第04章 電離輻射生物學作用原理

1、放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理1教學要求1.掌握生物靶學說的概念和類型及其意義2.掌握輻射的種類及其物質(zhì)作用的特點3.掌握傳能線密度、相當生物效能與輻射敏感性4.了解電離輻射對生物體作用的化學基礎5.理解電離輻射生物學作用的影響因素放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理2第1節(jié) 電離輻射與生物靶學說 放射性物質(zhì)可以誘發(fā)各類相關疾病和癌癥，為解決生物學作用機制，科學家提出了靶學說(target theory)的概念電離輻射與生物靶學說電離輻射與生物靶學說 所以了解靶學說有利于理解輻射致細胞死亡的機制和探討有關影響細胞輻射效應的因素。一、

2、靶學說和靶數(shù)學模型靶概念靶數(shù)學模型發(fā)展細胞放射生物學第四章第四章 電離輻射生物學作用原理電離輻射生物學作用原理放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理3 以后Blackwood在1931年根據(jù)他的輻射實驗，計算了基因的大小。20世紀40年代，幾乎同時出版了兩部靶學說的經(jīng)典著作：（一）靶學說概念 1924年，Crowther提出了靶學說的概念。認為照射后細胞有絲分裂的抑制，是由于染色體中有著絲點那樣大小的體積中發(fā)生了一次電離的結(jié)果,并證明細胞分裂的抑制與照射劑量之間存在著定量的關系靶學說的最初形式. 英國放射生物學家Lea的輻射對活細胞的作用把靶概念進一步完善。德國物理學

3、家 和Zimmer合著的生物學中的擊中原理把靶概念進一步完善。Timofeeff-Ressovsky歷史放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理4 (1)活細胞內(nèi)存在著對射線特別敏感的區(qū)域，稱作“靶”(target)，射線輻照在靶上即引起某種生物效應。 (2)射線與靶區(qū)的作用是一種隨機過程，是彼此無關的獨立事件，“擊中”幾率服從Poisson分布(泊松分布)。 (3)射線在靶區(qū)內(nèi)的能量沉積超過一定值便發(fā)生效應，不同的靶分子或靶細胞具有不同的“擊中”數(shù)。 靶學說的理論要點： 輻射所致的生物效應是由于在靶細胞內(nèi)發(fā)生了一次電離作用或“能量沉積事件”的結(jié)果，會引起生物大分子失活

4、、基因突變和染色體斷裂等，這種效應決定于輻射的性質(zhì)和靶的輻射敏感性。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理5 按照這個學說可以由受到一定照射劑量的生物體比例來計算靶分子或靶結(jié)構(gòu)的大小。還可以進一步預測產(chǎn)生相同生物效應的不同射線的電離效率。 現(xiàn)在學者研究認為，主要的靶分子是脫氧核糖核酸(DNA),此外還有細胞膜。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理6(二)電離輻射的作用階段物理階段：極短：10 -14 秒化學階段：很短：10 -10 秒生物階段：數(shù)分鐘自幾十年放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理7物理階段主要指

5、帶電粒子和構(gòu)成組織細胞的原子之間的作用。包括電離作用和激發(fā)作用。指受損的原子和分子與其他細胞成分發(fā)生快速化學反應的時期。主要指自由基的形成化學階段 包括所有的繼發(fā)過程。在此階段，大部分的DNA損傷會被修復，極少部分不能修復的損傷最終將導致細胞死亡，并且在照射后很長一段時間后，在照射的區(qū)域內(nèi)有可能產(chǎn)生第2個腫瘤即射線致癌。生物階段放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理8放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理9生物效應恢復正常死亡癌變修復成功修復失敗電離輻射的直接作用和間接作用高LET射線主要是直接作用。電離輻射作用的靶是DNA直接作用：各種帶電

6、或不帶電的粒子或光子被物質(zhì)吸收后直接與細胞的關鍵靶DNA 發(fā)生作用，靶原子本身的原子可以被電離或激發(fā)，從而啟動一系列的生物變化事件。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理10生物效應恢復正常死亡癌變修復成功修復失敗電離輻射的直接作用和間接作用電離輻射作用的靶是DNA 間接作用：指輻射與細胞內(nèi)的其他分子或原子（特別是水）相互作用， 產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴散到足夠遠，到達并損傷靶DNA。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理11 隨著細胞生物學的發(fā)展，針對不同生物體對不同品質(zhì)的射線、不同照射方式、不同修復條件，擬合了多種數(shù)學模型。具有代表性

7、的模型有以下幾種：（三）靶數(shù)學模型 最初是從靶學說的概念中提出描述輻射劑量-細胞存活率曲線的數(shù)學模型。1.單靶單擊模型(one target and one-hit model)2.多靶單擊模型(more target and one-hit model)3.線性-平方模型(linear quadratic mode, LQ)放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理12假設：受照生物體僅有一個對射線敏感的結(jié)構(gòu)，即單靶；在此單靶中僅發(fā)生一次電離事件或僅一個電離粒子穿過，即單擊。 靶學說的基礎細胞生物曲線數(shù)學模型的理論基礎是單靶單擊模型生物大分子、某些小病毒和細菌，在少數(shù)情

8、況下，也適用于描述高LET輻射（如粒子）所致的哺乳動物細胞惡化性轉(zhuǎn)化。應用于表達式0D DSFe-=細胞存活分子平均致死劑量 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理13 當照射劑量增加時，靶的擊中數(shù)也隨之增加,但其增速較慢,所以擊中曲線向上突起，如右圖所示 左圖，靶的一次擊中數(shù)與射線劑量成正比，但這僅僅只在剛開始時。均是以靶的擊中部分為坐標放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理14 未失活部分和擊中部分按等比級數(shù)下降，呈指數(shù)曲線，盡管劑量增加生物效應并不按比例增加，呈下凹曲線如左圖所示 若將存活部分改為對數(shù)坐標，則可得如右圖所示的直線。放射物

9、理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理152.多靶單擊模型(more target and one-hit model) 在一些輻射生物實驗中，推測有兩個或多個靶存在，這時顯然不能用單靶模型。對于某些大的病毒和細菌、酵母菌落的多細胞系統(tǒng)，哺乳動物細胞都屬于多個靶模型。多靶單擊模型改良的初始斜率非零的模型簡單的初始斜率為零的模型分為兩種簡單的多靶單擊模型的細胞存活分數(shù)(SF) ：0n1(1)D DSFe-=-曲線指數(shù)區(qū)存活率每下降63%所需的照射量外推數(shù)或靶數(shù)照射量放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理16 這條曲線的初始斜率為0，其余部分為指數(shù)型直

10、線，這個模型對受高LET照射的哺乳動物細胞比較適用(如右圖) 改良的多靶單擊模型是在上式基礎上乘以一個帶有指數(shù)失活特點的校正系數(shù)后，得到下列方程式：12D DD Dn=1 (1) -SF ee-放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理17D1和D2指曲線開始和終止時候的2個斜率所對應的劑量值，對大多數(shù)細胞和較寬能量范圍都適用。 我們可以類推，進一步排列組合，可得到單靶單擊、單靶多擊、多靶單擊和多靶多擊等多種可能性，并可計算出相應的模型。12D DD Dn=1 (1) -SF ee-放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理183.線性-平方模型（l

11、iner quadratic model，簡稱LQ模型）模型方程為： 2( D+ D )SFe-=a a 該模型的曲線不斷向外彎曲，故又稱連續(xù)彎曲曲線模型。曲線的初始斜率也不等于0。曲線彎曲程度是和的函數(shù)(右圖)。：單擊所致的細胞死亡：單擊所致的細胞死亡(不可修復不可修復)：雙擊所致的細胞損傷：雙擊所致的細胞損傷(可修復可修復)放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理19 系數(shù)和值取決于DNA修復能力和細胞環(huán)境中的其他因素。/代表了細胞修復能力的大小。當D=D2或D=/時，單擊所致的細胞損傷與雙擊所致的細胞損傷的貢獻相等。 其方程是由二元輻射作用理論(theory of

12、 dual radiation)提出的，認為單擊和多擊效應同時存在，總輻射效應由D和D2的相對重要性決定。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理20 LQ模型是近20多年來放射生物學研究的重大發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應用于放射生物學研究和臨床放射治療。 根據(jù)正常組織與腫瘤之間/值的不同，改進治療方案，可使正常組織的反應相對較輕，從而提高放射性治療的效果。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理21（四）靶學說的意義和局限性 對照射后生物大分子的失活規(guī)律、輻射敏感體積的估計、靶相對分子質(zhì)量的估算，以及在分子水平上評價不同品質(zhì)射線對相對生物效能(relati

13、ve biological effect，RBE)的影響方面有著重要的指導意義。靶學說和數(shù)學模型意義：放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理22 盡管如此，靶學說在現(xiàn)代生物學中仍在應用和發(fā)展，如二元輻射理論建立的DNA雙鏈斷裂模型被看做是經(jīng)典靶學說的發(fā)展。靶學說的局限性： 由于歷史原因，經(jīng)典的靶學說設想比較簡單，對生物的復雜性認識不足，在使用上有一定的適用范圍；放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理23 被照射的細胞不是均勻的，而是具有不同輻射敏感性的幾種細胞的混合體。 照射后的代謝過程如修復作用或繼發(fā)效應影響著所觀察的生物效應大小。 在觀察

14、的生物效應出現(xiàn)以前，由于射線直接作用形成的靶分子自由基已經(jīng)被“化學修復”靶學說在下列情況下不能適用： 有外來的物質(zhì)或因素，如輻射防護劑、輻射增敏劑或氧效應等，影響了射線所致的原初損傷。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理24二、輻射的種類及其與物質(zhì)作用的特點電磁輻射:粒子輻射:本質(zhì)是電磁波，只有能量而無靜質(zhì)量射線按本質(zhì)分本質(zhì)是高速運動的粒子流，有能量也有靜質(zhì)量（一）電磁輻射：X射線和射線的特點 都屬于電磁波，但來源不同，X射線由原子核外的物理過程產(chǎn)生，射線是由原子核內(nèi)的物理過程產(chǎn)生。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理25（二）粒子輻射的

15、特點氦原子核 1.粒子（ particle）獲取途徑：可由一些放射性核素衰變出粒子 行為特點：其質(zhì)量大，運動緩慢，有足夠時間在短距離內(nèi)引起較多電離。當粒子入射介質(zhì)時，隨著深度增加和更多電離事件的發(fā)生，能量逐漸被消耗，粒子變慢，慢速粒子又引起更多的電離事件，在其徑跡末端，電離密度明顯增大，形成布拉格峰 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理26 每單位徑跡長度所產(chǎn)生的離子對數(shù)稱為“比電離”(spicific ionization)或“線性電離密度”(linear ino density)放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理27 粒子的速度控制

16、著能量喪失的速度?？焖龠\動的粒子的電離能力要比慢速運動的小。比電離依賴于粒子能量、電荷以及介質(zhì)的密度和原子序數(shù)： 離子對產(chǎn)生的數(shù)目與粒子的原始能量成正比； 能量沿著徑跡喪失的速度與粒子電荷的平方成正比，所以粒子能量喪失的速度要比質(zhì)子快；放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理28 布拉格峰過后粒子的能量減為0，喪失電離能力，此時粒子變?yōu)橹行院ぴ?，生物組織比空氣致密。 粒子在生物組織中只能移動幾十微米，在短距離內(nèi)釋放全部能量，產(chǎn)生很高電離密度，引起嚴重的損傷， 因而粒子的輻射效應以內(nèi)照射效應為主，其外照射效應可忽略。放射治療時使用20MeV的特快中子和負介子照射組織，在

17、組織中產(chǎn)生粒子，對殺傷腫瘤細胞起著重要作用。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理292.粒子或電子（ particle or electron） 電子質(zhì)量為9.10910-31kg，接近介質(zhì)原子時很容易被發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此電子在被照物質(zhì)中路徑曲折，實際射程遠小于徑跡長度，在其徑跡末端，由于能量逐漸消失，速度減慢，與介質(zhì)原子作用機會增多，故電離密度增高。由于電子是成束入射的，不可能沿其徑跡畫出比電離曲線放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理303.質(zhì)子（proton） 是原子核成分之一，質(zhì)量為1.67262310-27kg是電子的1836倍。質(zhì)子

18、是穩(wěn)定粒子，平均壽命大于1032年。宇宙射線中質(zhì)子成分占83.3%89%。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理31 用質(zhì)子加速器獲得的高能質(zhì)子速度快，穿透力強，其能量釋放有一個布拉格峰，其在穿透徑跡上只釋放少量能量，到達腫瘤灶時會釋放大量能量， 因此對人體正常組織影響小，同時可用自動化技術(shù)來控制其能量釋放的方向、部位和射程、是目前療效最好、副作用最小的放射療法。 適用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宮瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常見癌癥的治療。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理324.中子（neutron） 也是原子核成分之

19、一，質(zhì)量為1.67492810-27kg，比質(zhì)子質(zhì)量稍大。與帶電粒子相比，在質(zhì)量和能量相同的情況下，中子的穿透力較大。 放射性元素：在自然界中能發(fā)生自發(fā)衰變產(chǎn)生中子的只有锎( ) 一種核素；它是首次得到的可攜帶的中子源。 25398Cf 獲取中子的途徑：放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理33 反應堆： 或 等核素如果用中子激發(fā)使其自發(fā)裂變產(chǎn)生中子；人們也常常把發(fā)生粒子的 粉末與Be粉末按一定比例混合，緊密地分裝在容器內(nèi)，用粒子轟擊Be原子核也能產(chǎn)生中子。23592U23994Pu22688Ra 加速器：將氘束，加速到300keV，然后轟擊氚靶，可產(chǎn)生14MeV的單

20、能快中子。 用核反應堆獲得的中子能譜較寬，能量低(平均能量約1MeV) ，穿透力差，不能供放療使用。 而使用回旋加速器可將帶正電的粒子如氘核，加速到兆伏的能量水平，產(chǎn)生高能量的中子，常被用于放射治療。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理34 中子通過與受照物質(zhì)的原子核作用傳遞能量，通常根據(jù)能量不同將中子分為如下幾類： (1)熱中子：能量0.5eV以下，他與周圍介質(zhì)達到熱平衡，也稱慢中子(4)特快中子：能量15MeV以上的中子(2)中能中子：能量0.5eV10keV的中子(3)快中子：能量10keV15MeV的中子 中子和光子一樣都是通過次級帶電粒子引起受照物質(zhì)的電離

21、，不同的是中子只與原子核發(fā)生作用。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理355.負介子（negative poin）介子質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間，介子和重子都歸屬于強子 基本粒子：包括介子、K介子、介子、介子(0、1、2)倍，即都是玻色子。介子都不能穩(wěn)定存在，經(jīng)歷一定平均壽命后即轉(zhuǎn)變?yōu)閯e種基本粒子。有的介子帶電的，有的顯中性。 介子有三種，+和-質(zhì)量為電子的273.3倍，電荷相反，互為正、反粒子，而是中性的，質(zhì)量為電子的264.3倍，其反粒子就是它自身，介子是核力的媒介。 荷電K介子K+和K-互為正、反粒子，質(zhì)量為966.7mc；中性K介子質(zhì)量為976mc。、K、介子

22、的自旋都是零，有時稱為標介子。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理36 介子的輻射生物效應顯著，其質(zhì)量為質(zhì)子質(zhì)量的1/6，一般由加速器的高能質(zhì)子與重金屬原子核內(nèi)中子碰撞而產(chǎn)生。負介子通過組織時靠電離或激發(fā)損失能量，并在組織和介質(zhì)中穿行一定距離后停止，射程長短取決于初始動能，負介子快到組織末端時，可被組織中一個碳（氮或氧）原子核俘獲，導致核衰變或碎裂成射程短，具有強電離能力的碎片，這些碎片呈現(xiàn)一個“星”狀分布。故又稱“星裂”，如：124116210C+2 He+ P+3 np-放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理37 負介子與其他帶電粒子

23、一樣，可在其射程形成布拉格峰。 根據(jù)負介子的損傷特點，人們可將腫瘤組織至于射程末端電離密度較高的峰值區(qū)，而將正常組織置于電離密度小的前區(qū)，取得腫瘤的最大殺傷效果，同時盡可能減小對正常組織的損傷。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理38 某些原子核如碳、氮、硼、氖和氬原子被剝?nèi)セ虿糠謩內(nèi)ネ鈱与娮雍笮纬傻膸д姾傻脑雍朔Q為重離子，重離子均為直接電離粒子。6.重離子 接近射程末端，吸收劑量迅速增大，形成布拉格峰。隨著重離子原子序數(shù)增加，布拉格峰變得越來越窄，同時峰的高度也增加 在重離子穿行的深度-劑量曲線上，入射坪區(qū)吸收劑量相對保持恒定，坪區(qū)長度取決于入射粒子的能量。

24、放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理39用射線、 質(zhì)子束和重離子束( 碳離子束) 對腫瘤進行輻照治療， 其效果的比 較可列于下表放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理40放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理41第二節(jié) 傳能線密度、相對生物效能與輻射敏感性(一)傳能線密度（LET）也稱線碰撞阻止本領1.概念產(chǎn)生的電離事件的空間分布差別也很大帶電粒子由于電荷質(zhì)量比不同運動速度不同 1950年以前，常用線性電離密度來描述一些電離輻射的品質(zhì)。這是指射線在一個單位長度射程中所產(chǎn)生的離子對數(shù)目。但是這只能對氣體中才能產(chǎn)生的離

25、子對數(shù)目進行合理準確的測量。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理42 傳能線密度：指直接電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量，即帶電粒子在物質(zhì)中穿行 dl 距離時，與電子發(fā)生的能量損失dE 單位：J/m，一般用keV/m表示1keV/m=1.60210-10 J/mLET數(shù)學表達式：dLETdEl= Zirkle等人于1952年提出了傳能線密度(liner energy transfer，LET)的概念。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理43 顯然不同LET射線在DNA分子雙螺旋引起的電離密度分布不同，LET高的射線，電離密度也

26、大；反之則小。因此射線LET值越大，由相同吸收劑量產(chǎn)生的輻射生物效應也越大。 由于帶電粒子與徑跡內(nèi)分子或原子作用后損失掉大部分能量，這時再與組織或受照介質(zhì)分子或原子作用后只能留下較少的能量，所以同一粒子在徑跡不同部位的LET值也不同，LET僅是一個平均值。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理44 將徑跡分為若干相等的距離，計算粒子在每一段距離消耗的平均能量，稱徑跡平均傳能密度（LETT）。 2. LET均值的兩種計算方法 將徑跡分為若干相等的能量增量，計算能量或吸收劑量，再把沉積在徑跡上的能量除以徑跡長度，得到劑量平均傳能密度（LETD）放射物理與防護學放射物理與防

27、護學 第四章 電離輻射生物學作用原理45 (二)相對生物效能(RBE)也稱相對生物效應或相對生物效率 用來比較相同吸收劑量下不同輻射作用于生物體產(chǎn)生生物效應的差異的物理量X射線應用廣泛，故以它產(chǎn)生的生物效應作為比較基準。 RBE的定義：以250keV X射線或固定能量的射線引發(fā)某種生物效應所需劑量與所研究的輻射引發(fā)相同生物效應(種類和程度均同)需要的劑量的比值。250keVXRBE =的 射線或射線所致某種生物效應的劑量某種輻射產(chǎn)生相同生物效應的劑量放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理46RBE與LET呈正相關關系 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射

28、生物學作用原理47各種電離輻射的相對生物效應輻射種類相對生物效應輻射種類相對生物效應X、1快中子10110熱中子3重反沖核20中能中子58 RBE可因照射劑量的時空分布、受照體系及所處環(huán)境、研究的生物效應終點不同而有所差異。 X射線或射線、粒子、熱中子、中能中子、快中子、粒子及重反沖核的相應生物效能列于下表 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理48(三)輻射敏感性(IRS) 輻射敏感性是指各種生物有機體對輻射敏感的程度 定義：某種輻射以相同的劑量作用于生物體，或作用于同一生物體，或作用于同一生物體的不同組織及細胞，由于生物體的差異造成產(chǎn)生的生物學效應不同，這兩種生物

29、效應的差異稱為輻射敏感性。 常用同種輻射引發(fā)不同生物產(chǎn)生相同生物效應所需的劑量的比值來表示。比較不同種系或同種生物不同個體輻射敏感性的指標常用以下的量表示：放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理49動物存活率或半數(shù)致死劑量(受照后30d內(nèi)死亡50%所需的劑量)染色體畸變率細胞存活率克隆形成率輻射誘發(fā)的細胞凋亡率細胞周期阻滯及DNA雙鏈斷裂損傷程度 1906年，法國科學家Bergonie和Tribondeau發(fā)現(xiàn)，分裂的生精細胞所受損傷大于靜止不分裂的間質(zhì)細胞。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理50染色體畸變所致的白血病染色體畸變所致順時針

30、方向，依次為3天、5天、6天大的人類克隆胚胎 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理51 細胞形態(tài)學改變3株宮頸癌細胞經(jīng)過60Co照射或順鉑作用后均出現(xiàn)細胞皺縮，體積變小，染色質(zhì)斑塊狀聚集在核膜下，并有凋亡小體放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理52 而BHRF1-CNE2細胞組在照射后兩天細胞數(shù)下降，從第3天細胞數(shù)就開始回升，此后便保持持續(xù)的增殖 60Co照射對b-CNE2增殖能力的影響：在照射后的第1天，對照組的細胞數(shù)較b-CNE2組的明顯下降，在第24天其細胞數(shù)繼續(xù)下降，此后增殖率才逐漸上升。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章

31、電離輻射生物學作用原理53DNA雙鏈斷裂放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理54 他們在深入研究后提出了一條定律：組織輻射敏感性與其細胞的分裂活動成正比而與其分化程度成反比，即細胞組織輻射敏感性與其增殖和分化狀態(tài)有關。 后來，還發(fā)現(xiàn)細胞輻射敏感性與以下的因素有關：細胞種類 細胞所處細胞周期時相細胞周期調(diào)控 細胞內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和DNA構(gòu)象輻射損傷的修復能力 細胞對自由基的清除或耐受能力 人們根據(jù)腫瘤細胞體外照射后的存活率、DNA斷裂修復程度、細胞增殖狀態(tài)來預測腫瘤細胞輻射敏感性，為腫瘤的放射治療提供參考 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理5

32、5 輻射敏感性可表現(xiàn)在生物體的不同層次，從種系、品系、組織器官、細胞、細胞器乃至生物大分子都存在輻射敏感性的差異。 種系輻射敏感性與進化程度成正比，結(jié)構(gòu)越復雜的生物體對輻射越敏感。脊椎動物中，哺乳類輻射敏感性高于鳥類、魚類、兩棲類和爬行類；哺乳動物中，人、狗、豚鼠輻射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。 生物個體發(fā)育的輻射敏感性規(guī)律是：隨個體發(fā)育趨向成熟而逐漸降低，胚胎、幼體、成體的輻射敏感性依次降低。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理56 在個體發(fā)育的不同階段，輻射敏感性的特點也有變化，胚胎組織屬于高輻射敏感組織，所有胚胎細胞對輻射均較成年動物細胞敏感。 胚胎植入前期、

33、器官形成期和胎兒期胚胎及胎兒的輻射敏感性隨著各種器官逐步發(fā)育成形和成熟而逐漸下降；日本原子彈爆炸流行病資料表明，胎兒輻射期敏感性低于器官形成期。 老年動物（包括人）由于各種組織器官功能衰退，對體內(nèi)自由基的清除能力、免疫能力及對外界不良刺激的綜合反應能力均比中青年時期有所下降，故而輻射敏感性又有所提高。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理57 人類不同個體的輻射敏感性差異還與人體是否患特殊種類的遺傳病有關。普通人群(人種相同)的個體輻射敏感性保持在一定水平，但因某些基因突變導致人患有特殊遺傳病時，輻射敏感性就發(fā)生改變。 特殊遺傳病包括毛細血管擴張性共濟失調(diào)綜合征、著

34、色性干皮病、布盧姆綜合征、科凱恩綜合征、范科尼貧血、視網(wǎng)膜母細胞瘤和Nijmegen染色體斷裂綜合征(NBS)是一種極其罕見的常染色體隱性遺傳病，表現(xiàn)為高輻射敏感性、免疫缺陷、發(fā)育不良、早衰、腫瘤易感性、小頭畸形等等，其共同特征是對輻射高度敏感，受照后易發(fā)生染色體或DNA單雙鏈斷裂， 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理58著色性干皮病,一種由于DNA修復基因缺陷引起的遺傳性皮膚病。表現(xiàn)為皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤 毛細血管擴張放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理59視網(wǎng)膜母細胞瘤左眼視網(wǎng)膜母細胞瘤X線平片放射物理與防護學放射物理與防護學 第四

35、章 電離輻射生物學作用原理60 同一生物有機體內(nèi)各種細胞和組織器官的輻射敏感性因其種類和生理功能狀態(tài)不同而差異較大，Bergonie和Tribondeau提出的細胞組織輻射敏感性的定律將動物組織器官分為四類： 1.高度敏感組織胃腸上皮（小腸腸腺上皮細胞）胸腺、胚胎組織造血淋巴組織（淋巴細胞）性腺（卵細胞、生精細胞）放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理612.中度敏感組織上皮組織血管感覺器官（角膜、晶狀體、結(jié)膜）淋巴管內(nèi)皮細胞唾液腺和肝腎肺的上皮細胞心臟內(nèi)分泌腺（包括性腺內(nèi)分泌細胞）中樞神經(jīng)系統(tǒng)3.輕度敏感組織放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作

36、用原理62骨如肌肉4.不敏感組織、。軟骨組織結(jié)締組織、 成年動物組織輻射敏感性與其功能狀態(tài)密切相關。 骨骼在正常情況下對輻射不敏感，但在骨折時長骨斷裂，其中的黃骨髓細胞恢復增生，輻射敏感性隨之增強 同樣，肝組織的細胞正常分裂很少，因車禍受損時分裂速度加快，輻射敏感性因之增強 人體內(nèi)各種細胞中，外周血淋巴細胞、卵母細胞及小腸腸腺上皮細胞的輻射敏感性最高。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理63 其中輻射所致人外周血淋巴細胞染色體畸變與照射劑量之間呈正相關關系，用染色體畸變率來推算人體受照劑量的方法，被稱為人體天然攜帶的生物劑量計。 細胞所處的周期時相與其輻射敏感性密切

37、相關。 通常細胞核的輻射敏感性高于細胞質(zhì) 細胞周期分裂間期有絲分裂期（M）DNA合成前期（G1）DNA合成期（S）DNA合成后期（G2） 同一細胞內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的輻射敏感性不同放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理64G2期和M期最敏感G1早期相對抗拒G1末期相對敏感S期最抗拒 同一種細胞的群體中，處于不同時相的細胞輻射敏感性不同 M期 G2期 G1期S期放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理65第三節(jié) 電離輻射對生物體作用的化學基礎一、輻射與自由基等活性基團（一）自由基與活性氧 自由基是指能夠獨立存在、具有一個或多個未配對電子的原子、分子、離子

38、或原子團。 有些分子或原子團含有兩個不成對電子，稱為雙自由基，如基態(tài)氧分子處于三線態(tài)（3O2），其自旋方向平行的兩個電子處于不同能級，可分別于一個自旋方向相反的電子配對。 自由基一般為電中性，如疏基自由基（RS-）和烷氧自由基（RO-）；但有些自由基帶有正負電荷，稱自由基離子，如NH3+，O2-。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理66 當用高能射線照射液態(tài)水時，電離出來的高能電子經(jīng)頻繁碰撞后，被水分子以氫鍵方式捕獲形成水合電子。水合電子（hydrated electron，eaq-）不完全符合自由基定義，但其電子配對能力較強，所以在放射防護中將其歸入自由基一類。

39、有機化合物受到電離輻射照射共價鍵會發(fā)生斷裂，兩個原子或基團均勻斷裂稱為均裂。熱能和電磁輻射均能使共價鍵斷裂 A:BAB販均裂公式表示為：式中 代表電子， 代表A自由基和B自由基 AB販、H2O可均裂產(chǎn)生氫自由基（ ）與羥自由基（ ）HHO放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理67自由基的特點： 具有高反應性、壽命短和順磁性等特點，容易發(fā)生自由基與自由基反應、自由基與生物分子抽氫、加成、取代、過氧化和歧化等反應。自由基不穩(wěn)定，壽命很短，如 的半壽期僅為10-1010-9s，水合電子在中性水及堿性溶液中的半壽期分別為2.310-4 s 和7.810-4 s。 HO放射物理

40、與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理68 帶負電荷的核外電子圍繞原子核做自旋運動時會產(chǎn)生磁場和對應的磁矩。正常原子中成對電子在同一軌道上沿相反方向自旋，形成磁矩互相抵消，對外不顯示磁性。 自由基則不然，它只有一個電子，電子自旋運動產(chǎn)生自旋磁矩，若外加磁場，單電子的磁矩取向只能與外加磁場方向相反或平行，此即為自由基的順磁性，根據(jù)順磁性可對輻射誘發(fā)的自由基含量進行測定或分析。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理69 活性氧（ROS）是指某些氧代謝或反應的產(chǎn)物，也可稱為氧化中間產(chǎn)物（ROIs） 4.處于激發(fā)態(tài)的氧、單線態(tài)氧和羥基化合物。1.氧的單電子

41、還原物，如O2- 和O- ，及HO2 和HO。2.氧的雙電子還原物H2O2。3.烷烴經(jīng)過氧化物ROOH及其均裂產(chǎn)物RO和ROO。 主要包括以下幾類： 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理70 較基態(tài)氧活潑，有些活性氧的不成對電子位于氧原子上，稱為氧自由基； 另一些活性氧不屬于自由基，但可引發(fā)自由基反應。 應當注意：氧自由基并非全是活性氧，如基態(tài)氧雖屬氧自由基，但其化學活性低，不屬于活性氧；相反，激發(fā)態(tài)的分子氧和單線態(tài)氧雖不是自由基，但其活性高，仍屬于生物學意義的活性氧范疇。 活性氧的性質(zhì)：放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理71常見的具有

42、生物活性的活性氧有： （1）單電子還原狀態(tài)的超氧陰離子（O2-）（2）氫過氧基（HO2），為O2-質(zhì)子化形式，脂溶性高（3）過氧化氫（H2O2），雙電子還原態(tài)，由O2-（HO2）歧化而成，或由氧氣直接形成（4）羥自由基（HO），為三電子還原態(tài)，如 2H2O2HO +HO- + HO2 +H+（5）烷氧基（RO）自由基，如烷過氧基ROO 等放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理72（二）NO和活性氮 特性：NO在生物體內(nèi)極不穩(wěn)定，很容易被氧化成硝酸鹽或亞硝酸鹽； NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基(如亞硝酸根NO2 、氧亞硝酸根 ONOO-等)統(tǒng)稱為活性氮，其中NO是研

43、究得最多的活性氮。 NO生物合成的調(diào)節(jié)可通過對底物、輔助因子、產(chǎn)物、催化反應的酶進行選擇性干預。生物體內(nèi)產(chǎn)生的NO是一種無色、微溶于水、脂溶性較強的氣體分子，在生物體內(nèi)可自由地通過生物膜。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理73 NO參與體內(nèi)一系列生理和病理條件下的生物過程： 調(diào)節(jié)循環(huán)、神經(jīng)、免疫等生理活動，如血管擴張、血管通透性、血小板粘附和聚集、神經(jīng)信號傳遞、宿主防御反應等 同時也參與包括腫瘤在內(nèi)的病理過程。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理74（三）輻射與水分子的作用 水分子占機體總質(zhì)量的70%左右，主要分布于細胞內(nèi)液和各種體

44、液中，以結(jié)合水（與其他分子緊密結(jié)合）和游離水兩種形式存在，對維持細胞和組織滲透壓，溶解運輸營養(yǎng)物和代謝廢物、調(diào)節(jié)體溫起著重要作用。 水分子受輻照必然影響其結(jié)合能力，影響溶解其中的生物活性分子、營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生遍及全身的整體效應。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理75+2+2*22H O-2H+22H O+H OH OHHOH OHHOH OH OeHeaqHHO激 發(fā)電 離輻射電離輻射致水分子自由基生成過程激發(fā)態(tài)水烴自由基氫自由基水合電子放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理76自由基和水合電子（eaq-）統(tǒng)稱為水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物 電離

45、輻射與水的全部反應可以總結(jié)如下： H2O H，HO ，eaq- ，H2 ，H2O ，H2O2 ，H3O+ ，OH-放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理77（四）生物體的抗氧化體系 人體內(nèi)的自由基可由輻射誘導產(chǎn)生，也可由生物體或細胞有氧代謝生成。 自由基在體內(nèi)積累到一定量必然會造成機體損害。為了保護自身免受自由基氧化的傷害，需氧生物在進化過程中已經(jīng)形成了完善的抗氧化體系，主要包括：抗氧化酶、脂溶性抗氧化劑、水溶性小分子抗氧化劑和蛋白質(zhì)抗氧化劑等。 放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理78 抗氧化酶主要包括:過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧

46、化酶(superoxide dismutase，SOD)等。 過氧化氫酶主要催化H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O和O2，消除細胞內(nèi)H2O2； 過氧化物酶可清除某些過氧化物，但不能分解H2O2； SOD不僅可清除體內(nèi)的自由基，還可保護生物膜和造血干細胞，減輕輻射所致骨髓損傷和炎癥反應，已經(jīng)被用作輻射防護劑。 除了上述抗氧化酶之外，生物體內(nèi)還有不同的抗氧化劑，它們的具體類別及作用見表4-5。 抗氧化酶與抗氧化劑構(gòu)成了抗氧化體系，能有效清除代謝過程中產(chǎn)生的自由基的活性氧。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理79二、自由基等活性基團對生物大分子的作用 電離輻射可直接作用于核酸、蛋白質(zhì)、

47、脂質(zhì)等生物大分子而造成結(jié)構(gòu)損傷， 如DNA分子堿基的破壞或脫落，單雙鏈斷裂，氫鍵破壞，磷酸基損傷，雙螺旋結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)交聯(lián)，核酸之間、核酸和蛋白質(zhì)之間出現(xiàn)交聯(lián)；蛋白質(zhì)側(cè)鏈改變、氫鍵與二硫鍵斷裂，導致高度卷曲的肽鏈出現(xiàn)不同程度伸展、空間結(jié)構(gòu)改變；脂肪、磷脂和類固醇分子化學鍵斷裂等。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理80 電離輻射還可以通過與水分子作用，產(chǎn)生自由基等的見解物質(zhì)使生物大分子受到損害，如細胞膜脂質(zhì)過氧化；細胞蛋白質(zhì)氧化、脫氫、結(jié)構(gòu)變化、化學鍵斷裂、失活，蛋白質(zhì)交聯(lián)和聚合；糖分子鏈斷裂和失活；DNA、RNA的堿基結(jié)構(gòu)破壞，單雙鏈斷裂等。放射物理與防護學放射物理與防護學 第四章 電離輻射生物學作用原理81(一)自由基作用的化學基礎 自由基可通過下列反應破壞生物大分子： 1.抽氫反應（hydrogen abstraction）自由基可從有機分子C-H鍵中抽取氫原子，形成新的自由基，如 HO+RHR +H2O ，H+RHR +H2 2. 加成反應（addition reaction）自由基可在烯鍵或芳香環(huán)中心加成，形成次級自由基，如 HO+RROH ，H +RR H 3.電子俘獲（electro capture）eaq被有機分子俘獲了引起后者損傷，如 eaq-+R