第四講氧效應(yīng)和

LET與氧效應(yīng)趙漫李麗琴

傳能線密度LETLET的定義LET與阻止本領(lǐng)的關(guān)系LET與能量的關(guān)系LET與輻射生物效應(yīng)關(guān)系LET和RBE之間的關(guān)系LET與細(xì)胞存活曲線LET和修復(fù)現(xiàn)象LET和細(xì)胞周期LET的定義傳能線密度（Linearenergytransfer,LET）是指直接電離粒子在其單位長(zhǎng)度徑跡消耗的平均能量，其單位為J/m，一般常用keV/um表示。定義為dE除以dl的商，即dE是指特定能量的帶電粒子在物質(zhì)中穿行dl距離時(shí)，由能量轉(zhuǎn)移小于某一特定值Δ的歷次碰撞所造成的能量損失。Δ是能量截止值，即凡由能量轉(zhuǎn)移值小于Δ的碰撞所造成的能量傳遞均認(rèn)為是在局部授予物質(zhì)的。LET的定義X、γ射線和中子不是直接電離粒子而是間接電離粒子，但它們的電離作用仍是通過(guò)與物質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的電離粒子所產(chǎn)生的，所以LET的概念對(duì)X、γ射線和中子也適用。根據(jù)LET值的不同，把不同輻射分成兩類：低LET射線（X、γ、β射線），LET<10KeV/μm高LET射線（快中子，負(fù)π介子及重粒子），LET>100KeV/μm.不同類型和不同能量的電離輻射的傳能線密度輻射類型粒子動(dòng)能（MeV）傳能線密度（KeV/μm）輻射類型粒子動(dòng)能（MeV）傳能線密度（KeV/μm）

Γ射線1.17-1.330.3中子41780.21412X射線250KV3.3-3.8質(zhì)子0.95450.22.52.017β射線0.00555.57.0120.0143400.30.10.7α射線3.41301.00.255.0902.00.212725返回LET與S（阻止本領(lǐng)）的關(guān)系線性碰撞阻止本領(lǐng)是指入射帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度路程碰撞損失的平均能量。LET與S的關(guān)系可以被看為:LET是在一個(gè)能量截止值的前提下定義的，而S是沒(méi)有能量截止值的。即當(dāng)Δ值趨于無(wú)窮時(shí)，LET近似等于S值，即S=LET∞。在生物學(xué)中近似的把LET與阻止本領(lǐng)S同等看待,以LET∞表示。

LET與S（阻止本領(lǐng)）的關(guān)系碰撞對(duì)介質(zhì)的影響取決于傳遞給電子的能量Q（1）假定Q略小于結(jié)合能W，則導(dǎo)致原子激發(fā)（2）若Q大于W,則發(fā)生電離。若Q不超過(guò)幾百電子伏特，電子動(dòng)能在其發(fā)射點(diǎn)附近就被吸收，產(chǎn)生一連串的電離和激發(fā)。假若Q更大，電子就有一條不同于原先粒子的徑跡。最經(jīng)常采用的?值為100eV，已知粒子丟失的能量40%傳遞給次級(jí)電子，得到LET（100eV）=0.6S.在介質(zhì)中某一點(diǎn)，60%的劑量由接近具有LET?的徑跡來(lái)提供，其他40%由次級(jí)電子按自身具有的LET值貢獻(xiàn)。LET與S（阻止本領(lǐng)）的關(guān)系粒子丟失的能量和能量傳遞Q有如下分布：1.40%傳遞能Q>100eV（次級(jí)電子）2.30%傳遞能100eV>Q>10eV（電離作用）3.30%傳遞能Q<10eV(激發(fā)作用和熱傳遞)這種分配主要和近距離及遠(yuǎn)距離碰撞頻率有關(guān)，而這兩種碰撞的頻率又由介質(zhì)中電子的隨機(jī)空間分布所決定，它在很小的程度上依賴粒子的速度或粒子的電荷（遠(yuǎn)距離碰撞時(shí)，能量傳遞）LET和S的關(guān)系帶電粒子和介質(zhì)的電子相互碰撞，遠(yuǎn)距離碰撞時(shí)，能量傳遞Q取決于電子和粒子軌道的距離，速度為v,粒子電荷為z時(shí)，傳遞能Q隨距離h的增加而迅速減小。入射帶電粒子介質(zhì)電子LET和S的關(guān)系一個(gè)入射粒子丟失的能量分布與單個(gè)能量傳遞大小的關(guān)系。粒子丟失的能量分布是能量傳遞Q的函數(shù)，粒子在其徑跡上行進(jìn)一小段距離丟失的能量分配如圖。這種分配主要和近距離即遠(yuǎn)距離碰撞頻率相關(guān)，而這兩種碰撞的頻率又由介質(zhì)中電子的隨機(jī)空間分布所決定，它僅在很小程度上依賴于粒子的速度或粒子的電荷及其阻止本領(lǐng)。我們認(rèn)為相對(duì)頻率是恒定的。返回LET和能量的關(guān)系LET和能量的關(guān)系電子的碰撞阻止本領(lǐng)可以表示為：（1）電子的電離損失與物質(zhì)的每克電子數(shù)Ne成正比(電子密度)（2）與電子能量E的關(guān)系比較復(fù)雜a．低能時(shí)，電離損失近似與電子的能量成反比（括號(hào)外的起決定作用）b．高能時(shí)，電離損失隨電子能量的增加緩慢增加（高能時(shí)括號(hào)外的β值接近1,整個(gè)式子值不變，而括號(hào)內(nèi)的項(xiàng)隨能量緩慢增加）.當(dāng)電子能量約1Mev時(shí)，電離損失最小。β為入射粒子速度與光速之比。LET和能量的關(guān)系重帶電粒子碰撞阻止本領(lǐng)可表示為:Ne為靶物質(zhì)的每克電子數(shù)；z為帶電粒子的電荷數(shù)；β為入射粒子速度與光速之比1近似與重帶電粒子的能量成反比。這是因?yàn)閹щ娏Ｗ铀俣仍铰c軌道電子相互作用的時(shí)間越長(zhǎng)，軌道電子獲得的能量就越大。2與物質(zhì)的每克電子數(shù)成正比(電子密度)3與重帶電粒子的電荷數(shù)平方成正比（庫(kù)侖力作用）LET和能量的關(guān)系對(duì)于X射線由于臨床應(yīng)用的緣故，所以我們只討論光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的能量損失。發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，入射光子與光電子的關(guān)系是由于光子的能量比結(jié)合能大得多，所以因此可以近似地認(rèn)為光電子的能量等于射線的能量。LET和能量的關(guān)系對(duì)于康普頓效應(yīng)，我們從截面的角度分析：發(fā)生康普頓效應(yīng)時(shí)，我們觀察到，光子能量在1.5MeV時(shí)，散射截面和轉(zhuǎn)移截面的值是相等的，而在這之前散射截面大于轉(zhuǎn)移截面，之后散射截面小于轉(zhuǎn)移截面，可以看出，隨光子能量的增加，每次碰撞轉(zhuǎn)移給反沖電子的動(dòng)能占總能量的份額是逐漸增加的。LET和能量的關(guān)系光子轉(zhuǎn)移給電子的能量，如果是光電效應(yīng)，轉(zhuǎn)移給光電子的能量近似于光子能量相當(dāng)，由于光電效應(yīng)的光子能量較小，所以其產(chǎn)生的光電子的能量也較?。ㄍ湍茈娮樱钥烧J(rèn)為光電效應(yīng)時(shí)的LET是隨光子能量的增加而減小的；如果為康普頓效應(yīng)，隨光子能量的升高，轉(zhuǎn)移給反沖電子的能量占總能量份額是增加的，即反沖電子的能量隨著光子能量的增加是增加的，則LET是在低能時(shí)隨光子能量增加而減少，高能時(shí)隨光子能量增加而緩慢增加。但是由于每個(gè)光子產(chǎn)生的電子的能量均不相同，我們這里使用的是能量轉(zhuǎn)移的一個(gè)平均值來(lái)分析的，所以說(shuō)對(duì)于每束光子其LET應(yīng)是一個(gè)范圍。LET和能量的關(guān)系通過(guò)以上分析我們可以得出結(jié)論，在放射生物學(xué)研究范圍內(nèi)，射線的LET與能量的關(guān)系總結(jié)為1.電子之間，低能時(shí)，隨著能量增加，碰撞損失減小，LET值也減小。高能時(shí)，情況相反。2.電子與重帶電粒子相比，重帶電粒子的質(zhì)量要比電子大的多，相同能量的二者，重帶電粒子的速度小于電子，與物質(zhì)的作用時(shí)間較電子充分，因而重帶電粒子有較高的LET值3.重帶電粒子之間，對(duì)于同種的重粒子，隨能量的增大，碰撞損失是減小的，LET值減小。另外電荷數(shù)越大的，碰撞損失越大（庫(kù)侖力作用）。返回LET與輻射生物效應(yīng)關(guān)系在一般情況下，射線LET值越大，在相同吸收劑量下其生物效應(yīng)越大。圖示表示不同LET射線對(duì)DNA分子作用時(shí)的電離密度分布。電離密度是指單位長(zhǎng)度徑跡上形成的離子數(shù)，LET與電離密度成正比，LET高的射線，電離密度也大；LET低的，電離密度也小。LET與輻射生物效應(yīng)關(guān)系低LET射線：X射線、β射線、γ射線，LET值通常小于10keV/μm；高LET射線:快中子、負(fù)π介子及重粒子，LET值一般大于100keV/μm返回LET與RBE的關(guān)系相對(duì)生物效應(yīng)(RBE)是指標(biāo)準(zhǔn)的x（r）射線和所研究的電離輻射引起相同生物效應(yīng)所需吸收劑量之比。RBE用來(lái)表示在一個(gè)特定的吸收劑量下，不同類型的電離輻射產(chǎn)生的不同生物效應(yīng)。X標(biāo)準(zhǔn)射線產(chǎn)生生物效應(yīng)的劑量RBE=————————————————

所觀察輻射引起相同生物效應(yīng)的劑量標(biāo)準(zhǔn)X(γ)線常為250kVX線。比如引起相同生物損害所需X線劑量是α射線的10倍,故α射線的RBE為10。現(xiàn)在一般用60COY射線或高能x射線(＞lMv)作為標(biāo)準(zhǔn)。RBE和吸收劑量的關(guān)系小腸隱窩干細(xì)胞，不同劑量水平的快中子和γ射線相比。RBE和吸收劑量的關(guān)系1.在大劑量時(shí)，隨劑量變化，中子的RBE只有很小的變動(dòng)，RBE約與存活曲線的最終斜率的比率相等。2.在中等劑量，由于γ射線有較大的肩區(qū)，在肩區(qū)內(nèi)RBE就隨劑量下降而下降。3.在低劑量時(shí)，相當(dāng)于存活曲線與其初始的切線部分幾乎不能區(qū)分的區(qū)域，RBE相當(dāng)于中子和γ射線存活曲線初始斜率指標(biāo)，即ɑ系數(shù)的比。RBE和吸收劑量的關(guān)系在非常大的劑量區(qū)域內(nèi)中子和γ射線的存活曲線幾乎都是指數(shù)性的，RBE的變化也不是太大。RBE約與存活曲線的最終斜率的比率相等。當(dāng)照射劑量降低時(shí)，因γ射線照射有較大的肩，RBE從1.8增加到2.6。當(dāng)γ射線的劑量低于2.5Gy時(shí)，RBE在2.6處成為坪區(qū)，這坪區(qū)相當(dāng)于用中子和γ射線得到的存活曲線初始斜率的比值。LET與RBE的相互關(guān)系總的來(lái)說(shuō)，相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）與傳能線密度（LET）是正相關(guān)關(guān)系，但是在不同的LET的范圍內(nèi)，二者的關(guān)系不完全一樣。右圖顯示了這種關(guān)系。曲線表明三個(gè)存活水平80%、10%、1%，三個(gè)曲線之間的差別。LET與RBE的相互關(guān)系1.當(dāng)LET<10keV/μm時(shí)，RBE隨LET增大而上升得幅度很小。2.當(dāng)LET＞10keV/μm時(shí)，RBE隨LET增大迅速上升。3.當(dāng)LET值上升到100keV/μm左右時(shí)，到達(dá)峰值，此時(shí)生物效能最大。4.當(dāng)LET＞100keV/μm時(shí)，RBE隨LET增大而下降。產(chǎn)生超殺現(xiàn)象。LET與RBE的相互關(guān)系隨著LET的增加，徑跡上的電離密度加大，靶體積中的電離事件增多，對(duì)細(xì)胞的殺傷作用也隨之增大。圖示形象化的以每個(gè)細(xì)胞發(fā)生2次電離事件代表最佳殺傷作用的LET，如果LET再高，則出現(xiàn)“超殺”效應(yīng)，造成能量浪費(fèi)，RBE下降。這在腫瘤放射治療條件選擇時(shí)，具有重要意義。細(xì)胞“超殺”效應(yīng)示意圖LET與RBE的相互關(guān)系解釋：按靶學(xué)說(shuō)的觀點(diǎn)，射線要?dú)⑺酪患?xì)胞，必須給細(xì)胞的靶部位一足夠的能量（需在一定的靶體積內(nèi)沉積足夠的能量）。稀疏電離輻射的帶電粒子（10keV/um以下）徑跡上的電離事件被分散在相對(duì)較長(zhǎng)的間距中，靶體積沉積的能量小，靶部位發(fā)生多于一次的電離事件的幾率不大（通常認(rèn)為發(fā)生兩次電離事件細(xì)胞才被殺死),可以理解為大部分是單鍵斷裂或能量太低不足以發(fā)生斷裂，導(dǎo)致這樣大量的損傷可以被修復(fù)，從而使當(dāng)LET增加時(shí)，RBE也增加緩慢。隨著LET的繼續(xù)增加，徑跡上的電離密度加大，細(xì)胞靶體積中發(fā)生的電離事件增多，對(duì)細(xì)胞的殺傷作用也隨之增大，主要是發(fā)生二次以上電離事件的概率增大，修復(fù)的影響作用降低。圖中形象的以每個(gè)細(xì)胞發(fā)生二次電離事件代表有最佳殺傷作用的LET.如果LET再高，則出現(xiàn)超殺效應(yīng)，造成劑量的浪費(fèi)，RBE下降。返回LET與細(xì)胞存活曲線的形狀圖示比較了隨LET的增加，照射后的細(xì)胞存活曲線的初始斜率逐漸增加，肩區(qū)減小，最終斜率增大．與亞致死損傷的累積相比較，直接的致死性損傷效應(yīng)的相對(duì)重要性增加。LET與細(xì)胞存活曲線的形狀由高LET分量引起的α效應(yīng)，是劑量的一次函數(shù)，在低劑量段起主要作用；由低LET分量引起的β效應(yīng)，是劑量的二次函數(shù)，在高劑量段起主要作用。低LET射線主要是間接致輻射損傷，存在亞致死損傷的修復(fù)，存活曲線有肩區(qū)，屬多靶模型；高LET射線是直接致輻射損傷，沒(méi)有亞致死損傷的修復(fù)，存活曲線無(wú)肩區(qū)，屬單靶模型。返回LET與細(xì)胞修復(fù)現(xiàn)象X射線照射者肩區(qū)最寬，α粒子照射者完全沒(méi)有肩區(qū)，中子照射者居于二者之間，肩區(qū)很小。隨LET的增加，亞致死損傷的重要性降低。高LET射線照射后基本上沒(méi)有亞致死性損傷的修復(fù)。LET與細(xì)胞修復(fù)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究中以小鼠小腸粘膜跟肺的亞致死損傷修復(fù)?？v坐標(biāo)分為兩次照射后達(dá)到設(shè)定觀察時(shí)間時(shí)動(dòng)物出現(xiàn)50%死亡率所需要的增加的劑量。LET與細(xì)胞修復(fù)現(xiàn)象分次照射時(shí)，中子每一分次量的改變其等效劑量變化較小。分次量減小時(shí)由于修復(fù)作用，細(xì)胞對(duì)射線的耐受性增強(qiáng)。等效總劑量50%致死率時(shí)的劑量。返回LET和細(xì)胞周期低LET照射后，處于不同時(shí)相的腫瘤細(xì)胞的放射敏感性差別，隨LET的增加而逐漸變小，到LET高100kev