《【2017年整理】第四章 电离辐射生物学作用原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】第四章 电离辐射生物学作用原理（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、医学辐射防护学,主讲：鲍 艳咸宁学院生物医学工程学院,教学要求,1.掌握生物靶学说的概念和类型及其意义2.掌握辐射的种类及其物质作用的特点3.掌握传能线密度、相当生物效能与辐射敏感性4.了解电离辐射对生物体作用的化学基础5.理解电离辐射生物学作用的影响因素,第1节 电离辐射与生物靶学说,放射性物质可以诱发各类相关疾病和癌症，为解决生物学作用机制，科学家提出了靶学说(target theory)的概念,电离辐射与生物靶学说,所以了解靶学说有利于理解辐射致细胞死亡的机制和探讨有关影响细胞辐射效应的因素。,一、靶学说和靶数学模型,第四章 电离辐射生物学作用原理,以后Blackwood在1931年根据
2、他的辐射实验，计算了基因的大小。20世纪40年代，几乎同时出版了两部靶学说的经典著作：,（一）靶学说概念,1924年，Crowther提出了靶学说的概念。认为照射后细胞有丝分裂的抑制，是由于染色体中有着丝点那样大小的体积中发生了一次电离的结果,并证明细胞分裂的抑制与照射剂量之间存在着定量的关系靶学说的最初形式., 英国放射生物学家Lea的辐射对活细胞的作用把靶概念进一步完善。,德国物理学家 和Zimmer合著的生物学中的击中原理把靶概念进一步完善。,历史,(1)活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作“靶”(target)，射线辐照在靶上即引起某种生物效应。,(2)射线与靶区的作用是一种随机过
3、程，是彼此无关的独立事件，“击中”几率服从Poisson分布(泊松分布)。,(3)射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。,靶学说的理论要点：,辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了一次电离作用或“能量沉积事件”的结果，会引起生物大分子失活、基因突变和染色体断裂等，这种效应决定于辐射的性质和靶的辐射敏感性。,按照这个学说可以由受到一定照射剂量的生物体比例来计算靶分子或靶结构的大小。还可以进一步预测产生相同生物效应的不同射线的电离效率。,现在学者研究认为，主要的靶分子是脱氧核糖核酸(DNA),此外还有细胞膜。,(二)电离辐射的作用阶段,物理阶段：极
4、短：10 -14 秒化学阶段：很短：10 -10 秒生物阶段：数分钟自几十年,物理阶段,主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的作用。包括电离作用和激发作用。,指受损的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。主要指自由基的形成,化学阶段,包括所有的继发过程。在此阶段，大部分的DNA损伤会被修复，极少部分不能修复的损伤最终将导致细胞死亡，并且在照射后很长一段时间后，在照射的区域内有可能产生第2个肿瘤即射线致癌。,生物阶段,生物效应,恢复正常,死亡,癌变,电离辐射的直接作用和间接作用,高LET射线主要是直接作用。,电离辐射作用的靶是DNA,直接作用：各种带电或不带电的粒子或光子被物质吸收后
5、直接与细胞的关键靶DNA 发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发，从而启动一系列的生物变化事件。,间接作用：指辐射与细胞内的其他分子或原子（特别是水）相互作用， 产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，到达并损伤靶DNA。,随着细胞生物学的发展，针对不同生物体对不同品质的射线、不同照射方式、不同修复条件，拟合了多种数学模型。具有代表性的模型有以下几种：,（三）靶数学模型,最初是从靶学说的概念中提出描述辐射剂量-细胞存活率曲线的数学模型。,1.单靶击中模型(one target and one-hit model),当照射剂量增加时，靶的击中数也随之增加,但其增速较慢,所以击中曲线向上突起，
6、如右图所示,左图，靶的一次击中数与射线剂量成正比，但这仅仅只在刚开始时。,均是以靶的击中部分为坐标,未失活部分和击中部分按等比级数下降，呈指数曲线，尽管剂量增加生物效应并不按比例增加，呈下凹曲线如左图所示,若将存活部分改为对数坐标，则可得如右图所示的直线。,2.多靶单击模型(more target and one-hit model),在一些辐射生物实验中，推测有两个或多个靶存在，这时显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统，哺乳动物细胞都属于多个靶模型。,简单的多靶单击模型的细胞存活分数(SF) ：,曲线指数区存活率每下降63%所需的照射量,外推数或靶数,照射量,这条
7、曲线的初始斜率为0，其余部分为指数型直线，这个模型对受高LET照射的哺乳动物细胞比较适用(如右图),改良的多靶单击模型是在上式基础上乘以一个带有指数失活特点的校正系数后，得到下列方程式：,D1和D2指曲线开始和终止时候的2个斜率所对应的剂量值，对大多数细胞和较宽能量范围都适用。,我们可以类推，进一步排列组合，可得到单靶单击、单靶多击、多靶单击和多靶多击等多种可能性，并可计算出相应的模型。,3.线性-平方模型（liner quadratic model，简称LQ模型）,模型方程为：,该模型的曲线不断向外弯曲，故又称连续弯曲曲线模型。曲线的初始斜率也不等于0。曲线弯曲程度是和的函数(右图)。,、是
8、两个常数，代表了单击所致的细胞死亡(不可修复)，代表了双击所致的细胞损伤(可修复)。,系数和值取决于DNA修复能力和细胞环境中的其他因素。/代表了细胞修复能力的大小。当D=D2或D=/时，单击所致的细胞损伤与双击所致的细胞损伤的贡献相等。,其方程是由二元辐射作用理论(theory of dual radiation)提出的，认为单击和多击效应同时存在，总辐射效应由D和D2的相对重要性决定。,LQ模型是近20多年来放射生物学研究的重大发展，现已广泛应用于放射生物学研究和临床放射治疗。,根据正常组织与肿瘤之间/值的不同，改进治疗方案，可使正常组织的反应相对较轻，从而提高放射性治疗的效果。,（四）靶
9、学说的意义和局限性,对照射后生物大分子的失活规律、辐射敏感体积的估计、靶相对分子质量的估算，以及在分子水平上评价不同品质射线对相对生物效能(relative biological effect，RBE)的影响方面有着重要的指导意义。,靶学说和数学模型意义：,尽管如此，靶学说在现代生物学中仍在应用和发展，如二元辐射理论建立的DNA双链断裂模型被看做是经典靶学说的发展。,靶学说的局限性：,由于历史原因，经典的靶学说设想比较简单，对生物的复杂性认识不足，在使用上有一定的适用范围；,靶学说在下列情况下不能适用：,有外来的物质或因素，如辐射防护剂、辐射增敏剂或氧效应等，影响了射线所致的原初损伤。,被照射
10、的细胞不是均匀的，而是具有不同辐射敏感性的几种细胞的混合体。,照射后的代谢过程如修复作用或继发效应影响着所观察的生物效应大小。,在观察的生物效应出现以前，由于射线直接作用形成的靶分子自由基已经被“化学修复”,二、辐射的种类及其与物质作用的特点,本质是电磁波，只有能量而无静质量,本质是高速运动的粒子流，有能量也有静质量,（一）X射线和射线的特点,都属于电磁波，但来源不同，X射线由原子核外的物理过程产生，射线是由原子核内的物理过程产生。,（二）粒子辐射的特点,获取途径：可由一些放射性核素衰变出粒子,行为特点：其质量大，运动缓慢，有足够时间在短距离内引起较多电离。当粒子入射介质时，随着深度增加和更多
11、电离事件的发生，能量逐渐被消耗，粒子变慢，慢速粒子又引起更多的电离事件，在其径迹末端，电离密度明显增大，形成布拉格峰,每单位径迹长度所产生的离子对数称为“比电离”(spicific ionization)或“线性电离密度”(linear ino density),粒子的速度控制着能量丧失的速度。快速运动的粒子的电离能力要比慢速运动的小。,比电离依赖于粒子能量、电荷以及介质的密度和原子序数：,离子对产生的数目与粒子的原始能量成正比；,能量沿着径迹丧失的速度与粒子电荷的平方成正比，所以粒子能量丧失的速度要比质子快；,布拉格峰过后粒子的能量减为0，丧失电离能力，此时粒子变为中性氦原子，生物组织比空气
12、致密。 粒子在生物组织中只能移动几十微米，在短距离内释放全部能量，产生很高电离密度，引起严重的损伤，,因而粒子的辐射效应以内照射效应为主，其外照射效应可忽略。放射治疗时使用20MeV的特快中子和负介子照射组织，在组织中产生粒子，对杀伤肿瘤细胞起着重要作用。,2.粒子或电子（ particle or electron）,电子质量为9.10910-31kg，接近介质原子时很容易被发生偏转。因此电子在被照物质中路径曲折，实际射程远小于径迹长度，在其径迹末端，由于能量逐渐消失，速度减慢，与介质原子作用机会增多，故电离密度增高。,由于电子是成束入射的，不可能沿其径迹画出比电离曲线,3.质子（proton
13、）,是原子核成分之一，质量为1.67262310-27kg是电子的1836倍。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。宇宙射线中质子成分占83.3%89%。,用质子加速器获得的高能质子速度快，穿透力强，其能量释放有一个布拉格峰，其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤灶时会释放大量能量，,因此对人体正常组织影响小，同时可用自动化技术来控制其能量释放的方向、部位和射程、是目前疗效最好、副作用最小的放射疗法。,适用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宫瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常见癌症的治疗。,4.中子（neutron）,也是原子核成分之一，质量为1.67492810-27kg，比质子质量稍大
14、。与带电粒子相比，在质量和能量相同的情况下，中子的穿透力较大。,放射性元素：在自然界中能发生自发衰变产生中子的只有锎( ) 一种核素；它是首次得到的可携带的中子源。,获取中子的途径：,反应堆： 或 等核素如果用中子激发使其自发裂变产生中子；人们也常常把发生粒子的 粉末与Be粉末按一定比例混合，紧密地分装在容器内，用粒子轰击Be原子核也能产生中子。,加速器：将氘束，加速到300keV，然后轰击氚靶，可产生14MeV的单能快中子。,用核反应堆获得的中子能谱较宽，能量低(平均能量约1MeV) ，穿透力差，不能供放疗使用。 而使用回旋加速器可将带正电的粒子如氘核，加速到兆伏的能量水平，产生高能量的中子
15、，常被用于放射治疗。,中子通过与受照物质的原子核作用传递能量，通常根据能量不同将中子分为如下几类：,(1)热中子：能量0.5eV以下，他与周围介质达到热平衡，也称慢中子,(4)特快中子：能量15MeV以上的中子,(2)中能中子：能量0.5eV10keV的中子,(3)快中子：能量10keV15MeV的中子,中子和光子一样都是通过次级带电粒子引起受照物质的电离，不同的是中子只与原子核发生作用。,5.负介子（negative poin）,介子质量介于质子和电子之间，介子和重子都归属于强子,基本粒子：包括介子、K介子、介子、介子(0、1、2)倍，即都是玻色子。介子都不能稳定存在，经历一定平均寿命后即转
16、变为别种基本粒子。有的介子带电的，有的显中性。,介子有三种，+和-质量为电子的273.3倍，电荷相反，互为正、反粒子，而是中性的，质量为电子的264.3倍，其反粒子就是它自身，介子是核力的媒介。,荷电K介子K+和K-互为正、反粒子，质量为966.7mc；中性K介子质量为976mc。、K、介子的自旋都是零，有时称为标介子。,介子的辐射生物效应显著，其质量为质子质量的1/6，一般由加速器的高能质子与重金属原子核内中子碰撞而产生。负介子通过组织时靠电离或激发损失能量，并在组织和介质中穿行一定距离后停止，射程长短取决于初始动能，负介子快到组织末端时，可被组织中一个碳（氮或氧）原子核俘获，导致核衰变或碎裂成射程短，具有强电离能力的碎片，这些碎片呈现一个“星”状分布。故又称“星裂”，如：,负介子与其他带电粒子一样，可在其射程形成布拉格峰。,
