肿瘤放射生物学教材

《肿瘤放射生物学教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《肿瘤放射生物学教材（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、肿瘤放射生物学 (Oncology Radiobiology),放射生物学研究的是辐射对生物体 作用及其效应规律的一门科学。 电离辐射对生物体的作用 电离辐射的细胞效应 电离辐射对肿瘤组织的作用 正常组织及器官的放射效应 分次治疗的生物学基础,放射生物学 由于电离辐射引起损伤，故损伤后有无恢复或 修复的可能性，以及怎样减少不必要的损伤等，都 是放射生物学研究的内容。因此，确切的说： 研究电离辐射对生物作用的机制、辐射损伤及 其修复、放射防护等的综合性科学。,电离辐射的一般概念 电离辐射有粒子辐射和电磁辐射。 1、粒子辐射：射线、射线、带电的质子和 中子的辐射； 2、电磁辐射：射线和X射线的辐射

2、，这类辐 射是光量子发射的。,电离射线的一般特点：高能、穿透力强。它基 本反映在电离射线的射程和电离密度上。 不同电离射线的区别：射线（氦核）、质子 （氢核）带电荷，中子则不带电荷；质子、中子、 射线、射线的质量不同。,电离射线与物质的相互作用 在电离射线与物质的相互作用中，电离射线是 外因，物质（包括组成生物机体的物质）是内因。 外因通过内因起作用。 当运动着的粒子通过物质时，其速度将逐步降 低而损失能量；损失的能量主要消耗在物质的电离 或激发上。,带电的粒子通过物质时，和物质中原子壳层的 电子碰撞，由于静电作用，使壳层电子产生加速运 动，因而获得足够的能量而变成游离电子，它与正 离子构成一

3、个离子对。这就是电离作用。 离子对是负离子（包括电子e）与正离子的合 称。 离子对是电离作用的结果。,带电粒子和光量子对物质作用的区别 1、带电粒子和原子的作用：以原子点外围电子 作用的可能性较大。在下例中，H2O+和e合称为离 子对。 H2O+ H2O e H2O- 形成离子对需要一定的能量。不达到这个能量 水平，就不可能形成离子对。,H2O,通过1V的电位差所获得的能量称为1电子伏特 （eV）。在空气中产生一对离子需要的平均能量为 32.5eV。 电离作用形成的离子对数量的相关因素： 1）、能量高，则形成的离子对多； 2）、在同一能量水平时，电荷多，形成的离 子对就多；反之亦然；无电荷，则

4、不形成离子对。 粒子带电荷多，形成的离子对也就多；而射线 和射线，由于带电荷少，形成的离子对就少。,3）、粒子（射线）的速度大，电离密度（即 离子对/cm，就是在1cm行程所形成的离子对的数量） 小；速度小则电离密度大。粒子带电荷多，质量 较大，故电离密度大，但它运行路程短，穿透力 低，而射线穿透力较强。 当物质中的壳层电子所获得的能量还不足以使 它成为游离电子时，电子受激发到更高的能级。即 能量足够时发生电离作用，形成粒子对；能量不足 时发生激发作用，不形成离子对。 带电粒子通过物质时，因为受到原子核电场的 相互作用而改变其运动方向，即所谓散射。,2、中子与物质的相互作用：只有在中子流碰 撞

5、到原子的壳层或原子核时才发生作用。中子只有 在原子核相碰撞时才能把能量转移给原子核。 1）弹性碰撞：中子具有一个质子的质量而不 带电荷。它是在原子核反应时产生的。由于中子与 质子的质量相等，中子与质子（氢核，H+）相撞时 发生最大的能量损失。这样的质子叫做反冲质子。 反冲质子的能量质量都大于原来的质子。因此，中 子很容易被许多轻元素物质（如水、石蜡）吸收， 但能自由地通过重元素物质（如Pb）。,中子具有一定的能量，中子撞击原子核打出的 一部分叫反冲核。反冲核又具有一定的能量，能够 打出其它原子，即反冲核在其行程中能使与其相撞 的原子都发生电离：,n,A,A,B,2）非弹性碰撞：中子穿入原子核内

6、，交出自 己的一部分能量，使核处于激发状态。激发了的核 把从中子获得的能量以一个或若干个量子的形式 发射出来，随后进入核内的中子就带着较小的能量 从核里飞出。通常是由快中子打重元素而得。 由于中子不带电荷，只有在碰撞时才能引起变化。,O,n,n,3）辐射俘获：打进去的是慢中子，放出来的 是射线。中子被核所吸收，被激发了的核以量 子的形式放出其多余的能量。慢中子的能量与气体 的能量差不多，故又叫热中子。它是经一系列碰撞 后能量逐渐减低的结果。 4）核反应：快中子打轻元素，打进去的是快 中子，打出来的是质子（P）、中子等。,3、光量子与物质的相互作用： 射线和X射线都是光量子。它们的波长更 短，能

7、量更高。 射线一般是核衰变的结果，而X 射线是认为发射的，是核外产生的。 射线和X射 线与物质的作用通常称为电磁辐射。 尽管光量子不是粒子，但一般认为它们是有极 微小的粒子（光子、量子、光量子、光量子流）组 成的。其能量E可由下式求得： E= h，式中， =c/；h为普朗光常数， h=6.625210-34J/s； 为光子频率；c为光在真空 中的速度； 为其波长。,光量子的能量很高，从几万电子伏特到几亿电 子伏特。它们与物质的主要作用有3个方面： 1）光电效应：当一个光量子和原子相碰撞时， 它可能将所有的能量h都交给一个电子，使电子脱 离原子而运动，而光子本身被吸收。由于这种作用 而释放出来的

8、电子叫光电子。 光电效应是在光量子能量较低时发生的。它与吸收 体密度、原子质量数和原子序数有关。,X（）,h,e光电子,2）康普敦-吴有训效应：光量子能量中等时发 生这个效应。这个效应是光量子和原子中的一个电 子发生弹性碰撞相互作用。其特征是碰撞之后，光 量子将一部分能量传给电子，电子即从原子空间中 以与光量子的起始运动方向成角的方向射出，光 量子则朝着与自己初始运动方向成角的方向散射。, 原子, 量子（散射）,e 康普敦电子,入射光量子,散射光量子,3）电子对的形成：当光量子的能量大于两个电子的 静电能量质量（即1.02MeV)时,形成电子对。在形成 电子对时，光量子本身完全消失。 电子和正

9、电子的动能一般是不同的；它们与光 量子形成的角度和也不一定相等。,入射光量子,e电子,e +正电子, 原子,由于光量子的能量不同，与物质发生的作用类 型也不相同，如下图：,光电效应,康-吴效应,电子对形成,光量子能量,低,中,1.02MeV,剂量及其单位 剂量：单位质量的被照射物质所吸收的能量。 通常用公式 D=E/M（J/g）表示。剂量单位随所表 示的对象不同而异。 1、一般射线：伦琴 R（对X射线、射线）； 生物当量伦琴Reb；物理当量伦琴Rep；组织伦琴 Rad，Gy）。 吸收剂量与照射剂量不同。吸收剂量过去用rad （拉德）表示，现已改为Gy（戈瑞）表示。 1rad=6.24103eV

10、/g；1Gy=102rad,2、放射性核素：放射性核素的剂量单位，以 放射强度表示。单位有居里（Ci），毫居里（mCi） 和微居里（Ci）。 上述伦琴、生物当量伦琴、物理当量伦琴等均 是照射剂量，它与X射线和射线产生的电离量有 关，反映X射线和射线使空气产生电离作用的能 力大小。1伦琴是指X射线或射线照射1ml或 0.001293g空气，空气中的二级电子在空气中生成 带有1静电单位的正负离子对时的照射剂量。但伦琴 这个单位不适用于射线、射线和中子等粒子。,组织伦琴，实际上为吸收剂量，常用单位是拉 德或戈瑞。不仅使用于X射线和射线，也可用于 各种粒子射线。 1964年和1968年国际辐射单位及剂

11、计量委员会 建议对照射剂量和吸收剂量做出定义，用dose表示 吸收剂量，而用expoure dose或expoure表示照射 剂量。,电离辐射的生物学作用 生物机体对电离辐射的反应不同于无生命物质。 1、生物机体对电离辐射的反应特征： 1）敏感 DNA在2.84C/kg(11000R)照射下， 才引起结构变化；而在生物体内，若用LD100/30d来 照射小鼠，只须几百伦琴就可以引起DNA结构变化。 2）射线对生物机体的作用有潜伏期。 3）生物机体对电离辐射的反应是损伤与修复 的矛盾统一。,在照射后，早期以损伤为主，后期则以修复为主。 4）生物机体本身由于其个体发育和系统发育的 阶段性不同，也具

12、有特殊性。就放射敏感性而言： 胚胎期成年；高等动物低等动物；动物 植物；原生动物病毒；幼体敏感性高；造血器官、 胸腺、生殖腺敏感性高。,2、电离辐射形式与生物学效应的关系： 1）不同射线的生物学作用 在生物体吸收能 量相等的情况下，不同射线的生物学效应的概略比 值（以等效伦琴作统一单位）如下： X射线及射线 1；射线 1；射线 10-20；P（质子） 10；n（快、慢中子）5-10。 可见射线有很大的生物效应，但它的穿透 能力低。,2）剂量与剂量率 放射生物学效应是一种耗 能过程。电离辐射的剂量与生物学效应之间有一定 的关系。以射线剂量为横坐标，机体的存活率或存 活分数为纵坐标，则可得一剂量-

13、存活曲线。,2）照射方式 照射方式不同，对生物体的影 响也不同。 （1）总剂量相同，分次照射没有一次照射那样 强烈。这可能与分次照射之间发生的补偿或修复有 关； （2）全身照射与局部照射，局部照射机体对 射线的忍受量高；全身照射机体对射线的忍受量低。 因此，在肿瘤放射治疗中，多采用局部、分次 照射。,（3）内照射与外照射 内照射的情况复杂，涉 及放射源、半衰期和半排泄期。内照射对生物机体 的危害较大。临床肿瘤放疗中，多采用外照射。,3、外界因素对电离辐射生物学效应的影响： 1）水分 机体水分多，则敏感性高，反之亦然。 2）氧 有氧时，生物机体对射线的敏感性高， 死亡率也高。照射时，有氧对生物机

14、体的影响较大。 高LET射线，如快中子、负介子、轻原子核、 其生物效应受氧的影响较X射线小。随着LET的增加 氧效应降低，因为高LET射线引起的损伤要比低 LET射线严重得多。,LET（Linear energy transfer）即传能线密度。 电离发生在高速运动的带电粒子（如电子）行 进的径路中，这些粒子是由于吸收了辐射能量而运 动。LET是描述沿着这种粒子的径路产生的电离能 量密度的重要参数，即单位长度径迹上传递的能 量，它表示在每单位径路长度上，在组织中所沉积 的能量的多少。,3）温度 低温对生物机体的辐射损伤有延缓 作用。这可能是能量的吸收、传递需要时间和适当 的温度等。 4）化学物

15、质 化学物质对电离辐射的生物学 效应表现为： （1）可以减轻射线反应 如巯基化合物可以 把氢原子交给那些受射线作用的DNA所产生的自由 基，从而封闭自由基； （2）可以加重射线反应 能够提高某些肿瘤 细胞的放射敏感性。,4、电离辐射对生物体损伤的机制： 1）电离辐射的直接作用和间接作用 辐射导致的DNA分子断裂分为两类：直接作用和 间接作用。 直接作用：是指射线直接作用于DNA分子，使 DNA分子发生损伤而导致断裂。 间接作用：是指辐射可使水分子产生自由基，自 由基作用于DNA分子并使之断裂。,2）电离辐射作用的三个阶段 （1）物理阶段:10-1810-12s射线照射路径上的能 量释放、激发和

16、电离 （2）化学阶段：激发电离，化学键断裂、自由基 形成，分子结构破坏和修复正常 （3）生物阶段：分子结构破坏 酶反应 修复 基因变异/癌变 DNA不能复制/ 细胞死亡 有丝分裂停止,3）电离辐射对DNA损伤的方式 （1）DNA双链断裂 （2）DNA单链断裂 （3）碱基丢失 （4）形成嘧啶二聚体 （5）DNA交联形成 （6）碱基改变 （7）蛋白交联 （8）氢键断裂）,细胞存活曲线 细胞存活曲线是理解放射生物学许多内容和概 念的基础。 肿瘤及正常组织对于电离辐射的生物学效应是 受许多因素支配的。 通过电离作用，能量在活组织中沉积，从而引 起一系列化学反应，导致细胞损伤并最终出现临床 上可观察到的效应。,正常组织和肿瘤对于辐射的反应是极为复杂的 生物变化过程，当前只能从经验主义的角度来加以 阐述。 电离辐射，无论是电磁