При разработке данных принципов возникает необходимость обоснования специфического дозового функционала в качестве критерия и количественной меры радиационной опасности, определяющей возможные ближайшие и отдаленные радиобиологические эффекты.

Для решения задач радиационной безопасности и радиационной защиты в условиях сложного характера радиационных воздействий на Земле, Международная комиссия по радиологическим единицам и измерениям в 1963 г. предложила использовать понятие дозового эквивалента или эквивалентную дозу. Численно эквивалентную дозу DЭ следовало вычислять на основании выражения:

где D − поглощенная доза, выраженная в сГр (рад); ФК − фактор качества, определяемый на основе регламентированной его зависимости от ЛПЭ для ионизирующих излучений с различной плотностью ионизации. Он устанавливается на основе данных о зависимости относительной биологической эффективности (ОБЭ) различных видов излучений от линейной передачи энергии (ЛПЭ) тканям; ФР − факторы распределения, учитывающие влияние характера распределения дозы по глубине биологического объекта и во времени, а также другие возможные физические характеристики радиационного воздействия.
    Данный подход для приведения сложного характера облучения в космическом пространстве к условиям стандартного радиационного воздействия рекомендован к использованию в нормативно-техническом документе ГОСТ 25645.201-83 «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете работе. Термины и определения». Он предназначался к использованию для обосновании допустимых доз для космонавтов при осуществлении космических полетов.
    Обобщенная доза Н представляется в этом документе как доза стандартного радиационного воздействия, вызывающая такой же спектр ближайших проявлений и отдаленных последствий, как и рассматриваемый сложный характер радиационного воздействия. Алгоритм ее вычисления записывался в этом документе в виде:

где H − обобщенная доза; D − среднетканевая поглощенная доза; КК − коэффициент качества излучения, определяемый на основе регламентированной его зависимости от ЛПЭ; КВ − коэффициент временной неравномерности радиационного воздействия, учитывающий влияние мощности дозы и характера распределения дозы во времени на радиобиологический эффект, приводящий эффекты протяженных и фракционированных воздействий к однократному острому облучению. КР − коэффициент равноценности радиационного воздействия, учитывающий макропространственное распределение поглощенных доз по телу и приводящий эффекты неравномерного облучения к условиям равномерного радиационного воздействия.
    Специфические условия космического полета, когда кроме ионизирующих излучений на космонавтов воздействуют перегрузки, невесомость, гиподинамия, длительное психологическое напряжение, требуют также введения коэффициентов модификации радиационного воздействия за счет нерадиационных факторов (КМ). Кроме того, надо рассматривать суммарное воздействие от всех источников космических излучений, отличающихся своей спецификой. Поэтому в дальнейшем было предложено использовать следующее выражение для вычисления обобщенной дозы:

(3)

где D_i ; КК_i ; КВ_i; КР_i − соответствующие значения среднетканевой дозы и коэффициентов для i-го источника радиационной опасности; КМ − коэффициент модификации радиационного воздействия за счет нерадиационных факторов космического полета.
    Поскольку выход непосредственных, ближайших радиационных эффектов в процессе осуществления полета, с одной стороны, а также возможных неблагоприятных отдаленных последствий, с другой стороны, связан с формированием патологии в существенно различных критических системах организма, отличающихся временем развития поражения, его локализацией, скоростью протекания восстановительных процессов, значение обобщенной дозы следует вычислять отдельно на основе своего набора коэффициентов, соответственно, для ближайших эффектов Н_Б и отдаленных последствий Н_О :

(4)

    Этот новый дозиметрический функционал позволяет осуществить переход от сложного характера облучения в условиях космического пространства к условиям стандартного радиационного воздействия. Переход осуществляется на основе расчетных значений среднетканевых эквивалентных доз от каждого источника радиационной опасности в космическом пространстве и коэффициентов перехода, учитывающих влияние сложного макропространственного и временного распределения дозы по телу космонавтов на радиобиологический эффект. Кроме воздействия ионизирующих излучений, учитывается также влияние нерадиационных факторов, присущих космическому полету.

Материалы к определению средних значений коэффициентов качества космических излучений для расчета эквивалентных доз

    Анализ многочисленных результатов экспериментальных исследований биологической эффективности протонов показал, что среднее значение коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ) протонов с энергией в пределах 25-730 МэВ (ЛПЭ = 0,24 ÷1,25 кэВ/мкм) по отношению к стандартному рентгеновскому излучению 180-250 кВ на основе данных по смертности мелких лабораторных животных составило 0,70 ± 0,02, а для крупных млекопитающих 0,77 ± 0,03.
    По радиационно-обусловленным изменениям в клетках различных тканей значение коэффициентов ОБЭ протонов составило 0,70 ± 0,03.
    Из представленных данных видно, что эффективность воздействия протонов указанных энергий заметно ниже, чем облучение рентгеновским излучением с напряжением на трубке 180-250 кВ и не превышает эффективности воздействия гамма-излучения ⁶⁰Сo и ¹³⁷Сs. Эти материалы показывают, что значение коэффициента КК_Б в отношении прогноза тяжести ближайших эффектов воздействия на космонавтов протонов РПЗ и СКЛ может быть принято равным 1,0. Эта оценка является даже несколько завышенной.
    Ранее нами показана чрезвычайно большая эффективность плотноионизирующих излучений с высокими значениями ЛПЭ по сравнению с рентгеновским и гамма-излучением в отношении поражения клеток радиочувствительных обновляющихся тканей.
    Это выражается в значительно более сильном разрушении структуры ДНК в клетках вдоль треков частиц в ткани в результате прямого разрушение клеток под действием ионизации и косвенного разрушения за счет возникновения в водной среде высокоактивных химических радикалов. Это фактически приводит к глубоким множественным повреждениям в клетках, исключает возможность активации репаративных ферментативных систем и возможность быстрых процессов восстановления клеток, которое имеет место при действии редкоионизирующих излучений.
    Радиобиологические эффекты в отношении выживаемости клеток не модифицируются при фракционировании дозы, снижении мощности дозы радиационного воздействия и не модифицируются в случаях облучения в присутствии или отсутствии кислорода.

Эксперименты по выведению пучка частиц

Эксперименты по выведению пучка частиц сотрудниками Института медико-биологических проблем МЗ СССР.

    При изучении эффективности воздействия ускоренных заряженных частиц в зависимости от ЛПЭ в экспериментах, как правило, использовали широкий набор легких и тяжелых частиц от ионов гелия до аргона с энергией до 500 Мэв/нуклон. В России эти многолетние работы проводились значительными коллективами исследователей различных институтов на базе Объединенного Института ядерных исследований в г. Дубна.
    В исследованиях использовались модельные биологические системы, включающие дрожжевые и бактериальные клетки, а также клетки млекопитающих и отдельные органы лабораторных животных, размеры которых не превышали величины пробегов ионов в ткани. Результаты исследований по инактивации клеток под действием ускоренных ионов сопоставлялись с изменениями при рентгеновском или гамма-облучении, что позволяло определять значения коэффициентов ОБЭ тяжелых ионов.

Зависимость ОБЭ излучений от линейной передачи энергии

Рис. 9. Зависимость ОБЭ излучений от линейной передачи энергии.

    На Рис. 9 представлены данные о зависимости коэффициентов ОБЭ от ЛПЭ для различных видов излучений. Использованы данные экспериментальных исследований по изучению поражения клеток радиочувствительных обновляющихся тканей и выходу хромосомных аберраций (ХА) в ближайшем периоде после радиационного воздействия (кроветворные клетки, клетки эпителия желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) и др.
    Для сравнения на этом же рисунке представлены регламентированные зависимости коэффициентов качества КК_О от ЛПЭ, представленные в 26 Публикации Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) и в ГОСТе 25645.218-90 по проблеме «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП), которые рекомендованы для оценок риска возможных отдаленных неблагоприятных последствий при облучении человека от источников излучений с различной ЛПЭ.

Зависимость коэффициентов ККБ от ЛПЭ применительно к оценке риска

    Максимальные значения коэффициентов ОБЭ для различных видов излучений в отношении ближайших эффектов, связанных с развитием первичной лучевой реакции, с возможным поражением критических тканей в остром периоде таких, как костный мозг, кожа и др. (см Рис.9), являются в несколько раз меньшими, чем значения ККо, установленные на основе отдаленных эффектов.
    Эти максимальные значения коэффициентов ОБЭ могут быть предложены в качестве коэффициентов качества К_Б, для вычисления соответствующих значений обобщенной дозы Н_Б для оценки опасности для космонавтов и определения риска снижения жизнеспособности и работоспособности космонавтов после возникновения мощных солнечных протонных событий и других радиационных воздействий непосредственно в процессе осуществления длительных полетов.
    Нами предложена простая зависимость КК_iБ от ЛПЭ на основе максимальных оценок коэффициентов ОБЭ для вычисления средних значений коэффициентов качества космических излучений. Она представлена в таблице 3.

Таблица 3.

Зависимость коэффициентов КК_Б от ЛПЭ применительно к оценке риска ближайших в процессе полета радиобиологических эффектов

ЛПЭ, кэв/мкм	L ≤3	3 < L < 70	L≥70
ККБ	1	(L / 3)0,56	6

    В случае использования представленных в литературе данных о зависимости КК от ЛПЭ для расчетов обобщенных доз применительно к ближайшим радиобиологическим эффектам эти значения будут реально завышенными в 3-4 раза. Завышенными окажутся и оцениваемые риски снижения работоспособности и жизнеспособности космонавтов. Этого нельзя сказать применительно к оценкам риска отдаленных неблагоприятных эффектов.
    Сравнительное изучение сокращения продолжительности жизни мелких лабораторных животных в результате воздействия нейтронов и гамма-излучения в различных дозах показало, что значения коэффициентов ОБЭ для нейтронов реакторного спектра могут достигать 30-46. В отчете Научного комитета ООН по действию атомной радиации 2000 года на Генеральной Ассамблее ООН приводятся еще большие значения коэффициентов ОБЭ нейтронов спектра деления на основе цитогенетических исследований культуры лимфоцитов человека 34-53, по индукции опухолей 16-59. При анализе некоторых литературных данных с целью обоснования нормативных уровней радиации для космонавтов применительно к длительным орбитальным полетам показано, что при действии малых доз (1-5 сГр) ускоренных многозарядных ионов (УМИ), на нейроны коры головного мозга и хрусталик глаза и увеличении длительности наблюдения животных оцениваемые величины коэффициентов ОБЭ в диапазоне ЛПЭ 50-200 кэв/мкм могут иметь значения от 50 до 100. Из представленных данных и данных Рис.9 следует, что возможна недооценка в несколько раз обобщенных доз, НО применительно к оценке риска отдаленных последствий. Требуется проведение дальнейших исследований.

Снижение эффективности неравномерного облучения по сравнению с равномерным

Рис.10. Выживаемость собак в зависимости от дозы острого кратковременного гамма-облучения в случаях перепада доз по телу в 1,16; 3,0 и 5 раз. Сплошные кривые на основе экспериментальных данных, остальные кривые – модельное описание для разных представлений выживаемости стволовых кроветворных клеток от дозы.

   При длительных космических полетах возможна реализация солнечных протонных событий с относительно большим флюенсом и относительно мягким спектром. В этом случае будет иметь место значительный перепад дозы по телу космонавта. В радиобиологии известно, что при неравномерном облучении существенно снижается эффективность радиационного воздействия в отношении поражения кроветворной ткани, глубина изменений в которой определяет степень снижения работоспособности, возможную тяжесть лучевой болезни и снижение жизнеспособности космонавтов.
    В качестве примера на Рис. 10 приведены кривые выживаемости собак в зависимости от дозы в случае перепада доз по телу в 1,16; 3,0 и 5 раз. Равноценные поверхностные дозы, приводящие к смертельному исходу у 50% животных, оказались в этих случаях равными 290, 570 и 920 сГр.
    Как видно из приведенных данных, снижение эффективности неравномерного облучения по сравнению с равномерным может составить 3 и более раз. Это связано с тем, что в относительно защищенной части костного мозга стволовые кроветворные клетки сохраняются, более интенсивно делятся, производя большую продукцию кроветворных клеток в этой части костного мозга и, кроме того, мигрируя в кровоток, переносятся в другие участки костного мозга, образуя там клоны нормальных кроветворных клеток.
    На основе проводимых экспериментов и полученных в литературе данных о выживаемости собак при равномерном облучении в зависимости от дозы, а также параметров кривых выживаемости стволовых кроветворных клеток в зависимости от дозы была разработана модель равноценной дозы G(r) (ГОСТ 25645.219-90). Равноценная доза определяется как доза острого равномерного воздействия, вызывающая такую же глубину поражения в кроветворной ткани, как и рассматриваемое неравномерное облучение. Для решения этой задачи и определения значений равноценных доз G(r) при различном характере пространственного распределения дозы необходимо было дополнительно использовать данные о содержании костного мозга в костях скелета стандартного человека.
    Коэффициент пространственной неравномерности радиационного воздействия КР_Б, определяющий снижение эффективности неравномерного облучения по сравнению с равномерным и входящий в выражение для расчета обобщенной дозы НБ, может быть определен на основе соотношения
КР = G(r)/D(r), где D(r) – среднетканевая доза рассматриваемого неравномерного воздействия.

Анализ экспериментальных данных по комбинированному действию ионизирующих излучений и других физических факторов

    Анализ многочисленных экспериментальных данных по комбинированному действию ионизирующих излучений и других физических факторов: вибрации, ускорений, гипоксии, гипокинезии (слабое и сильное ограничение подвижности), гипертермии, электромагнитных полей показало, что максимальное усиление радиационного поражения в дозовом выражении не превышает 30%. Значение коэффициента модификации КМ в отношении ближайших радиобиологических эффектов оказывается равным 1,3.
    Таким образом, неопределенность в дозовом выражении за счет комбинированного действия факторов существенно меньше, чем неопределенность в отношении значений КК и коэффициента пространственной неравномерности радиационного воздействия.
    Наибольшее число исследований посвящено исследованию влияния фактора времени, режима фракционирования и мощности дозы радиационного воздействия.
    За счет реализации быстрых процессов восстановления на клеточном уровне для редкоионизирующих излучений с низкими значениями ЛПЭ, а также процессов восстановления в тканях за счет подключения регуляторных процессов на уровне организма ближайшие и отдаленные неблагоприятные эффекты модифицируются в наиболее значительной степени.

Эффективность радиационного воздействия в зависимости от мощности дозы

Рис.11. Снижение эффективности радиационного воздействия при снижении мощности дозы при длительности облучения от нескольких часов до 5-10 суток. Зависимость коэффициента эффективности от мощности дозы при облучении в течение 5-10 суток определяется степенной функцией К(γ) = (γ/γГ)0,18.

    При облучении животных с мощностями доз в диапазоне 10-1000 сГр/мин и длительностью меньше часа эффективность радиационного воздействия максимальна. Величины среднелетальных доз ЛД 50-30, определяющие гибель животных в ближайшие 30-60 суток, остаются минимальными и не изменяются. При снижении мощности дозы ниже представленного граничного значения γ_г и увеличении времени облучения начинают проявляться быстрые восстановительные процессы на клеточном и тканевом уровне и величины доз для достижения среднелетального эффекта у различных млекопитающих существенно увеличиваются.
    Зависимый от мощности дозы коэффициент эффективности радиационного воздействия, равный отношению дозы ЛД 50-30 при кратковременном облучении с высокой мощностью дозы к дозе при протяженном облучении длительностью от нескольких часов до нескольких суток снижается в несколько раз. Это видно из данных, представленных на Рис. 11.
    Данные, представленные на Рис.11, отражают значительное уменьшение эффективности радиационного воздействия при снижении мощности дозы радиационного воздействия. Однако это относится только к воздействию редкоионизирующих излучений с низкими значениями ЛПЭ.
    Такой же характер снижения эффективности при снижении мощности дозы будет иметь место для космонавтов при осуществлении длительных космических полетов в случае воздействия протонов солнечных космических лучей, поскольку нами ранее было показано, что коэффициент ОБЭ протонов не превышает 1,0. Эффективность протонов ниже, чем рентгеновского излучения, и не превышает эффективности гамма-излучения.
    В то же время при воздействии плотноионизирующих излучений с высокими значениями ЛПЭ быстрые восстановительные процессы на клеточном уровне не могут осуществиться и эффективность облучения при длительностях облучения в несколько суток остается максимальной, не зависит от мощности дозы и значение
К(γ)=1,0.
    В литературе еще в 1952 г. была представлена наиболее простая модель эффективной дозы D_эф, предназначенная для описания формирования радиационного поражения при протяженных воздействиях радиации с учетом восстановительных процессов, реализуемых на уровне организма. Она включала всего два параметра α и β₀, характеризующих долю необратимой части поражения и скорость его восстановления, соответственно.
    Величина эффективной дозы определялась как доза острого кратковременного облучения, вызывающая такую же величину поражения организма, как и рассматриваемое протяженное облучение с мощностью дозы γ. В предположении, что коэффициент α близок к нулю и значение мощности дозы постоянно, выражение для эффективной дозы при длительности облучения t имело следующий вид:

D_эф(t) =( γ / β₀) [1-exp (-β₀t)].

Коэффициент эффективности данного протяженного облучения с учетом восстановительных процессов на уровне организма, равный отношению эффективной и общей накопленной дозы определялся только длительностью облучения:

К_В = D_эф(t) / D = [1-exp (-β₀t)]/ β₀ t.

Ранее рассмотрены данные по снижению эффективности протяженного облучения за счет реализации быстрых восстановительных процессов на клеточном и тканевом уровнях. При подключении к ним с некоторой задержкой компенсаторных процессов на уровне организма отмечается еще более резкое снижение эффективности радиационного воздействия. Она реально оказывается зависимой не только от длительности облучения, но и непосредственно от мощности дозы радиационного воздействия:

К_В = К(γ)[1-exp (-β₀t)]/ β₀ t. = (γ/γГ)^0,18 [1-exp (-β₀t)]/ β₀t.

    На Рис. 12 представлен характер уменьшения эффективности радиационного воздействия со снижением мощности дозы при длительностях облучения более 5 суток для мелких лабораторных животных и 10 суток для крупных млекопитающих.
    Кривая 1 на Рис.12 соответствует быстрым процессам восстановления на клеточном уровне, которые рассмотрены ранее на Рис.11. Кривая 3 – расчетные значения К_В для мелких лабораторных животных с учетом быстрой и медленной компоненты восстановления. Пунктиром и заштрихованными зонами показан размах варьирования расчетных значений по данным экспериментальных исследований. Зоны 4 и 5 относятся к данным для мелких лабораторных животных и крупных млекопитающих, соответственно.

Рис.12. Относительное снижение эффективности протяженных радиационных воздействий при снижении мощности дозы для длительностей облучения более 5 суток.

Закономерность формирования радиационного поражения при протяженных облучениях с различной мощностью дозы

Рис. 13. Экспериментальные данные и расчетные кривые, описывающие характер изменения эффективной (остаточной) дозы при облучении крыс с мощностями доз 5, 10, 50, 100 и 300 сГр/сут. Верхняя кривая характеризует изменение летального порога в дозовом выражении за счет процесса старения у животных, не подвергавшихся хроническому облучению.

    Анализ исследований по хроническому облучению животных в широком диапазоне мощностей доз показал, что скорость восстановления радиационного поражения снижается почти в 10 раз с увеличением длительности облучения и суммарной накопленной дозы по экспоненциальному закону. Это связано со значительным напряжением регуляторных механизмов при высоких значениях мощности дозы и длительности облучения и выраженным снижением компенсаторных резервов организма.
    Учитывая эти факты и рассматривая комплексно быстрые и медленные процессы восстановления радиационного поражения на клеточном, тканевом и организменном уровнях, была разработана более совершенная модель эффективной (остаточной) дозы для описания закономерности формирования радиационного поражения при протяженных облучениях с различной мощностью дозы (Рис.13).

Дифференциальные уравнения для накопления эффективной остаточной дозы в процессе протяженного облучения имеют вид:

dD_ef/dt = K(γ)γ(t)  при t < τ
dD_ef/dt = K(γ)γ(t) − β₀ exp[λ₀ + λ_p(γ,t)]D_ef(t−τ)   при t < τ

где параметры λ₀ и λ_p(γ,t) характеризуют снижение скорости восстановления в результате процессов старения и вследствие радиационного воздействия, параметр τ связан с задержкой восстановительных процессов на уровне организма в связи с реализацией обратной связи регуляторных процессов.
    С помощью этой модели удалось удовлетворительно описать достаточно большое количество радиобиологических экспериментов по облучению животных с постоянными и переменными значениями мощности дозы.
    Наблюдаемое в экспериментах с протяженным облучением животных со сравнительно большими значениями мощностей доз и при повторных острых воздействиях радиации снижение скорости восстановления радиационного поражения связывалось со снижением компенсаторных резервов организма. На основе этого постулата была разработана модель радиационной скорости смертности млекопитающих, позволяющая описать характер трансформации зависимости коэффициентов смертности животных от их возраста, наблюдаемый в экспериментах с острыми и хроническими облучениями.
    Было предположено, что детерминированный генотипом и увеличившийся в процессе развития объем компенсаторных резервов организма достигает максимума Q₀ к периоду половой зрелости и в дальнейшем неуклонно снижается по экспоненциальному закону, определяя возможную максимальную продолжительность жизни индивидуума. При облучении с некоторой мощностью дозы γ скорость снижения компенсаторных резервов увеличивается, определяя ускоренное старение организма и сокращение его продолжительности жизни. В этот период уравнение для изменения объема компенсаторных резервов организма во времени описывается следующим уравнением:

Q(t) = Q₀ exp[−λ₀ − Bγ^δ]t =  Q₀ exp[−λ₀ − BDγ^δ-1]t

где λ₀ - параметр, определяющий снижение резервов за счет процессов старения организма
    В условиях, когда показатель степени близок к 1, снижение компенсаторных резервов определяется кроме процессов старения также поглощенной дозой в результате радиационного воздействия

Q(t) = Q₀ exp[−λ₀t − ВD]

Дополнительно предположив, что вероятность гибели обратно пропорциональна общему объему компенсаторных резервов, получаем, что на популяционном уровне коэффициент смертности в зависимости от возраста будет возрастать по экспоненциальному закону:

μ^рад (t)= μ(t₀) exp[(λ₀ + В γ^δ)] t ≈ μ(t₀) exp[λ₀t + ВD],

где μ (t) = μ (t₀) exp[λ₀t] – хорошо известный из демографии закон Гомперца, определяющий экспоненциальный закон нарастания коэффициентов смертности с возрастом.

Закон радиационной скорости смертности млекопитающих

    На основе закона радиационной скорости смертности млекопитающих удалось не только точно описать, но и объяснить наблюдаемые в экспериментах на большом числе мелких лабораторных животных эффекты возрастания коэффициентов смертности для всех возрастов приблизительно на один и тот же зависящий от дозы коэффициент exp[ВD] при однократном остром облучении и увеличение скорости старения при хроническом облучении с возрастанием мощности дозы.

Рис. 14. Зависимость коэффициентов смертности мышей от их возраста после острого облучения в различных дозах 1/сут.

Рис.15. Зависимость коэффициентов смертности мышей от их возраста в процессе хронического облучения с различной мощностью дозы.

    Как следует из данных, представленных на рисунках, с помощью модели радиационной скорости смертности млекопитающих удается хорошо описать экспериментальные данные.
    На основе этой модели был разработан алгоритм расчета суммарного радиационного риска для космонавтов в течение всей их жизни в случае осуществления межпланетных и орбитальных полетов различной длительности, что будет рассмотрено позже.