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1、1,第五章 电离辐射的生物学效应,第一节 电离辐射生物效应分类 第二节 电离辐射的细胞生物学效应 第三节 电离辐射的随机性效应 第四节 电离辐射的确定性效应 第五节 小剂量低剂量率照射的生物作用,2,第一节 电离辐射生物效应分类,3,早期效应（Early effect）：是指受照后几个星期内发生的辐射效应，如急性放射病，急性皮肤损伤等,迟发效应（late effect）：在正常组织和肿瘤内部都存在细胞杀灭的继发效应，在受照数月后才会发生的效应。如慢性放射病，辐射至白血病，致癌效应，放射性白内障，辐射遗传效应等。,4,一些组织细胞 自我更新率较缓慢,有些类型损伤 的潜伏期较长,细胞之间信号传 导
2、途径功能失调,导致迟发 效应产生 的原因,5,细胞凋亡(apoptosis)是一种由基因调控的细胞自主性死亡过程. 细胞主动地运用基因调控程序引起自身死亡, 可使机体清除受损伤的、衰老的或无用的细胞，而不引起机体微环境损伤和炎症, 对维持组织内环境的稳定、细胞群的动力学平衡和组织器官的各种生理功能和病理反应是不可缺少的。细胞凋亡涉及基因表达的级联反应。,肿瘤细胞和正常细胞都有自我更新能力，并有相似的生长调节机制和自我更新途径,6,人体细胞之间的信息转导途径： 通过相邻细胞的直接接触来实现 通过细胞分泌各种化学物质来调节自身和其他细胞的代谢和功能(更重要、更普遍)。,人体中信息传导通路构成；,7
3、,遗传效应是生殖细胞的损伤引起的、影响到受照者后代的效应。,躯体效应指出现在受照射体本身的效应，由体细胞损伤引起的,8,当照射的剂量达到一定水平后，细胞死亡细胞增殖补充或代偿能力，此时确定性效应必然会出现，故必然性效应。,改为确定性效应是由于在成因上是由放射线能量沉积事件决定的,构成这种效应的基础是细胞死亡，这种细胞死亡是随意性的,9,近年来,人们发现:机体对辐射的反应是群体现象而不仅仅是单个独立细胞对损伤的积累反应，辐射除了可损伤直接受照的细胞外，还可通过受照细胞产生一些信号或分泌一些物质，引起未受照细胞产生同样的损伤效应,包括如细胞死亡、细胞间活性氧增加、细胞增生、凋亡、染色体断裂和突变、
4、基因改变、基因不稳定等，这种效应称为旁效应(bystander)或旁观者效应。,电离辐射的旁效应可以是随机性效应，也可以使确定性效应。,10,第二节 电离辐射的细胞生物学效应,电离辐射损伤细胞数量和程度不同，可出现体内一系列生理病理变化，直至发生多种局部或整体的早期和迟发效应。,电离辐射的整体效应，均以辐射对细胞的作用为基础。,细胞存活：指细胞具有无限增殖的能力完整增值能力。,11,“死亡”细胞：指细胞失去增殖能力，即使照射后细胞的形态仍然保持完整，有能力制造蛋白质，有能力合成DNA，甚至还能再经过一次或两次有丝分裂，产生一些子细胞，但最后不能继续传代者称为“死亡”细胞。,克隆(集落)：在离体
5、培养的细胞中，一个存活的细胞可分裂增殖成一个细胞群体。,死亡 + 增殖几次“死亡”细胞 无限增殖 存活细胞,12,1.间期死亡(Interphase death)： 照射后细胞在有丝分裂的间隙立即死亡者称为间期死亡，又称为即刻死亡(Immediate death)，由于不能通过下次有丝分裂，故又称为非有丝分裂死亡。,受照后受致死损伤的细胞死亡有两种类型： 间期死亡和增值性死亡,通常发生在大剂量集中照射时,一般需要数百戈瑞照射剂量，迅速出现正常核形态消失，发生细胞变性而死亡 。,对于象A型精原细胞、卵细胞和淋巴细胞等细胞来说，较小剂量即可导致间期死亡。增殖性死亡可以由通常治疗剂量引起。,13,2
6、.增殖性死亡(reproductive death) ：细胞接受致死剂量照射后并不立即死亡，在停止有丝分裂之前仍保持正常显微结构，但在经少数几次分裂后突然变性而死亡。,间期死亡的原因是细胞核磷酸化抑制，ATP(三磷酸腺苷)合成损伤，膜通透性改变，结合结构的破坏等。,细胞间期死亡与机体辐射损伤程度紧密相关,不能进入细胞分裂的细胞,如神经细胞，不表现为这类死亡。,增殖死亡与细胞分裂周期数和受照剂量有关，受照剂量愈大则可分裂次数愈少。,14,辐射诱发巨细胞死亡是增殖死亡的变形，它可能是细胞融合后核内分裂的结果。,增殖死亡的分子基础可能是DNA的双链断裂、碱基损伤和错误修复引起遗传密码改变，影响蛋白质
7、和酶的正常合成。,另一种情况是受照射后不立即变性和进一步分裂，而是形成巨细胞，存活一段时间后死亡；这些巨细胞直径可为原来的2550倍，可存活数月。,3.细胞凋亡(Apoptosis) ：细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理条件下，受内在遗传机制的控制自动结束生命的过程。,正常的组织中，经常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。,15,3,细胞凋亡是以细胞核浓缩、染色体DNA被以核小体为单位切成梯状片段（ladder）、细胞缩小，最终形成细胞凋亡小体等形态变化为特征，不引起周围细胞的溶解。,16,细胞凋亡是在细胞群中散发，阶段性进行，并且依存于ATP的供给和RNA、蛋白质的合成，
8、是属于主动排除机制。,细胞凋亡的细胞内信息传导途径可大致分为二个阶段：诱导阶段和实行阶段。,17,近年来还发现活性氧以及一氧化氮在神经系统疾病、心血管疾病、免疫性疾病及老化等方面的作用都不同程度地与细胞凋亡有关。,18,细胞凋亡 过程的四 个阶段,1.凋亡信号转导 当细胞内外的凋亡诱导因素与被作用的细胞受体结合后，细胞产生复杂的生化反应，并形成与凋亡有关的第二信使：Ca2+ 、神经酰胺等信号分子形成死亡信号,19,2.凋亡基因激活 调控的凋亡基因在接受死亡信号后，开始按预定程序启动，并合成执行凋亡所需的各种酶和相关物质。,3.凋亡的执行（共同通路） 凋亡的主要执行者有两类酶：核酸内切酶（end
9、ogenous nuclease Dnase）彻底破坏细胞的生物命令系统； 凋亡蛋白酶Caspases 3 细胞的结构全面解体。,4.凋亡细胞的清除 凋亡后细胞可以被邻近巨噬细胞分解。,20,21,二、细胞存活曲线及其参数,测量体内原位细胞存活比较困难，借助体外培养技术，可使具有无限增殖能力的单个细胞繁殖成集落（克隆）。在培养基上接种一定数目的细胞经一定剂量照射后，可以通过计数形成的集落数来计量存活下来的细胞。,测量细胞体存活率的方法：,为了集落计数标准一致，通常把含有50个以上细胞的克隆计为一个集落，代表一个存活单位。但这不是一成不变，在某些情况下，几个细胞也可作为一个集落。,22,在一定剂
10、量下，生成的集落数目与原接种细胞数目之比称为该剂量下的存活分数（survival fraction，SF）。,做细胞培养时，即使未受照射的细胞，也不能全部形成集落，这时形成的集落数与接种细胞数之比称为接种率（planting efficiency , Ep%）或集落形成率。,细胞存活曲线可分为两类，一类是现象性的，另一类是机制性的。目前的模型多数与现象性的，但对机制有时也有所阐明。建立机制性模型难度较大，但一旦成功将具有更大的理论和实际意义，,23,24,三、电离辐射诱发细胞染色体畸变,生物特有的基因型是由其染色图上的基因数目、类型及其排列方式来决定的。,电离辐射可使基因的化学结构或基因之间的
11、排列上发生变化，称为基因突变。,基因突变可分为染色体畸变和点突变，其中染色体畸变是致癌效应和遗传效应的基础。,1.染色体的一般特征,每个物种都有其特定的染色体数目和形态特征，各种中生物经过世代相传，其染色体的形态和数目始终保持相对稳定。,25,正常人体细胞含有23对同源染色体，来自父母双方，称为二倍体，其中22对为常染色体，编为122号。分7组（AG）；另一对为性染色体X和Y男性为XY，女性为XX。,染色体都是成对的，但在某些诱变剂作用下染色体可发生数目和结构的改变。,2.电离辐射引起的染色体改变,多倍体是染色体成倍增加，形成三倍体、四倍体，甚至更多。,非整多倍体是染色体非成倍的增加,26,数
12、目异常与照射剂量之间无规律性定量关系，故一般不把染色体数目变化作为估算辐射剂量的定量目标。,C.与其他断端发生交换而导致各种类型的畸变。,染色体结构改变,根据靶细胞或受试因子所处的细胞周期阶段，以及染色体在击断后的重接方式分为两类：即染色体单体型和染色体型畸变。,染色体结构改变的最初变化是断裂，断裂后有三种结局：,A.断端照原样重新愈合，这在细胞学上无法辨认；,B.两端保持原先的断裂面形成缺失和游离断片；,27,染色单体间隙 染色单体等点间隙 染色单体断裂 染色单体缺失 三射体 四射体。,染色体畸变，当细胞处于S期(DNA合成期)或G2期(DNA合成后期)受到电离辐射作用时，这时染色体经过复制
13、成为两个染色单体，因此断裂可以发生在一条单体上，也可以发生两条单体上。,常见的染色体畸变有以下类型：,大部分化学诱变剂和环境中一些有害因素均可诱发染色单体畸变，对评价辐射效应染色体畸变意义不大。,28,染色体形畸变：处于G1期或G0 期的细胞受到电离辐射作用时，因为这时染色体尚未复制，其中单根染色体丝被击断，经S期复制后，在中期分裂细胞见到的是两条单体在同一部位显示变化，因此导致的是染色体型畸变。,按畸变在体内的转归，可以分为两类: 非稳定型畸变和稳定型畸变,前者包括:双着丝粒、双着丝环和无着丝粒断裂片。,后者包括:相互异位、倒位和缺失。,29,30,3.染色体的辐射剂量估算,人类受到一定的电
14、离辐射作用后，早期在外周淋巴细胞和骨髓细胞即可见到染色体的改变，染色体的改变可作为照射剂量估算和事故照射近期及远期效应的观察指标。,染色体对辐射敏感性极高，即使受照剂量仅0.05Gy，受照射后早期亦可见畸变率增高。,双着丝粒（dic）,双着丝粒环（r）,无着丝粒断裂（ace）,31,两条染色体断裂后，具有着丝粒两个片段相连接，即形成一个双着丝粒染色体。两个无着丝粒片段也可以连接成一个无着丝粒片段，但后者通常在细胞分裂时丢失。双着丝粒染色体常见于电离辐射后，因此在辐射遗传学中常用以估算受照射的剂量。,双着丝粒（dic）是指有两个着丝粒的染色体，常伴有一对无着丝粒断片。,32,双着丝粒环（r）含义
15、是一对具有着丝粒的环形染色单体，常伴随一对断片,无着丝粒断裂（ace）又包括 f 和m两种染色体的畸变，f成为染色体末端缺失，是一对相互平行的染色单体，有时易与等染色单体间隙相混淆，其判断标准是，如果两端距离小于染色单体横径，就是为等染色裂隙，否则为断片；m为一对环形的无着丝粒染色单体，f 和 m又称为中间缺失。,33,通过建立的射线诱发染色体畸变-剂量效应关系，即在发生电离辐射事故时，抽取受照者血液，分离淋巴细胞体外培养，作染色体畸变分析，通过染色体畸变-剂量效应关系估算受照剂量。,34,35,这种方法只能用于比较均匀的急性照射，对不均匀和局部照射只能给出相当于均匀照射的剂量，也不能用于内照
16、射、分次照射和慢性小剂量照射的剂量估算。,染色体畸变分析被公认为是较可靠的生物剂量估算方法，但实际应用中由于分析畸变费时、费力，对检验人员识别畸变技能要求较高，而无法满足广大群体照人员的剂量估算。,微核实验也被广泛应用作为染色体畸变辅助检测手段，由于微核主要来源于染色体的断片和整条染色体微核实验与染色体畸变分析的敏感性、特异性、准确性都几乎相当，也是一个较好的估算生物剂量的方法。,36,微核（micronucleus, 简称MCN），也叫卫星核，是真核类生物细胞中的一种异常结构，是染色体畸变在间期细胞中的一种表现形式,微核往往是各种理化因子，如辐射、化学药剂对分裂细胞作用而产生的。,在细胞间期，微核呈圆形或椭圆形，游离于主核之外，大小应在主核1/3以下。微核的折光率及细胞化学反应性质和主核一样，也具合成DNA的能力。一般认为微核是由有丝分裂后期丧失着丝粒的染色体断片产生的。有实验证明，整条染色体或几条染色体也能形成微核。这些断片或染色体在分裂过程中行动滞后，在分裂末期不能进入主核，便形成了主核之外的核块。,37,当子细胞进入下一次分裂间期时，它们便浓缩成主
