1、1,教學(xué)要求,1.掌握生物靶學(xué)說的概念和類型及其意義 2.掌握輻射的種類及其物質(zhì)作用的特點(diǎn) 3.掌握傳能線密度、相當(dāng)生物效能與輻射敏感性 4.了解電離輻射對生物體作用的化學(xué)基礎(chǔ) 5.理解電離輻射生物學(xué)作用的影響因素,2,第1節(jié) 電離輻射與生物靶學(xué)說,放射性物質(zhì)可以誘發(fā)各類相關(guān)疾病和癌癥，為解決生物學(xué)作用機(jī)制，科學(xué)家提出了靶學(xué)說(target theory)的概念,電離輻射與生物靶學(xué)說,所以了解靶學(xué)說有利于理解輻射致細(xì)胞死亡的機(jī)制和探討有關(guān)影響細(xì)胞輻射效應(yīng)的因素。,一、靶學(xué)說和靶數(shù)學(xué)模型,發(fā)展,第四章 電離輻射生物學(xué)作用原理,3,以后Blackwood在1931年根據(jù)他的輻射實(shí)驗(yàn)，計算了基因的大

2、小。20世紀(jì)40年代，幾乎同時出版了兩部靶學(xué)說的經(jīng)典著作：,（一）靶學(xué)說概念,1924年，Crowther提出了靶學(xué)說的概念。認(rèn)為照射后細(xì)胞有絲分裂的抑制，是由于染色體中有著絲點(diǎn)那樣大小的體積中發(fā)生了一次電離的結(jié)果,并證明細(xì)胞分裂的抑制與照射劑量之間存在著定量的關(guān)系靶學(xué)說的最初形式., 英國放射生物學(xué)家Lea的輻射對活細(xì)胞的作用把靶概念進(jìn)一步完善。,德國物理學(xué)家 和Zimmer合著的生物學(xué)中的擊中原理把靶概念進(jìn)一步完善。,歷史,4,(1)活細(xì)胞內(nèi)存在著對射線特別敏感的區(qū)域，稱作“靶” (target)，射線輻照在靶上即引起某種生物效應(yīng)。,(2)射線與靶區(qū)的作用是一種隨機(jī)過程，是彼此無關(guān)的獨(dú)立事

3、件，“擊中”幾率服從Poisson分布(泊松分布)。,(3)射線在靶區(qū)內(nèi)的能量沉積超過一定值便發(fā)生效應(yīng)，不同的靶分子或靶細(xì)胞具有不同的“擊中”數(shù)。,靶學(xué)說的理論要點(diǎn)：,輻射所致的生物效應(yīng)是由于在靶細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了一次電離作用或“能量沉積事件”的結(jié)果，會引起生物大分子失活、基因突變和染色體斷裂等，這種效應(yīng)決定于輻射的性質(zhì)和靶的輻射敏感性。,5,按照這個學(xué)說可以由受到一定照射劑量的生物體比例來計算靶分子或靶結(jié)構(gòu)的大小。還可以進(jìn)一步預(yù)測產(chǎn)生相同生物效應(yīng)的不同射線的電離效率。,現(xiàn)在學(xué)者研究認(rèn)為，主要的靶分子是脫氧核糖核酸(DNA),此外還有細(xì)胞膜。,6,(二)電離輻射的作用階段,物理階段：極短：10 -1

4、4 秒 化學(xué)階段：很短：10 -10 秒 生物階段：數(shù)分鐘自幾十年,7,物理階段,主要指帶電粒子和構(gòu)成組織細(xì)胞的原子之間的作用。包括電離作用和激發(fā)作用。,指受損的原子和分子與其他細(xì)胞成分發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)的時期。主要指自由基的形成,化學(xué)階段,包括所有的繼發(fā)過程。在此階段，大部分的DNA損傷會被修復(fù)，極少部分不能修復(fù)的損傷最終將導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并且在照射后很長一段時間后，在照射的區(qū)域內(nèi)有可能產(chǎn)生第2個腫瘤即射線致癌。,生物階段,8,9,生物效應(yīng),恢復(fù)正常,死亡,癌變,電離輻射的直接作用和間接作用,高LET射線主要是直接作用。,電離輻射作用的靶是DNA,直接作用：各種帶電或不帶電的粒子或光子被物質(zhì)吸收

5、后直接與細(xì)胞的關(guān)鍵靶DNA 發(fā)生作用，靶原子本身的原子可以被電離或激發(fā)，從而啟動一系列的生物變化事件。,10,生物效應(yīng),恢復(fù)正常,死亡,癌變,電離輻射的直接作用和間接作用,電離輻射作用的靶是DNA,間接作用：指輻射與細(xì)胞內(nèi)的其他分子或原子（特別是水）相互作用， 產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，到達(dá)并損傷靶DNA。,11,隨著細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展，針對不同生物體對不同品質(zhì)的射線、不同照射方式、不同修復(fù)條件，擬合了多種數(shù)學(xué)模型。具有代表性的模型有以下幾種：,（三）靶數(shù)學(xué)模型,最初是從靶學(xué)說的概念中提出描述輻射劑量-細(xì)胞存活率曲線的數(shù)學(xué)模型。,1.單靶單擊模型(one target and on

6、e-hit model) 2.多靶單擊模型(more target and one-hit model) 3.線性-平方模型(linear quadratic mode, LQ),12,13,當(dāng)照射劑量增加時，靶的擊中數(shù)也隨之增加,但其增速較慢,所以擊中曲線向上突起，如右圖所示,左圖，靶的一次擊中數(shù)與射線劑量成正比，但這僅僅只在剛開始時。,均是以靶的擊中部分為坐標(biāo),14,未失活部分和擊中部分按等比級數(shù)下降，呈指數(shù)曲線，盡管劑量增加生物效應(yīng)并不按比例增加，呈下凹曲線如左圖所示,若將存活部分改為對數(shù)坐標(biāo)，則可得如右圖所示的直線。,15,2.多靶單擊模型(more target and one-hi

7、t model),在一些輻射生物實(shí)驗(yàn)中，推測有兩個或多個靶存在，這時顯然不能用單靶模型。對于某些大的病毒和細(xì)菌、酵母菌落的多細(xì)胞系統(tǒng)，哺乳動物細(xì)胞都屬于多個靶模型。,簡單的多靶單擊模型的細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)(SF) ：,曲線指數(shù)區(qū)存活率每下降63%所需的照射量,外推數(shù)或靶數(shù),照射量,16,這條曲線的初始斜率為0，其余部分為指數(shù)型直線，這個模型對受高LET照射的哺乳動物細(xì)胞比較適用(如右圖),改良的多靶單擊模型是在上式基礎(chǔ)上乘以一個帶有指數(shù)失活特點(diǎn)的校正系數(shù)后，得到下列方程式：,17,D1和D2指曲線開始和終止時候的2個斜率所對應(yīng)的劑量值，對大多數(shù)細(xì)胞和較寬能量范圍都適用。,我們可以類推，進(jìn)一步排列組合

8、，可得到單靶單擊、單靶多擊、多靶單擊和多靶多擊等多種可能性，并可計算出相應(yīng)的模型。,18,3.線性-平方模型（liner quadratic model，簡稱LQ模型）,模型方程為：,該模型的曲線不斷向外彎曲，故又稱連續(xù)彎曲曲線模型。曲線的初始斜率也不等于0。曲線彎曲程度是和的函數(shù)(右圖)。,：單擊所致的細(xì)胞死亡(不可修復(fù)) ：雙擊所致的細(xì)胞損傷(可修復(fù)),19,系數(shù)和值取決于DNA修復(fù)能力和細(xì)胞環(huán)境中的其他因素。/代表了細(xì)胞修復(fù)能力的大小。當(dāng)D=D2或D=/時，單擊所致的細(xì)胞損傷與雙擊所致的細(xì)胞損傷的貢獻(xiàn)相等。,其方程是由二元輻射作用理論(theory of dual radiation)提

9、出的，認(rèn)為單擊和多擊效應(yīng)同時存在，總輻射效應(yīng)由D和D2的相對重要性決定。,20,LQ模型是近20多年來放射生物學(xué)研究的重大發(fā)展，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于放射生物學(xué)研究和臨床放射治療。,根據(jù)正常組織與腫瘤之間/值的不同，改進(jìn)治療方案，可使正常組織的反應(yīng)相對較輕，從而提高放射性治療的效果。,21,（四）靶學(xué)說的意義和局限性,對照射后生物大分子的失活規(guī)律、輻射敏感體積的估計、靶相對分子質(zhì)量的估算，以及在分子水平上評價不同品質(zhì)射線對相對生物效能(relative biological effect，RBE)的影響方面有著重要的指導(dǎo)意義。,靶學(xué)說和數(shù)學(xué)模型意義：,22,盡管如此，靶學(xué)說在現(xiàn)代生物學(xué)中仍在應(yīng)用和發(fā)展

10、，如二元輻射理論建立的DNA雙鏈斷裂模型被看做是經(jīng)典靶學(xué)說的發(fā)展。,靶學(xué)說的局限性：,由于歷史原因，經(jīng)典的靶學(xué)說設(shè)想比較簡單，對生物的復(fù)雜性認(rèn)識不足，在使用上有一定的適用范圍；,23,被照射的細(xì)胞不是均勻的，而是具有不同輻射敏感性的幾種細(xì)胞的混合體。,照射后的代謝過程如修復(fù)作用或繼發(fā)效應(yīng)影響著所觀察的生物效應(yīng)大小。,在觀察的生物效應(yīng)出現(xiàn)以前，由于射線直接作用形成的靶分子自由基已經(jīng)被“化學(xué)修復(fù)”,靶學(xué)說在下列情況下不能適用：,有外來的物質(zhì)或因素，如輻射防護(hù)劑、輻射增敏劑或氧效應(yīng)等，影響了射線所致的原初損傷。,24,二、輻射的種類及其與物質(zhì)作用的特點(diǎn),本質(zhì)是電磁波，只有能量而無靜質(zhì)量,本質(zhì)是高速運(yùn)

11、動的粒子流，有能量也有靜質(zhì)量,（一）電磁輻射：X射線和射線的特點(diǎn),都屬于電磁波，但來源不同，X射線由原子核外的物理過程產(chǎn)生，射線是由原子核內(nèi)的物理過程產(chǎn)生。,25,（二）粒子輻射的特點(diǎn),獲取途徑：可由一些放射性核素衰變出粒子,行為特點(diǎn)：其質(zhì)量大，運(yùn)動緩慢，有足夠時間在短距離內(nèi)引起較多電離。當(dāng)粒子入射介質(zhì)時，隨著深度增加和更多電離事件的發(fā)生，能量逐漸被消耗，粒子變慢，慢速粒子又引起更多的電離事件，在其徑跡末端，電離密度明顯增大，形成布拉格峰,26,每單位徑跡長度所產(chǎn)生的離子對數(shù)稱為“比電離”(spicific ionization)或“線性電離密度”(linear ino density),27

12、,粒子的速度控制著能量喪失的速度?？焖龠\(yùn)動的粒子的電離能力要比慢速運(yùn)動的小。,比電離依賴于粒子能量、電荷以及介質(zhì)的密度和原子序數(shù)：,離子對產(chǎn)生的數(shù)目與粒子的原始能量成正比；,能量沿著徑跡喪失的速度與粒子電荷的平方成正比，所以粒子能量喪失的速度要比質(zhì)子快；,28,布拉格峰過后粒子的能量減為0，喪失電離能力，此時粒子變?yōu)橹行院ぴ樱锝M織比空氣致密。 粒子在生物組織中只能移動幾十微米，在短距離內(nèi)釋放全部能量，產(chǎn)生很高電離密度，引起嚴(yán)重的損傷，,因而粒子的輻射效應(yīng)以內(nèi)照射效應(yīng)為主，其外照射效應(yīng)可忽略。放射治療時使用20MeV的特快中子和負(fù)介子照射組織，在組織中產(chǎn)生粒子，對殺傷腫瘤細(xì)胞起著重要作用。

13、,29,2.粒子或電子（ particle or electron）,電子質(zhì)量為9.10910-31kg，接近介質(zhì)原子時很容易被發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此電子在被照物質(zhì)中路徑曲折，實(shí)際射程遠(yuǎn)小于徑跡長度，在其徑跡末端，由于能量逐漸消失，速度減慢，與介質(zhì)原子作用機(jī)會增多，故電離密度增高。,由于電子是成束入射的，不可能沿其徑跡畫出比電離曲線,30,3.質(zhì)子（proton）,是原子核成分之一，質(zhì)量為1.67262310-27kg是電子的1836倍。質(zhì)子是穩(wěn)定粒子，平均壽命大于1032年。宇宙射線中質(zhì)子成分占83.3%89%。,31,用質(zhì)子加速器獲得的高能質(zhì)子速度快，穿透力強(qiáng)，其能量釋放有一個布拉格峰，其在穿透徑

14、跡上只釋放少量能量，到達(dá)腫瘤灶時會釋放大量能量，,因此對人體正常組織影響小，同時可用自動化技術(shù)來控制其能量釋放的方向、部位和射程、是目前療效最好、副作用最小的放射療法。,適用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宮瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常見癌癥的治療。,32,4.中子（neutron）,也是原子核成分之一，質(zhì)量為1.67492810-27kg，比質(zhì)子質(zhì)量稍大。與帶電粒子相比，在質(zhì)量和能量相同的情況下，中子的穿透力較大。,放射性元素：在自然界中能發(fā)生自發(fā)衰變產(chǎn)生中子的只有锎( ) 一種核素；它是首次得到的可攜帶的中子源。,獲取中子的途徑：,33,反應(yīng)堆： 或 等核素如果用中子激發(fā)使其自發(fā)

15、裂變產(chǎn)生中子；人們也常常把發(fā)生粒子的 粉末與Be粉末按一定比例混合，緊密地分裝在容器內(nèi)，用粒子轟擊Be原子核也能產(chǎn)生中子。,加速器：將氘束，加速到300keV，然后轟擊氚靶，可產(chǎn)生14MeV的單能快中子。,用核反應(yīng)堆獲得的中子能譜較寬，能量低(平均能量約1MeV) ，穿透力差，不能供放療使用。 而使用回旋加速器可將帶正電的粒子如氘核，加速到兆伏的能量水平，產(chǎn)生高能量的中子，常被用于放射治療。,34,中子通過與受照物質(zhì)的原子核作用傳遞能量，通常根據(jù)能量不同將中子分為如下幾類：,(1)熱中子：能量0.5eV以下，他與周圍介質(zhì)達(dá)到熱平衡，也稱慢中子,(4)特快中子：能量15MeV以上的中子,(2)中

16、能中子：能量0.5eV10keV的中子,(3)快中子：能量10keV15MeV的中子,中子和光子一樣都是通過次級帶電粒子引起受照物質(zhì)的電離，不同的是中子只與原子核發(fā)生作用。,35,5.負(fù)介子（negative poin）,介子質(zhì)量介于質(zhì)子和電子之間，介子和重子都?xì)w屬于強(qiáng)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。介子都不能穩(wěn)定存在，經(jīng)歷一定平均壽命后即轉(zhuǎn)變?yōu)閯e種基本粒子。有的介子帶電的，有的顯中性。,介子有三種，+和-質(zhì)量為電子的273.3倍，電荷相反，互為正、反粒子，而是中性的，質(zhì)量為電子的264.3倍，其反粒子就是它自身，介子是核力的媒介。,荷電K介子K+和K

17、-互為正、反粒子，質(zhì)量為966.7mc；中性K介子質(zhì)量為976mc。、K、介子的自旋都是零，有時稱為標(biāo)介子。,36,介子的輻射生物效應(yīng)顯著，其質(zhì)量為質(zhì)子質(zhì)量的1/6，一般由加速器的高能質(zhì)子與重金屬原子核內(nèi)中子碰撞而產(chǎn)生。負(fù)介子通過組織時靠電離或激發(fā)損失能量，并在組織和介質(zhì)中穿行一定距離后停止，射程長短取決于初始動能，負(fù)介子快到組織末端時，可被組織中一個碳（氮或氧）原子核俘獲，導(dǎo)致核衰變或碎裂成射程短，具有強(qiáng)電離能力的碎片，這些碎片呈現(xiàn)一個“星”狀分布。故又稱“星裂”，如：,37,負(fù)介子與其他帶電粒子一樣，可在其射程形成布拉格峰。,根據(jù)負(fù)介子的損傷特點(diǎn)，人們可將腫瘤組織至于射程末端電離密度較高的

18、峰值區(qū)，而將正常組織置于電離密度小的前區(qū)，取得腫瘤的最大殺傷效果，同時盡可能減小對正常組織的損傷。,38,某些原子核如碳、氮、硼、氖和氬原子被剝?nèi)セ虿糠謩內(nèi)ネ鈱与娮雍笮纬傻膸д姾傻脑雍朔Q為重離子，重離子均為直接電離粒子。,6.重離子,接近射程末端，吸收劑量迅速增大，形成布拉格峰。隨著重離子原子序數(shù)增加，布拉格峰變得越來越窄，同時峰的高度也增加,在重離子穿行的深度-劑量曲線上，入射坪區(qū)吸收劑量相對保持恒定，坪區(qū)長度取決于入射粒子的能量。,39,用射線、 質(zhì)子束和重離子束( 碳離子束) 對腫瘤進(jìn)行輻照治療， 其效果的比 較可列于下表,40,41,第二節(jié) 傳能線密度、相對生物效能與輻射敏感性,(

19、一)傳能線密度（LET）也稱線碰撞阻止本領(lǐng),1.概念,1950年以前，常用線性電離密度來描述一些電離輻射的品質(zhì)。這是指射線在一個單位長度射程中所產(chǎn)生的離子對數(shù)目。但是這只能對氣體中才能產(chǎn)生的離子對數(shù)目進(jìn)行合理準(zhǔn)確的測量。,42,傳能線密度：指直接電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量，即帶電粒子在物質(zhì)中穿行 dl 距離時，與電子發(fā)生的能量損失dE,單位：J/m，一般用keV/m表示 1keV/m=1.60210-10 J/m,LET數(shù)學(xué)表達(dá)式：,Zirkle等人于1952年提出了傳能線密度(liner energy transfer，LET)的概念。,43,顯然不同LET射線在DNA分子雙螺

20、旋引起的電離密度分布不同，LET高的射線，電離密度也大；反之則小。因此射線LET值越大，由相同吸收劑量產(chǎn)生的輻射生物效應(yīng)也越大。,由于帶電粒子與徑跡內(nèi)分子或原子作用后損失掉大部分能量，這時再與組織或受照介質(zhì)分子或原子作用后只能留下較少的能量，所以同一粒子在徑跡不同部位的LET值也不同，LET僅是一個平均值。,44,將徑跡分為若干相等的距離，計算粒子在每一段距離消耗的平均能量，稱徑跡平均傳能密度（LETT）。,2. LET均值的兩種計算方法,將徑跡分為若干相等的能量增量，計算能量或吸收劑量，再把沉積在徑跡上的能量除以徑跡長度，得到劑量平均傳能密度（LETD）,45,(二)相對生物效能(RBE)也

21、稱相對生物效應(yīng)或相對生物效率,用來比較相同吸收劑量下不同輻射作用于生物體產(chǎn)生生物效應(yīng)的差異的物理量,X射線應(yīng)用廣泛，故以它產(chǎn)生的生物效應(yīng)作為比較基準(zhǔn)。,RBE的定義：以250keV X射線或固定能量的射線引發(fā)某種生物效應(yīng)所需劑量與所研究的輻射引發(fā)相同生物效應(yīng)(種類和程度均同)需要的劑量的比值。,46,RBE與LET呈正相關(guān)關(guān)系,47,各種電離輻射的相對生物效應(yīng),RBE可因照射劑量的時空分布、受照體系及所處環(huán)境、研究的生物效應(yīng)終點(diǎn)不同而有所差異。,X射線或射線、粒子、熱中子、中能中子、快中子、粒子及重反沖核的相應(yīng)生物效能列于下表,48,(三)輻射敏感性(IRS),輻射敏感性是指各種生物有機(jī)體對輻

22、射敏感的程度 定義：某種輻射以相同的劑量作用于生物體，或作用于同一生物體，或作用于同一生物體的不同組織及細(xì)胞，由于生物體的差異造成產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)不同，這兩種生物效應(yīng)的差異稱為輻射敏感性。,常用同種輻射引發(fā)不同生物產(chǎn)生相同生物效應(yīng)所需的劑量的比值來表示。比較不同種系或同種生物不同個體輻射敏感性的指標(biāo)常用以下的量表示：,49,動物存活率或半數(shù)致死劑量(受照后30d內(nèi)死亡50%所需的劑量),染色體畸變率,細(xì)胞存活率,克隆形成率,輻射誘發(fā)的細(xì)胞凋亡率,細(xì)胞周期阻滯及DNA雙鏈斷裂損傷程度,1906年，法國科學(xué)家Bergonie和Tribondeau發(fā)現(xiàn)，分裂的生精細(xì)胞所受損傷大于靜止不分裂的間質(zhì)細(xì)胞

23、。,50,染色體畸變所致的白血病,染色體畸變所致,順時針方向，依次為3天、5天、6天大的人類克隆胚胎,51,細(xì)胞形態(tài)學(xué)改變3株宮頸癌細(xì)胞經(jīng)過60Co照射或順鉑作用后均出現(xiàn)細(xì)胞皺縮，體積變小，染色質(zhì)斑塊狀聚集在核膜下，并有凋亡小體,52,而BHRF1-CNE2細(xì)胞組在照射后兩天細(xì)胞數(shù)下降，從第3天細(xì)胞數(shù)就開始回升，此后便保持持續(xù)的增殖,60Co照射對b-CNE2增殖能力的影響：在照射后的第1天，對照組的細(xì)胞數(shù)較b-CNE2組的明顯下降，在第24天其細(xì)胞數(shù)繼續(xù)下降，此后增殖率才逐漸上升。,53,DNA雙鏈斷裂,54,他們在深入研究后提出了一條定律：組織輻射敏感性與其細(xì)胞的分裂活動成正比而與其分化程

24、度成反比，即細(xì)胞組織輻射敏感性與其增殖和分化狀態(tài)有關(guān)。,后來，還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞輻射敏感性與以下的因素有關(guān)： 細(xì)胞種類 細(xì)胞所處細(xì)胞周期時相 細(xì)胞周期調(diào)控 細(xì)胞內(nèi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和DNA構(gòu)象 輻射損傷的修復(fù)能力 細(xì)胞對自由基的清除或耐受能力,人們根據(jù)腫瘤細(xì)胞體外照射后的存活率、DNA斷裂修復(fù)程度、細(xì)胞增殖狀態(tài)來預(yù)測腫瘤細(xì)胞輻射敏感性，為腫瘤的放射治療提供參考,55,輻射敏感性可表現(xiàn)在生物體的不同層次，從種系、品系、組織器官、細(xì)胞、細(xì)胞器乃至生物大分子都存在輻射敏感性的差異。,種系輻射敏感性與進(jìn)化程度成正比，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的生物體對輻射越敏感。脊椎動物中，哺乳類輻射敏感性高于鳥類、魚類、兩棲類和爬行類；哺乳動物中

25、，人、狗、豚鼠輻射敏感性高于兔、大鼠、小鼠。,生物個體發(fā)育的輻射敏感性規(guī)律是：隨個體發(fā)育趨向成熟而逐漸降低，胚胎、幼體、成體的輻射敏感性依次降低。,56,在個體發(fā)育的不同階段，輻射敏感性的特點(diǎn)也有變化，胚胎組織屬于高輻射敏感組織，所有胚胎細(xì)胞對輻射均較成年動物細(xì)胞敏感。,胚胎植入前期、器官形成期和胎兒期胚胎及胎兒的輻射敏感性隨著各種器官逐步發(fā)育成形和成熟而逐漸下降；日本原子彈爆炸流行病資料表明，胎兒輻射期敏感性低于器官形成期。,老年動物（包括人）由于各種組織器官功能衰退，對體內(nèi)自由基的清除能力、免疫能力及對外界不良刺激的綜合反應(yīng)能力均比中青年時期有所下降，故而輻射敏感性又有所提高。,57,人類

26、不同個體的輻射敏感性差異還與人體是否患特殊種類的遺傳病有關(guān)。普通人群(人種相同)的個體輻射敏感性保持在一定水平，但因某些基因突變導(dǎo)致人患有特殊遺傳病時，輻射敏感性就發(fā)生改變。,特殊遺傳病包括毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)綜合征、著色性干皮病、布盧姆綜合征、科凱恩綜合征、范科尼貧血、視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤和Nijmegen染色體斷裂綜合征(NBS)是一種極其罕見的常染色體隱性遺傳病，表現(xiàn)為高輻射敏感性、免疫缺陷、發(fā)育不良、早衰、腫瘤易感性、小頭畸形等等，其共同特征是對輻射高度敏感，受照后易發(fā)生染色體或DNA單雙鏈斷裂，,58,著色性干皮病,一種由于DNA修復(fù)基因缺陷引起的遺傳性皮膚病。表現(xiàn)為皮膚光敏和早發(fā)性肉瘤

27、,毛細(xì)血管擴(kuò)張,59,視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤,左眼視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤X線平片,60,同一生物有機(jī)體內(nèi)各種細(xì)胞和組織器官的輻射敏感性因其種類和生理功能狀態(tài)不同而差異較大，Bergonie和Tribondeau提出的細(xì)胞組織輻射敏感性的定律將動物組織器官分為四類：,1.高度敏感組織,胃腸上皮（小腸腸腺上皮細(xì)胞）,胸腺、胚胎組織,造血淋巴組織（淋巴細(xì)胞）,性腺（卵細(xì)胞、生精細(xì)胞）,61,2.中度敏感組織,上皮組織,血管,感覺器官（角膜、晶狀體、結(jié)膜）,淋巴管,內(nèi)皮細(xì)胞,唾液腺和肝,腎,肺的上皮細(xì)胞,心臟,內(nèi)分泌腺（包括性腺內(nèi)分泌細(xì)胞）,中樞神經(jīng)系統(tǒng),3.輕度敏感組織,62,骨,如肌肉,4.不敏感組織,、。,軟骨

28、組織,結(jié)締組織,、,成年動物組織輻射敏感性與其功能狀態(tài)密切相關(guān)。,骨骼在正常情況下對輻射不敏感，但在骨折時長骨斷裂，其中的黃骨髓細(xì)胞恢復(fù)增生，輻射敏感性隨之增強(qiáng),同樣，肝組織的細(xì)胞正常分裂很少，因車禍?zhǔn)軗p時分裂速度加快，輻射敏感性因之增強(qiáng),人體內(nèi)各種細(xì)胞中，外周血淋巴細(xì)胞、卵母細(xì)胞及小腸腸腺上皮細(xì)胞的輻射敏感性最高。,63,其中輻射所致人外周血淋巴細(xì)胞染色體畸變與照射劑量之間呈正相關(guān)關(guān)系，用染色體畸變率來推算人體受照劑量的方法，被稱為人體天然攜帶的生物劑量計。,細(xì)胞所處的周期時相與其輻射敏感性密切相關(guān)。,通常細(xì)胞核的輻射敏感性高于細(xì)胞質(zhì),同一細(xì)胞內(nèi)不同結(jié)構(gòu)的輻射敏感性不同,64,G2期和M期最

29、敏感 G1早期相對抗拒 G1末期相對敏感 S期最抗拒,同一種細(xì)胞的群體中，處于不同時相的細(xì)胞輻射敏感性不同,M期 G2期 G1期S期,65,第三節(jié) 電離輻射對生物體作用的化學(xué)基礎(chǔ),一、輻射與自由基等活性基團(tuán),（一）自由基與活性氧,自由基是指能夠獨(dú)立存在、具有一個或多個未配對電子的原子、分子、離子或原子團(tuán)。,有些分子或原子團(tuán)含有兩個不成對電子，稱為雙自由基，如基態(tài)氧分子處于三線態(tài)（3O2），其自旋方向平行的兩個電子處于不同能級，可分別于一個自旋方向相反的電子配對。,自由基一般為電中性，如疏基自由基（RS-）和烷氧自由基（RO-）；但有些自由基帶有正負(fù)電荷，稱自由基離子，如NH3+，O2-。,66

30、,當(dāng)用高能射線照射液態(tài)水時，電離出來的高能電子經(jīng)頻繁碰撞后，被水分子以氫鍵方式捕獲形成水合電子。水合電子（hydrated electron，eaq-）不完全符合自由基定義，但其電子配對能力較強(qiáng)，所以在放射防護(hù)中將其歸入自由基一類。,有機(jī)化合物受到電離輻射照射共價鍵會發(fā)生斷裂，兩個原子或基團(tuán)均勻斷裂稱為均裂。熱能和電磁輻射均能使共價鍵斷裂,均裂公式表示為：,式中 代表電子， 代表A自由基和B自由基,H2O可均裂產(chǎn)生氫自由基（ ）與羥自由基（ ）,67,自由基的特點(diǎn)：,具有高反應(yīng)性、壽命短和順磁性等特點(diǎn)，容易發(fā)生自由基與自由基反應(yīng)、自由基與生物分子抽氫、加成、取代、過氧化和歧化等反應(yīng)。自由基不穩(wěn)

31、定，壽命很短，如 的半壽期僅為10-1010-9s，水合電子在中性水及堿性溶液中的半壽期分別為2.310-4 s 和7.810-4 s。,68,帶負(fù)電荷的核外電子圍繞原子核做自旋運(yùn)動時會產(chǎn)生磁場和對應(yīng)的磁矩。正常原子中成對電子在同一軌道上沿相反方向自旋，形成磁矩互相抵消，對外不顯示磁性。,自由基則不然，它只有一個電子，電子自旋運(yùn)動產(chǎn)生自旋磁矩，若外加磁場，單電子的磁矩取向只能與外加磁場方向相反或平行，此即為自由基的順磁性，根據(jù)順磁性可對輻射誘發(fā)的自由基含量進(jìn)行測定或分析。,69,活性氧（ROS）是指某些氧代謝或反應(yīng)的產(chǎn)物，也可稱為氧化中間產(chǎn)物（ROIs）,70,較基態(tài)氧活潑，有些活性氧的不成對

32、電子位于氧原子上，稱為氧自由基； 另一些活性氧不屬于自由基，但可引發(fā)自由基反應(yīng)。 應(yīng)當(dāng)注意：氧自由基并非全是活性氧，如基態(tài)氧雖屬氧自由基，但其化學(xué)活性低，不屬于活性氧；相反，激發(fā)態(tài)的分子氧和單線態(tài)氧雖不是自由基，但其活性高，仍屬于生物學(xué)意義的活性氧范疇。,活性氧的性質(zhì)：,71,常見的具有生物活性的活性氧有：,（1）單電子還原狀態(tài)的超氧陰離子（O2-） （2）氫過氧基（HO2），為O2-質(zhì)子化形式，脂溶性高 （3）過氧化氫（H2O2），雙電子還原態(tài)，由O2-（HO2）歧化而成，或由氧氣直接形成 （4）羥自由基（HO），為三電子還原態(tài)，如 2H2O2HO +HO- + HO2 +H+ （5）烷氧基

33、（RO）自由基，如烷過氧基ROO 等,72,（二）NO和活性氮,特性：NO在生物體內(nèi)極不穩(wěn)定，很容易被氧化成硝酸鹽或亞硝酸鹽； NO及氮的其他氧化物或含氮的自由基(如亞硝酸根NO2 、氧亞硝酸根 ONOO-等)統(tǒng)稱為活性氮，其中NO是研究得最多的活性氮。,NO生物合成的調(diào)節(jié)可通過對底物、輔助因子、產(chǎn)物、催化反應(yīng)的酶進(jìn)行選擇性干預(yù)。生物體內(nèi)產(chǎn)生的NO是一種無色、微溶于水、脂溶性較強(qiáng)的氣體分子，在生物體內(nèi)可自由地通過生物膜。,73,NO參與體內(nèi)一系列生理和病理?xiàng)l件下的生物過程： 調(diào)節(jié)循環(huán)、神經(jīng)、免疫等生理活動，如血管擴(kuò)張、血管通透性、血小板粘附和聚集、神經(jīng)信號傳遞、宿主防御反應(yīng)等 同時也參與包括腫

34、瘤在內(nèi)的病理過程。,74,（三）輻射與水分子的作用,水分子占機(jī)體總質(zhì)量的70%左右，主要分布于細(xì)胞內(nèi)液和各種體液中，以結(jié)合水（與其他分子緊密結(jié)合）和游離水兩種形式存在，對維持細(xì)胞和組織滲透壓，溶解運(yùn)輸營養(yǎng)物和代謝廢物、調(diào)節(jié)體溫起著重要作用。,水分子受輻照必然影響其結(jié)合能力，影響溶解其中的生物活性分子、營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生遍及全身的整體效應(yīng)。,75,激發(fā)態(tài)水,烴自由基,氫自由基,水合電子,76,自由基和水合電子（eaq-）統(tǒng)稱為水的原發(fā)輻射降解產(chǎn)物,電離輻射與水的全部反應(yīng)可以總結(jié)如下：,H2O,H，HO ，eaq- ，H2 ，H2O ，H2O2 ，H3O+ ，OH-,77,（四）生物體的抗氧化體系,人

35、體內(nèi)的自由基可由輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生，也可由生物體或細(xì)胞有氧代謝生成。 自由基在體內(nèi)積累到一定量必然會造成機(jī)體損害。為了保護(hù)自身免受自由基氧化的傷害，需氧生物在進(jìn)化過程中已經(jīng)形成了完善的抗氧化體系，主要包括：抗氧化酶、脂溶性抗氧化劑、水溶性小分子抗氧化劑和蛋白質(zhì)抗氧化劑等。,78,抗氧化酶主要包括:過氧化氫酶、過氧化物酶、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)等。 過氧化氫酶主要催化H2O2轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O和O2，消除細(xì)胞內(nèi)H2O2； 過氧化物酶可清除某些過氧化物，但不能分解H2O2； SOD不僅可清除體內(nèi)的自由基，還可保護(hù)生物膜和造血干細(xì)胞，減輕輻射所致骨髓損傷和炎癥反應(yīng)，已

36、經(jīng)被用作輻射防護(hù)劑。,除了上述抗氧化酶之外，生物體內(nèi)還有不同的抗氧化劑，它們的具體類別及作用見表4-5。,抗氧化酶與抗氧化劑構(gòu)成了抗氧化體系，能有效清除代謝過程中產(chǎn)生的自由基的活性氧。,79,二、自由基等活性基團(tuán)對生物大分子的作用,電離輻射可直接作用于核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子而造成結(jié)構(gòu)損傷， 如DNA分子堿基的破壞或脫落，單雙鏈斷裂，氫鍵破壞，磷酸基損傷，雙螺旋結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)交聯(lián)，核酸之間、核酸和蛋白質(zhì)之間出現(xiàn)交聯(lián)；蛋白質(zhì)側(cè)鏈改變、氫鍵與二硫鍵斷裂，導(dǎo)致高度卷曲的肽鏈出現(xiàn)不同程度伸展、空間結(jié)構(gòu)改變；脂肪、磷脂和類固醇分子化學(xué)鍵斷裂等。,80,電離輻射還可以通過與水分子作用，產(chǎn)生自由基等的見解物質(zhì)使生物大分子受到損害，如細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化；細(xì)胞蛋白質(zhì)氧化、脫氫、結(jié)構(gòu)變化、化學(xué)鍵斷裂、失活，蛋白質(zhì)交聯(lián)和聚合；糖分子鏈斷裂和失活；DNA、RNA的堿基結(jié)構(gòu)破壞，單雙鏈斷裂等。,81,(一)自由基作用的化學(xué)基礎(chǔ),自由基可通過下列反應(yīng)破壞生物大分子：,1.抽氫反應(yīng)（hydrogen abstraction）自由基可從有機(jī)分子C-H鍵中抽取氫原子，形成新的自由基，如 HO+RHR +H2O ，H+RHR +H2,2. 加成反應(yīng)（addition reaction）自由基可在烯鍵或芳香環(huán)中心加成，形成次級自由基，如 HO+RROH ，H +RR H,3.電子俘獲（electro capt