Применение радиоактивных изотопов в медицине и биологии началось давно, еще со времени открытия радиоактивности, и постоянно развивается. Мы уже рассматривали некоторые примеры в разделе, посвященном методу меченых атомов. Однако те примеры касались в основном изучения путей и механизмов движения веществ в живых тканях и организме. Здесь мы рассмотрим применение радиоизотопов не только в исследовательском плане, но и в целях диагностики и терапии.
Болезненные процессы в организме прежде всего сказываются на протекании обмена веществ. Нарушения в обмене можно проследить введением веществ и препаратов с радиоактивной меткой. С ее помощью можно определить, какая доля введенного препарата ассимилировалась организмом, а какая выведена. Далее можно определить, какой именно орган повинен в ассимиляции. Данные сравниваются с результатами, полученными на здоровых людях или животных. Таким образом, могут быть зафиксированы нарушения в тех или иных органах. Так, при нарушениях функций щитовидной железы в ней избирательно задерживается радиоактивный иод. Диагностика функциональных расстройств с помощью радиоактивных препаратов в ряде клиник нашла широкое применение.
Отечественная радиохимическая промышленность поставляет значительное число препаратов с радиоактивными изотопами для диагностических и терапевтических целей. Например:
- натрий-24 — состояние локального тканевого кровотока, проницаемости капилляров и метаболизма натрия в организме при различных заболеваниях;
- фосфор-32 — диагностика и лечение заболеваний крови, диагностика злокачественных новообразований, лечение хронического лейкоза, заболеваний кожи;
- хром-51 — диагностика заболеваний крови и желудочно-кишечных кровотечений, беззондовое определение кислотности желудочного сока;
- стронций-85 — диагностика первичных и вторичных злокачественных опухолей скелета;
- йод-131 — оценка состояний сердечно-сосудистой системы, исследование состояния печени и желчного пузыря, лучевая терапия при поражении лимфатических узлов злокачественными опухолями, исследование функциональной деятельности почек, диагностика и лечение заболеваний щитовидной железы и др.;
- золото-198 — лучевая терапия злокачественных новообразований.
Более подробная информация по этому вопросу имеется в каталоге Всесоюзного объединения «Изотоп» «Медицинские радиоактивные препараты и изделия». В каталоге приведены данные о радиоизотопных препаратах и изделиях, лечебно-диагностические свойства которых испытаны ведущими медицинскими учреждениями и на применение которых имеется разрешение Министерства здравоохранения СССР.
Помимо различных препаратов, предназначенных для диагностики и лечения, самое широкое распространение получили изделия и установки для локального и общего облучения больных. Хорошо известно, что под действием ионизирующего облучения в живой клетке могут происходить различные изменения вплоть до ее гибели. Эти изменения зависят от дозы облучения. При определенных дозах может быть нарушен генетический аппарат клетки, в результате чего здоровая клетка может переродиться в злокачественную. При больших дозах облучения в клетке могут быть нарушены жизненно важные функции и она погибнет. На этом принципе и основана лучевая терапия. Современная медицина оснащена широким ассортиментом средств лучевой терапии. Кто не слыхал о кобальтовой пушке? Она представляет собой источник γ-излучения препарата кобальта-60, заключенный в толстую защитную свинцовую оболочку с узким цилиндрическим отверстием, через которое выходит пучок γ-лучей. Чтобы уберечь обслуживающий персонал от облучения, отверстие закрывается пробкой, манипуляции с которой осуществляются дистанционно. Пучком γ-лучей облучают опухоль. Важно при этом провести облучение таким образом, чтобы убить злокачественные клетки, а здоровые клетки повредить как можно меньше. В случае γ-облучения это достигается тем, что облучение производится несколькими источниками одновременно с таким расчетом, чтобы пучки от разных источников пересекались в нужном месте. Тогда доза в месте пересечения пучков будет кратна числу источников, а все остальные места прохождения пучка получат однократную дозу. Тот же эффект может быть достигнут и одним источником, если необходимое место облучать с разных направлений последовательно. В случае необходимости облучить наружные ткани или ткани, лежащие неглубоко, вместо γ-облучения применяют облучение α- и β-частицами. Как мы уже знаем, для этих частиц пробег невелик — от нескольких миллиметров для α-частиц до нескольких сантиметров для β-частиц. В качестве излучателей применяются радиоактивные аппликаторы и иглы. Первые представляют собой той или иной формы поверхность, покрытую препаратом радиоактивного изотопа. Поверх радиоактивного слоя наносится защитное покрытие, чтобы предотвратить возможность перехода радиоактивного препарата на места облучения и в окружающую среду. Защитное покрытие должно быть достаточно тонким, чтобы не поглотить значительную долю излучения, и достаточно прочным и надежным. В зависимости от типа и энергии излучения в качестве защитного покрытия применяют фольгу из алюминия и нержавеющей стали, эмали и полимерные пленки. При помощи аппликаторов лечат рак кожи, катаракты (помутнение хрусталика) и много других заболеваний.
Радиоактивные иглы представляют собой металлические тонкие капилляры с заостренным концом (типы иглы для шприцов), в канал которых вводится радиоактивный препарат, чаще всего в виде тонкой проволочки. В СССР выпускаются штифты на основе золота-198 и наборы игл на основе кобальта-60.
Для лечения пораженных тканей такие иглы в определенном количестве и на определенное время вводят в эти ткани. Создавая необходимую дозу облучения, убивают злокачественные клетки, не затрагивая здоровые. Иглы могут быть достаточно длинными, а радиоактивный препарат размещаться только у острия. Таким способом может быть достигнуто местное облучение тканей, расположенных не только у поверхности, но и на достаточной глубине.
Помимо глазных аппликаторов, в широком ассортименте выпускаются кожные аппликаторы для лечения многих кожных заболеваний. Изготавливаются они на основе фосфора-32, кобальта-60, таллия-204, прометия-147.
К медицине и биологии примыкает лучевая стерилизация. Основана она на том, что облучение предметов, подлежащих стерилизации, производят такой дозой, которая является губительной для всех микроорганизмов. Для стерилизации используются мощные источники γ-лучей на основе радиоактивных кобальта-60 и цезия-137.
В первую очередь лучевая стерилизация удобна в отношении перевязочных материалов, игл, шприцов и другого медицинского инструментария. В самом деле, указанные предметы могут быть простерилизованы после того, как они помещены в герметичную упаковку. При обычной тепловой стерилизации упаковка производится после нее, что может привести к нарушению стерильности.
Таким же путем можно стерилизовать ампулы с препаратами для инъекций. При этом доза должна быть такой, чтобы убить микроорганизмы и не вызвать нежелательных изменений в самом препарате.
Одно время предпринимались усиленные попытки применить лучевую стерилизацию пищевых продуктов с тем, чтобы удлинить сроки их хранения. Особенно это важно в отношении мясных и молочных продуктов. Пока эти попытки не дали хороших результатов, так как при значительных дозах облучения в самих пищевых продуктах происходят распад и накопление веществ, изменяющих вкус и запах, а иногда и вредных для организма. Тем не менее не исключено, что будут найдены такие формы облучения, при которых нежелательные последствия не будут иметь места.
Клетки различных органов по-разному чувствительны к ионизирующему излучению. При одних и тех же дозах одни клетки погибают, а другие остаются практически без нарушений и продолжают выполнять свои функции. Наиболее чувствительны к облучению зародышевые клетки. На этом их свойстве основывается применение облучения картофеля и семян для удлинения сроков их хранения без прорастания. Этот метод очень важен и перспективен и позволяет сохранить большие количества пищевых продуктов в овощехранилищах и элеваторах.
Под действием облучения в веществе могут происходить самые разнообразные химические процессы. Изучением этих процессов занимается возникшая новая отрасль науки — радиационная химия.
Благодаря успехам радиационной химии стало возможным изучить элементарные процессы, вызванные ионизирующим излучением, образование реакционноспособных ионов и радикалов. Это, в свою очередь, послужило основой для более глубокого понимания лучевых поражений организма и методов их предупреждения и лечения. Результаты исследований в области радиационной химии являются также основой создания новых, так называемых радиационно-химических, технологических процессов — синтез полимерных материалов, создание материалов с особыми свойствами, ускорение химических реакций и многих других. Целый ряд химических процессов осуществляется только в условиях повышенных температур или давлений. Облучение ионизирующим излучением позволяет осуществить эти процессы при обычных условиях или значительно их ускорить.
В настоящее время радиационно-химические процессы внедрены в полупромышленных и в промышленных масштабах, число их с каждым годом увеличивается.
Значительно число работ по изучению влияния ионизирующих излучений радиоактивных изотопов на наследственность. Эти работы имеют первостепенную важность как с точки зрения предупреждения нежелательных генетических изменений, так и с точки зрения целенаправленного радиационного изменения наследственных признаков, создания растений и животных с новыми полезными свойствами, создания более продуктивных сортов и пород. Недалеко то время, когда с помощью радиационной генетики будут создаваться новые полезные растения и животные с наперед заданными наследственными свойствами.