Μελέτη της διακίνησης του ραδιενεργού στροντίου 90Sr στον άνθρωπο

Abstract

The aim of the research presented in the Ph.D. thesis was the circulation of the radioactive strontium 90Sr, through the human body. 90Sr is an artificial radioactive isotope, produced via nuclear explosions and nuclear fission in Nuclear Plants. It enters into the food chain and finally to the human body, where it is deposited to the bone and teeth. 90Sr disintegrates to 90Υ by β- decay and 90Y also disintegrates to the stable nucleus 90Zr with the same mechanism. These two electrons deposit their energy in a very limited volume near the disintegrated nuclei. This energy is absorbed by the bone or teeth tissue and the biological effect is related to the total energy released and the rate at which the energy is absorbed in living cells. The damage of the cells may be irreversible leading to leukemia and bone neoplasm. It is obvious that the knowledge of the radiostrontium concentration of the bone tissue is necessary for estimating the risks of the public health.90Sr can be detected in bones by separating the isotope or its daughter nucleus 90Υ from the biological sample, and measuring the radioactivity on a beta-counter. In this research, 90Υ was separated from the biological sample by means of physical and chemical treatment of the sample. A chemical separation method was developed based on preferential chelating of Yttrium isotope in organophosphoric ester (Bis (2-hexyl-ethyl) hydrogen phosphate), solution in dodecane. Yttrium is back-extracted in aqueous strong acid solution and then is first precipitated as yttrium hydroxide and finally as Yttrium oxalate. The oxalate is mounted on a filter paper and measured on a beta-counter. A number of 105 bone samples, mainly spongy bone (cancellous bone) and 108 teeth samples were analyzed and measured for radiostrontium activity. Samples varied in age of the subject for bone samples or donor for teeth samples, sex and area of residence. The collecting period was 1992-1996. The percentage of inorganic matter in bone and teeth ash and the mass of each tooth type are presented. The measurements of 90Sr radioactivity of the bone and teeth samples are presented according to age, sex, tooth and bone type and area of residence. Radiostrontium concentration in bone samples shows small variation according to age, with mean value 30 mBq 90Sr / g Ca. There is no statistical deference in 90Sr concentration in bone samples according to sex and residence. In teeth samples there is remarkable variation in radiostrontium concentration according to age. 90Sr concentration rises from 24 to 51 mBq 90Sr / g Ca for both sexes, to the age of 20 years. In ages from 21 to 40 years, it rises from 19 to 64 mBq 90Sr / g Ca for both sexes. Finally, radiostrontium concentration falls to 4 mBq 90Sr / g Ca at the age of 80 years old, for both sexes. There is no statistical deference in 90Sr concentration in teeth samples according to sex and residence for the same age group.A new model predicting the 90Sr concentration in bone and teeth is presented. The model was developed by Nuclear Physics Laboratory (NPL) of the University of Ioannina and calculates 90Sr concentration in bone and teeth according to age. The model takes into account radiostrontium intake for the life span of the subject or donor and radiostrontium biological removal rate from bone and teeth which depends on age. For this purpose, the annual mean intake of 90Sr in Greece for the period 1953-1994 was calculated. This calculation was based on reports for environment radioactivity and 90Sr concentration in milk, for the same period. The NPL model predictions of the radiostrontium concentration in bone and teeth, are in good agreement with the measurements of the bone and teeth samples, within the experimental error. Predictions in very good agreement with measurements, are obtained after fitting model parameters to sample measurements. Annual mean 90Sr intake and the biological removal rate of radiostrontium from the bone and teeth are evaluated. Annual removal rates from teeth were found to vary from 500 % at birth to 0.1 % after the age of 35 years, while 90Sr annual removal rates from cancellous bone were found to vary from 260 % at birth to 10 % at the age of 90 years old, with mean value about 50 % for adults.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη της διακίνησης του ραδιενεργού στροντίου 90Sr στον άνθρωπο. Το ραδιενεργό στρόντιο υπάρχει στο περιβάλλον ως προϊόν σχάσης από πυρηνικές δοκιμές καθώς και από πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το 90Sr εισέρχεται στις τροφικές αλυσίδες και στην συνέχεια στον άνθρωπο μέσω της τροφής, όπου εναποτίθεται κυρίως στα οστά και τα δόντια. Αποδιεγείρεται εκπέμποντας ηλεκτρόνια, σε 90Υ το οποίο στην συνέχεια αποδιεγείρεται σε σταθερό 90Ζr εκπέμποντας ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Η ακτινοβόληση των ιστών του οστού από την ακτινοβολία β μπορεί να οδηγήσει σε μη αναστρέψιμες βλάβες των κυττάρων ως αποτέλεσμα των οποίων είναι η εμφάνιση λευχαιμίας και νεοπλασιών των ιστών του οστού. Είναι φανερή η ανάγκη παρακολούθησης των επιπέδων ραδιενεργού στροντίου στο γενικό πληθυσμό και η εκτίμηση των κινδύνων που είναι δυνατό να υπάρξουν για την υγεία των ανθρώπων.Η ανίχνευση του 90Sr στα οστά μπορεί να επιτευχθεί με απομόνωση του ισοτόπου ή του θυγατρικού του 90Υ από το δείγμα και μέτρηση της ραδιενέργειας σε ανιχνευτή ακτινοβολίας β. Στην παρούσα διατριβή επιλέχθηκε η απομόνωση του 90Υ από το βιολογικό δείγμα, η οποία επιτυγχάνεται με φυσική και χημική επεξεργασία του δείγματος. Αναπτύχθηκε χημική μέθοδος επεξεργασίας των δειγμάτων οστών και δοντιών η οποία βασίζεται στην εκλεκτική διάλυση του 90Υ σε διάλυμα οργανοφωσφωρικού εστέρα (Bis (2-hexyl-ethyl) hydrogen phosphate), την επανάκτησή του σε διάλυμα οξέος και την καταβύθισή του αρχικά ως υδροξειδίου και τέλος ως οξαλικού άλατος. Το δείγμα στην τελική του μορφή (σκόνη οξαλικού υτρίου με την μορφή λεπτού υμεναίου σε φίλτρο χάρτου) υποβάλλεται σε μέτρηση ακτινοβολίας β. Μετρήθηκαν 105 δείγματα οστών στέρνου, πλευρών και κεφαλές ισχίου καθώς και 108 δείγματα δοντιών ως προς την συγκέντρωσή τους σε 90Sr. Τα δείγματα ήταν διαφόρων ηλικιών, φύλου και τόπου διαμονής και η συλλογή τους έγινε κατά την περίοδο 1992-1996. Αρχικά, παρουσιάζονται το ποσοστό ανόργανης ύλης στα δείγματα οστών και δοντιών καθώς και η μάζα των δοντιών σε σχέση με το είδος. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων των δειγμάτων των οστών και δοντιών ως προς την συγκέντρωσή τους σε ραδιενεργό στρόντιο. Η συγκέντρωση του ραδιενεργού στροντίου στα οστά παρουσιάζει μικρή διακύμανση σε σχέση με την ηλικία με μέση τιμή τα 30 mBq 90Sr / g Ca. Δεν υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ των συγκεντρώσεων 90Sr στα οστά, σε σχέση με το φύλο καθώς και με τον τόπο διαμονής. Στα δόντια παρουσιάζεται σημαντική διαφοροποίηση της συγκέντρωσης 90Sr με την ηλικία. Παρατηρείται αύξηση της συγκέντρωσης από 24 έως 51 mBq 90Sr / g Ca, για τα δύο φύλα, μέχρι την ηλικία των 20 ετών. Στην συνέχεια παρατηρείται μία αντίστοιχη τάση ανόδου από 19 έως 64 mBq 90Sr / g Ca για τα δύο φύλα από την ηλικία των 21 ετών έως την ηλικία των 40 ετών. Τέλος η συγκέντρωση του ραδιενεργού στροντίου ελαττώνεται μέχρι τα 4 mBq 90Sr / g Ca στην ηλικία των 80 ετών, για τα δύο φύλα. Δεν παρατηρείται στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ των συγκεντρώσεων 90Sr στα δόντια σε σχέση με το φύλο και το είδος για την ίδια ομάδα ηλικίας.Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ένα νέο πρότυπο πρόβλεψης συγκέντρωσης 90Sr στα οστά και τα δόντια. Το πρότυπο αυτό αναπτύχθηκε από το Εργαστήριο Πυρηνικής Φυσικής (ΕΠΦ) του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και υπολογίζει την ποσότητα του ραδιενεργού στροντίου στα οστά και τα δόντια για κάθε ηλικία. Για τον υπολογισμό λαμβάνεται υπόψη η ποσότητα του 90Sr που έχει λάβει ο άνθρωπος καθ' όλη την διάρκεια της ζωής του, μέσω της διατροφής, καθώς και ο ρυθμός αποβολής του ραδιενεργού στροντίου από τα οστά και τα δόντια, ο οποίος εξαρτάται από την ηλικία. Για τον σκοπό αυτό υπολογίστηκε η μέση ετήσια συγκέντρωση του 90Sr στην διατροφή στην Ελλάδα για την περίοδο 1953-1994. Ο υπολογισμός έγινε με βάση τα στοιχεία που υπήρχαν για την Ελλάδα και προσαρμογή των στοιχείων αυτών με το πρότυπο UNSCEAR. Το πρότυπο ΕΠΦ προβλέπει τα επίπεδα ραδιενεργού στροντίου στα οστά και τα δόντια, σε καλή συμφωνία με τα αποτελέσματα των μετρήσεων, μέσα στα όρια των πειραματικών σφαλμάτων. Πολύ καλή συμφωνία πρόβλεψης της συγκέντρωσης του 90Sr και πειραματικών αποτελεσμάτων προκύπτει ύστερα από βαθμονόμηση του προτύπου. Η βαθμονόμηση έγινε με επαναπροσδιορισμό ορισμένων παραμέτρων του προτύπου όπως ο ρυθμός αποβολής του ραδιενεργού στροντίου από τα οστά και τα δόντια καθώς και η μέση ετήσια συγκέντρωση του 90Sr στη διατροφή στην Ελλάδα. Οι ρυθμοί αποβολής του 90Sr από τα δόντια βρέθηκαν να κυμαίνονται από 500 % κατά την γέννηση του ανθρώπου έως και 0.1 % μετά την ηλικία των 35 ετών, ενώ οι ρυθμοί αποβολής του 90Sr από τα σπογγώδη οστά βρέθηκαν να κυμαίνονται από 260 % κατά την γέννηση έως και 10 % στην ηλικία των 90 ετών, με μέση τιμή περίπου 50 % για τους ενήλικους.