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1、第四章 电电离辐辐射生物学效应应基础础金顺子 教授/博导吉林大学公共卫生学院 放射生物学教研室Ionizing radiation is ubiquitous. Air, water, soil, plants, animals, people, food, paper, machinery and buildings are radioactive. 医学放射生物学研究电离辐射对机体（特别是人体）的各种细胞、组织、器官和系统的作用规律和机理的一门科学。为保障机体安全和健康，探索有效防护措施和提高临床放射治疗水平提供理论基础，使射线和核技术更好地为人类服务。 第一节辐射生物学效应基本概念辐射生
2、物效应（biological effect of ionizing radiation ）电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后，引起一系列复杂的物理、化学和生物学变化，由此所造成生物体组织细胞和生命各系统功能、调节和代谢的改变，产生各种生物学效应。电离辐射生物效应的种类ICRP第60号建议书(1991)中，区分以下四个述语: 变化: 由辐射引起的某种生物学改变，可能有害，也可能无害; 损伤: 表示某种程度的有害变化，这种损伤是指对细胞有害，不一定是对受照射的人体有害; 损害: 指临床上可观察到的有害效应，表现于受照射的个体(躯体效应)或其后代（遗
3、传效应）;危害: 是一个复杂的概念，它将损害的概率、严重程度和显现时间结合起来加以考虑。u 辐射种类l按与物质作用分类：电离辐射（Ionizing Radiation）非电离辐射（Non- Ionizing Radiation ）l按本质和性质分类：电磁辐射(Electromagnetic Radiation)粒子辐射(Particle Radiation)p电离辐射与非电离辐射电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称。p电磁辐射（无形）以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波电离辐射 (如X射线和 射线)非电离辐射 (如无线电波、微波等)p粒子辐射（有形）高能粒子通
4、过消耗自身的动能把能量传递给其它物质高速粒子、带电粒子电电磁辐辐射电离辐射粒子辐辐射X,射线、中子 质子、负电磁辐射-波谱传能线密度 与相对生物效应重 点一、传能线密度（linear energy transfer，LET）定义：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的 平均能量（单位J/m）。LET概念也适用于虽不是直接电离粒子，但通过次 级带电粒子的X、射线和中子。与生物效应的关系：正相关二、 相对生物效能（ elative biological effectiveness, RBE） RBE X或射线引起某一生物效应所需剂量所观察的电离辐射引起相同生物 效应所需剂量（一） RBE的含义 l
5、RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。 l意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电离辐射引起某一特定效应的效率的差别。即：剂量相同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生相同效应，则不同种类的辐射所需的剂量就不同。（二）LET与RBE的关系RBE的变化是LET的函数（正相关） LET：100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下 降，表明更多的射线并不能用于引起生物效应上，反而被浪费了原发作用 与继发作用一、原初作用（primary effect） l指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损伤的这段时间内，在细胞中进行着辐射损伤的原初和强
6、化过程。包括物理、物理化学和化学三个阶段。 此过程中辐射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。 二、继发作用（secondary effect）：是指在原发作用发生的基础上，因原发作用形成的各种活性基团不断攻击生命大分子，导致生物显微结构的破坏，继而发生一系列生物学、生物化学的损伤效应。继发反应：亚细胞 结构的 破坏细胞内水解 酶的释放信号转导网络 的改变或破坏代谢的方向性和 协调性的紊乱生物化学损伤细胞、组织器官 和系统的变化病理学 改变功能变化三、电离和激发Q 电离（作用）（ionization） 生物组织分子被粒子或光子流撞击，轨道电子击
7、出 ，产生自由电子和带正电荷的离子，即形成离子对 ，这一过程称为电离（作用）。 Q 激发作用（excitation） 电离辐射与组织分子相互作用，能量不足以击出电 子，而使轨道电子从低能级跃迁到较高能级轨道， 分子处于激发态。激发分子很不稳定，容易向邻近 分子或原子释放能量。 四、水的电离和激发 l水的原初辐解产物： 电离辐射作用于机体的水分子，使水分子发生 电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称 水的辐解反应，各种自由基和分子统称水的原 初辐解产物 。l水合电子游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，当其 能量水平降至100eV以下而未被捕获时，可吸收若干水分子而形成水合电子。 l刺团水的
8、原初辐射反应并非平均分布于空间，一般是在小的体积内成簇发生的，这种小的反应体积称为刺 团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。 直接作用 与间接作用重 点一、直接作用（direct effect）l概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。l特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上。电离辐射对DNA分子损伤的直接作用直接作用二、间接作用（indirect effect）l概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生 一系列原初辐射分解产物（H，OH，
9、水合电子等），再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化。l特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子电离辐射对DNA分子损伤的间接作用间接作用l电离辐射间接作用的四种效应1. 稀释效应（dilution effect）：指最大的相对效应发生在最稀释的溶液中。 一定剂量的电离辐射在溶液中产生固定数量自由基， 如果作用是间接的，那么失活的溶质分子数目就与溶 液浓度无关，只与产生的自由基数量一致；若作用为 直接的，则失活的溶质分子数将取决于受照溶液的溶 质分子数，并与溶液浓度成正比。 在稀释溶液系统中，间接作用占主要地位2. 温度效应（temperature effect）：指在一定实验条件下，受照射
10、系统（如酶浓度）的辐射效应，随着周围温度升高而加重。因为温度升高，增加了自由基接近酶的机会，使酶分子损伤加重，反之亦然。对于恒温生物表面来讲（包括人体），通常条件下的照射所产生的辐射效应不受环境温度变化的影响。3. 防护效应（protective effect）：指向受照射的生物系统中引入某种或某几种物质具有能降低该系统的损伤程度的作用。辐射防护剂（radioprotectors）：指有机体或某一种生物系统受辐照前或辐照后立 即给予某种物质，能减轻其辐射损伤，促进其修复的物质。剂量降低系数（dose reduction factor，DRF）DRF= 有防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量无防护
11、剂时，引起致死效应所需辐照剂量表4.5 WR2721对正常组织的防护作用被防护的组织 未被防护的组织骨髓 （2.43） 脑免疫系统（1.83.4） 脊髓皮肤 （22.4）小肠 （1.82）结肠 （1.21.8）食道 （1.4）肾 （1.5）肝 （2.7）唾液腺 （2.0）睾丸 （2.1）4. 氧效应（ oxygen effect） 氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。氧 + 自由基 过氧化物自由基 (R00)在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。 氧增强比（oxygen enhancement radio,OER）是指缺氧条件
12、下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样 效应所需辐射剂量的比值。其公式是：OER= 缺氧条件下产生一定效应的剂量有氧条件下产生同样效应的剂量 氧效应的发生机制：氧具有双重作用。氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基，如果有氧存 在，辐射产生的自由基迅速与氧分子结合，形成一种妨碍靶 分子生物功能的集团 ROO。辐射 O2R R ROO电子转移假说： 辐射靶分子游离电子（两种可能） 回到靶分子原位自愈转移到一个电子陷阱部位靶分子损伤l 氧浓度对氧效应的影响F有氧条件下细胞放射敏感性增高 F氧分压从0上升至1，放射敏感性迅速增加 增至21或至100时，敏感性处于坪值l 照射时间对氧效应的
13、影响F照射前引入氧，表现出氧效应 F照射后引入氧，无效 l氧效应生物学意义：许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。自 由 基l自由基（free radical）：指含有一个或多个不配对电 子的原子、分子、离子或游离基团。l形成方式均裂（homolytic fission) l自由基的特性：l高反应性：带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配对电子的趋势，因此化学性质活泼l不稳定性：寿命短不稳定 l顺磁性：当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向相反，各自的相应磁矩相互抵
14、消，对外不显示磁性。活性氧氧化应激氧自由基1. 活性氧（reactive oxygen species,ROS）：是指含有氧的活性物质，可能是氧的某些代谢产物和一些经过生 化反应而产生的含氧基团。主要有以氧的单电子还原产物、氧的双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO，ROO、处于激发态的氧。2. 氧化应激（Oxidative Stress）：是指具有活性的氧化中间产物（ROI）所引起的生物学反应称为氧化应激。3. 氧自由基（Oxygen free radical）：是指含有氧元素的自由基。氧自由基都是活性氧，但活性氧不一定就是氧自由基。如处于单线激发状态的氧（1O2）虽不是自由基，
15、但其活性很高，从生物学意义上来讲属于活性氧。常用氧自由基符 号中文名英文名超氧阴离子Superoxide anion radicalHO2 氢过氧基Hydrogen peroxide radicalHO羟自由基Hydroxyl radicalRO氧有机自由基Oxygen organic free radicalROO有机过氧基Organic peroxide radical1O2 单线态氧Singlet oxygenL脂自由基Lipid free radicalLOO脂过氧基Lipid peroxide radical自由基对生命大分子的作用1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形成有机自由基。 HO + RH R + H2O H + RH R + H2 2) 加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应 H + RCH = CH2
