Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛИЗАЦИИ И
ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ СКЕЛЕТА ЧЕЛОВЕКА, СТРОНЦИЙ И ЕГО
ВЛИЯНИЕ НА КОСТНУЮ ТКАНЬ 14
1.1 Костная ткань, структура, функции 14
Регуляция роста и перестройки костной ткани 18
Методы изучения перестройки костной ткани человека 29
Возрастные особенности перестройки костной ткани 33
Возрастные особенности развития и перестройки зубных тканей человека 47
Стронций в организме человека 50
1.7. Костная ткань человека, как особых объект исследования процессов
минерализации и деминерализации костной ткани 63
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 69
Описание архивных материалов 70
Описание основных баз данных УНПЦРМ 72
Описание основных регистров 76
Формирование групп в соответствие с задачами исследования 78
Методы измерений степени минерализации кости и содержания Sr в костной ткани 89
Расчет доз облучения от Sr 95
Методы статистической обработки данных 98
ГЛАВА 3. ПОЛОВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНОЙ
ПЛОТНОСТИ СКЕЛЕТА ЖИТЕЛЕЙ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА 90
Минеральная плотность отдельных костей скелета в зависимости от пола и возраста 99
Анализ векового тренда степени минерализации кости 1.19
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА СКОРОСТИ РЕЗОРБЦИИ КОРТИКАЛЬНОЙ
КОСТНОЙ ТКАНИ 140
Общие методологические подходы 1.40
Оценка индивидуальных скоростей выведения 90Sr из организма 144
Оценка скорости рециркуляции стронция в организме человека 147
Оценка средних значений скоростей резорбции кортикальной кости....150
Скорость резорбции кортикальной кости у людей старше 30 лет, влияние различных факторов 1.56
ГЛАВА 5. ПОЛОВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ 90SR В
ОРГАНИЗМЕ ЖИТЕЛЕЙ ЮЖНОГО УРАЛА 1.72
3.1. Накопление стронция в скелете в организме жителей прибрежных сел
реки Теча, влияние пола и возраста 17.4
Накопление и выведение 90Sr у жителей ВУРСа и прилегающих территорий, влияние пола и возраста 1.82
Сравнение возрастных зависимостей накопления стронция-90 в организме, полученных на основе различных наборов данных 1.89
Оценки коэффициента перехода 90Sr в системе скелет матери- скелет плода 1.92
Накопление 90Sr в зубах 20.0
Оценка содержания кальция в скелете для жителей Уральского региона, 215
ГЛАВА 6. РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ И МИНЕРАЛЬНАЯ
ПЛОТНОСТЬ КОСТНОЙ ТКАНИ 224
6.1. Влияние излучения Sr на минеральную плотность костной ткани 224
6.2. Реакции системы регуляции минерального обмена на ионизирующее
облучение 231.
6.3. Подходы к выделению групп риска 244
6.4. Вековой тренд снижения минеральной плотности и радиационное
воздействие, как неблагоприятный фактор окружающей среды. 246
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 248
ВЫВОДЫ 258
СРИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26.1.
Приложение .313
5 Список использованных сокращений
ВУРС - Восточно-Уральский радиоактивный след
ЗД - зубной датчик
ИЛ - интерлейкин
ИФР - инсулиноподобный фактор роста
КСФ - колониестимулирующий фактор
MB - минеральные вещества
МИОМФ - моно-изооктил-метил фосфоновой кислоты
МКБ - международная классификация болезней
МКРЗ- Международная комиссия по радиологической защите, в английской
транскрипции ICRP
МФР - макрофагальный фактор роста
НКДАР ООН - Научный комитет ООН по действию атомной радиации
ПГ - простагландин
ПО «Маяк» - Производственное Объединение «Маяк»
ПТГ - паратиреоидный гормон
СИЧ-9.1 - спектрометр излучений человека
СТГ - соматотропный гормон (гормон роста)
Т3 - тиреоидный гормон
ТТГ - тиреотропный гормон
УНПЦ РМ - Уральский научно-практический центр радиационной медицины
ФНО (TNF) -фактор некроза опухоли
90Sr - стронций-90
1311-йод-131
DPA- двуэнергетическая фотонная абсорбциометрия
DXA-двуэнергетическая рентгеновская абсорбциометрия
SN- системный номер, синоним - индивидуальный цифровой код, принятый для
идентификации людей, информация о которых включена в базы данных УНПЦ РМ
Единицы измерения радиоактивности и дозы облучения:
Бк - беккерель, соответствует одному радиоактивному распаду в секунду
Ки - кюри, внесистемная единица, 1Ки=3,7-10 Бк
Ки/км - внесистемная единица радиоактивного загрязнения почвы, 1Ки/км =
3,7-104Бк/м2
Гр - грэй, единица поглощенной дозы, 1Гр=1Дж/кг
Введение к работе
Актуальность проблемы. За последние десятилетия научный интерес
к процессам, происходящим в костной ткани, постоянно увеличивается. Во
многом это связано с разработкой новых методов исследования,
позволяющих изучать как микропроцессы в кости (биохимические процессы,
активация специфических генов, регуляция межклеточных взаимодействий и
т.д.), так и макропроцессы (изменения с возрастом костной массы,
минеральной плотности в отдельных участках скелета и т.д. [104, 109, 374]).
Наиболее важной причиной практического интереса к обменным процессам в
костной ткани стало увеличение частоты заболеваний скелета в стареющих
популяциях развитых стран [5, 94, 104, 186]. Профилактика и лечение
подобных заболеваний базируются на знании физиологии костной ткани в
норме и при патологических состояниях.
Результаты исследований содержания костных минералов с использованием инструментальных методов показали, что заболевание остеопорозом, а также частота вызванных остеопорозом переломов кости, во многом связана со снижением минеральной плотности костной ткани. К снижению механической прочности кости приводит также увеличение с возрастом частоты микроповреждений (микротрещин) костного матрикса [370], более выраженное в кортикальной кости, изменение микроархитектуры трабекулярной кости, а также значительное увеличение с возрастом скорости ремоделирования костной ткани, особенно резко проявляющееся у женщин после наступления менопаузы [352]. Это позволило некоторым исследователям [256, 352] считать скорость перестройки костной ткани, наряду с минеральной плотностью кости, одним из определяющих факторов риска переломов костей скелета.
Заболеваемость остеопорозом существенно отличается в различных странах и регионах. Она зависит не только от этнических факторов, климатогеографических условий, но и от степени индустриализации региона, состояния окружающей среды [42, 76, 93, 140]. Причины таких зависимостей
7 до конца не ясны. Следует также отметить, что в ряде работ [3, 93] была обнаружена весьма тревожная для России тенденция: у клинически здоровых молодых людей обоего пола в возрасте 18-25 лет (в период максимальных значений костной массы) минеральная плотность костной ткани оказалась ниже, чем у их сверстников в США. Если эти данные подтвердятся, то через 20-30 лет мы получим поколение, у значительной части которого развитие остеопороза будет опережать обычные возрастные границы нормы. Женщины в возрасте 40 лет и мужчины в 50 лет будут иметь показатели минерализации кости, характерные сейчас для 60-70-летних. К сожалению, из-за смены методов исследований и вследствие отсутствия систематического мониторинга содержания минералов в скелете до 1980-х годов невозможно было проследить вековой (секулярный) тренд в состоянии костной системы.
Начало интенсивным исследованиям роста, перестройки и минерализации кости положили работы с радиоактивными метками, причем для человека основной меткой оказался стронций-90 (90Sr), которым была глобально загрязнена окружающая среда после испытаний ядерного оружия во второй половине ХХ-го века [23, 46]. В результате радиационных инцидентов на Производственном Объединении (ПО) «Маяк» (Челябинская область, Россия), в 50-60-е годы XX века произошло локальное загрязнение окружающей среды остеотропным 90Sr [39, 62, 68, 156]. Эта ситуация позволяет, в частности, использовать Sr как метку минерального (кальциевого) обмена и исследовать важнейшие параметры физиологии костной ткани человека.
В Уральском научно-практическом центре радиационной медицины (УНПЦ РМ) за последние 15 лет были созданы уникальные научные базы данных, обобщающие результаты исследований нескольких поколений ученых из различных лабораторий. Эти данные касаются радиационного мониторинга окружающей среды, измерений содержания радионуклидов в тканях человека, а также результатов медицинских обследований
8 облучившегося населения. Объединение результатов более чем 40-летних исследований в единую информационную базу данных было сделано с целью получения новых знаний в области медицины, физиологии, экологии и дозиметрии. В частности, анализ материалов по рутинному мониторингу за содержанием 9 Sr в организме человека дает возможность получить информацию о минерализации и деминерализации костной ткани у жителей Уральского региона во второй половине XX века, поскольку эти материалы включает в себя информацию об общем содержании минералов в образцах костей. Количественные оценки возрастных параметров минерализации и деминерализации необходимы для создания биокинетических и дозиметрических моделей метаболизма остеотропных элементов в кальцифицированных тканях человека. Такие модели имеют важное практическое применение для расчета доз облучения населения, пострадавшего вследствие деятельности ПО «Маяк». Кроме того, представляется уникальная возможность исследовать влияние малых доз ионизирующего облучения, как экологического фактора, на параметры минерализации скелета человека.
Цель исследования: выявить половозрастные особенности накопления и потери минеральных веществ в различных костях человека на основе данных о содержании костных минералов и 90Sr у жителей радиоактивно загрязненных территорий Уральского региона.
Задачи исследования:
Оценить содержание минеральных веществ в отдельных костях скелета у жителей Уральского региона в зависимости от возраста, пола и типа кости.
Количественно охарактеризовать вековой тренд изменения минеральной плотности костей скелета (на примере ребра).
Определить скорость резорбции кортикальной кости скелета человека и скорость потери минералов из зубной эмали с использованием 90Sr как радиоактивной метки.
Определить половозрастные особенности накопления 90Sr в костной ткани жителей Уральского региона.
Выявить зависимость между минеральной плотностью кости, содержанием Sr в костной ткани и радиоактивным загрязнением окружающей среды.
Научная новизна исследования
В работе впервые получены данные по скорости минерализации и деминерализации отдельных участков скелета у жителей Уральского региона. Полученные результаты существенно дополняет имеющиеся сведения по возрастному изменению минеральной плотности отдельных костей у человека. На примере ребра были изучены возрастные закономерности минерализации и деминерализации костной ткани, характерные для данной популяции в 1960-е, 1970-е и 1980-е годы, что позволило обнаружить и количественно оценить скорость векового тренда.
Впервые, на основе результатов повторных прижизненных измерений на спектрометре излучений человека, используя 90Sr как радиоактивную метку, были оценены скорости резорбции кортикальной костной ткани в зависимости от пола и возраста, что принципиально важно для понимания процессов формирования минерал-дефицитных состояний. Полученные закономерности изменения скоростей резорбции костной ткани позволили впервые создать биокинетические модели поведения стронция в женском и мужском организме. Впервые количественно была определена скорость потери минеральных веществ из эмали зубов.
Впервые, при обобщении всех источников информации об измерениях содержания 90Sr в организме человека, получена динамическая картина накопления радионуклида в организме жителей Челябинской и прилегающих районов Свердловской области в зависимости от пола, возраста и плотности радиоактивного загрязнения территорий.
10 Теоретическая и практическая значимость
В работе показано, что количественные показатели возрастного снижения минеральной плотности кости (скорость деминерализации) существенно зависят от методологического подхода к их оценке. Данные поперечных (популяционных) исследований не могут использоваться для прогностических оценок индивидуальных скоростей деминерализации в связи с существованием векового тренда, связанного со снижением уровня минерализации костной ткани человека во второй половине XX века.
Полученные данные по различным показателям минерализации костной ткани стали основой для разработки биокинетических моделей для стронция, которые используются как для целей радиационной защиты, так и для исследований процессов обмена остеотропных веществ. Эта модель учитывает особенности обмена стронция в зависимости от пола и возраста, а также морфофизиологические особенности жителей Уральского региона.
На основании исследований закономерностей накопления и выведения 90Sr в эмали и дентине зуба была создана дозиметрическая модель зуба.
Результаты исследований были использованы для верификации биокинетических моделей остеотропных минералов в организме человека, разрабатываемых Международной комиссией по радиологической защите (Публикация МКРЗ 88).
Результаты диссертационной работы используются для расчета доз облучения населения Уральского региона от 90Sr, необходимых для эпидемиологических исследований риска отдаленных последствий действия радиации.
Положения, выносимые на защиту:
1. Накопление и потеря костных минералов в течение жизни человека определяются возрастом, полом и типом кости, скорость увеличения минеральной плотности кости в период до 20-25 лет варьирует от 1,2 до
2,1% в год, скорость возрастной потери минералов в возрасте от 30 до 75 лет варьирует от 0,4 до 0,8 % в год.
В течение XX века наблюдалось снижение минеральной плотности кости в однородных по полу и возрасту группах, то есть имел место вековой тренд минеральной плотности.
Скорость резорбции кортикальной части скелета в диапазоне исследованных возрастов (30-75 лет) была достоверно выше у женщин, чем у мужчин; возрастные изменения скорости резорбции носили фазовый характер, который различался у мужчин и женщин.
Содержание 90Sr в костной ткани у обследованных жителей севера и северо-востока Челябинской области и прилегающих районов Свердловской области в период с конца 50-х до середины 80-х годов зависело от года рождения и существенно превышало средне-российские значения.
Наблюдаемый у жителей Уральского региона тренд снижения минеральной плотности кости не связан с загрязнением региона Sr.
Апробация материалов работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих форумах: ХХХШ Международном конгрессе по физиологическим исследованиям (Санкт-Петербург, 1997); Международных конгрессах по радиационной защите IRPA-9 (Vienna, Austria, 1996), IRPA-10 (Hiroshima, Japan, 2000), IRPA-11 (Madrid, Spain, 2004); Международном симпозиуме по загрязнению окружающей среды в центральной и восточной Европе (Prague, Czech Republic, 2000); научной сессии Московского инженерно-физического института «МИФИ-2000» (Москва, 2000 г.); Международном Симпозиуме «Хроническое радиационное воздействие: возможности биологической индикации» (Челябинск, 2000 г.); конференции «Проблемы экологии и экологического образования Челябинской области»
12 (Челябинск, 2001 г.); Межотраслевой научно-практической конференции «Снежинск и наука» (Снежинск, 2000 г.); Международном экологическом симпозиуме «Урал атомный, Урал промышленный» (Екатеринбург, 2000 г., 2001 г., 2002 г.), региональной конференции «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2001 г., 2002 г.) и Всероссийской конференции с тем же названием в 2004 г.; Рабочих совещаниях по поступлению радионуклидов (Avignon, France, 1998) и внутренней дозиметрии радионуклидов (Oxford, UK, 2003); 10м совместном совещании Международного общества по изучению костей и минералов, а также Японского общества с тем же названием (Osaka, Japan, 2003); XIX съезде Всероссийского физиологического общества им. Павлова (Екатеринбург, 2004 г.), заседании Челябинского отделения Всероссийского физиологического общества им. Павлова (Челябинск, 2005 г.); III Международной научно-практической конференции «Медицинские и экологические эффекты ионизирующего облучения» (Томск, 2005 г.); Международной конференции «Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий» (Москва, 2005 г.), а также на заседаниях ученого совета Уральского научно-практического центра радиационной медицины (Челябинск, 2000-2005).
Личный вклад соискателя
Личный вклад соискателя заключается в формулировке цели и задач исследования, в анализе архивных материалов и разработке структуры ряда регистров базы данных; в разработке методологии использования данных по содержанию 90Sr в организме жителей Уральского региона для количественной оценки параметров метаболизма костной ткани.
Лично автором разработана структура регистра аутопсийного материала, включающего пробы костей, отобранных посмертно; полностью сформирован регистр радиохимических измерений содержания 90Sr в зубах; разработаны подходы к оценке минеральной плотности костной ткани с
13 использованием коэффициентов озоления и проведен расчет скоростей минерализации и деминерализации различных участков скелета человека в зависимости от возраста и пола; оценен вековой тренд изменения минерализации костной ткани; разработан метод и проведена оценка доз облучения плода от 90Sr для потомков жителей прибрежных сел реки Теча; разработан метод и оценена скорость выведения стронция из эмали зубов; проведен анализ связи между возрастными показателями минерализации скелета и зубов. В соавторстве с Шагиной Н.Б. и Заляпиным В.И. были оценены скорости резорбции кортикальной кости человека, оценено влияние различных факторов, в том числе ионизирующего облучения, на скорость резорбции кортикальной кости; оценен ряд параметров половозрастной модели метаболизма стронция.
Таким образом, основные результаты, представленные в диссертации, получены соискателем лично или в соавторстве, где вклад автора был определяющим.
