電離輻射生物學效應

關于電離輻射生物學效應第1頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三對于放射治療而言，ICRP將治療開始90天之內(nèi)發(fā)生的輻射效應稱為早期效應，治療開始90天后出現(xiàn)的效應稱為遲發(fā)效應。早期效應與遲發(fā)效應也分別被稱為近期效應和遠后效應第2頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三軀體效應與遺傳效應：構成機體的細胞可區(qū)分為體細胞和生殖細胞兩大類，按照效應成像的部位可將電離輻射生物效應分為軀體效應與遺傳效應。軀體效應是由體細胞損傷引起的，是指出現(xiàn)在受照者本身的效應第3頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三軀體效應又可分為全身效應和局部效應遺傳效應：指生殖細胞的損傷引起、顯現(xiàn)在受照者后代身上的有害效應。第4頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三按效應發(fā)生規(guī)律性質(zhì)劃分的效應1977年ICRP將電離輻射生物效應劃分為隨機性效應和非隨機性效應。1990年ICRP建議書又將非隨機性效應改為確定性效應第5頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三確定性效應的基礎是細胞死亡，放射線引起細胞死亡是一種隨意性過程，把它稱為非隨機性效應不夠妥當，改為確定性效應是由于這些效應在成因上是由放射線能量沉積事件決定的，因此被譯作確定性效應。確定性效應的含義是當照射劑量達到一定水平后，細胞死亡會超過細胞增殖補充或代償能力。第6頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三2007年ICRP發(fā)布新的放射防護建議書，出于對輻射所致非癌癥健康效應危害的考慮，認識到其中有些效應并不是僅僅在受照時決定，在受輻射照射之后也可被修飾，因此現(xiàn)在被稱為組織反應，建議用以替代確定性效應這一術語，或用作確定性效應的同義詞。第7頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三隨機性效應、確定性效應與組織反應隨機性效應：指電離輻射照射生物機體產(chǎn)生的一些有規(guī)律的效應，其規(guī)律是：效應的發(fā)生概率與受照劑量的大小呈正比，但效應的嚴重程度與受照劑量無關；一般認為，在電離輻射防護感興趣的范圍內(nèi)，這種效應的發(fā)生不存在閾值劑量，因此，不管接受照射的劑量大還是小，這種效應都有可能發(fā)生。第8頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三照射劑量越大，該效應的發(fā)生率就越高，但當接受照射的劑量很低時，也不能保證這種效應不發(fā)生。第9頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三隨機性效應的依據(jù)是輻射流行病學調(diào)查數(shù)據(jù)和劑量效應—線性無閾模型（linear-non-thresholdmodel,LNT)。LNT的含義是假設在較低劑量范圍內(nèi)，當輻射劑量大于零時，受到照射人員的癌癥和遺傳疾病風險增高，此時生物效應發(fā)生率與受照劑量之間呈線性關系。第10頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三引發(fā)隨機性效應發(fā)生實際上是體細胞和生殖細胞突變的結果，最終可導致致癌效應、基因突變和遺傳性疾病。第11頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第12頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三隨機性效應的最大特點是效應是否發(fā)生存在著不可預知性，由于隨機性效應的生物學研究中難于找到對應的劑量限值，而是應用確定性效應（組織反應）的劑量限值，并在此基礎上追加了附加要求：即在不超過劑量限值的前提下，還要使個人受照劑量的大小、受照射的人數(shù)以及受照射的可能性均保持在可合理達到的盡可能低（ALART）的水平。第13頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三確定性效應與組織反應確定性效應指電離輻射引發(fā)的某種健康效應，該效應通常存在一個閾值劑量水平，當受到照射超過了劑量閾值水平時該效應可能發(fā)生。每個器官和組織以及每個人引起確定性效應的閾值存在一定的差異，在有限程度上可能還取決于受照個體的情況，超過閾值劑量時，這種效應的發(fā)生率和嚴重程度隨劑量的增加而增大第14頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三確定性效應的發(fā)生基礎是器官或組織的細胞死亡，確定性效應指除了癌癥、遺傳和突變以外的所有軀體效應和胚胎效應及不育癥等。如果這種效應具有致命性或威脅到生命或導致降低生活質(zhì)量的永久性傷害，則被稱為嚴重確定性效應。第15頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三組織反應是從組織損傷反應的動態(tài)過程等綜合因素來考慮，以前認為某種效應存在閾劑量是確定發(fā)生或未發(fā)生，現(xiàn)在認為有“不確定性”，因為有些效應臨床可能還沒有觀察到，但已經(jīng)有了組織或細胞反應，或者臨床可能有該效應但通過治療又可以使效應不發(fā)生，它有較多的不確定性；第16頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三還有一些組織反應到很晚（晚期）才表現(xiàn)出來，這些組織反應與發(fā)生時間、隨訪時間、個人敏感性差異、放療及核事故后風險評估等因素有關，所以國際組織提倡用“組織反應”取代“確定性效應”。第17頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三針對組織反應，國際組織又提出了組織反應閾劑量、正常組織早期（晚期）反應和終身危險的概念。組織反應閾劑量或閾值劑量：照射會導致某種組織反應（效應）發(fā)生，但效應發(fā)生率僅為1%時所對應的劑量。第18頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第19頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三如果正常組織受到照射后，在數(shù)周至數(shù)月內(nèi)出現(xiàn)的組織損傷稱為正常組織早期反應，若經(jīng)數(shù)月至數(shù)年后才表現(xiàn)出來的損傷稱為正常組織晚期反應；終身危險是指在人的一生中發(fā)病或死于放射性照射的風險。第20頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射的細胞效應細胞是構成機體組織、器官的基本結構單元，電離輻射的整體效應，如急性、慢性損傷，早期效應與遲發(fā)效應，均以輻射對細胞的作用為基礎。細胞的損傷類型主要有兩個，一個是細胞死亡，一個是細胞損傷和突變。第21頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射損傷細胞的數(shù)量和程度不同，可出現(xiàn)體內(nèi)一系列生理變化，直至發(fā)生多種局部或整體的近期和遠后效應等。第22頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射所致細胞死亡與凋亡在細胞水平上研究電離輻射效應時，細胞存活或死亡是重要的終點指標；在放射生物學中，從輻射致死效應的角度，把細胞“增殖能力”的完整性作為存活與死亡的判斷標準。第23頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三細胞死亡的形式1.間期死亡：照射后細胞在有絲分裂的間隙期立即死亡者稱為間期死亡，又稱即刻死亡，由于不能通過下次有絲分裂，故又稱為非有絲分裂死亡。第24頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三間期死亡對一般細胞來說，多出現(xiàn)在一次大劑量照射后迅速出現(xiàn)正常核形態(tài)消失，發(fā)生細胞變性而死亡。對某些細胞如A型精原細胞、卵細胞和小淋巴細胞，較小劑量即可導致間期死亡。間期死亡的原因是細胞核磷酸化抑制，ATP合成損傷，膜通透性改變，核結構的破壞等。第25頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三細胞間期死亡與機體輻射損傷程度緊密相關，例如骨髓型急性放射病就是大量小淋巴細胞和胸腺細胞間期死亡的結果，腦性急性放射病是神經(jīng)細胞的間期死亡所致。第26頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三2.增殖死亡：細胞接受致死劑量照射后并不立即死亡，在停止有絲分裂之前保持正常顯微結構，但在經(jīng)過幾次分裂后突然變性而死亡。增殖死亡與細胞分裂周期數(shù)與受照劑量有關，受照劑量越大則可分裂次數(shù)越少。第27頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三增殖死亡的機制可能是有絲分裂抑制和染色體畸變所致，因此，不能進入細胞分裂的細胞如神經(jīng)細胞等一般不表現(xiàn)為這類死亡。還有一種情況是細胞照射后，既不立即變性，也不進一步分裂，而是形成巨細胞，存活一段時間后突然死亡，它可能是細胞融合或核內(nèi)分裂的結果。增殖死亡的分子基礎可能是DNA的雙鏈斷裂、堿基損傷和錯誤修復引起遺傳密碼改變，影響蛋白質(zhì)和酶的正常合成。第28頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三細胞凋亡：細胞死亡和細胞變異是輻射引起的兩個相互關聯(lián)的現(xiàn)象，使變異細胞死亡是避免細胞癌變的重要機制。凋亡是指為了維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的有序地死亡。細胞凋亡與細胞壞死不同，凋亡是主動過程。第29頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射引起壞死和凋亡的機制不同，凋亡可發(fā)生在受到很高劑量照射的細胞，也可以發(fā)生于治療劑量的正常或腫瘤組織，腫瘤細胞的輻射敏感性與照射后出現(xiàn)的凋亡現(xiàn)象呈正相關。第30頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三細胞存活曲線及其參數(shù)在培養(yǎng)基上接種一定數(shù)目的細胞經(jīng)一定劑量照射后，可以通過計數(shù)形成的集落數(shù)來計量存活下來的細胞。為了集落計數(shù)標準一致，通常把含50個以上細胞的克隆計為一個集落，代表一個存活單位。在一定劑量下，生成的集落數(shù)目與原接種細胞數(shù)之比，稱為該劑量下的存活分數(shù)。第31頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第32頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

電離輻射誘發(fā)的旁效應1992年Nagasawa發(fā)現(xiàn)中國倉鼠1%卵巢細胞受到α粒子隨機照射20%的人鼠雜交瘤細胞，卻產(chǎn)生比預期結果高出3倍的突變頻率，有的甚至發(fā)現(xiàn)在低劑量α粒子作用下，旁觀者細胞的基因突變頻率5倍于單個α粒子擊中的細胞，于是人們提出了旁效應概念。第33頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射誘發(fā)的旁效應指未直接受照細胞產(chǎn)生與受照細胞相同或相似的輻射生物效應。輻射旁效應涉及姐妹染色體交換、DNA雙鏈斷裂、細胞存活、增殖、凋亡、細胞生長阻滯、細胞轉化、基因突變、基因表達和基因組不穩(wěn)定性等多個方面。第34頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

旁效應的特點:①高LET輻射所致旁效應比低LET輻射強烈；②一般相同組織的旁觀者細胞才可能產(chǎn)生旁效應；③旁效應不僅局限在最初幾代細胞，還可涉及后代細胞；④旁效應屬于非靶效應，其中一些效應對細胞有害，而另一些對細胞無害，這取決于產(chǎn)生旁效應信號的細胞類型和接受信號的細胞類型。第35頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

電離輻射誘發(fā)的旁效應的機制可能有：①輻射誘發(fā)產(chǎn)生活性氧自由基；②受照介質(zhì)的效應；③與細胞間通信或信號傳導有關的因素，以及細胞因子（包括TNF、IL-1、IL-8、TGF-1）等均在誘導旁效應過程中發(fā)揮作用。第36頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射致癌與遺傳效應電離輻射致癌效應電離輻射致癌是得到確認的致命性健康危害因素，致癌效應是制定放射防護標準的重要依據(jù)之一，因此，輻射致癌效應的評價是輻射危害評價的核心內(nèi)容。第37頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射的致癌特征正常細胞轉化為癌細胞的過程涉及多種機制和階段，稱為多階段學說，即經(jīng)歷“始動-促進-發(fā)展”三階段。電離輻射無疑首先是致癌的“始動因子”，與化學致癌物相比，電離輻射是一種比較弱的始動因子。其次，電離輻射也可能是一種“促癌因子”，可促進已始動細胞克隆增殖。第38頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射并不是強的促癌因子，因為細胞增殖只有當受到足夠高的劑量引起細胞損傷繼而出現(xiàn)代償性增殖時才能發(fā)生。假如劑量過高，一些已被始動的細胞還將被殺死，因而降低癌癥的發(fā)生率。第39頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射也是一種“促發(fā)展因子”，任何受照射的人，肯定體內(nèi)已經(jīng)存在既往因其他原因引起的被始動和被促進的細胞克隆，這時電離輻射作為基因和染色體的誘變劑，可以使這些變異的細胞克隆轉化為惡性生長。電離輻射具有幾乎可以誘發(fā)所有種系哺乳動物的所有組織腫瘤的能力，這是任何一種化學致癌物都不能比擬的。第40頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三易患癌癥的人對輻照的敏感性增加，其他個體因素（年齡、激素、免疫狀況）和環(huán)境因素（毒素暴露、飲食等）可促進個體的輻射敏感性改變。第41頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射致癌效應評估方法電離輻射誘發(fā)的癌癥與一般人群自然發(fā)生的癌癥并沒有可供鑒別的臨床和病理學特征，而是使自然存在的某種癌癥的發(fā)生率增加，超出其基線發(fā)生率。第42頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三為了評價人群電離輻射致癌的危險水平，流行病學中經(jīng)常使用絕對危險值（EAR）、相對危險值（RR）和歸因危險值（AR)三個指標。絕對危險值：是照射組癌癥發(fā)生率與對照組或參比人群發(fā)生率之差，又稱為超額絕對危險值第43頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三相對危險值是兩組發(fā)生率之比。如果病例組的發(fā)病率與對照組或參比人群相比并不增加，則RR≤1，當相對危險值RR＞1時，稱為相對危險增加值或超額相對危險值（ERR）歸因危險值是EAR與癌癥總數(shù)之比，說明全部癌癥中有多少（%）起因于電離輻射照射第44頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射致癌危險輻射致癌危險評價的重要任務是根據(jù)輻射流行病學研究得到的EAR。ERR技術單位劑量照射引起的危險，稱為危險系數(shù)，EAR系數(shù)為單位劑量增加的例數(shù)，用106人/年Sv表示；ERR系數(shù)為單位劑量增加的百分數(shù)，通常用%/Sv表示。

第45頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三人類輻射致癌危險評價特別關心低劑量照射引起的癌癥危險，以便為制定職業(yè)照射與環(huán)境照射輻射防護劑量限值提供生物學依據(jù)。第46頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三值得關注的是醫(yī)療照射癌癥危險的增加已證實20世紀英國強直性脊髓炎X線治療人群的白血病、膀胱癌、前列腺癌和脊髓癌癥增加；以色列兒童頭癬放療后，甲狀腺癌增加；子宮頸癌放療后，直腸、膀胱和胃癌以及白血病等二次原發(fā)癌增加。近年來除繼續(xù)報道放療病人新生癌癥增加外，由于X線和CT的不合理應用，已成為癌癥發(fā)病率增加的原因之一。第47頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三癌的遺傳易感性及其意義現(xiàn)代醫(yī)學研究證實，人類存在著癌的遺傳易感性，因此，電離輻射致癌危險不完全是隨機的，某些具有家族致癌危險的人，輻射誘發(fā)癌的概率高于一般人群。第48頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三對伴有家族性癌癥的個體來說，低劑量照射時輻射致癌危險相當于基線危險來說是比較小的，不足以構成需專門加以防范的基礎；然而在放療中接受了高劑量照射后，這種危險增加；某些人存在癌的遺傳易感性，家族性腫瘤患者誘發(fā)二次癌的危險已成為應當重視的現(xiàn)實。第49頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三電離輻射遺傳效應如果輻射引起生殖細胞的損傷，這個損傷（突變或染色體畸變）可以傳遞下去并表現(xiàn)為受照者后代的遺傳紊亂。輻射尚未被確認為人類的這種效應的一個原因，但對動植物的研究提示這種效應將出現(xiàn)。而且后果可能是微小到不可觀察，進一步則為重大畸形或喪失功能，直到早期死亡。必須假定對人類生殖細胞的非致死損傷會傳給后代，這種隨機性效應稱為遺傳效應。第50頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三雖然迄今為止在人的輻射流行病學調(diào)查中（包括對日本原子彈爆炸幸存者的長期遺傳流行病調(diào)查，對馬紹爾群島居民受核試驗落下灰污染、切爾諾貝利核事故的追蹤調(diào)查，天然輻射高本底地區(qū)人群及職業(yè)照射和醫(yī)療照射受照人群的流行病學調(diào)查等）尚未發(fā)現(xiàn)有統(tǒng)計學意義的遺傳效應，但大量的動物實驗研究中卻早已觀察到輻射能誘發(fā)遺傳效應，包括染色體畸變（結構改變或數(shù)目改變）和基因突變（顯性的和隱性的），因此，不能排除輻射對人類有產(chǎn)生遺傳損害的危險第51頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

電離輻射其他效應宮內(nèi)照射效應發(fā)育中的胚胎或胎兒對電離輻射高度敏感。輻射對發(fā)育中的胚胎或胎兒可能產(chǎn)生的效應，有兩種需要考慮，這就是發(fā)育異常（確定性效應）和在兒童期或成年期發(fā)生癌癥（隨機性效應）。第52頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三輻射照射對胚胎或胎兒的效應，取決于照射發(fā)生相當于受精的時間以及總的吸收劑量。器官形成期和胎兒早期的輻射危險最大，妊娠的中期危險稍微小一些，晚期危險最小。應當注意，對于宮內(nèi)照射，值得關注的輻射劑量為胚胎或胎兒（而不是孕婦）的吸收劑量。第53頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三致癌效應胎兒受照后，誘發(fā)兒童期致死性惡性腫瘤也是胎兒照射關注后果之一。有證據(jù)表明，受照胎兒在10周歲之內(nèi)發(fā)生的兒童白血病和癌癥的危險度增大，其危險度略高于成年人的危險度，發(fā)生超額癌癥的危險度持續(xù)到兒童期以后。妊娠前3個月的危險度高于后6個月期間所觀察到的危險度。第54頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

成年人確定性效應皮膚的電離輻射效應人類表皮厚度軀干：40~50μm，手指370μm；照射后最早出現(xiàn)的皮膚變化是紅斑，可在暫時消退后再次反復出現(xiàn)；隨紅斑之后可以出現(xiàn)脫毛、干性脫屑、濕性脫屑和表皮壞死；大劑量照射后出現(xiàn)皮膚脫屑的時間（照射后2~3周）與從基底細胞分化到角化層所需時間大體一致。皮膚照射的遠期效應為表皮、汗腺、皮脂腺及毛囊萎縮，真皮纖維化，血管擴張，皮膚潰瘍和皮膚癌等。第55頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

受到重視的皮膚放射損傷主要是接受穿透力較低的β射線和低能量X射線的外照射。因為穿透力較高的X射線和γ射線照射時，更重要的損傷是發(fā)生在深部器官而不是體表。第56頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三性腺的電離輻射效應精原細胞對電離輻射非常敏感，照射后幾個小時就會出現(xiàn)壞死；精母細胞和精子細胞很不敏感，只要不超過3Gy就不會引起明顯的變化，這時這些細胞可以繼續(xù)分化成熟，精子數(shù)在受照后大約46天內(nèi)變化不大，這是精母細胞成長所需的時間，在此之后精子數(shù)目將迅速下降。第57頁，講稿共64頁，2023年5