電離輻射生物學作用的理化基礎(chǔ)2

第二章電離輻射生物學作用的理化基礎(chǔ)和基本規(guī)律21第三節(jié)傳能線密度與相對生物效應(yīng)2定義：是指直接電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量（單位J/m）。一般常用keV/μm表示。LET概念也適用于雖不是直接電離粒子但通過與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生次級帶電粒子的X、γ射線和中子。與生物效應(yīng)的關(guān)系：正相關(guān)一、傳能線密度（linearenergytransfer，LET）3概念：單位長度徑跡上形成的離子數(shù)。與LET關(guān)系：正比生物效應(yīng)：正相關(guān)一、傳能線密度（linearenergytransfer，LET）電離密度（iondensity）4Fig2.1

LET與電離密度之間關(guān)系一、傳能線密度（linearenergytransfer，LET）5二、相對生物效能（relativebiologicaleffectivenessRBE)也曾稱相對生物效應(yīng)、相對生物效率和相對生物效應(yīng)系數(shù)，這是放射生物學中沿用已久的一個概念。定義：X射線或γ射線引起某一生物效應(yīng)所需劑量與所觀察的電離輻射引起相同生物效應(yīng)所需劑量的比值，即為該種電離輻射的相對生物效能。觀察的生物終點不同，所得的RBE值也不同。（觀察的生物效應(yīng)指標、劑量分布的時間與空間、受照射體系所處條件不同、照射時有氧或無氧等）因此，在確定某一電離輻射的RBE值時，必須限定有關(guān)條件。最好在平均滅活劑量和平均致死劑量下，用同一生物終點進行生物效應(yīng)比較。6各種電離輻射的相對生物效能輻射種類相對生物效能X射線、γ射線1β粒子1熱中子3中能中子5~8快中子10α粒子10重反沖核20二、相對生物效能（relativebiologicaleffectivenessRBE)7三、LET與RBE的關(guān)系RBE的變化是LET的函數(shù)

LET<10keV/μm時；LET∝RBE(緩慢）LET10～100keV/μm時；LET∝RBE（迅速）

LET>100keV/μm時；LET繼續(xù)增加，RBE反而下降，表明更多的射線并不能用于引起生物效應(yīng)上，反而被浪費了。8Fig2.2Fig2.3三、LET與RBE的關(guān)系9徑跡結(jié)構(gòu)（trackstructure）四、徑跡結(jié)構(gòu)和集簇損傷10集簇損傷（clusterdamage）概念：是指單次射線照射后，在緊湊的空間范圍內(nèi)，數(shù)個至10bp的距離上密集產(chǎn)生2個或2個以上的單損傷，包括DNA分子的單鏈斷裂、雙鏈斷裂和堿基損傷（嘌呤嘧啶堿基氧化、堿基位點缺失）等多種類型損傷。這種集簇損傷是輻射徑跡在DNA分子上能量沉積形成的主徑跡、次級電子及次級活性自由基等多種因素誘發(fā)的復雜集簇化學改變而導致的損傷集合作用，是電離輻射的獨特性質(zhì)。四、徑跡結(jié)構(gòu)和集簇損傷11Fig2.4集簇損傷示意圖四、徑跡結(jié)構(gòu)和集簇損傷12第四節(jié)自由基13一、自由基的概念和特點概念：自由基是指能夠獨立存在的，帶有一個或多個不成對電子的原子、分子、離子或原子團。所謂“不成對電子”，即單獨占據(jù)原子或分子軌道的電子。為了使自由基顯示出未配對電子特征，在原有原子、分子、離子或基團符號的上角標記一個圓點“·”以顯示帶有未配對電子，但不表示未配對電子的數(shù)量。如·CH3、·OH、

和H·等。14一、自由基的概念和特點自由基的特點高反應(yīng)性不穩(wěn)定性順磁性15二、氧自由基與活性氧活性氧概念：從強調(diào)氧對機體不利一面的角度出發(fā)，將那些較氧的化學性質(zhì)更為活躍的氧的代謝產(chǎn)物或由其衍生的含氧物質(zhì)統(tǒng)稱為活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）。16二、氧自由基與活性氧活性氧的分類：氧的單電子還原物，如

及其質(zhì)子型HO和·OH氧的雙電子還原物H2O2；烷烴過氧化物ROOH及其均裂產(chǎn)物RO·和ROO·；處于激發(fā)態(tài)的氧、單線態(tài)氧和羰基化合物。注：活性氧的特點是含有氧，化學性質(zhì)較基態(tài)氧活潑。所有的含氧自由基都是活性氧（不包括基態(tài)氧），但活性氧不一定都是自由基。17二、氧自由基與活性氧氧自由基的概念：有些活性氧是自由基，在這些自由基中，若不配對的電子位于氧，則稱為氧自由基。18三、自由基對生物分子的作用自由基化學反應(yīng)的主要類型自由基對DNA的損傷自由基與脂質(zhì)過氧化19四、生物抗氧化防御功能抗氧化酶主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）、過氧化氫酶和非特異性過氧化物酶（catalase，CAT）、硒谷胱甘肽過氧化物酶（seleniumdependentglutathioneperoxidase,SeGSHPx）、磷脂氫過氧化物谷胱甘肽過氧化物酶（phospholipid

hydroperoxideglutathioneperoxidase,PHGSHPx）及谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶（glutathione-S-transferase），又稱非硒谷胱甘肽過氧化物酶（nonSeGSHPx）等。上述各種抗氧化酶中，以SOD、CAT和SeGSHPx研究較多。20四、生物抗氧化防御功能脂溶性抗氧化劑體內(nèi)脂溶性抗氧化劑主要有維生素E、膽紅素、類胡蘿卜素、膽固醇和固醇類激素、褪黑激素以及硫辛酸等。21四、生物抗氧化防御功能水溶性小分子抗氧化劑此類抗氧化劑主要包括維生素C（抗壞血酸）、尿酸和谷胱甘肽。谷胱甘肽（GSH）是GSHPx催化過氧化物還原和脫氫抗壞血酸還原酶催化脫氫抗壞血酸還原的供氫體。同時也是·OH、H2O2和1O2·的清除劑。22四、生物抗氧化防御功能蛋白性抗氧化劑銅藍蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白、清蛋白和結(jié)合珠蛋白等能絡(luò)合金屬離子，防止其催化Fenton反應(yīng)生成·OH。上述各類抗氧化劑在細胞內(nèi)外形成機體的抗氧化防御系統(tǒng)，能有效地清除在代謝過程中形成的活性氧與自由基，防止其對細胞的損傷，在機體受到電離輻射作用而活性氧產(chǎn)物增加時，這些防御機制可動員起來，在一定程度上增加其清除活性氧和自由基的作用。23

第五節(jié)直接作用與間接作用

（directeffect&indirecteffect）24概念：電離輻射的能量直接沉積于生物大分子，引起生物大分子的電離和激發(fā)，破壞機體的核酸、蛋白質(zhì)、酶等具有生命功能的物質(zhì)，這種直接由射線造成的生物大分子損傷效應(yīng)稱為直接作用。特點：生物效應(yīng)與輻射能量沉積發(fā)生于同一分子即生物大分子上。一、直接作用（directeffect）25Fig2.5直接作用間接作用示意圖一、直接作用（directeffect）26概念：電離輻射首先作用于水，使水分子產(chǎn)生一系列原初輻射分解產(chǎn)物（H·，OH·，水合電子，H3O+，和H2O2），再作用于生物大分子引起后者的物理和化學變化。特點：能量沉積和生物效應(yīng)發(fā)生在不同分子上。二、間接作用（indirecteffect）27二、間接作用（indirecteffect）稀釋效應(yīng)溫度效應(yīng)防護效應(yīng)間接作用28

定義：最大的相對效應(yīng)發(fā)生在最稀釋的溶液中。一定劑量的電離輻射在溶液中產(chǎn)生固定數(shù)量自由基，如果作用是間接的，那么失活的溶質(zhì)分子數(shù)目就與溶液濃度無關(guān)，只與產(chǎn)生的自由基數(shù)量一致；若作用為直接的，則失活的溶質(zhì)分子數(shù)將取決于受照溶液的溶質(zhì)分子數(shù)，并與溶液濃度成正比。在稀釋溶液系統(tǒng)中，間接作用占主要地位。二、間接作用（indirecteffect）稀釋效應(yīng)29二、間接作用（indirecteffect）溶質(zhì)水射線自由基射線。溶質(zhì)水自由基30二、間接作用（indirecteffect）(a)(b)Fig2.6稀釋效應(yīng)示意圖1—直接作用2—間接作用31二、間接作用（indirecteffect）溫度效應(yīng)(temperatureeffect)定義：是指在一定實驗條件下，受照射系統(tǒng)的輻射效應(yīng)隨著溫度升高而加重。32二、間接作用（indirecteffect）防護效應(yīng)(protectiveeffect)定義：是指有機體或某一生物系統(tǒng)受電離輻射照射前或照射后立即給予某種物質(zhì)，能減輕輻射損傷，促進修復，具有這種作用的物質(zhì)稱為輻射防護劑（radioprotector）。DRF：dosereductionfactor劑量降低系數(shù)WaleerReed系列：WR638/WR1607/WR272133

第六節(jié)氧效應(yīng)與氧增強比

（oxygeneffect&oxygenenhancementratio)34定義：受照射的生物系統(tǒng)或分子的輻射效應(yīng)隨周圍介質(zhì)中氧濃度的升高而增加，稱為氧效應(yīng)。一、氧效應(yīng)與氧增強比Fig2.7氧對細菌和腫瘤細胞存活曲線的影響●有氧，?缺氧，○有氧實驗值乘以倍數(shù)；細菌×3.3，腫瘤細胞×2.8

氧效應(yīng)(oxygeneffect)35一、氧效應(yīng)與氧增強比氧增強比(oxygenenhancementratioOER)缺氧條件下引起一定效應(yīng)所需輻射劑量與有氧條件下引起同樣效應(yīng)所需輻射劑量的比值，常用來衡量氧效應(yīng)的大小。X、γ射線OER：2.5~3.0α粒子OER：136二、氧效應(yīng)的需氧濃度Fig2.8氧分壓對放射敏感性的影響粘質(zhì)沙雷氏菌，培養(yǎng)基事先與氧平衡Fig2.9中國倉鼠細胞在不同氧濃度下經(jīng)X射線照射后的存活曲線○空氣；●、□、■和?氧濃度分別為2.2‰、0.36‰、0.10‰和0.01‰37三、照射時間對氧效應(yīng)的影響照射前引入氧，表現(xiàn)出氧效應(yīng)照射后引入氧，無效照后充氧，在一定條件下有一定保護作用38四、氧效應(yīng)的發(fā)生機制氧固定假說這個假說認為電離輻射在靶分子中誘發(fā)了自由基。如果在照射的當時靶分子附近存在著氧，那么這些輻射引起的自由基將迅速與氧結(jié)合，形成一個妨礙靶分子生物功能的基團。許多由·0H、H·、水合電子等誘導的靶分子自由基的壽命是極為短促的，在照射前或照射當時就必須有氧存在以便有效地與自由基起反應(yīng)，使輻射損傷固定下來。據(jù)估計，氧固定往往發(fā)生在照射后10-9～10-8內(nèi)。如果那時氧不存在，靶分子的自由基即可能迅速通過“化學修復”，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂姓Ｉ锘钚缘姆肿?。在氧固定、自由基衰變和?nèi)源性化學修復之間存在著競爭。39電子轉(zhuǎn)移假說輻射→靶分子→游離電子（兩種可能）回到靶分子原位→自愈轉(zhuǎn)移到一個電子陷阱部位→靶損傷第二種情況中，氧能與這些游離電子反應(yīng)，防止其重新回到原位而使靶分子的損傷固定和加重。四、氧效應(yīng)的發(fā)生機制40

第七節(jié)

電離輻射生物效應(yīng)及其影響的主要因素

41一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性輻射生物效應(yīng)(radiobiologicaleffect)電離輻射作用于機體后，其能量傳遞給機體的分子、細胞、組織和器官所造成的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的變化，稱為輻射生物效應(yīng)。確定性效應(yīng)(deterministiceffect)機體的組織和器官的功能具有強大的代償能力，若電離輻射劑量足夠大引起損失的細胞足夠多而且這些細胞又足夠主要，則造成可觀察到的損傷。即輻射劑量超過一定閾值，損傷效應(yīng)就一定會發(fā)生，而且損傷的嚴重程度會隨劑量的增加而加重，稱為確定性效應(yīng)。隨機性效應(yīng)(stochasticeffect)電離輻射作用于機體后，一部分細胞可產(chǎn)生變異而不死亡，變異的細胞可逐漸導致惡變發(fā)生腫瘤。即損傷或惡變的概率隨劑量增加而增大，而嚴重程度與劑量無關(guān)，這種不存在閾劑量的效應(yīng)稱為隨機性效應(yīng)。42一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性輻射生物效應(yīng)軀體效應(yīng)遺傳效應(yīng)作用對象確定性效應(yīng)隨機性效應(yīng)致癌損傷發(fā)生在后代43一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性組織反應(yīng)(tissuereaction)受輻射作用產(chǎn)生的組織損傷及其引發(fā)的不同器官特異性表現(xiàn)，稱為組織反應(yīng)，是一定數(shù)量細胞功能喪失的結(jié)果。早期組織反應(yīng)發(fā)生在照射后數(shù)小時至幾周，可來源于細胞滲透和組織胺釋放的炎性反應(yīng)。晚期組織反應(yīng)靶組織損傷直接引發(fā)的后果，如照射使血管閉塞導致深部組織壞死；早期反應(yīng)的繼發(fā)反應(yīng)，如肝和肺組織的纖維化反應(yīng)等.44定義：生物系統(tǒng)對輻射作用的反應(yīng)性或靈敏性。當一切照射條件嚴格一致時，機體組織、器官、細胞和分子對輻射作用反應(yīng)強弱或速度快慢不同，若反應(yīng)強、速度快，則放射敏感性高，反之則是放射敏感性低。一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性放射敏感性(radiationsensitivity)45LD50(半致死劑量）：將引起被照射機體死亡50％時的劑量稱LD50

，是表示放射敏感性的參數(shù)，LD50數(shù)值越小，放射敏感性愈高。LD50/30：代表30日內(nèi)引起50％死亡的照射劑量。一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性46一、輻射生物效應(yīng)和放射敏感性氧合狀態(tài)細胞周期調(diào)控DNA損傷修復細胞凋亡放射敏感性47二、影響電離輻射生物效應(yīng)的主要因素電離輻射作用于機體產(chǎn)生的生物效應(yīng)，涉及電離輻射對機體的作用與機體對其反應(yīng)。影響輻射生物效應(yīng)發(fā)生的諸多因素，基本上可歸納為兩個方面，一是與輻射有關(guān)的因素，二是與機體有關(guān)的因素。481、輻射的種類：電離密度和穿透能力2、輻射劑量：一般情況存在劑量效應(yīng)關(guān)系（非線性）3、輻射的劑量率：單位時間接受的照射劑量4、分次照射：效應(yīng)低于一次照射5、照射部位：腹部>盆腔>頭頸>胸部>四肢6、照射面積：照射面積越大，效應(yīng)越顯著7、照射方式：內(nèi)照射、外照射（單向或多向）、混合照射二、影響電離輻射生物效應(yīng)的主要因素與輻射有關(guān)的因素491種系的放射敏感性種系演化越高，機體組織結(jié)構(gòu)越復雜，放射敏感性越高2個體發(fā)育的放射敏感性敏感性隨個