第五章电离辐射的生物学效应

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1、1,第五章 电离辐射的生物学效应,授课教师：郝晓娜,2,（1）对病人主要是内照射（即放射性核素进入人体内产生的照射），对医务人员主要是外照射（即放射性核素从人体外发射的射线对人体产生的照射），但管理不当也可产生内照射。 （2）由于放射性药物在体内的特殊分布，病人全身受照剂量小，个别器官、组织受照剂量高。,核医学辐射的特点:,3,第一节 作用于人体的 电离辐射源,4,一、天然辐射源 （natural sources of radiation）,在人类生存环境中，天然存在着多种射线和放射性物质，称为天然本底辐射。包括宇宙射线、地球环境介质辐射、生物体内的放射性核素等。,5,1.宇宙射线（cosmi

2、c rays）,从宇宙空间发射而来的高能粒子流，由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成，不同时间、不同纬度、不同高度其强度不同，与太阳活动周期有关，受地 球磁场作用偏向两极高 纬度地区。,能量范围宽，强度随海拔高度、纬度的不同而变化。对人体产生外照射。,星球碰撞、爆炸等形成的微粒在宇宙空间磁场的作用下形成的高能粒子流。主要成份是P（占83%89%）、（10%15%），还有一些重元素的核及高能 电子（1%2%），能 量为1031014MeV。, 初级宇宙射线,7, 次级宇宙射线,初级宇宙射线从宇宙空间进入大气层后，与大气分子发生核反应形成光子、电子、质子、中子、介子等射线以及产生3H、14C、7Be、

3、22Na、85Kr等放射性核素，形成对地球的天然辐射。地球上每个人受到来自宇宙射线照射的平均剂量率约为0.38mSv/a。,系列衰变有铀系、锕系和钍系三种，其共同特征：,2. 地球辐射,天然存在的放射性系列衰变,（1）起始衰变的母体核素有可以与地球年龄相比的半衰期。 （2）数十次系列衰变直到成为稳定性铅为止衰变产 物均是放射性核素，衰变过程中有放射性氡气（222Rn2）产生。 （3）最终变成稳定性铅。,地球辐射对人体的影响有外照射和内照射。,9, 40K、14C等单独存在的天然放射性核素,10,3、生物体内的放射性核素,环境介质中的天然放射性核素通过各种渠道（例如通过呼吸、饮食进入人体）进入生

4、物体内。在人体内的内照射剂量率约为1.52mSv/a。,11,二、人工辐射源 (man-made sources radiation),1、核爆炸对环境的辐射,放射性落下灰，除局部污染 外，部份进入地球表面大气 的对流层和平流层，形成带 状沉降或全球沉降。,落下灰的放射性成分:核裂变产物、感生放射性核素和未反应的核燃料，绝大部分是和放射性核素。,12,2、 核动力及生产、使用放射性核素的公司、部门、企业等排出的“三废”或意外事故释放出放射性核素所造成的局部污染。,13,3、医疗照射和日常生活中接触的放射源,A、X线诊断的照射 B、核医学诊断与治疗 C、肿瘤放射治疗：X刀、刀、加速器等 D、日常

5、生活中接触的放射源：含226Ra、3H、147Pm等发光涂料刻度的仪器、钟表、火灾报警器、安全检查的X线机等。,14,三、环境放射性物质进入机体的途径,1、直接进入：消化道食入、呼吸道吸入、皮 肤、粘膜、伤口侵入。 2、生物循环：经食物链进入。 食物链：环境中的放射性核素，通过食物和水由消化道进入体内的全部行经过程。,15,第二节 辐射生物学效应的机理,16,电离辐射生物效应是研究核射线能量传递给生物机体后引起生物机体的的变化和反应。 分为若干性质不同且又互相联系的阶段：物理阶段、物理-化学阶段、化学阶段和生物学阶段。其效应分为原发性效应和继发性效应。,17,一、原发作用（包括物理、物理-化学

6、、化学阶段） 物理阶段：射线作用于生物体，将部份或全部能量以电离，激发的形式转移机体，使机体组织获得能量，这一阶段时间很短，约10-16-10-18S。,18,物理-化学阶段： 机体吸收辐射能后，首先发生分子水平变化，特别是使生物大分子损伤。分子损伤机理可分为直接作用和间接作用。,19,直接作用：生物体内具有活性的大分子直接接受射线能量，由于电离和激发作用，导致产生化学断裂，分子结构改变，引起功能和代谢障碍。 间接作用：射线作用于机体内小分子，产生水自由基（氧化自由基）等原发辐射产物（*H、*OH、*H2O、*H2O2、*e-aq），再对生物大分子作用，引起损伤，由于机体细胞含水量很高，该损伤

7、作用严重。,20,自由基（radicals）： 有一个或多个不配对电子而能独立存在的原子或分子，具有极高的不稳定性和化学反应 性，存在的时间极其短 暂。,21,射线作用于水分子激发不稳定的高能态化学键断裂氢自由基或氢氧自由基 水分子被激发： H2OHOH 水分子被电离： H2O H2O +e- H2O +H+OH * e-+ H+H* e-+ H2O H2O- H*+ OH- e-+ H2O e-aq eaq是水分子电离产生e-的动能耗尽被水分子俘获形成的水化电子，有极强的还原性。,22,对核酸分子主要作用于碱基、磷酸二酯键、核糖。,自由基作用于生物大分子,23,通过脂质过氧化作用造成体内包括

8、细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜、核膜等生物膜的损伤，使生物膜的能量传递、物质转运、信息识别等功能受到影响。,24,使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋白质失活，结构改变，化学键断裂或使蛋白质交连、聚合，从而影响蛋白质的正常功能。 糖链断裂或失活,25,辐射所致染色体损伤,26,化学阶段： 大分子物质的线粒体的氧化磷酸化过程、DNA和蛋白质合成、代谢均受到抑制，组织中的DNA含量减少，分解产物增多，蛋白质分解代谢增强，出现负氮平衡。,27,辐射靶细胞损伤,细胞三种“死亡”方式： 立即死亡：数百Gy-细胞内蛋白质凝固； “非分裂死亡”或“间期死亡”- 数十Gy， 终止代谢活动，细胞崩溃、溶解； “细胞死亡”

9、或“分裂死亡”-几Gy后，还有几次分裂，就不再分裂了；丧失继续增殖的能力。,28,二、继发作用-辐射的生物学基础,由于原发作用导致生物大分子损伤，造成细胞微细结构的损伤和破坏，甚至引起细胞死亡。在细胞损伤基础上，引起各组织器官和系统的损伤，导致临床症状出现，甚至机体死亡。 原发作用和继发作用无明确划分界限。,29,继发作用产生的机理,1.神经体液失调，进而影响组织的代谢、血管口径变化，使局部组织产生变性或坏死。 2.细胞膜、血管壁通透性改变。 3.“毒血症”作用：机体受照后， 细胞或组织产生某些有毒的 活性物质，经血液流到全身，引起损伤。,30,生物分子、细胞有修复、再生和代谢能力。损伤、修复

10、斗争的结果决定着机体的预后。 生物效应强产生不可逆变化机体损 伤、死亡,31,生物效应弱细胞代偿修复、再生 康复 损伤修复后，还可能在生物大分子DNA中存在突变基因，可能会导致出现远期的致癌或遗传效应。,32,第三节 组织器官的辐射效应,33,（一）造血组织的辐射损伤,造血组织的辐射损伤可以通过外周血细胞的变化反映，易于观测，故有生物剂量仪之称。,1.造血组织损伤的特点, 血液系统的辐射损伤主要是造血细胞增殖能力的抑制或丧失。 造血组织受损伤的程度可以反映受照剂量的大小。血液系统的变化是辐射损伤的临床诊断和预后判断的指针。,34,2.造血干细胞有极高的辐射敏感性，受射线照射后造血干细胞可因辐射

11、致细胞坏死（necrosis）和细胞凋亡(apoptosis)，其数量随受照剂量呈指数规律下降。受较大剂量照射后，造血干细胞被破坏，数量急剧减少，余下的造血干细胞通过自我复制和分化为祖细胞以恢复造血功能。故具有极大的潜在修复能力。在受到极其严重的辐射损伤后，才必须进行干细胞移植，轻度损伤时可采取输血治疗等措施。,35,3.外周血细胞的变化:辐射对外周血细胞的作用不明显，主要是抑制造血细胞的增殖能力使血细胞的来源减少，引起外周血细胞数量的下降，较大剂量的照射则能引起血细胞寿命的缩短。,淋巴细胞,嗜中性细胞,血紅蛋白,Days,0 10 20 30 40 50 60,血小板,36,(二)消化道粘膜

12、，特别是小肠绒毛上皮细胞是更新快、增生活跃的组织，辐射敏感性很高，受射线照射后，很快引起上皮细胞的分裂抑制，肠淋巴组织破坏。由于食物残渣等的刺激，易于继发感染。所以受射线照射早期即出现恶心、呕吐、食欲不振，继而出现腹泻、血大便等消化道症状。,37,（三）成年人中枢神经系统属放射敏感性不太高的组织，但一旦发生损伤，往往是不可逆的。,1.0 Gy 照射可出现脑电图的异常 数十Gy的照射后，可引起脑组织水肿、出血，严重者发生神经细胞坏死等形态学改变，病人出现无力、嗜睡，重者昏迷等症状 。 50 Gy 以上的一次大剂量照射，引起受照者全身痉挛，乃至死亡。,38,内分泌腺除性腺外，形态上对辐射亦不甚敏感

13、，在致死剂量照射后垂体、肾上腺、甲状腺等功能都出现时相性变化，初期功能增强，分泌增多，随后功能降低。,(四)内分泌系统,39,（五）睾丸和卵巢的辐射损伤,放射线主要抑制精原干细胞和精原细胞的分裂，总的效果就是精子数减少。女性性腺的放射敏感性较男性性腺略低。,据文献报道，男女受照人员全身一次1.5 Gy照射时，可引起短时间的生殖能力降低，5.0 Gy 的全身一次照射可引起12年或更长时间的无生育，一般8.0 Gy 以上的全身一次照射可引起生殖能力难以恢复的损害。,40,（六）心血管系统,心脏对辐射的敏感性较低，10Gy以上照射可引起心肌的变化，包括心肌纤维肿胀，变性坏死甚至肌纤维断裂等。,41,

14、血管方面以小血管较为敏感，尤其是毛细血管敏感性最高。临床可见皮肤充血、红斑。10Gy照射后数小时即可出现，照射1Gy则数日后才出现。小血管的病变是受损伤器官晚期萎缩，功能降低的原因。,42,（七）免疫系统,（一）非特异性免疫的变化 1皮肤粘膜的屏障功能减弱 2细胞吞噬功能减弱 3非特异性体液因子杀菌活力降低,43,（二）特异性免疫的变化 照射后对体液免疫和细胞免疫都有影响，但体液免疫较细胞免疫敏感性高。,44,（三）某些调节免疫功能的细胞因子的变化 小鼠全身照射后，脾脏生成白细胞介素2（IL-2）和干扰素（IFN）的功能受抑。,45,（八）成年人中枢神经系统属放射敏感性不太高的组织，但一旦发生

15、损伤，往往是不可逆的。,1.0 Gy 照射可出现脑电图的异常 数十Gy的照射后，可引起脑组织水肿、出血，严重者发生神经细胞坏死等形态学改变，病人出现无力、嗜睡，重者昏迷等症状 。 50 Gy 以上的一次大剂量照射，引起受照者全身痉挛，乃至死亡。,46,(九)皮肤也是辐射敏感性较高的组织之一。常见的症状是毛发脱落、指甲发育不良等。较大剂量照射可引起局部红斑、溃疡等。,47,第三节 电离辐射生物学效应 的分类和影响因素,一、分类 二、影响因素,48,一、分类,1、躯体效应与遗传效应（按效应对象分类） 躯体效应直接表现所受照射者本人身上的效应，有局部和整体之分，轻重程度决定于照射剂量大小。 遗传效应由于受照者本人生殖细胞遗传物质受损，导致产生遗传性疾病（后代）。,49,50,确定性效应,51,（2）随机效应(stochastic effects),随机效应研究的对象是群体，是辐射效应发生的几率（或发病率而非严重程度）与剂量相关的效应，不存在具体的阈值,随机效应主要包括辐射诱发癌症或遗传效应。,52,低辐射剂量的兴奋效应:一定的低剂量对生物生命活动的辐射兴奋效应(hormesis)。,曾报告的低辐射剂量兴奋效应：,增进动物的生长与发育 延长寿命 改善幼体存活率 改善伤口愈合 增强对感染的抵抗力 降低致癌机率,53,进一步的研