電離輻射生物學(xué)作用原理

第1節(jié)電離輻射與生物靶學(xué)說(shuō)放射性物質(zhì)可以誘發(fā)各類相關(guān)疾病和癌癥，為解決生物學(xué)作用機(jī)制，科學(xué)家提出了靶學(xué)說(shuō)(targettheory)的概念電離輻射與生物靶學(xué)說(shuō)所以了解靶學(xué)說(shuō)有利于理解輻射致細(xì)胞死亡的機(jī)制和探討有關(guān)影響細(xì)胞輻射效應(yīng)的因素。一、靶學(xué)說(shuō)和靶數(shù)學(xué)模型靶概念靶數(shù)學(xué)模型發(fā)展細(xì)胞放射生物學(xué)第四章電離輻射生物學(xué)作用原理當(dāng)前第1頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)1以后Blackwood在1931年根據(jù)他的輻射實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了基因的大小。20世紀(jì)40年代，幾乎同時(shí)出版了兩部靶學(xué)說(shuō)的經(jīng)典著作：（一）靶學(xué)說(shuō)概念

1924年，Crowther提出了靶學(xué)說(shuō)的概念。認(rèn)為照射后細(xì)胞有絲分裂的抑制，是由于染色體中有著絲點(diǎn)那樣大小的體積中發(fā)生了一次電離的結(jié)果,并證明細(xì)胞分裂的抑制與照射劑量之間存在著定量的關(guān)系——靶學(xué)說(shuō)的最初形式.①英國(guó)放射生物學(xué)家Lea的《輻射對(duì)活細(xì)胞的作用》把靶概念進(jìn)一步完善。②德國(guó)物理學(xué)家和Zimmer合著的《生物學(xué)中的擊中原理》把靶概念進(jìn)一步完善。歷史當(dāng)前第2頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)2(1)活細(xì)胞內(nèi)存在著對(duì)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(yīng)。(2)射線與靶區(qū)的作用是一種隨機(jī)過(guò)程，是彼此無(wú)關(guān)的獨(dú)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(guò)一定值便發(fā)生效應(yīng)，不同的靶分子或靶細(xì)胞具有不同的“擊中”數(shù)。靶學(xué)說(shuō)的理論要點(diǎn)：輻射所致的生物效應(yīng)是由于在靶細(xì)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(huì)引起生物大分子失活、基因突變和染色體斷裂等，這種效應(yīng)決定于輻射的性質(zhì)和靶的輻射敏感性。當(dāng)前第3頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)3按照這個(gè)學(xué)說(shuō)可以由受到一定照射劑量的生物體比例來(lái)計(jì)算靶分子或靶結(jié)構(gòu)的大小。還可以進(jìn)一步預(yù)測(cè)產(chǎn)生相同生物效應(yīng)的不同射線的電離效率。現(xiàn)在學(xué)者研究認(rèn)為，主要的靶分子是脫氧核糖核酸(DNA),此外還有細(xì)胞膜。當(dāng)前第4頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)4(二)電離輻射的作用階段物理階段：極短：10-14秒化學(xué)階段：很短：10-10秒生物階段：數(shù)分鐘自幾十年當(dāng)前第5頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)5物理階段主要指帶電粒子和構(gòu)成組織細(xì)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(xì)胞成分發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)的時(shí)期。主要指自由基的形成化學(xué)階段包括所有的繼發(fā)過(guò)程。在此階段，大部分的DNA損傷會(huì)被修復(fù)，極少部分不能修復(fù)的損傷最終將導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并且在照射后很長(zhǎng)一段時(shí)間后，在照射的區(qū)域內(nèi)有可能產(chǎn)生第2個(gè)腫瘤即射線致癌。生物階段當(dāng)前第6頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)6當(dāng)前第7頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)7生物效應(yīng)恢復(fù)正常死亡癌變修復(fù)成功修復(fù)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：各種帶電或不帶電的粒子或光子被物質(zhì)吸收后直接與細(xì)胞的關(guān)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(dòng)一系列的生物變化事件。當(dāng)前第8頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)8生物效應(yīng)恢復(fù)正常死亡癌變修復(fù)成功修復(fù)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(xì)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(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，到達(dá)并損傷靶DNA。當(dāng)前第9頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)9隨著細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展，針對(duì)不同生物體對(duì)不同品質(zhì)的射線、不同照射方式、不同修復(fù)條件，擬合了多種數(shù)學(xué)模型。具有代表性的模型有以下幾種：（三）靶數(shù)學(xué)模型最初是從靶學(xué)說(shuō)的概念中提出描述輻射劑量-細(xì)胞存活率曲線的數(shù)學(xué)模型。1.單靶單擊模型(onetargetandone-hitmodel)2.多靶單擊模型(moretargetandone-hitmodel)3.線性-平方模型(linearquadraticmode,LQ)當(dāng)前第10頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)10假設(shè)：受照生物體僅有一個(gè)對(duì)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(gè)電離粒子穿過(guò)，即單擊。靶學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)細(xì)胞生物曲線數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)是單靶單擊模型生物大分子、某些小病毒和細(xì)菌，在少數(shù)情況下，也適用于描述高LET輻射（如α粒子）所致的哺乳動(dòng)物細(xì)胞惡化性轉(zhuǎn)化。應(yīng)用于表達(dá)式細(xì)胞存活分子平均致死劑量當(dāng)前第11頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)11當(dāng)照射劑量增加時(shí)，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(shí)。均是以靶的擊中部分為坐標(biāo)當(dāng)前第12頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)12未失活部分和擊中部分按等比級(jí)數(shù)下降，呈指數(shù)曲線，盡管劑量增加生物效應(yīng)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(duì)數(shù)坐標(biāo)，則可得如右圖所示的直線。當(dāng)前第13頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)132.多靶單擊模型(moretargetandone-hitmodel)在一些輻射生物實(shí)驗(yàn)中，推測(cè)有兩個(gè)或多個(gè)靶存在，這時(shí)顯然不能用單靶模型。對(duì)于某些大的病毒和細(xì)菌、酵母菌落的多細(xì)胞系統(tǒng)，哺乳動(dòng)物細(xì)胞都屬于多個(gè)靶模型。多靶單擊模型改良的初始斜率非零的模型簡(jiǎn)單的初始斜率為零的模型分為兩種簡(jiǎn)單的多靶單擊模型的細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)(SF)：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)照射量當(dāng)前第14頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)14這條曲線的初始斜率為0，其余部分為指數(shù)型直線，這個(gè)模型對(duì)受高LET照射的哺乳動(dòng)物細(xì)胞比較適用(如右圖)改良的多靶單擊模型是在上式基礎(chǔ)上乘以一個(gè)帶有指數(shù)失活特點(diǎn)的校正系數(shù)后，得到下列方程式：當(dāng)前第15頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)15D1和D2指曲線開始和終止時(shí)候的2個(gè)斜率所對(duì)應(yīng)的劑量值，對(duì)大多數(shù)細(xì)胞和較寬能量范圍都適用。我們可以類推，進(jìn)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(jì)算出相應(yīng)的模型。當(dāng)前第16頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)163.線性-平方模型（linerquadraticmodel，簡(jiǎn)稱LQ模型）模型方程為：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α和β的函數(shù)(右圖)。α：?jiǎn)螕羲碌募?xì)胞死亡(不可修復(fù))β：雙擊所致的細(xì)胞損傷(可修復(fù))當(dāng)前第17頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)17系數(shù)α和β值取決于DNA修復(fù)能力和細(xì)胞環(huán)境中的其他因素。α/β代表了細(xì)胞修復(fù)能力的大小。當(dāng)αD=βD2或D=α/β時(shí)，單擊所致的細(xì)胞損傷與雙擊所致的細(xì)胞損傷的貢獻(xiàn)相等。其方程是由二元輻射作用理論(theoryofdualradiation)提出的，認(rèn)為單擊和多擊效應(yīng)同時(shí)存在，總輻射效應(yīng)由αD和βD2的相對(duì)重要性決定。當(dāng)前第18頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)18LQ模型是近20多年來(lái)放射生物學(xué)研究的重大發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于放射生物學(xué)研究和臨床放射治療。根據(jù)正常組織與腫瘤之間α/β值的不同，改進(jìn)治療方案，可使正常組織的反應(yīng)相對(duì)較輕，從而提高放射性治療的效果。當(dāng)前第19頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)19（四）靶學(xué)說(shuō)的意義和局限性對(duì)照射后生物大分子的失活規(guī)律、輻射敏感體積的估計(jì)、靶相對(duì)分子質(zhì)量的估算，以及在分子水平上評(píng)價(jià)不同品質(zhì)射線對(duì)相對(duì)生物效能(relativebiologicaleffect，RBE)的影響方面有著重要的指導(dǎo)意義。靶學(xué)說(shuō)和數(shù)學(xué)模型意義：當(dāng)前第20頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)20盡管如此，靶學(xué)說(shuō)在現(xiàn)代生物學(xué)中仍在應(yīng)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(xué)說(shuō)的發(fā)展。靶學(xué)說(shuō)的局限性：由于歷史原因，經(jīng)典的靶學(xué)說(shuō)設(shè)想比較簡(jiǎn)單，對(duì)生物的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足，在使用上有一定的適用范圍；當(dāng)前第21頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)21②被照射的細(xì)胞不是均勻的，而是具有不同輻射敏感性的幾種細(xì)胞的混合體。③照射后的代謝過(guò)程如修復(fù)作用或繼發(fā)效應(yīng)影響著所觀察的生物效應(yīng)大小。④在觀察的生物效應(yīng)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(xué)修復(fù)”靶學(xué)說(shuō)在下列情況下不能適用：①有外來(lái)的物質(zhì)或因素，如輻射防護(hù)劑、輻射增敏劑或氧效應(yīng)等，影響了射線所致的原初損傷。當(dāng)前第22頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)22二、輻射的種類及其與物質(zhì)作用的特點(diǎn)電磁輻射:粒子輻射:本質(zhì)是電磁波，只有能量而無(wú)靜質(zhì)量射線按本質(zhì)分本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的粒子流，有能量也有靜質(zhì)量（一）電磁輻射：X射線和γ射線的特點(diǎn)都屬于電磁波，但來(lái)源不同，X射線由原子核外的物理過(guò)程產(chǎn)生，γ射線是由原子核內(nèi)的物理過(guò)程產(chǎn)生。當(dāng)前第23頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)23（二）粒子輻射的特點(diǎn)氦原子核1.α粒子（αparticle）獲取途徑：可由一些放射性核素衰變出α粒子

行為特點(diǎn)：其質(zhì)量大，運(yùn)動(dòng)緩慢，有足夠時(shí)間在短距離內(nèi)引起較多電離。當(dāng)α粒子入射介質(zhì)時(shí)，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，形成布拉格峰當(dāng)前第24頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)24每單位徑跡長(zhǎng)度所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)稱為“比電離”(spicificionization)或“線性電離密度”(linearinodensity)當(dāng)前第25頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)25③粒子的速度控制著能量喪失的速度?？焖龠\(yùn)動(dòng)的粒子的電離能力要比慢速運(yùn)動(dòng)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)：①離子對(duì)產(chǎn)生的數(shù)目與粒子的原始能量成正比；②能量沿著徑跡喪失的速度與粒子電荷的平方成正比，所以α粒子能量喪失的速度要比質(zhì)子快；當(dāng)前第26頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)26布拉格峰過(guò)后α粒子的能量減為0，喪失電離能力，此時(shí)粒子變?yōu)橹行院ぴ?，生物組織比空氣致密。α粒子在生物組織中只能移動(dòng)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(yán)重的損傷，因而α粒子的輻射效應(yīng)以內(nèi)照射效應(yīng)為主，其外照射效應(yīng)可忽略。放射治療時(shí)使用>20MeV的特快中子和負(fù)π介子照射組織，在組織中產(chǎn)生α粒子，對(duì)殺傷腫瘤細(xì)胞起著重要作用。當(dāng)前第27頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)272.β粒子或電子（βparticleorelectron）電子質(zhì)量為9.109×10-31kg，接近介質(zhì)原子時(shí)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(shí)際射程遠(yuǎn)小于徑跡長(zhǎng)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(jī)會(huì)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當(dāng)前第28頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)283.質(zhì)子（proton）是原子核成分之一，質(zhì)量為1.672623×10-27kg是電子的1836倍。質(zhì)子是穩(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%。當(dāng)前第29頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)29用質(zhì)子加速器獲得的高能質(zhì)子速度快，穿透力強(qiáng)，其能量釋放有一個(gè)布拉格峰，其在穿透徑跡上只釋放少量能量，到達(dá)腫瘤灶時(shí)會(huì)釋放大量能量，因此對(duì)人體正常組織影響小，同時(shí)可用自動(dòng)化技術(shù)來(lái)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。當(dāng)前第30頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)304.中子（neutron）也是原子核成分之一，質(zhì)量為1.674928×10-27kg，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。①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。

獲取中子的途徑：當(dāng)前第31頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)31②反應(yīng)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α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α粒子轟擊Be原子核也能產(chǎn)生中子。③加速器：將氘束，加速到300keV，然后轟擊氚靶，可產(chǎn)生14MeV的單能快中子。用核反應(yīng)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。當(dāng)前第32頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)32中子通過(guò)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(dá)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0.5eV~10keV的中子(3)快中子：能量10keV~15MeV的中子中子和γ光子一樣都是通過(guò)次級(jí)帶電粒子引起受照物質(zhì)的電離，不同的是中子只與原子核發(fā)生作用。當(dāng)前第33頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)335.負(fù)π介子（negativepoin）介子質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間，介子和重子都?xì)w屬于強(qiáng)子基本粒子：包括π介子、K介子、ρ介子、ω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。

π介子有三種，π+和π-質(zhì)量為電子的273.3倍，電荷相反，互為正、反粒子，而π°是中性的，質(zhì)量為電子的264.3倍，其反粒子就是它自身，π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。π、K、η介子的自旋都是零，有時(shí)稱為標(biāo)介子。當(dāng)前第34頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)34

π介子的輻射生物效應(yīng)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(fù)π介子通過(guò)組織時(shí)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(zhǎng)短取決于初始動(dòng)能，負(fù)π介子快到組織末端時(shí)，可被組織中一個(gè)碳（氮或氧）原子核俘獲，導(dǎo)致核衰變或碎裂成射程短，具有強(qiáng)電離能力的碎片，這些碎片呈現(xiàn)一個(gè)“星”狀分布。故又稱“星裂”，如：當(dāng)前第35頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)35負(fù)π介子與其他帶電粒子一樣，可在其射程形成布拉格峰。根據(jù)負(fù)π介子的損傷特點(diǎn)，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(shí)盡可能減小對(duì)正常組織的損傷。當(dāng)前第36頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)36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(lái)越窄，同時(shí)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(duì)保持恒定，坪區(qū)長(zhǎng)度取決于入射粒子的能量。當(dāng)前第37頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)37用γ射線、質(zhì)子束和重離子束(碳離子束)對(duì)腫瘤進(jìn)行輻照治療，其效果的比較可列于下表當(dāng)前第38頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)38當(dāng)前第39頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)39第二節(jié)傳能線密度、相對(duì)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(lǐng)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(yùn)動(dòng)速度不同1950年以前，常用線性電離密度來(lái)描述一些電離輻射的品質(zhì)。這是指射線在一個(gè)單位長(zhǎng)度射程中所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目。但是這只能對(duì)氣體中才能產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目進(jìn)行合理準(zhǔn)確的測(cè)量。當(dāng)前第40頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)40傳能線密度：指直接電離粒子在其單位長(zhǎng)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(shí)，與電子發(fā)生的能量損失dE

單位：J/m，一般用keV/μm表示1keV/μm=1.602×10-10J/mLET數(shù)學(xué)表達(dá)式：Zirkle等人于1952年提出了傳能線密度(linerenergytransfer，LET)的概念。當(dāng)前第41頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)41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(yīng)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(shí)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(gè)平均值。當(dāng)前第42頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)42①將徑跡分為若干相等的距離，計(jì)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(jì)算方法②將徑跡分為若干相等的能量增量，計(jì)算能量或吸收劑量，再把沉積在徑跡上的能量除以徑跡長(zhǎng)度，得到劑量平均傳能密度（LETD）當(dāng)前第43頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)43(二)相對(duì)生物效能(RBE)也稱相對(duì)生物效應(yīng)或相對(duì)生物效率用來(lái)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(yīng)的差異的物理量X射線應(yīng)用廣泛，故以它產(chǎn)生的生物效應(yīng)作為比較基準(zhǔn)。RBE的定義：以250keVX射線或固定能量的γ射線引發(fā)某種生物效應(yīng)所需劑量與所研究的輻射引發(fā)相同生物效應(yīng)(種類和程度均同)需要的劑量的比值。當(dāng)前第44頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)44RBE與LET呈正相關(guān)關(guān)系當(dāng)前第45頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)45各種電離輻射的相對(duì)生物效應(yīng)輻射種類相對(duì)生物效應(yīng)輻射種類相對(duì)生物效應(yīng)X、γ1快中子10β1α10熱中子3重反沖核20中能中子5~8RBE可因照射劑量的時(shí)空分布、受照體系及所處環(huán)境、研究的生物效應(yīng)終點(diǎn)不同而有所差異。X射線或γ射線、β粒子、熱中子、中能中子、快中子、α粒子及重反沖核的相應(yīng)生物效能列于下表當(dāng)前第46頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)46(三)輻射敏感性(IRS)輻射敏感性是指各種生物有機(jī)體對(duì)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(xì)胞，由于生物體的差異造成產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不同，這兩種生物效應(yīng)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(yīng)所需的劑量的比值來(lái)表示。比較不同種系或同種生物不同個(gè)體輻射敏感性的指標(biāo)常用以下的量表示：當(dāng)前第47頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)47動(dòng)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(xì)胞存活率克隆形成率輻射誘發(fā)的細(xì)胞凋亡率細(xì)胞周期阻滯及DNA雙鏈斷裂損傷程度

1906年，法國(guó)科學(xué)家Bergonie和Tribondeau發(fā)現(xiàn)，分裂的生精細(xì)胞所受損傷大于靜止不分裂的間質(zhì)細(xì)胞。當(dāng)前第48頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)48染色體畸變所致的白血病染色體畸變所致順時(shí)針?lè)较?，依次?天、5天、6天大的人類克隆胚胎當(dāng)前第49頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)49細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變3株宮頸癌細(xì)胞經(jīng)過(guò)60Co照射或順鉑作用后均出現(xiàn)細(xì)胞皺縮，體積變小，染色質(zhì)斑塊狀聚集在核膜下，并有凋亡小體當(dāng)前第50頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)50而BHRF1-CNE2細(xì)胞組在照射后兩天細(xì)胞數(shù)下降，從第3天細(xì)胞數(shù)就開始回升，此后便保持持續(xù)的增殖60Co照射對(duì)b-CNE2增殖能力的影響：在照射后的第1天，對(duì)照組的細(xì)胞數(shù)較b-CNE2組的明顯下降，在第2～4天其細(xì)胞數(shù)繼續(xù)下降，此后增殖率才逐漸上升。當(dāng)前第51頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)51DNA雙鏈斷裂當(dāng)前第52頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)52他們?cè)谏钊胙芯亢筇岢隽艘粭l定律：組織輻射敏感性與其細(xì)胞的分裂活動(dòng)成正比而與其分化程度成反比，即細(xì)胞組織輻射敏感性與其增殖和分化狀態(tài)有關(guān)。后來(lái)，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞輻射敏感性與以下的因素有關(guān)：細(xì)胞種類細(xì)胞所處細(xì)胞周期時(shí)相細(xì)胞周期調(diào)控細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和DNA構(gòu)象輻射損傷的修復(fù)能力細(xì)胞對(duì)自由基的清除或耐受能力人們根據(jù)腫瘤細(xì)胞體外照射后的存活率、DNA斷裂修復(fù)程度、細(xì)胞增殖狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)腫瘤細(xì)胞輻射敏感性，為腫瘤的放射治療提供參考當(dāng)前第53頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)53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(xì)胞、細(xì)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(jìn)化程度成正比，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的生物體對(duì)輻射越敏感。脊椎動(dòng)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(dòng)物中，人、狗、豚鼠輻射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。生物個(gè)體發(fā)育的輻射敏感性規(guī)律是：隨個(gè)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。當(dāng)前第54頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)54在個(gè)體發(fā)育的不同階段，輻射敏感性的特點(diǎn)也有變化，胚胎組織屬于高輻射敏感組織，所有胚胎細(xì)胞對(duì)輻射均較成年動(dòng)物細(xì)胞敏感。胚胎植入前期、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(dòng)物（包括人）由于各種組織器官功能衰退，對(duì)體內(nèi)自由基的清除能力、免疫能力及對(duì)外界不良刺激的綜合反應(yīng)能力均比中青年時(shí)期有所下降，故而輻射敏感性又有所提高。當(dāng)前第55頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)55人類不同個(gè)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(guān)。普通人群(人種相同)的個(gè)體輻射敏感性保持在一定水平，但因某些基因突變導(dǎo)致人患有特殊遺傳病時(shí)，輻射敏感性就發(fā)生改變。特殊遺傳病包括毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)綜合征、著色性干皮病、布盧姆綜合征、科凱恩綜合征、范科尼貧血、視網(wǎng)膜母細(xì)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(duì)輻射高度敏感，受照后易發(fā)生染色體或DNA單雙鏈斷裂，當(dāng)前第56頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)56著色性干皮病,一種由于DNA修復(fù)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(xì)血管擴(kuò)張當(dāng)前第57頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)57視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤左眼視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤X線平片當(dāng)前第58頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)58同一生物有機(jī)體內(nèi)各種細(xì)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(xì)胞組織輻射敏感性的定律將動(dòng)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(xì)胞）胸腺、胚胎組織造血淋巴組織（淋巴細(xì)胞）性腺（卵細(xì)胞、生精細(xì)胞）當(dāng)前第59頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)592.中度敏感組織上皮組織血管感覺(jué)器官（角膜、晶狀體、結(jié)膜）淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞唾液腺和肝腎肺的上皮細(xì)胞心臟內(nèi)分泌腺（包括性腺內(nèi)分泌細(xì)胞）中樞神經(jīng)系統(tǒng)3.輕度敏感組織當(dāng)前第60頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)60骨如肌肉4.不敏感組織、、。軟骨組織結(jié)締組織、成年動(dòng)物組織輻射敏感性與其功能狀態(tài)密切相關(guān)。骨骼在正常情況下對(duì)輻射不敏感，但在骨折時(shí)長(zhǎng)骨斷裂，其中的黃骨髓細(xì)胞恢復(fù)增生，輻射敏感性隨之增強(qiáng)同樣，肝組織的細(xì)胞正常分裂很少，因車禍?zhǔn)軗p時(shí)分裂速度加快，輻射敏感性因之增強(qiáng)人體內(nèi)各種細(xì)胞中，外周血淋巴細(xì)胞、卵母細(xì)胞及小腸腸腺上皮細(xì)胞的輻射敏感性最高。當(dāng)前第61頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)61其中輻射所致人外周血淋巴細(xì)胞染色體畸變與照射劑量之間呈正相關(guān)關(guān)系，用染色體畸變率來(lái)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(jì)。細(xì)胞所處的周期時(shí)相與其輻射敏感性密切相關(guān)。通常細(xì)胞核的輻射敏感性高于細(xì)胞質(zhì)細(xì)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(xì)胞內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的輻射敏感性不同當(dāng)前第62頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)62G2期和M期最敏感G1早期相對(duì)抗拒G1末期相對(duì)敏感S期最抗拒同一種細(xì)胞的群體中，處于不同時(shí)相的細(xì)胞輻射敏感性不同M期>G2期>G1期>S期當(dāng)前第63頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)63第三節(jié)電離輻射對(duì)生物體作用的化學(xué)基礎(chǔ)一、輻射與自由基等活性基團(tuán)（一）自由基與活性氧

自由基是指能夠獨(dú)立存在、具有一個(gè)或多個(gè)未配對(duì)電子的原子、分子、離子或原子團(tuán)。有些分子或原子團(tuán)含有兩個(gè)不成對(duì)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(gè)電子處于不同能級(jí)，可分別于一個(gè)自旋方向相反的電子配對(duì)。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(fù)電荷，稱自由基離子，如NH3+，O2-。當(dāng)前第64頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)64當(dāng)用高能射線照射液態(tài)水時(shí)，電離出來(lái)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（hydratedelectron，eaq-）不完全符合自由基定義，但其電子配對(duì)能力較強(qiáng)，所以在放射防護(hù)中將其歸入自由基一類。有機(jī)化合物受到電離輻射照射共價(jià)鍵會(huì)發(fā)生斷裂，兩個(gè)原子或基團(tuán)均勻斷裂稱為均裂。熱能和電磁輻射均能使共價(jià)鍵斷裂均裂公式表示為：式中代表電子，代表A自由基和B自由基H2O可均裂產(chǎn)生氫自由基（）與羥自由基（）當(dāng)前第65頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)65自由基的特點(diǎn)：具有高反應(yīng)性、壽命短和順磁性等特點(diǎn)，容易發(fā)生自由基與自由基反應(yīng)、自由基與生物分子抽氫、加成、取代、過(guò)氧化和歧化等反應(yīng)。自由基不穩(wěn)定，壽命很短，如

的半壽期僅為10-10~10-9s，水合電子在中性水及堿性溶液中的半壽期分別為2.3×10-4s和7.8×10-4s。當(dāng)前第66頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)66帶負(fù)電荷的核外電子圍繞原子核做自旋運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的磁矩。正常原子中成對(duì)電子在同一軌道上沿相反方向自旋，形成磁矩互相抵消，對(duì)外不顯示磁性。自由基則不然，它只有一個(gè)電子，電子自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自旋磁矩，若外加磁場(chǎng)，單電子的磁矩取向只能與外加磁場(chǎng)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(duì)輻射誘發(fā)的自由基含量進(jìn)行測(cè)定或分析。當(dāng)前第67頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)67

活性氧（ROS）是指某些氧代謝或反應(yīng)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(guò)氧化物ROOH及其均裂產(chǎn)物RO?和ROO?。主要包括以下幾類：當(dāng)前第68頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)68較基態(tài)氧活潑，有些活性氧的不成對(duì)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(yīng)。應(yīng)當(dāng)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(xué)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(xué)意義的活性氧范疇?；钚匝醯男再|(zhì)：當(dāng)前第69頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)69常見的具有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(guò)氧基（HO2?），為O2-質(zhì)子化形式，脂溶性高（3）過(guò)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

2H2O2→HO?

+HO-+HO2?+H+（5）烷氧基（RO?）自由基，如烷過(guò)氧基ROO?等當(dāng)前第70頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)70（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是研究得最多的活性氮。NO生物合成的調(diào)節(jié)可通過(guò)對(duì)底物、輔助因子、產(chǎn)物、催化反應(yīng)的酶進(jìn)行選擇性干預(yù)。生物體內(nèi)產(chǎn)生的NO是一種無(wú)色、微溶于水、脂溶性較強(qiáng)的氣體分子，在生物體內(nèi)可自由地通過(guò)生物膜。當(dāng)前第71頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)71NO參與體內(nèi)一系列生理和病理?xiàng)l件下的生物過(guò)程：調(diào)節(jié)循環(huán)、神經(jīng)、免疫等生理活動(dòng)，如血管擴(kuò)張、血管通透性、血小板粘附和聚集、神經(jīng)信號(hào)傳遞、宿主防御反應(yīng)等同時(shí)也參與包括腫瘤在內(nèi)的病理過(guò)程。當(dāng)前第72頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)72（三）輻射與水分子的作用水分子占機(jī)體總質(zhì)量的70%左右，主要分布于細(xì)胞內(nèi)液和各種體液中，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(duì)維持細(xì)胞和組織滲透壓，溶解運(yùn)輸營(yíng)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生遍及全身的整體效應(yīng)。當(dāng)前第73頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)73輻射電離輻射致水分子自由基生成過(guò)程激發(fā)態(tài)水烴自由基氫自由基水合電子當(dāng)前第74頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)74自由基和水合電子（eaq-）統(tǒng)稱為水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物電離輻射與水的全部反應(yīng)可以總結(jié)如下：H2OH·，HO·

，eaq-，H2，H2O，H2O2，H3O+，OH-當(dāng)前第75頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)75（四）生物體的抗氧化體系人體內(nèi)的自由基可由輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生，也可由生物體或細(xì)胞有氧代謝生成。自由基在體內(nèi)積累到一定量必然會(huì)造成機(jī)體損害。為了保護(hù)自身免受自由基氧化的傷害，需氧生物在進(jìn)化過(guò)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。當(dāng)前第76頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)76抗氧化酶主要包括:過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase，SOD)等。過(guò)氧化氫酶主要催化H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O和O2，消除細(xì)胞內(nèi)H2O2；過(guò)氧化物酶可清除某些過(guò)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(hù)生物膜和造血干細(xì)胞，減輕輻射所致骨髓損傷和炎癥反應(yīng)，已經(jīng)被用作輻射防護(hù)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?？寡趸概c抗氧化劑構(gòu)成了抗氧化體系，能有效清除代謝過(guò)程中產(chǎn)生的自由基的活性氧。當(dāng)前第77頁(yè)\共有83頁(yè)\編于星期五\20點(diǎn)77二、自由基等活性基團(tuán)對(duì)生物大分子的作用電離輻射可直接作用于核酸、蛋白質(zhì)、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