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1、第第四四章章 电离离辐射生物射生物学学效效应基基础金顺子金顺子 教授/博导吉林大学公共卫生学院吉林大学公共卫生学院放射生物学教研室放射生物学教研室1/108Ionizing radiation is ubiquitous.Air,water,soil,plants,animals,people,food,paper,machinery and buildings are radioactive.2/1083/108 医学放射生物学医学放射生物学 研究研究电离辐射电离辐射对对机体机体（尤其是人体）各种细胞、（尤其是人体）各种细胞、组织、器官和系统组织、器官和系统作用规律和机理作用规律和机理一门科
2、学。为保障机体安全和健康，探索有效防护办法和提升临床放射治疗水平提供理论基础提供理论基础，使射线和核技术更加好地为人类服务。4/108第一节辐射生物学效应基本概念5/108辐射生物效应 （biological effect of ionizing biological effect of ionizing radiationradiation）电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体分子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后，引发一系列复杂物理、化学和生物学改变，由此所造成生物体组织细胞和生命各系统功效、调整和代谢改变，产生各种生物学效应。6/108电离辐射生物效应种类电离辐射生物效应种类 I
3、CRP第60号提议书(1991)中，区分以下四个述语:改变改变:由辐射引发某种生物学改变，可能有害，也可能无害;损伤损伤:表示某种程度有害改变，这种损伤是指对细胞 有害，不一定是对受照射人体有害;损害损害:指临床上可观察到有害效应，表现于 受照射个体(躯体效应)或其后代（遗传效应）;危害危害:是一个复杂概念，它将损害概率、严重程度 和显现时间结合起来加以考虑。7/108u 辐射种类l按与物质作用分类：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：按本质和性质分类：电磁辐射(Electromagne
4、tic Radiation)粒子辐射(Particle Radiation)8/108p电离辐射与非电离辐射电离辐射与非电离辐射 电离辐射是指一切能引发物质电离辐射总称。p电磁辐射（无形）电磁辐射（无形）以相互垂直电场和磁场，随时间改变而交变振荡，形成向前运动电磁波 电离辐射(如X射线和 射线)非电离辐射(如无线电波、微波等)l粒子辐射（有形）粒子辐射（有形）高能粒子经过消耗本身动能把能量传递给其它物质 高速粒子、带电粒子9/108电电磁磁辐辐射射电离辐射电离辐射粒子粒子辐辐射射X,射线射线、中子、中子质子、负质子、负10/108电磁辐射-波谱11/108传能线密度 与 相对生物效应 重重 点
5、点12/108一、传能线密度一、传能线密度 （linear energy transfer，LET）l定义：定义：带电电离粒子在其单位长度径迹单位长度径迹上消耗平均能量平均能量（单位J/m）。lLET概念也适合用于虽不是直接电离粒子，但经过次级带电粒子X、射线和中子。与生物效应关系：正相关正相关13/108 二、二、相对生物效能相对生物效能 （elative biological effectiveness,RBE）RBE X或射线引发某一生物效应所需剂量引发某一生物效应所需剂量所观察电离辐射引发相同生物效引发相同生物效应所需剂量应所需剂量14/108（一）（一）RBE含义含义 l RBE大小
6、随所比较剂量不一样而有些差异，最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。l意义：意义：主要是为了比较在剂量相同时，不一样种类电离辐射引发某一特定效应效率差异。即：剂量相同、辐射种类不一样，产生效应也不一样；若剂量相同、辐射种类不一样，产生效应也不一样；若要产生相同效应，则不一样种类辐射所需剂量就不一要产生相同效应，则不一样种类辐射所需剂量就不一样样。15/108（二）（二）LET与与RBE关系关系 RBE改变是改变是LET函数（正相关）函数（正相关）LET：100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下 降，表明更多射线并不能用于 引发生物效应上，反而被浪费了16/108 原发作用 与与 继
7、发作用17/108一、原初作用（primary effectprimary effect）l指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损伤这段时间内，在细胞中进行着辐射损伤原初和强化过程原初和强化过程。包含物理、物理化学和化学物理、物理化学和化学三个阶段。此过程中辐射能量吸收和传递、分子激发和电离激发和电离、自由基产生、化学键断裂等，都是在生物体内进行。18/108二、继发作用（secondary effectsecondary effect）：是指在原发作用发生基础上，因原发作用形成各种活性基团不停攻击生命大分子，造成生物显微结构破坏，继而发生一系列生物学、生物化学损伤效应。19/108 继发反应
8、：继发反应：亚细胞亚细胞结构破结构破坏坏细胞内水解细胞内水解酶释放酶释放信号转导网络信号转导网络改变或破坏改变或破坏代谢方向性和协代谢方向性和协调性紊乱调性紊乱生物化学损伤生物化学损伤细胞、组织器官细胞、组织器官和系统改变和系统改变病理学病理学改变改变功效改变功效改变20/108三、电离和激发Q 电离（作用）电离（作用）（ionization）生物组织分子被粒子或光子流撞击，轨道电子击出，产生自由电子和带正电荷离子，即形成离子对，这一过程称为电离（作用）。电离（作用）。Q 激发作用激发作用（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
9、轨道，分子处于激发态激发态。激发分子很不稳定，轻易向邻近分子或原子释放能量。21/108四、水电离和激发 l水原初辐解产物：水原初辐解产物：电离辐射作用于机体水分子水分子，使水分子发生电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称水辐解反应，各种自由基和分子统称水原初辐解产物水原初辐解产物。22/108l水合电子水合电子 游离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以下而未被捕捉时，可吸收若干水分子而形成水合电子。l刺团刺团 水原初辐射反应并非平均分布于空间，普通是在小体积内成簇发生，这种小反应体积小反应体积称为刺团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。23/108
10、直接作用 与 间接作用重重 点点24/108一、直接作用（direct effect）l概念：概念：电离辐射能量直接沉积于生物大分子能量直接沉积于生物大分子，引发生物大分子电离和激发，破坏机体核酸、蛋白质、酶等含有生命功效物质，这种直接由射线造成生物大分子损伤效应直接由射线造成生物大分子损伤效应称为直接作用直接作用。l特点：特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一同一生物 大分子上。25/108电电 离离 辐辐 射射 对对 D N A分分 子子 损损 伤伤 直直 接接 作作 用用直接作用直接作用26/108二、间接作用（indirect effect）l概念：概念：电离辐射首先作用于水首先作用于
11、水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物原初辐射分解产物（H，OH，水合电子等），再作用于生物大分子再作用于生物大分子引发后者物理和化学改变。l特点：特点：能量沉积和生物效应发生在不一样分子不一样分子27/108电电 离离 辐辐 射射 对对 DNA分分 子子 损损 伤伤 间间 接接 作作 用用间接作用间接作用28/108l电离辐射间接作用四种效应1.稀释效应稀释效应（dilution effect）：指最大相对效应发生在最稀释溶液中。l一定剂量电离辐射在溶液中产生固定数量自由基，假如作用是间接，那么失活溶质分子数目就与溶液浓度无关，只与产生自由基数量一致；若作用为直接，则失活溶质分子数将取决于受
12、照溶液溶质分子数，并与溶液浓度成正比。l在稀释溶液系统中，间接作用间接作用占主要地位29/1082.温度效应温度效应（temperature effect）：指在一定试验条件下，受照射系统（如酶浓度）辐射效应，伴随周围温度升高而加重。因为温度升高，增加了自由基接近酶机会，使酶分子损伤加重，反之亦然。对于恒温生物表面来讲（包含人体），通常条件下照射所产生辐射效应不受环境温度改变影响。30/1083.防护效应防护效应（protective effect）：指向受照射生物系统中引入某种或某几个物质含有能降低该系统损伤程度作用。辐射防护剂辐射防护剂（radioprotectors）：指有机体或某一个生
13、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 复物质。剂量降低系数剂量降低系数（dose reduction factor，DRF）DRF=有防护剂时，引发致死效应所需辐照剂量 无防护剂时，引发致死效应所需辐照剂量 31/108 表表4.5 WRWR27212721对正常组织防护作用对正常组织防护作用 被防护组织被防护组织 未被防护组织未被防护组织 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）32/1084.氧效应氧效应（oxy
14、gen effect）氧效应氧效应：是指受照射生物组织、细胞或生物大分子辐射效应随周围介质中氧浓度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，增高幅度与氧浓度相关。氧增强比氧增强比（oxygen enhancement radio,OEROER）是指缺氧条件下引发一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引发一样效应所需辐射剂量比值。其公式是：OER=缺氧缺氧条件下产生一定效应剂量 有氧有氧条件下产生一样效应剂量33/108 氧效应发生机制氧效应发生机制：氧含有双重作用。氧固定假说氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基，假如有氧存在，辐射产生自由基
15、快速与氧分子结合，形成一个妨碍靶分子生物功效集团 ROO。辐射 O2 R R ROO电子转移假说：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34/108l 氧浓度对氧效应影响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，放射敏感性快速增加 增至21或至100时，敏感性处于坪值l 照射时间对氧效应影响F照射前照射前引入氧，表现出氧效应 F照射后照射后引入氧，无效 35/108l氧效应生物学意义氧效应生物学意义：许多实体瘤细胞是乏氧，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱高压氧舱能够提升肿瘤细胞氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂乏氧细胞增
16、敏剂能够增加射线对肿瘤细胞杀伤能力。36/108自 由 基37/108l自由基自由基（free radical）：指含有一个或多个不配对电子不配对电子原子、分子、离子或游离基团。l形成方式形成方式均裂（homolytic fission)l自由基特征自由基特征：l高反应性：高反应性：带有未配对电子，含有强烈获取或失去电子以成为配对 电子趋势，所以化学性质活泼l不稳定性：不稳定性：寿命短不稳定 l顺磁性：顺磁性：当电子成对存在于同一轨道时，因为两个电子自旋方向 相反，各自对应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。38/108 活性氧活性氧 氧化应激氧化应激 氧自由基氧自由基39/1081.活性氧活性氧（reactive oxygen species,ROSROS）：是指含有氧活性物质，可能是氧一些代谢产物和一些经过生化反应而产生含氧基团。主要有以氧单电子还原产物、氧双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO，ROO、处于激发态氧。2.氧化应激氧化应激（Oxidative Stress）：是指含有活性氧化中间产物（ROI）所引发生物学反应称为氧化应激。3.氧自由基氧自由基（Oxygen f
