第六講電離輻射對生物的作用

第六講電離輻射對生物的作用物理與科學(xué)技術(shù)學(xué)院10醫(yī)學(xué)物理黃永杰主要內(nèi)容Ⅰ.電離輻射對生物作用的時(shí)間表Ⅱ.DNA損傷及修復(fù)機(jī)制Ⅲ.細(xì)胞損傷及修復(fù)機(jī)制Ⅳ.4R理論簡介Ⅴ.癌癥基因治療簡介Ⅰ.電離輻射對生物作用的時(shí)間表電離輻射的治療作用是電離輻射作用于人體后發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)的結(jié)果電離輻射中的X輻射或γ輻射作用于物質(zhì)的原子，發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，產(chǎn)生光電子、反沖電子、散射電子、正負(fù)電子和電離效應(yīng)，這些物理作用是以后一系列化學(xué)、生物作用的基礎(chǔ)輻射生物效應(yīng)的時(shí)間標(biāo)尺電離輻射對任何生物體的照射將啟動(dòng)一系列時(shí)間差異非常大的變化過程，這些過程分為三個(gè)階段：㈠物理階段㈡化學(xué)階段㈢生物階段㈠物理階段包括帶電粒子和組成組織的原子之間的相互作用。一個(gè)高速的電子通過DNA分子只需要10-18

秒。而通過一個(gè)哺乳動(dòng)物細(xì)胞則10-14秒。當(dāng)電子通過時(shí)僅作用于軌道電子，將一些電子打出原子（電離）并使其他在原子或分子內(nèi)的電子進(jìn)入較高能量水平（激發(fā)）。如能量足夠，可發(fā)生一連串的電離事件。㈡化學(xué)階段在這階段受損傷的原子和分子和其他細(xì)胞的成分起快速的化學(xué)反應(yīng)。電離和激發(fā)導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂和形成被破壞的分子（自由基）。這些自由基非?；钴S有極高的活性，它們參與一系列的反應(yīng)最后導(dǎo)致電子負(fù)荷平衡的重建。自由基反應(yīng)在照射后約1毫秒內(nèi)就全部完成。㈢生物階段包括其后的所有過程，從作用于殘存的化學(xué)損傷的酶反應(yīng)開始，大量的占多數(shù)的損傷如DNA內(nèi)的損傷都可以成功地修復(fù)。僅有較少的一些損傷不能修復(fù)，這些未修復(fù)的損傷最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡。細(xì)胞死亡需要一定的時(shí)間，細(xì)胞在受小劑量的照射后在死亡前可能進(jìn)行一定次數(shù)的分裂。受照射后的頭幾周或頭幾個(gè)月早反應(yīng)組織就會出現(xiàn)損傷的表現(xiàn)，在較后的一些時(shí)間，晚反應(yīng)組織表現(xiàn)出損傷，更晚的放射損傷表現(xiàn)是出現(xiàn)繼發(fā)腫瘤（輻射致癌）。可觀察到的電離輻射效應(yīng)甚至可以延長到受照射后許多年。Ⅱ.ＤＮＡ損傷及修復(fù)機(jī)制電離輻射照射生物體后，通過上述物理過程，直接、間接地和細(xì)胞的關(guān)鍵靶中的原子作用。而ＤＮＡ是放射線作用于細(xì)胞的最重要的靶。ＤＮＡ分子結(jié)構(gòu)DNA是一個(gè)由4種單位組成的雙螺旋大分子：嘌呤堿基——

腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）嘧啶堿基——

胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）和堿基相連接的一個(gè)糖分子（脫氧核糖），和糖相連接的一個(gè)磷酸分子。核苷酸通過連接糖和磷酸分子的磷酸二酯鍵結(jié)合在一起。DNA是由堿基間的氫鍵相連的兩條互補(bǔ)鏈相成。ＤＮＡ分子結(jié)構(gòu)腺嘌呤與胸腺嘧啶配對（A：T堿基對），鳥嘌呤與胞嘧啶配對（G：C堿基對），使DNA的一條鏈具有另一條鏈的互補(bǔ)序列。㈠電離輻射損傷DNA的途徑直接作用:任何形式的輻射，X射線或γ射線，帶電或不帶電粒子被生物物質(zhì)吸收后都有可能與細(xì)胞的關(guān)鍵靶DNA直接發(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(dòng)一系列導(dǎo)致生物變化的事件，這被稱為輻射的直接作用間接作用：細(xì)胞是生物體的基本單元，而細(xì)胞中80％是水，電離輻射作用于水，產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，達(dá)到并損傷關(guān)鍵靶DNA，這被稱為電離輻射的間接作用自由基電離輻射的間接作用首先作用于生物大分子，特別是水，理解水分子的電離和激發(fā)過程對理解放射生物效應(yīng)的發(fā)生有十分重要的意義，電離輻射與水相互作用產(chǎn)生自由基自由基：自由基是一種游離的原子或分子，外層攜帶不成對軌道電子

電離輻射與水的作用：一）水分子受電離輻射作用時(shí)，將水分子中的軌道電子擊出，發(fā)生電離作用，產(chǎn)生帶正電的水離子(H2O＋)和自由電子(e-)。1）H2O＋為不穩(wěn)定離子，在水中迅即解離為氫離子(H+)和氫氧自由基.OH。2）自由電子①在其運(yùn)動(dòng)中又不斷和水分子碰撞，擊出其它水分子中的軌道電子．引起次級電離。②這些電子在其運(yùn)動(dòng)和引起電離的過程中逐漸喪失其能量，直至不能再擊出其它分子的電子，它們就被水分子捕獲，形成帶負(fù)電的水離子(H2O-)，后者亦極不穩(wěn)定，在水中解離成氫氧離子(OH-)和氫自由基(H·)。③一部分電子可與H+反應(yīng)形成H·。④電子在碰撞過程中喪失其大部分能量，當(dāng)其能量水平降至100ev以下而未被捕獲時(shí)，可吸收若干水分子而形成水合電子(e水合-)。水合電子比自由電子穩(wěn)定，在中性水中其生存時(shí)間為2.3×10-4s。二）水分子受電離輻射作用時(shí)，若水分子所獲能量尚不足以使電子擊出，亦即不能發(fā)生電離作用，而只使水分子的電子躍遷到較高能級的軌道上，使分子處于激發(fā)態(tài)，即稱為水分子的激發(fā)。激發(fā)的水分子（H2O*）很不穩(wěn)定，很快釋放其能量，解離成為H·和.OH兩種自由基。這些自由基的能量較高．重組合的機(jī)會較多，一般認(rèn)為放射生物學(xué)作用中激發(fā)分子的作用與電離作用的產(chǎn)物比較起來，可以忽略不計(jì)。自由基對生物分子的作用(1)抽氫反應(yīng)自由基可從有機(jī)分子的C-H鍵中抽取氫原子，形成有機(jī)自由基，如：2)加成反應(yīng)自由基可在烯鍵或芳香環(huán)中心加成，形成有機(jī)自由基，如：3）電子俘獲反應(yīng)e水合-被有機(jī)分子俘獲引起后者的損傷引起二硫鍵斷裂4)歧化反應(yīng)既有氧化作用，又有還原作用的自由基，易于發(fā)生歧化反應(yīng)。例如O2.-既可供給電子(還原劑)，又可接受電子(氧化劑)，在過渡金屬離子(如Fe3+)存在時(shí)，易于歧化生成H2O2(5)還原反應(yīng)

O2.-在水溶液中主要起還原劑作用，例如使細(xì)胞色素C(cytC)還原。(6)氧化反應(yīng)

O2.-在水溶液中為弱氧化劑，可使抗壞血酸氧化，產(chǎn)生半脫氫抗壞血酸自由基。㈡輻射所致DNA損傷的類型DNA鏈斷裂（單鏈、雙鏈）DNA堿基損傷DNA交聯(lián)DNA鏈的斷裂單鏈斷裂（singlestrandbreak，SSB):在磷酸酯和脫氧核糖體之間的磷酸雙酯鍵水平上發(fā)生，或者更經(jīng)常是在堿基和脫氧核糖體之間的鍵水平上發(fā)生。雙鏈斷裂（doublestrandbreak，DSB)：包括DNA兩條鏈相隔少于3個(gè)核苷酸的部位的斷裂。可以由單個(gè)粒子產(chǎn)生（傳遞能量約為300eV的電離輻射），或者由于兩個(gè)粒子在第一個(gè)斷裂有時(shí)間修復(fù)以前通過同一區(qū)域，從而在互補(bǔ)鏈中產(chǎn)生兩個(gè)單鏈斷裂組合而成。假如斷裂發(fā)生在同一個(gè)堿基對上則為同源性斷裂，反之是異源性斷裂，后者往往更頻繁的發(fā)生。DNA雙鏈中一條鏈斷裂者稱為單鏈斷裂，(SingleStrandBreak,SSB損傷識別兩條鏈在同一處或相鄰處斷裂者稱為雙鏈斷裂，(DoubleStrandBreakBSB)堿基的損傷在充氧情況下的照射，堿基的損傷主要是由于羥自由基(·OH)所致放射敏感性：胸腺嘧啶＞胞嘧啶＞腺嘌呤＞鳥嘌呤DNA的交聯(lián)DNA交聯(lián)分為三種形式：DNA鏈間交聯(lián)（一條鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基以共價(jià)鍵結(jié)合）DNA鏈內(nèi)交聯(lián)（同一鏈上的兩個(gè)堿基相互以共價(jià)鍵結(jié)合）DNA--蛋白質(zhì)交聯(lián)（DNA與蛋白質(zhì)以共價(jià)鍵結(jié)合）（DNAproteincross-linking，DPC）DNA鏈內(nèi)交聯(lián)----嘧啶二聚體的形成二聚體的形成是指在輻射作用下，一個(gè)單鏈的2個(gè)相鄰的堿基以共價(jià)鍵相連，兩者之間形成一個(gè)環(huán)丁烷環(huán)二聚體的形成具有重要意義，因?yàn)樗鼈冊谀且稽c(diǎn)上阻斷了DNA的復(fù)制DNA的損傷修復(fù)機(jī)制回復(fù)修復(fù)切除修復(fù)excisionrepair重組修復(fù)binationrepairSOS修復(fù)錯(cuò)配修復(fù)Mismatchrepair回復(fù)修復(fù)回復(fù)修復(fù)：回復(fù)修復(fù)是細(xì)胞對DNA的某些損傷修復(fù)的一種簡單方式，在單一基因產(chǎn)物的催化下，一步反應(yīng)就可以完成。其機(jī)制包括酶學(xué)光復(fù)活修復(fù)、單鏈斷裂的重接和嘌呤的直接插入。酶學(xué)光復(fù)活修復(fù)是修復(fù)DNA鏈上的嘧啶二聚體的一種最直接方式，也是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)方式該酶的作用過程分為三個(gè)步驟：①酶與DNA中的二聚體部位相結(jié)合；②吸收波長為260~380nm的近紫外光將酶激活，使二聚體解聚；③酶從DNA鏈上釋放，DNA恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)DNA單鏈斷裂中有一部分是通過簡單的重接而修復(fù)的，只需要DNA連接酶（ligase）參加。也屬于直接回復(fù)DNA鏈上的嘌呤堿基受到輻射損傷時(shí)，修復(fù)此類損傷需要特異性酶，即DNA嘌呤插入酶（insertase）上述幾種直接回復(fù)是修復(fù)最直接的方式，對細(xì)胞非常有利。因?yàn)樾迯?fù)所需要的酶比較單一，而且只有一步反應(yīng)，修復(fù)特異性高，較少發(fā)生錯(cuò)誤切除修復(fù)切除修復(fù)：將損傷區(qū)域切除，然后用正確配對的完好的堿基來替代，是最普遍的方式基本步驟：識別→切除→修補(bǔ)→再連接三個(gè)特點(diǎn):準(zhǔn)確、無誤、正確修復(fù)DNA的損傷和切除修復(fù)堿基丟失堿基缺陷或錯(cuò)配結(jié)構(gòu)缺陷切開核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶IDNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開切除修復(fù)連接糖苷酶重組修復(fù)當(dāng)DNA雙鏈發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)需要另一種機(jī)理完成正確的修復(fù)一種情況是兩條鏈同時(shí)受到損傷；另一種是單鏈損傷尚未修復(fù)發(fā)生了復(fù)制，造成對應(yīng)于損傷位置的新鏈缺乏正確模板，此時(shí)需要重組酶系將另一段未受損傷的雙鏈DNA移到損傷位置附近，提供正確的模板，進(jìn)行重組DNA復(fù)制－重組－再合成DNA的重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組通過這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)了DNA復(fù)制，而且復(fù)制合成的新鏈上不存在損傷。由于修復(fù)發(fā)生在復(fù)制之后，故多為復(fù)制后修復(fù)。因修復(fù)機(jī)制是通過重組，故稱之為重組修復(fù)。需要指出的是，這種修復(fù)機(jī)制只修復(fù)復(fù)制后的新鏈，而母鏈上原有的損傷依然存在，還需通過其它機(jī)制進(jìn)行清除重組修復(fù)并沒有從親代DNA中去除二聚體，當(dāng)?shù)诙螐?fù)制時(shí)，留在母鏈中的二聚體仍使復(fù)制不能正常進(jìn)行，復(fù)制經(jīng)過損傷部位時(shí)所產(chǎn)生的切口，仍舊要用同樣的重組過程來進(jìn)行，但隨著DNA復(fù)制的繼續(xù)，損傷的DNA鏈逐漸“稀釋”，最后不再影響正常生理功能SOS修復(fù)一旦DNA受到損傷，產(chǎn)生一種調(diào)控信號，解除對許多基因的抑制，使這些基因的產(chǎn)物投入活躍的修復(fù)活動(dòng)細(xì)胞DNA受到損傷或復(fù)制系統(tǒng)受到抑制的緊急情況下，為求得生存而出現(xiàn)的應(yīng)急效應(yīng)SOS修復(fù)過程是在損傷信號誘導(dǎo)下發(fā)生的，又稱為可誘導(dǎo)的DNA修復(fù)，修復(fù)過程中容易發(fā)生錯(cuò)誤，亦稱為易錯(cuò)修復(fù)已經(jīng)在大腸桿菌中證明了其存在，但在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中SOS系統(tǒng)的存在沒有得到證實(shí)錯(cuò)配修復(fù)在含有錯(cuò)配堿基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢復(fù)的修復(fù)方式修復(fù)的過程是：識別出正確的鏈，切除掉不正確的部分，然后通過DNA聚合酶和DNA連接酶的作用，合成正確配對的雙鏈DNA錯(cuò)配修復(fù)是生物維持生命、保持物種穩(wěn)定的一種重要功能，從細(xì)菌到哺乳動(dòng)物普遍具有這種修復(fù)機(jī)制Ⅲ細(xì)胞損傷及修復(fù)機(jī)制細(xì)胞放射損傷的分類電離輻射引起哺乳類動(dòng)物細(xì)胞損傷可分為：①致死性損傷（lethaldamage，LD

）用任何辦法都不能使細(xì)胞修復(fù)的損傷稱為致死性損傷，損傷不可修復(fù)，不可逆，最終無可挽回的走向死亡。②亞致死性損傷（sublethaldamage，SLD）照射后經(jīng)過一段充分時(shí)間能完全被細(xì)胞修復(fù)的損傷稱為亞致死性損傷，正常情況下于幾小時(shí)之內(nèi)修復(fù)，若在未修復(fù)時(shí)再給予另一亞致死性損傷（如再次照射），可形成致死性損傷。

③潛在致死性損傷（potentiallethaldamage，PLD）這是一種受照射后環(huán)境條件影響的損傷，在一定條件下可以修復(fù)。細(xì)胞損傷的修復(fù)組織損傷修復(fù)可發(fā)生于三個(gè)水平：組織水平，細(xì)胞水平，分子水平組織水平的修復(fù)是由于未受損傷的正常細(xì)胞在組織中再植，形成新的細(xì)胞群體以替代由于輻射損傷而喪失了的細(xì)胞群體再植的正常細(xì)胞可以來源于受照射部位未受損傷的細(xì)胞，也可來源于遠(yuǎn)隔部位的正常細(xì)胞細(xì)胞水平的修復(fù)發(fā)生于照射后第一次有絲分裂之前，表現(xiàn)為細(xì)胞存活率的增高細(xì)胞水平的修復(fù)可由兩種方式誘導(dǎo)：一是改變照射后細(xì)胞的環(huán)境條件，二是分割照射劑量分子水平的修復(fù)是通過細(xì)胞內(nèi)酶系的作用使受損傷的DNA分子恢復(fù)完整性分子修復(fù)可通過細(xì)胞內(nèi)恢復(fù)過程反映于細(xì)胞水平的修復(fù)。并可由于細(xì)胞存活的提高最終反映于組織水平的修復(fù)Ⅳ4R理論簡介常規(guī)分次放療：2Gy∕天，每周照射5日.細(xì)胞群受電離輻射照射，既不是一次照射后全部損傷，也不是全部完好不變，因照射劑量不同，細(xì)胞敏感性不同，照射后的損傷程度也不同，變化是多樣的，“4R”概括了細(xì)胞群受照射后的各種改變，也構(gòu)成分次放射治療的理論依據(jù)。1.細(xì)胞放射損傷的修復(fù)2.細(xì)胞分裂周期內(nèi)時(shí)相的再分布3.分次照射時(shí)乏氧細(xì)胞的再氧合4.組織的再群體化細(xì)胞放射損傷的修復(fù)用電離輻射照射所引起的細(xì)胞損傷可分為三類：①亞致死損傷：指受照射后，細(xì)胞的部分靶而不是所有的靶受到影響，多數(shù)只有DNA的單鏈斷裂，這種損傷是可以修復(fù)的，對細(xì)胞的死亡影響不大。②潛在致死損傷：指細(xì)胞受到照射后，如果在某種有利的條件下，損傷仍可能修復(fù)，細(xì)胞仍可能存活，但在不利的條件下則不能修復(fù)，細(xì)胞最終喪失分裂能力。③致死損傷：細(xì)胞受照射后的損傷不可能修復(fù)，完全喪失分裂繁殖能力，最終死亡。細(xì)胞分裂周期內(nèi)時(shí)相的再分布一次照射往往只損傷一些正處于G2期、M期的細(xì)胞，而處于S期、G0期的細(xì)胞相對不敏感，不受影響或很少受影響。未受到影響的細(xì)胞會繼續(xù)按細(xì)胞的分裂周期向前發(fā)展，其中有一些又會進(jìn)入G2期、M期。為補(bǔ)充受損傷的細(xì)胞，原來處于靜止?fàn)顟B(tài)的G0期細(xì)胞也會參與分裂，這就是細(xì)胞分裂時(shí)相的再分布。分次放射治療有利于殺傷不斷進(jìn)入G2期、M期的細(xì)胞。分次照射時(shí)乏氧細(xì)胞的再氧合實(shí)體瘤的生長需要充足的血液供應(yīng)，其中氧的供應(yīng)也是重要的部分。在腫瘤增長的過程中，總有一部分遠(yuǎn)離微血管的細(xì)胞，血液供應(yīng)差，也就是氧供應(yīng)差，于是出現(xiàn)一些乏（低）氧細(xì)胞甚至壞死細(xì)胞，這些乏氧細(xì)胞雖然仍有活力，但對電離輻射的敏感性低。經(jīng)過照射后，敏感的富氧細(xì)胞容易遭到損傷。隨著腫瘤細(xì)胞群總量減少，血管密度相應(yīng)增加，血液供應(yīng)相應(yīng)改善，一部分乏氧細(xì)胞會得到再氧合，容易被下一次照射所損傷。組織的再群體化放射損傷之后的腫瘤組織，在機(jī)體調(diào)控機(jī)制的作用下會增殖，有恢復(fù)群體細(xì)胞原來數(shù)量水平的趨勢，這就是再群體化，以前曾稱為再增殖。有研究證明，腫瘤組織經(jīng)放射照射后，在第3~4周前后會出現(xiàn)加速再增殖，為克服加速再增殖給放射治療惡性腫瘤帶來的不良影響，臨床上有連續(xù)加速超分割放射治療和后程加速超分割放射治療的研究。Ⅴ.癌癥基因治療簡介目前的研究表明，腫瘤從本質(zhì)上說是基因病。人體內(nèi)的原癌基因，癌基因，腫瘤抑制基因?qū)?xì)胞生長、分化、起正向或者反向調(diào)解作用各種環(huán)境的和遺傳的致癌因素可能以協(xié)同或序貫的方式引起細(xì)胞的非致死性的DNA損害，從而激活原癌基因或滅活腫瘤抑制基因基因治療：指將人正?；蚧蛴兄委熥饔玫幕蛲ㄟ^一定的方式導(dǎo)入人體靶細(xì)胞以糾正基因的缺陷或發(fā)揮治療作用的一種治療手段。腫瘤的基因治療是指通過人工的方法把外源性DNA片段轉(zhuǎn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)，并使之高效表達(dá)從而達(dá)到控制腫瘤目的的一種治療手段。腫瘤基因治療的策略基因置換：用正常的外源基因替換產(chǎn)生疾病的基因，使細(xì)胞內(nèi)的DNA完全恢復(fù)正常。這是最理想的基因治療方法，但臨床上很難實(shí)現(xiàn)?；蛐拚簽槎c(diǎn)修復(fù)，糾正致病基因中的異常部分，使致病基因完全恢復(fù)?；蛱娲褐笇⒛康幕?qū)氩∽兗?xì)胞或其他細(xì)胞，表達(dá)產(chǎn)物能加強(qiáng)或糾正缺陷細(xì)胞的功能。致病基因本身并沒有得到改變。由于已經(jīng)發(fā)展了許多有效的方法可以將目的基因?qū)胝婧思?xì)胞，并獲得表達(dá)，因而是目前較為成熟的方法?；蚍忾]：利用反義技術(shù)特異封閉某些基因表達(dá)特性，抑制有害基因的表達(dá)。基因加強(qiáng)：導(dǎo)入外源基因，彌補(bǔ)機(jī)體某些基因表達(dá)的不足。基因抑制：導(dǎo)入外源基因去干擾和抑制有害基因的表達(dá)。腫瘤基因治療的