный микроанализ химических элементов с помощью приставки &ldquo-Link&rdquo- к электронному микроскопу Jem; 100 СХ (Япония) в автоматическом режиме при ускоряющем напряжении 80 кВ, чувствительности канала 40 эВ, при 1024 каналах. Перед поиском по программе &ldquo-Quantem&rdquo- проводилась калибровка по О-стробу и пику Cu (К, L). Были исследованы взвеси клеток БАС (среди которых преобладали альвеолярные макрофаги — до 95%), фиксированные в 2,5% глютаральдегиде и нанесенные на подложки, а также альвеолярные макрофаги в ультратонких срезах. Для контроля определения химических элементов использовали серийные сеточки для электронной микроскопии, фосфатный буфер, ОsО4, уранилацетат и заливочные смолы. Эта часть работы была выполнена совместно с докт. мед. наук С. В. Буравковым и канд. мед. наук В. П. Черниковым на базе лаборатории электронной микроскопии НИИ морфологии человека РАМН. В результате проведенного исследования во взвеси фиксированных клеток были обнаружены спектры таких элементов, как Na, К, Са, Mg, Al, Si, Р, S, Fe, Сг, Ni, Rb, Sr, In, &Tau-&iota-, Fr, Ce, Pr, Nd, Np, Pu, Pa. В цитоплазме альвеолярных макрофагов содержались Na, К, Р, Z, Ga, Zr, Sb, In, Nd, Np, Pu, Ir, Pt, Pm, Sm, Се. При рентгеноспектральном микроанализе сеточек, глютаральдегида, фосфатного буфера, ОsО4 смол элементы тяжелых металлов не выявлялись. Большинство из обнаруженных химических элементов входят в состав так называемой неактивной части &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo- и являются элементами почвы,бетонных перекрытий и разных видов стальных конструкций (Mg, А1, Si, Р, S, Fe, Сг, Ni, Ti, Zn). Такие элементы, как Са, Na, К, видимо, являются элементами, входящими в состав цитоплазмы клеток. Все остальные элементы относятся в основном к группе актиноидов, а также к продуктам распада радиоактивных веществ, входящих в состав ядерного топлива на ЧАЭС. Большой интерес представило обнаружение Zr (циркония) в альвеолярном макрофаге. Этот элемент входил в состав оболочек твелов и во время взрыва на станции мог попасть в состав аэрозолей. Нельзя исключить, что обнаружение этого элемента в альвеолярных макрофагах и ткани легких может явиться одним из химических маркеров для ликвидаторов аварии на ЧАЭС.
Таким образом, качественный рентгеноспектральный микроанализ позволил оценить достаточно широкий спектр химических элементов, входящих в состав инородных частиц альвеолярных макрофагов.
При анализе частоты встречаемости тех или иных химических элементов у обследованных ликвидаторов (табл. 1) обнаружено, что из радиоактивных элементов с наибольшей частотой встречался U, Pu.
Таблица 1
Частота встречаемости химических элементов в альвеолярных макрофагах у ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС
Элемент | % выявления | Элемент | % выявления |
U | 91 | Rb | 36 |
Pu | 91 | Pm | 36 |
Nb | 55 | Pt | 36 |
Се | 45 | Pa | 27 |
Cm | 45 | Np | 27 |
Ru | 45 | Cs | 18 |
Fr | 44 | Sb | 18 |
Am | 43 | Sr | 18 |
Zr | 36 | Si | 18 |
2. Полуколичественный рентгенофлюоресцентный анализ с помощью прибора &ldquo-Спектроскан&rdquo- (Россия). Эта часть работы была выполнена в НИИ пульмонологии с.н.с. канд. мед. наук Г. В. Неклюдовой и с.н.с. Санкт-Петербургского университета А Д. Тимофеевым. С помощью этой методики были обследованы 10 ликвидаторов аварии на ЧАЭС до и после программного бронхоальвеолярного лаважа, а также ткань легких, кости двух погибших от случайных причин (насильственная смерть) ликвидаторов аварии.
Суть метода заключается в получении характеристического спектра флюоресценции от химических элементов пробы при облучении ее жестким рентгеновским излучением. Это рентгеновское излучение имеет энергию, достаточную, чтобы &ldquo-выбить&rdquo- с внутренних орбит — k, 1, m — электроны атома. Заполнение внутренних оболочек внешними электронами приводит к высвобождению энергии в виде рентгеновских квантов. При этом энергия квантов (длина волны флюоресценции) однозначно связана со строением атома, который был подвергнут жесткому облучению, следовательно, является качественной характеристикой присутствия элемента в пробе, а интенсивность линии пропорциональна в некотором диапазоне концентрации определяемого элемента.
Для проведения анализа проба должна быть в твердом состоянии. Клеточную взвесь БАС после центрифугирования при 1000 об/мин в течение 15 мин наносили слоями на бумажный фильтр по мере высыхания предыдущего. С помощью данного анализатора можно определять элементы, имеющие заряд ядра 20—110 и больше.
После настройки анализатора по линии флюоресценции железа проба помещается в прободержатель. С помощью управляющей ЭВМ выбирается диапазон сканирования анализатора по длине волны, время накопления сигнала в одной точке, шаг сканирования. По команде с ЭВМ анализатор самостоятельно записывает спектр флюоресценции пробы. По окончании сканирования спектра исследователь с помощью программы качественного анализа исследует полученный спектр. Окончательный вывод о присутствии элемента в пробе делается по результатам анализа, как минимум, двух линий флюоресценции определяемого элемента в спектре. По данным качественного анализа проводится количественный анализ. Поскольку метод рентгенофлюоресцентного анализа является спектральным, для количественного определения элементов необходим градуировочный график, построенный с помощью проб сравнения.
У нас не было возможности использовать пробы сравнения по радиоактивным элементам, поэтому мы могли лишь оценить содержание этих элементов по отношению к тем элементам, для которых это содержание в
пробе известно (или это можно сделать). Следовательно, для радиоактивных элементов в нашем случае можно говорить лишь о полуколичест- венном анализе.
Полученный спектр химических элементов в основном повторял состав, полученный при рентгеноспектральном микроанализе с использованием электронного микроскопа, но был несколько шире.
Обнаруженные при рентгенофлюоресцентном анализе элементы можно условно разделить на ряд групп: а) радиоактивные элементы и продукты их распада: U — топливо АЭС, &Nu-&rho- — продукт &beta--распада урана, Pu — продукт &beta--распада нептуния, Ra — продукт &alpha--распада тория, Rn — продукт &alpha--распада радия, Ат — продукт &beta--распада плутония, Ра, Th, Fr, Ac, At, Pb, Bi, Po — продукты распада радиоактивных рядов урана, плутония, нептуния- б) элементы — продукты ядерной реакции и деления ядерного топлива: Rb, Nb, Sr, Кг, Со, Cd, Ag, I, Sn, Zr, In, Sb- в) почвообразующие элементы: Fe, Cu, &Mu-&eta-, &Zeta-&eta-, Cr, Ni.
Полученный спектр элементов представляет собой сложный химический состав чернобыльской пыли, а вернее, ее трансформации в организме ликвидаторов, зарегистрированный через 7—10 лет после момента аварии.
При обследовании ликвидаторов аварии на ЧАЭС на счетчике излучения человека по уровню цезия-137 отклонений от нормы не выявлено.
В четырех наблюдениях был проанализирован количественный состав Am, Np, U и Pu в альвеолярных макрофагах после 3-программных бронхоальвеолярных лаважей (рис. 1).
Как видно на рисунке, после первого лаважа наблюдалось значительное уменьшение содержания указанных выше элементов, после 2 и 3-го лечебного лаважа концентрация была также ниже, чем до лечения, но это снижение после очередных процедур было менее выраженным, чем после первого лечебных лаважей. Возможно, это связано с тем, что в альвеолярных макрофагах накапливались радиоактивные элементы из паренхимы легких или приходящие из других органов и тканей.
Анализ Ат и Pu был проведен в двух наблюдениях в лаборатории Франции профессором D. Hoffshir. Однако полученная концентрация этих элементов не превышала фоновых значений (табл. 2).
В то же время, по данным D. Hoffshir, в условиях эксперимента на обезьянах при запылении легких радиоактивными аэрозолями концентрации Ат и Pu в тканях возрастала, однако после многократных бронхоальвеолярных лаважей она достоверно уменьшалась в легких. Эти результаты согласуются с нашими данными, полученными у ликвидаторов Чернобыльской аварии.
Рис. 1. Рентгенофлюоресцентный анализ химических элементов в альвеолярных макрофагах БАС:
- — диагностический БАЛ;
- — первый лечебный БАЛ;
- — второй лечебный БАЛ через 3 месяца после 1-го диагностического;
- — третий лечебный БАЛ через 3 месяца после второго.
Здесь и на рис. 2 на оси абсцисс — длина волны
на оси ординат — импульсы в секунду (имп/сек)
Таблица 2
Активность 241Am и 239Pu в пробах БАЛ и операционном материале легкого от ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС
Таким образом, с помощью определения концентрации химических элементов в альвеолярных макрофагах было показано, что элементы &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo- длительное время накапливаются и персистируют в цитоплазме альвеолярных макрофагов. В то же время проведение программного бронхоальвеолярного лаважа в отдаленные сроки после аварии позволяет удалить часть &ldquo-нагруженных&rdquo- альвеолярных макрофагов и уменьшить концентрацию в легких радиоактивных и нерадиоактивных элементов &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo-.
При рентгенофлюоресцентном анализе легочной ткани у погибших ликвидаторов было показано, что относительное содержание Ат и Pu в легких значительно ниже, чем в костном мозге позвонков, но тем не менее имеет большое значение в развитии патологии легких сразу после аварии и в отдаленные сроки (рис. 2).
Рис. 2. Рентгенофлюоресцентный анализ химических элементов в ткани костного мозга, ткани легких у погибших ликвидаторов аварии на ЧАЭС и в БАС ликвидатора
3. Определение содержания тяжелых элементов и их соединений в клетках бронхоальвеолярного смыва (БАС) и в ткани опухолей легких с помощью лазерной массспектрометрии, EXAFs-спектрометрии и микросканирование пучком синхротронного излучения по образцу.
Определение состава тяжелых элементов во взвеси клеток БАС проведено у 6 ликвидаторов аварии на ЧАЭС до и после проведения лечебного бронхоальвеолярного лаважа, на 2 удаленных опухолях легких работников радиохимического производства (Челябинск-95, предприятие &ldquo-Маяк&rdquo-) и на 2 таких же опухолях легких из Красноярска-26. В первых двух наблюдениях это были периферические бронхоальвеолярные раки в фиброзных рубцах, во вторых двух наблюдениях — центральные мелкоклеточные раки легких.
Концентрации тяжелых элементов во взвеси клеток БАС оказались малы для проведения элементного анализа, получения EXAFs-спектров, поэтому было использовано дополнительное центрифугирование образца (6000 об/мин) в течение 15, 30 или 60 минут до получения компактного осадка на дне пробирки. Надосадочная жидкость удалялась в помощью пипетки. Полученный осадок наносился слоями на графитовую подложку по мере высыхания предыдущего.
Исследование элементного состава взвеси клеток БАС и ткани осуществлялось с помощью метода лазерной масс-спектрометрии на базе установки времяпролетного масс-спектрометра с электростатическим анализатором и лазерным источником ионов ЭМАЛ-2.
Лазерная масс-спектрометрия. Основа метода — фокусировка мощного лазерного излучения (&lambda- = 1,064 мкм и q = 10 Вт/см2) на поверхность исследуемого объекта, находящегося в вакуумной камере масс-спектрометра (р = 107 Па), которая сопровождается испарением вещества и образованием лазерной плазмы. Ионный состав полученной плазмы идентичен элементному составу анализируемого образца. Пучок ионов, проходя через сферический электростатический и магнитный анализаторы, затем фокусируется и попадает на фотопластинку. С помощью денситометра по участкам почернения фотопластинки определяют количественный и качественный состав исследуемого вещества (Быковский Ю. А., 1986- Chakrabarti С. L. et al., 1986).
Данный класс приборов в режиме фоторегистрации ионов позволяет получить следующие характеристики.
Массовое разрешение, Rm 2000—4000
Коэффициент трансмиссии ионов 3 ·- (10-7 — 10-7)
Предел обнаружения
концентрационный, % 10-7 — 10-7
абсолютный, г 10-11 — 10-11
Для случая, когда в камеру масс-спектрометра помещается только исследуемый образец (абсолютный анализ), максимальная погрешность результатов составляет ~ 30%. Если помимо анализируемого поместить дополнительно эталонный образец (сравнительный анализ), точность результатов существенно повышается и погрешность может составлять несколько процентов.
Рентгеновские спектры поглощения элементов. Поглощение рентгеновского излучения атомами вещества связано с процессами фотоионизации глубоких электронных оболочек. Вблизи порога ионизации, при увеличении энергии квантов, наблюдаются осцилляторные особенности зависимости коэффициента поглощения (эффект тонкой структуры спектра поглощения). При дальнейшем смещении вправо от порога ионизации амплитуда этих осцилляций уменьшается и становится монотонной. Наличие таких осцилляций при прохождении порогов энергии Кedge, Ledge называется EXAFS-спектром (Extended X-ray Absorption Fine Structure).
Излучение, используемое для рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), получается с помощью синхротронов. Это излучение является рентгеновским излучением непрерывного спектра в широком диапазоне энергий. Интенсивность синхротронного излучения на несколько порядков величины превышает интенсивности электромагнитного излучения, полученного любыми другими известными способами. Это позволяет успешно применять синхротронное излучение для анализа образцов с низким содержанием микроэлементов, включая тяжелые металлы. В последнее время в Berkeley National Laboratory (США) открылась возможность проводить анализы образцов с высоким пространственным разрешением.
Путем обработки EXAFs-спектров поглощения можно получить величины радиусов координационных сфер, окружающих ионизированный атом, амплитуд относительных колебаний атомов, структурных параметров первой координационной сферы.
В работе по исследованию тонкой структуры спектров поглощения образцов использовался пучокХ11А ускорителя NSLS — National Synchrotron Light Source (Brookhaven National Laboratory).
Сканирование пучком синхротронного излучения по образцу проводилось на ALS — Advanced Light Source (Lawrence Berkeley National Laboratory). Удалось сфокусировать синхротронное излучение до размера d = 0,5 мкм.
С помощью систем микросканирования оказалось возможным осуществить перемещение пучка по поверхности исследуемого образца, в результате чего получается спектр пространственного распределения элемента на заданном участке ткани.
Результаты исследований. Применение метода лазерного масс-анализа позволило определить качественное и количественное содержание тяжелых элементов в БАС m = 54,9+126,9 а.с.м (Mn, Fe, Со, Sr, Y, Zr, Nb, Mo , Те, I) - табл. 3, рис. 3.
Содержание элементов в AM БАС
Таблица 3
Элемент | Усредненное содержание (Ат.%) | ||||
I | II | к | I-K | I—II | |
Мп | 0.013 | 0.003 | 0.001 | 0.012 | 0.01 |
Fe | 0.051 | 0.036 | 0.02 | 0.031 | 0.015 |
Со | 0.017 | 0.001 | 0.001 | 0.016 | 0.016 |
Cu | 0.035 | 0.01 | 0.001 | 0.034 | 0.025 |
Zn | 0.034 | 0.02 | 0.001 | 0.033 | 0.014 |
Ga | 0.021 | 0.004 | 0.004 | 0.017 | 0.017 |
Ge | 0.051 | 0.004 | 0.002 | 0.049 | 0.047 |
As | — | 0.0007 | 0.001 | -0.001 | -0.0007 |
Se | 0.067 | 0.001 | 0.001 | 0.066 | 0.066 |
Br | 0.012 | 0.001 | 0.001 | 0.011 | 0.011 |
Kr | 0.004 | 0.001 | 0.0015 | 0.0025 | 0.003 |
Rb | 0.009 | 0.002 | 0.003 | 0.006 | 0.007 |
Sr | 0.002 | 0.0003 | 0.001 | 0.001 | 0.0017 |
Y | — | 0.0003 | 0.002 | -0.002 | -0.0003 |
Zr | 0.038 | 0.006 | 0.0015 | 0.037 | 0.032 |
Nb | 0.004 | 0.0007 | — | 0.004 | 0.0033 |
Mo | 0.032 | 0.008 | — | 0.032 | 0.024 |
Ru | 0.029 | 0.0007 · | — | 0.029 | 0.028 |
Pd | 0.02 | 0.001 | — | 0.02 | 0.019 |
Cd | 0.017 | 0,001 | — | 0.017 | 0.016 |
Те | 0.003 | 0.0003 | — | 0.003 | 0.0027 |
I | 0.004 | 0.002 | 0.001 | 0.003 | 0.002 |
Примечание: I — до лечения
II — после лечения через 6 месяцев К — контрольная группа
Рис. 3. Концентрации химических элементов в альвеолярных макрофагах БАС
а) контрольная группа (неликвидаторы)-
б)диагностический БАЛ ликвидаторов аварии на ЧАЭС-
в) лечебный БАЛ ликвидаторов аварии на ЧАЭС через 6 месяцев от начала лечения.
Проводили исследования осадка клеток диагностического и лечебного БАС. Видно, что несмотря на дополнительное центрифугирование, в клетках диагностического БАС концентрация инородных частиц оказалась выше, чем в лечебном БАС. Это свидетельствует в пользу эффективности проводимых процедур по удалению данных частиц из органов дыхания. Из сравнения результатов масс-спектрометрического анализа образцов клеток диагностического и лечебного БАС (табл. 3) видно, что концентрация тяжелых элементов в контрольном образце существенно ниже, чем в образцах, полученных от ликвидаторов аварии. Концентрация элементов в таблицах приведена в атомных процентах, которые показывают процентное содержание атомов данного элемента относительно всех остальных.
Таблица 4
Содержание элементов в легочной ткани (Ат. %)
Элемент | Ткань | Ткань II |
Мп | 0.019 | 0.07 |
Fe | 0.057 | 0.23 |
Cu | 0.048 | 0.03 |
Zn | 0.07 | 0.22 |
Ga | 0.026 | 0.09 |
Ge | 0.015 | 0.24 |
Se | 0.025 | 0.44 |
Вг | 0.011 | 0.09 |
Кг | 0.054 | 0.03 |
Mo | 0.039 | 0.2 |
Pd | 0.017 | 0.16 |
Ag | 0.008 | — |
Cd | 0.033 | — |
Co | — | 0.02 |
Rb | — | 0.06 |
Zr | — | 0.32 |
Nb | — | 0.04 |
Ru | — | 0.24 |
Примечание. Ткань I — периферический бронхоальвеолярный рак, ткань II — центральный мелкоклеточный рак.
Рис. 4. Концентрации химических элементов в опухолевой ткани легких у работников радиохимического производства
а) периферический бронхоальвеолярный рак-
б) центральный мелкоклеточный рак.
Содержание тяжелых элементов в легочной ткани определено в диапазоне ш = 54,9 + 112,9 а.е.м. (Mn, Fe, Со,................................. Se, Zr, Nb, Mo, Pd, Cd). Из рис. 4 и табл. 4 видно, что концентрация ряда элементов значительно отличается в двух различных по гистологическому строению опухолях. В мелкоклеточных раках большее число элементов, но концентрация таких элементов, как Mn, Fe, Zn, Ga, Ge, Se, Br, Mo, Pb, в 3—15 раз выше, чем в
бронхоальвеолярных раках. Кроме того, такие элементы, как Nb, Rb, Zr, Ru, Со, присутствовали только в мелкоклеточных раках из Красноярска. В то же время в бронхоальвеолярных раках обнаружены Cd и Ag.
Для элементов, указанных в таблицах 3 и 4 с помощью EXAFs-спектроме- трии было определено их химическое состояние, типы химических соединений, в которых эти элементы находятся в клетках БАС и в легочной ткани.
В качестве иллюстрации на рисунке 5 приведены EXAFs-спектры железа в ткани и в клеточном осадке БАС.
Рис. 5. EXAFs-спектры Fe в БАС, в легочной ткани и в стандартном соединении а) нормализованная EXAFs-функция-
Рис. 5. EXAFs-спектры Fe в БАС, в легочной ткани и в стандартном соединении б) модуль фурье-образа EXAFs-функции.
На рисунке 5,а представлены нормализованные EXAFs-функции, выделенные из экспериментального спектра поглощения, а на рис. 5,6 зависимости модуля фурье-образа функции k3х(k) от радиуса координационных сфер, окружающих атом железа, где k = {(2me)/h2}1/2 — волновое число, &chi- — нормализованная EXAFs-функция. Для сравнения на рис. 5,а, б также приведен спектр стандартного соединения железа — Fe2О3.
Посредством сканирования образца ткани бронхоальвеолярного рака излучением различных длин волн удалось зарегистрировать пространственное распределение концентраций следующих элементов: S, Cr, Fe, Ni, Cn, Zn (рис. 6).
Рис. 6. Пространственное распределение элементов в ткани периферического бронхоальвеолярного рака. Участок, не пораженный опухолью.
Рис. 7. Пространственное распределение элементов в ткани периферического бронхоальвеолярного рака. Участок опухоли.
Представленные гистограммы позволяют определить концентрацию элементов в данном участке размером от 1-4-10 мкм. Как видно из рисунков 6 и 7, на здоровом участке ткани легкого и участках раковой опухоли того же образца присутствуют локализованные включения, состав которых уточнен с использованием EXAFs-спектрометрии.
Был проведен вероятностный корреляционный анализ одновременного присутствия пар различных элементов в одном и том же участке ткани. Было показано, что в зоне опухоли хром может равно вероятно находиться в возможных соединениях с Cu, Fe, Ni, S, Zn. По периферии опухолевой ткани Сг присутствует в соединении с Ni и Cu. Таким образом можно дополнительно определить, в каком участке образца присутствует данное соединение элементов.
Полученные результаты могут свидетельствовать о накоплении в разных гистогенетических опухолях различных элементов, что может явиться одним из маркеров опухолей разной природы. В наших наблюдениях разная концентрация химических элементов может быть связана еще и с тем, что бронхоальвеолярный рак возник в рубце с частичным окостенением, а у мелкоклеточных раков почти отсутствовала строма.
Заключение
Применение спектров излучения (СИ) позволяет определить, в каком химическом окружении находятся тяжелые элементы, определенные с помощью метода лазерной масс-спектрометрии. Результат проведенного корреляционного анализа показывает вероятность распределения пар различных элементов в одном и том же участке ткани.
Сканирование пучком СИ по поверхности образцов позволяет увидеть пространственное распределение химических элементов в легочной ткани и выяснить, как изменяется элементный состав ткани с развитием раковой опухоли.
Результаты показывают, что центральный мелкоклеточный и периферический бронхоальвеолярный раки отличаются как по составу микроэлементов, так и по их концентрации. Что может быть связано как с гистогенезом опухолей, так и с действием различных факторов окружающей среды на органы дыхания.
Таким образом, использованные методы качественного и количественного определения спектра тяжелых элементов в цитоплазме альвеолярных макрофагов у ликвидаторов аварии на ЧАЭС позволило описать состав &ldquo-чернобыльской пыли&rdquo-, депонированной в легких.
Она состоит из неактивной части, содержащей элементы конструкционных материалов станции и почв, а также активной части — радионуклидов и элементов их распада. Сочетание таких химических элементов может являться одним из маркеров Чернобыльской катастрофы при обследовании ликвидаторов с патологией органов дыхания. Возможно, такой же состав элементов в больших концентрациях может выявляться в органах желудочно-кишечного тракта и в костях как сразу после подобных катастроф, так и в отдаленные сроки после аварии.
Результаты, полученные при использовании комплекса методов определения спектра химических элементов (особенно количественные методы), подтвердили, что лечебный программный бронхоальвеолярный лаваж в сочетании с другими лечебными процедурами существенно снижает концентрацию радиоактивных и нерадиоактивных элементов, входящих в состав инородных частиц альвеолярных макрофагов. Такое снижение концентрации сочетается с улучшением клинической картины заболевания легких у ликвидаторов и их качества жизни.
ЛИТЕРАТУРА
Авцын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементозы человека. — М.: Медицина. 1991. — 496 с.
Величковский Б. Т. Патогенетическая терапия и профилактика хронического пылевого бронхита с обструктивным синдромом // Пульмонология. — 1995. — № 3. — С. 6—19.
Быковский Ю. А., Неволин В. Н. Лазерная масс-спектрометрия.—М.: Изд-во МИФИ, 1986. Вернадский В. И. Биогеохимические очерки 1922—1932гг. — М., Л.: Изд-во АН СССР, 1940.-249 с.
Иванов А. Е., Куршакова Н. Н., Соловьев А. И. Радиационный рак легкого. — Москва: Медицина, 1990.-223 с.
Иванов С. К., Полянцев С. С. О токсично радиоактивных смесях в средах обитания. — М., 1994.-39 с.
Лощилов Ю. А. Клиническая морфология пневмокониозов (морфогенез и критерии прижизненной диагностики): Автореф. дис. д-ра мед. наук. — Москва, 1996. — 45 с.
Ярмоненко С. Л., Коноплянтков А. Г., Вайнсон А. А. Клиническая радиобиология. — М.: Медицина, 1992. — 317с.
Chakrabarti С. L., Sturgeon R. Е., Hieflje G. М. et al. Lazer micro analysis // Prog. Anal. Spectrosc. 1986. - Vot. 9. - P. 335-427.
Chuchalin A. G., Maracheva A. V., Grobova О. M. et al. Lungexposedto unclear catastrophe: one- year therapeutic programme in Chernobyl liquidators group // Schweir. Med. Wochenschr. — 1997. — Bd 127. - S. 165-169.
Michalowsky A. The pathogenesis of the late side-effects of radiotherapy // Clin. Radiol. — 1986. Vol. 37. - P. 203-207.
Reinhold H. S., Jovanovic D., Keyex A. et at. The influence of radiation on blood vessels and circulation // Curr. Top. Radiat. Res. Quart. — 1974. — Vol. 10. — P. 325—330/
С. К. Соодаева, Б. X. Ягмуров
