临床放射生物学基础ppt课件
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放射生物学讲义
快速电子 离子自由基物效应
射线质与相对生物效应
线性能量传递（LET,linear energy transmission) 射线与生物分子相互作用产生电离而发生的能量转换。 以射线沿径迹1u所消耗的能量表示，单位为KeV/u。 LET=dE/dL 高LET射线：质子、中子 低LET射线：直线加速器产生的X线和钴机产生γ线
细胞死亡的机制： 染色体DNA是关键靶 调亡：照射启动了细胞内的某种基因机制，从而发生一系 列程序性改变，最终导致细胞死亡。多 发生在间期细胞 及成熟分化的细胞。它是高度细胞类型依赖性的。唾液腺 分泌细胞：照射几次即出现口干；神经细胞，淋巴细胞等。 在一定意义上说，只需使肿瘤细胞产生增殖性死亡，即肿 瘤细胞不再无限分裂增殖，就能达到根治肿瘤的目的。 细胞死亡和再增殖完整性丢失（loss of reproductive integrity of tumor cells）存在根本意义上的不同。放射 可治愈性最主要依据是后者。
D0 Gy
线性二次模型（linearquadratic model） 辐射杀灭细胞有两部分：一部 分与照射剂量成比例，另一部 分与照射剂量的平方成比例 S=e -αD-βD2
α和β是常数
存活分数
S是照射剂量为D时的细胞存活 当αD= βD2或D= α/ β，照射剂量 与细胞杀灭成比例的部分与照射剂量 平方成比例的部分相等，在这个剂量 点α/ β，线性和平方项对细胞杀灭 的贡献相等。 α/ β：早反应组织高 晚反应组织低
第三章：电离辐射的细胞效应
辐射诱导的DNA损伤及修复
DNA的链断裂
单链断裂： 离体DNA受照射后约90%为单链断裂；活体DNA受照射后比 例更高。单链断裂后可以按照DNA的碱基配对原则修复 （如此时发生错误修复，可产生突变）。 双链断裂： 离体DNA受照射后约10%为双链断裂；活体DNA受照射后比 例更低。双链断裂后，由于模板的消失，一般不能修复。 注意断裂部位：如断裂部分彼此分开（间隔一段距离）， 可以修复； 断裂在对侧互补碱基位置或仅隔几个碱基， 发生真正双链断裂，及染色体折成两段，导致细胞死亡/ 突变致癌。 双链断裂修复：同源和非同源重组
3第二章临床放射生物学
细胞死亡： 1.增殖性死亡：几个细胞周期以后才死 即失去无限增殖能力
亡，
2.间期性死亡(凋亡)：几个小时内就死亡，细 胞对放射敏感性较高，比如淋巴细胞 细胞凋亡:是基因控制的细胞自主有序的死亡， 是主动争取的一种死亡过程。就像树叶或花自然 凋落一样。
辐射所致细胞死亡
几百戈瑞的大剂量照射之后，所有细胞机能都中止，最终发生细 胞溶解，这种情况被认为是细胞即刻死亡或间期死亡； 用较低的几个戈瑞照射正在分裂或还能进行分裂的细胞（如骨髓 细胞系、皮肤或小肠隐窝），此时部分细胞丧失其分裂或增殖能力。 另一方面，存活细胞或能够生存发育的细胞是指保持细胞增殖能力， 并能够因此而形成集落或克隆的细胞，这些细胞称为克隆源性细胞。 在体内，肿瘤和正常组织只有一小部分细胞属于克隆源性细胞，受照 后期数量迅速减少。 上述细胞死亡定义对放射治疗具有特殊意义，因为肿瘤细胞即使全都 依然存在，但失去了无限增殖能力，并因此而失去了局部浸润或远地 转移的能力，这样也就达到局部控制的目的。 同样，对于正常组织，大多数急性和慢性放射效应都发生在丧失生存 发育能力的情况下。
三.细胞存活曲线
受照射的细胞保留完整的增殖能力，能无限分裂 产生大量子代细胞形成一个集落或克隆的干细胞 称为细胞存活
细胞存活曲线：用来定量描述辐射吸收剂量与存 活细胞数量的相关性的一种方法。
指数性存活曲线：
细胞存活率与照射剂量成指数性反比关系，即在细 胞放射敏感性不变时，剂量越大，细胞死亡越多； 而敏感度越低，细胞存活率越高； 以同一剂量照射放射敏感与放射抗拒的细胞，其存 活率不同。根据指数性反比关系，即使照射剂量达 到极大时（临床一般不可能用这么高的剂量），也 会有少数细胞存活。p40图 用密集电离辐射如中子、a粒子为放射源，可有这 种放射效应。
放射生物学的基础理论讲解
⑥恒定细胞：照射后无修复能力，只能有其他 组织代替。神经细胞由神经胶质代替 横纹肌由 结缔组织代替，为低敏感。
⑦细胞周期的放射敏感性： Ⅰ：以细胞死亡为标准，M期最敏感，其敏感性是S 期的2.6倍，无亚致死性损伤。 Ⅱ：以细胞分裂延迟为指标，以G1、G2期最敏感。 如阻断G2期，使细胞进入M期 Ⅲ：以畸变为指标，S期最敏感
（四）单靶单击与单靶多击
细胞的死亡或者来自于单次致死性的击中细胞中的 靶或者来至于分成２次击中所产生的亚致死性损伤 的相加。前者以ad表示，后者以βd2表示。因而其最 终的细胞存活率为：Ｓ＝e-(ad+d2)。可以分别把它们 简称为a型细胞杀灭及β型杀灭．它们的单位分别为 Gy-1和Gy-2。它们的比值即α／β＝d（Gy）。当细胞 存活曲线肩区较大时，则α／β值小，而肩区小时则 α／β值较高。 α／β值相当于a型细胞杀灭和β型杀灭 二者生物效应相等时所需的剂量。Ｓ＝e-(ad+d2)即是 所谓的线性－平方模式。
４、应用ＬＱ模式设计非常规分割照射方案应注意以下原则： （１）为使晚反应组织的损伤相对低于肿瘤的杀灭，每分 次剂量应小于１.８－２.０Ｇy。 （２）每天的最高分次照射总量应小于４.８－５.０Ｇy。 （３）每分次照射间隔时间应大于６小时。 （４）在不致引起严重急性反应的情况下，尽量缩短总的 治疗时间。 （５）给予不致引起严重晚期损伤的最高总剂量，但不论 何种方案，两周内给予的总剂量不应超过５５Ｇy。
评价：１、是经验公式，缺乏生物学基础。 ２、把各种治疗归结为单次照射的生物剂量， 不符合临床上治疗情况。 ３、不同组织具有不同的放射敏感性，因而 不能应用单一的指数０.２４来代表所有的修复情况。 ４、不同的分割剂量照射，其指数不一致。 ５、没有考虑到正常组织照射后产生的加速 细胞增殖，另外，也与肿瘤细胞照射后经过一段潜 伏期，干细胞增殖速度加快的生物学现象不一致。
⑦细胞周期的放射敏感性： Ⅰ：以细胞死亡为标准，M期最敏感，其敏感性是S 期的2.6倍，无亚致死性损伤。 Ⅱ：以细胞分裂延迟为指标，以G1、G2期最敏感。 如阻断G2期，使细胞进入M期 Ⅲ：以畸变为指标，S期最敏感
（四）单靶单击与单靶多击
细胞的死亡或者来自于单次致死性的击中细胞中的 靶或者来至于分成２次击中所产生的亚致死性损伤 的相加。前者以ad表示，后者以βd2表示。因而其最 终的细胞存活率为：Ｓ＝e-(ad+d2)。可以分别把它们 简称为a型细胞杀灭及β型杀灭．它们的单位分别为 Gy-1和Gy-2。它们的比值即α／β＝d（Gy）。当细胞 存活曲线肩区较大时，则α／β值小，而肩区小时则 α／β值较高。 α／β值相当于a型细胞杀灭和β型杀灭 二者生物效应相等时所需的剂量。Ｓ＝e-(ad+d2)即是 所谓的线性－平方模式。
４、应用ＬＱ模式设计非常规分割照射方案应注意以下原则： （１）为使晚反应组织的损伤相对低于肿瘤的杀灭，每分 次剂量应小于１.８－２.０Ｇy。 （２）每天的最高分次照射总量应小于４.８－５.０Ｇy。 （３）每分次照射间隔时间应大于６小时。 （４）在不致引起严重急性反应的情况下，尽量缩短总的 治疗时间。 （５）给予不致引起严重晚期损伤的最高总剂量，但不论 何种方案，两周内给予的总剂量不应超过５５Ｇy。
评价：１、是经验公式，缺乏生物学基础。 ２、把各种治疗归结为单次照射的生物剂量， 不符合临床上治疗情况。 ３、不同组织具有不同的放射敏感性，因而 不能应用单一的指数０.２４来代表所有的修复情况。 ４、不同的分割剂量照射，其指数不一致。 ５、没有考虑到正常组织照射后产生的加速 细胞增殖，另外，也与肿瘤细胞照射后经过一段潜 伏期，干细胞增殖速度加快的生物学现象不一致。
临床放射生物学基础
• 自由基和抗氧化酶和其他抗氧化物质作 用
放射治疗实现的可能性
• B-T定律：
细胞的放射敏感性高低和细胞增长 速率成正比和细胞的分化程度成反比
恶性肿瘤细胞增长快，分化差和正 常组织相比，放射敏感性更高
辐射的细胞生物学效应
• 细胞死亡
（1）增殖性死亡
分裂几次后死亡，临床表现，肿瘤受照后 ，体积不立即缩小，甚至出现临时性增大，以 后，随着肿瘤细胞的不断死亡，肿瘤才缩小
存活率=
(PE)
种植细胞数空白组集落形成
细胞存活曲线
• 高LET线细胞存活曲线----指数性曲线 曲线公式 S=e-kD
• 低LET线细胞存活曲线----非指数性曲线 肩部反映低剂量下损伤修复 直线部分反映高剂量下指数性杀灭 曲线公式为一次二元方程式 S=1-(1-e-kD )n ( K 为直线部分的斜率) D0=1/K (D0 为平均致死剂量) S=1-(1-e-D/ D0 )n
细胞存活曲线 线性二次模型
分次剂量照射的细胞存活曲线
• 分次照射时，细胞存活曲线肩区的 每次照射重建。
细胞动力学的改变
细胞的放射敏感性
• 不同细胞群体的放射敏感性，不断分裂和更新 的细胞敏感，不分裂的细胞抗拒。
• 不同细胞周期时相的放射敏感性差异。 • 不同环境中的细胞敏感性特别是氧分压不同对
曲线几个重要参数: D0 ,n值,Dq值
细胞存活曲线 单击单靶模型
细胞存活曲线 单击单靶模型
e-1 = 0.37 e-2 = 0.14 e-3 = 0.05
细胞存活曲线 单击多靶模型
细胞存活曲线 线性二次模型
• Thames和Bentzen于80年代提出 • LQ模型以DNA双链断裂造成细胞死亡为理论依
放射治疗实现的可能性
• B-T定律：
细胞的放射敏感性高低和细胞增长 速率成正比和细胞的分化程度成反比
恶性肿瘤细胞增长快，分化差和正 常组织相比，放射敏感性更高
辐射的细胞生物学效应
• 细胞死亡
（1）增殖性死亡
分裂几次后死亡，临床表现，肿瘤受照后 ，体积不立即缩小，甚至出现临时性增大，以 后，随着肿瘤细胞的不断死亡，肿瘤才缩小
存活率=
(PE)
种植细胞数空白组集落形成
细胞存活曲线
• 高LET线细胞存活曲线----指数性曲线 曲线公式 S=e-kD
• 低LET线细胞存活曲线----非指数性曲线 肩部反映低剂量下损伤修复 直线部分反映高剂量下指数性杀灭 曲线公式为一次二元方程式 S=1-(1-e-kD )n ( K 为直线部分的斜率) D0=1/K (D0 为平均致死剂量) S=1-(1-e-D/ D0 )n
细胞存活曲线 线性二次模型
分次剂量照射的细胞存活曲线
• 分次照射时，细胞存活曲线肩区的 每次照射重建。
细胞动力学的改变
细胞的放射敏感性
• 不同细胞群体的放射敏感性，不断分裂和更新 的细胞敏感，不分裂的细胞抗拒。
• 不同细胞周期时相的放射敏感性差异。 • 不同环境中的细胞敏感性特别是氧分压不同对
曲线几个重要参数: D0 ,n值,Dq值
细胞存活曲线 单击单靶模型
细胞存活曲线 单击单靶模型
e-1 = 0.37 e-2 = 0.14 e-3 = 0.05
细胞存活曲线 单击多靶模型
细胞存活曲线 线性二次模型
• Thames和Bentzen于80年代提出 • LQ模型以DNA双链断裂造成细胞死亡为理论依
《放射生物学》课件
2 未来的发展趋势
随着科技的进步，放射生物学将能够更好地应用于临床、环境保护和放射安全等领域。
《放射生物学》PPT课件
欢迎来到《放射生物学》PPT课件！在本课程中，我们将介绍放射生物学的定 义、发展历史、实验方法以及其在医学和环境中的应用。让我们一同探索这 个引人入胜的领域吧！
放射生物学介绍
什么是放射生物学
放射生物学研究放射线对生 物体的影响以及相关的生物 学效应和应用。
放射生物学的发展历史
3 放射线对细胞的影响
放射线可以导致DNA损伤、细胞突变和细胞凋亡等变化，对细胞细胞培养实验
通过体外培养细胞，研究放射线对细胞的影响和响应机制。
2
动物实验
使用实验动物模型，观察放射线在生物体中的效应和剂量响应关系。
3
人类实验
通过观察受过放射线照射的人体，获取真实的放射生物学数据和相关医学知识。
放射生物学的应用
放射治疗
利用放射线的生物学效应治疗 癌症和其他疾病。
放射诊断
通过获取放射线影像来诊断疾 病和评估治疗效果。
放射污染的防治
研究放射污染的来源、传播途 径以及防护策略，保护环境和 人类健康。
总结
1 放射生物学的意义和作用
放射生物学的研究对于保护人类健康、发展医学和环境科学都具有重要意义。
放射生物学作为一个独立的 科学领域，有着悠久的发展 历史，起源于伽马射线的发 现。
放射生物学研究的意义
了解放射线对生物体的影响， 可以帮助我们更好地理解和 应对辐射暴露的危害。
放射线对生物体的影响
1 放射线的物理性质
放射线是高能电磁辐射，具有穿透力和电离能力。
2 放射线对生物体的作用机理
放射线通过与生物体的分子、细胞和组织发生相互作用，引起一系列生物学效应。
随着科技的进步，放射生物学将能够更好地应用于临床、环境保护和放射安全等领域。
《放射生物学》PPT课件
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放射生物学介绍
什么是放射生物学
放射生物学研究放射线对生 物体的影响以及相关的生物 学效应和应用。
放射生物学的发展历史
3 放射线对细胞的影响
放射线可以导致DNA损伤、细胞突变和细胞凋亡等变化，对细胞细胞培养实验
通过体外培养细胞，研究放射线对细胞的影响和响应机制。
2
动物实验
使用实验动物模型，观察放射线在生物体中的效应和剂量响应关系。
3
人类实验
通过观察受过放射线照射的人体，获取真实的放射生物学数据和相关医学知识。
放射生物学的应用
放射治疗
利用放射线的生物学效应治疗 癌症和其他疾病。
放射诊断
通过获取放射线影像来诊断疾 病和评估治疗效果。
放射污染的防治
研究放射污染的来源、传播途 径以及防护策略，保护环境和 人类健康。
总结
1 放射生物学的意义和作用
放射生物学的研究对于保护人类健康、发展医学和环境科学都具有重要意义。
放射生物学作为一个独立的 科学领域，有着悠久的发展 历史，起源于伽马射线的发 现。
放射生物学研究的意义
了解放射线对生物体的影响， 可以帮助我们更好地理解和 应对辐射暴露的危害。
放射线对生物体的影响
1 放射线的物理性质
放射线是高能电磁辐射，具有穿透力和电离能力。
2 放射线对生物体的作用机理
放射线通过与生物体的分子、细胞和组织发生相互作用，引起一系列生物学效应。
临床放射生物学基础
临床放射生物学基础临床放射生物学是研究电离辐射对肿瘤组织和正常组织的效应以及研究这两类组织被射线作用后所引起的生物反应的一门学科。
它是放射肿瘤学的四大支柱（肿瘤学、放射物理学、放射生物学和放射治疗学）之一，因此从事肿瘤放射治疗的医生必须掌握这门学科的基础知识。
第一章物理和化学基础第一节线性能量传递一、概念线性能量传递(linear energy transfer,LET)是指射线在行径轨迹上，单位长度的能量转换。
单位是KeV/um。
注意，LET有两层含义，其物理学含义为带电粒子穿行介质时能量的损失即阻止本领，而LET的生物学含义则强调带电粒子穿行介质时能量被介质吸收的线性比率。
例如，γ射线在穿过细胞核时，以孤立单个的电离或激发形式将大部分能量沉积在细胞核中，引起DNA损伤，其部分损伤又能够被细胞核中的酶修复，1Gy的吸收剂量相当于产生1000个γ射线轨迹，故γ射线属于低LET；α粒子在穿过细胞核时产生的轨迹少，但每条轨迹的电离强度大，因而产生的损伤大，这种损伤常常累及邻近的多个碱基对，于是损伤难以修复，1Gy的吸收剂量相当于产生4个α粒子轨迹，故α粒子属于高LET。
一般认为10KeV/um是高LET和低LET的分界值，LET值＜10KeV/um时称低LET射线，如X、γ、β射线，LET 值＞10KeV/um时称高LET射线，如中子、质子、α粒子。
二、高LET射线特性1.物理学特点：高LET存在Bragg峰，即射线进入人体后最初的阶段能量释放（沉积）不明显，到达一定深度后能量突然大量释放形成Bragg峰（即射线在射程前端剂量相对较小,而到射程末端剂量达到最大值），随后深部剂量又迅速跌落。
2.高LET生物效应特点：(1)相对生物效应（RBE）高，致死效应强，细胞生存曲线的陡度加大；(2)氧增强比(OER)小，对乏氧细胞的杀伤力较大；(3)亚致死性损伤的修复能力小，细胞生存曲线无肩部；(4)细胞周期依赖性小，高LET能够杀伤常规放疗欠敏感的G0期和S期细胞。
临床放射生物学基础
水的电离和激发
直接作用
直接作用 射线被生物物质吸 收时,直接和细胞关 键的靶起作用，靶 原子被电离或激发 启动一系列生物事 件导致生物改变。
高LET射线，如中子 或α粒子
间接作用
自由基与活性氧
自由基对DNA这一细胞最重要靶点作用产生 DNA损伤 自由基对脂类过氧化作用与生物膜作用产生细胞 膜损伤 自由基和抗氧化酶和其他抗氧化物质作用
非常规分割照射的生物学基础
临床上主要有三种类型
① 超分割放疗（hyperfractionated radiation therapy, HRT）
②加速超分割放疗（hyperfractionated accelerated radiation therapy, HART）
③后程加速超分割放疗
超分割放疗
乏氧细胞再氧合
capillary
normal oxygen hypoxic viable anoxic - necrotic
aerated cells
hypoxic cells
乏氧细胞再 氧合是临床肿 瘤放射治疗中 小剂量分次照 射方案制定的 基础。
Reoxygenation
survivors after irradiation
中用同样总剂量，对任何一期的肿瘤分程 治疗的控制率都比常规治疗低。
多种肿瘤放疗总疗程时间和肿瘤局控 率的关系。
细胞的再增殖
肿瘤再增殖有重要临床意义 1.不必要延长治疗； 2.如急性反应重，治疗期间必须有一个间断，
应尽量短； 3.不考虑单纯分段放疗； 4.由于非医疗原因的治疗中断，有时需采取
措施“赶上”； 5.增殖周期短的肿瘤可采用加速分割。
细胞存活曲线 线性二次模型
任何类型辐射效应造成的细胞杀灭都是单击致死性杀灭 （型）与亚致死性损伤累积杀灭（型）之和。 总的生物效应为两者之和，即S＝S· S＝e-αD· eβD2＝e -(αD＋βD2) 当一次照射引起的上述两种效应相等时，则D=D2， /＝D。因此，/代表的是这样一个剂量，在此剂量 照射时线性部分（D）对放射效应的贡献与平方部分 （βD2）的贡献相同，其单位是Gy。
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脱氧核糖核酸（DNA）
腺嘌呤
腺嘧啶
鸟嘌呤
胞嘧啶
2.染色体DNA是关键靶
染色体特别是DNA是引起细胞死亡的主要靶的证 据：
微幅射研究显示，用放射线杀死细胞时，单独 照射细胞质所需的照射剂量要比单独照射细胞 核大得多。
放射性核素（如 3H、125I)参入核DNA可有效地 造成DNA损伤并杀灭细胞。
整个有丝分裂过程分为前期、中期、后期和末期四个 时期。此外，G0期细胞，指那些处于休眠状态不参 加周期分裂活动的细胞。一旦机体需要或接到某种信 号后，这些细胞就能开始准备DNA的合成而变成G1 期细胞。
细胞周期
细胞增殖周期为: A G1期-S期-G2-M期 B G2期-G1期-S期-M期 C M期-S期-G1期-G2期 D S期-M期-G1期-G2 E G1期-G2期-S期-M期
（一）、细胞的放射敏感性
各种细胞对电离辐射的敏感程度有很大的差异， 主要表现为以下三个方面：
（1）、不同细胞群体的放射敏感性 （2）、不同细胞周期时相的放射敏感性 （3）、不同环境中细胞的放射敏感性
（1）、不同细胞群体的放射敏感性
可分三类：
a.不断分裂和更新的细胞群体---辐射敏感 b.不分裂的细胞群体---辐射抗拒性 c.一般状态下基本不分裂的细胞群体---辐射相 对不敏感（但可受刺激后转化）
正常细胞周期调控机制
细胞周期中S期和M期是最活跃的时相，G1向S过渡期 和G2向M过渡期最关键。
G1时相调控机制（R点）。 S时相调控机制。 G2/M时相调控机制。
肿瘤内细胞放射敏感性的差异
细胞时相的敏感性差
异
1.0
Survival fraction
G2/M期敏感 G1/S期抗拒 照射后增殖周期中的 细胞（时相）分布不 同
临床放射生物学
指数存活曲线：单靶单击模型，只有一个参数D0 （致
密电离辐射：如中子，α粒子） D0平均致死量(mean lethal dose):平均每靶击中一次所给 与的剂量 SF=e- α D：细胞群受D0剂量照射后，并不是所有细胞受到 打击，只有63%的细胞受到致死性击中，而有37%的细胞幸 免
非指数存活曲线：多靶单击模型，线性二次模型，
容积剂量的概念 并联组织：肺、肝，其耐受量与容积密切相关 串联组织：脊髓、食管，其耐受量与容积不太 相关。
正常组织放射损伤的靶细胞： 早反应组织：干细胞 功能器官：特定的细胞，如少突胶质细胞，Ⅱ 型肺泡细胞，肝实质细胞，肾小管细胞，血 管内皮细胞
脊髓
• 靶细胞： 少突胶质细胞， α/β≈1.5~5 Gy • 修复时间 > 4 小时，完全修复：24小时 • 耐受量： 48 Gy（每天 2 Gy 照射时 ）
肾脏
靶细胞：肾小管细胞，肾小球和近肾小球细胞 α/β≈1.7~2.0 Gy 半修复时间=2.1小时 间隔时间>8小时 耐受量：全肾照射时≈ 30 Gy ，故一侧肾照射 时，应严格保护健侧肾，使其低于20 Gy。 其耐受潜伏期可长达1~10年
心脏
靶细胞：心肌细胞，血管内皮细胞 α/β≈2.4~2.9 Gy 耐受量：1/3体积=60 Gy 2/3体积时为45 Gy 全心照射：40 Gy TD 50/5 心包炎：1/3体积：70 Gy 2/3体积：55 Gy 全心：50 Gy
肿瘤的放射生物学
• 肿瘤的放射杀灭或放射对肿瘤的控制呈S曲 线，故单纯提高剂量不能进一步提高治愈 率。
肿瘤体积效应
• 肿瘤体积大小与放射控制呈反比 • 或与肿瘤的干细胞数量呈反比
再群体化的加速
• 放射后存活下来的残存肿瘤干细胞可加快 生长速度
放射生物学课件-第一节电离辐射的种类
粒子辐射
226Ra → 222Rn + 4He（α）
α粒子
下面我们来讲一下另外一大类电离辐射，粒子辐射 粒子辐射是一些组成物质的微观粒子，或是剥去电子的原子核 组成的电离辐射，主要有α粒子、β粒子（电子）、质子、中 子、重离子等等，下面我们简要介绍一下α粒子。
α粒子：即氦原子核，由两个质子和两个中子组成，带正电荷 可以被大型电子装置加速达到可利用的能量。此外，自然界中 的天然放射性核素发生衰变时也可产生α粒子，如铀和镭。天 然本底辐射的主要来源就是α粒子。土壤中析出的氡气在室内 集聚，氡气与其衰变产物会通过呼吸进入肺部并辐射肺上皮， 由此可能引发肺癌。
电磁辐射
X射线
原子核衰变 γ射线
X射线、γ射线两者在性质上是相同的，区别在于产生的途径不 一样，X射线产生于原子核外部，γ射线产生于原子核内部。X 射线通常产生于称为X射线管的电子装置，这种装置能够产生数 万伏特以上的高压加速电子，然后通常用钨靶或金靶，突然中 止高能电子，电子的部分能量（动能）便转化为X射线。γ射线 产生于放射性核素，不稳定的放射性元素的原子核衰变直至稳 定状态时，便将能量以γ射线的形式释放出来。
电离辐射生物学作用的理化 基础
放射生物学是研究电离辐射在个体、组织、细胞、分 子等各种水平上对生物体作用的学科。因此，放射生 物学不可避免地涉及一些辐射物理学过程。首先，我 们就要了解一下什么是电离辐射，以及辐射吸收过程
激发
电离
激发：当物质吸收了辐射的能量后，原子或分子的电子跃迁到高能 态而不射出电子的现象。 电离：物质的原子或分子从辐射吸收能量而导致电子轨道上的一个 或几个电子被逐出的现象。
好的，本次课我们就学习到这里，谢谢。
辐射本质上是能量在空间中的传递，辐射的能量被物质 吸收时可以引起物质的激发和电离。当物质吸收了辐射 的能量后，原子或分子的电子跃迁到高能态而不射出电 子，称为激发。当辐射具有足够的能量使原子或分子的 电子射出一个或多个电子，此过程称为电离。具有这种 能力的辐射称为电离辐射。
放射生物学课件-第二节生育的辐射效应
正常
精子减少症
无精症
0.15 Gy照射 6周潜伏期
大于0.5 Gy照射
男性在受到低至0.15Gy的剂量照射后，经过大约6周的潜伏 期后可出现精子减少症，随着剂量的升高，精子的减少越 明 显，在大于0.5Gy的照射后，可引起无精症，这时损伤 的精 原细胞还能够再次分裂增殖，所以引起的是暂时性不 育，不 育的时间也和剂量有关。 当剂量进一步升高时，精原细胞的损伤不能恢复，那么就 会 引起永久性不育。
生育的辐射效应
男性生殖细胞动力
学精母细胞
精子细胞
精原细胞 肌样细胞
精原细胞
精子 管腔
足细胞
初级精母细胞 次级精母细胞
精子细胞
精子
本节课我们来学习一下电离辐射对男性和女生生殖细 胞的作用。
男性的精子来源于睾丸生精小管的生殖上皮，在青春 期性成熟开始产生精子。精子的分化成熟过程需要经 过几个阶段，从精原细胞、初级精母细胞、次级精母 细胞、精子细胞，最后形成精子。
放射敏感性
精原细胞 精母细胞 精子细胞
精子
电离辐射损伤后，精原细胞损伤 较多，但是还是存在成熟的精子 ，所以损伤不会即刻显现。
随着生精细胞的发育分化，其放射敏感性也随之降低，所以男性生殖细 胞的放射敏感性从高到低分别为精原细胞、精母细胞、精子细胞、精子 。在人类，从精原细胞分裂开始到发育成熟为精子的时间为10周，所以 受到一次电离辐射损伤后，精原细胞的损伤不会马上显现出来，只要还 存在成熟的精子，男性仍能保持一段时间的生育能力。只有当成熟的生 殖细胞精子耗竭时，才会出现生育力下降。所以电离辐射引起的男性不 育会有一段潜伏期。
男性生育的辐射效应
➢ 低至0.15 Gy照射可引起精子减少症。 ➢ 大于0.5 Gy照射可引起无精症，不育时间具有剂量依赖性。 ➢ 低于1 Gy照射，可能在1年内恢复。 ➢ 2 Gy照射后，需要2年至3.5年恢复。 ➢ 超过6 Gy的单次照射导致永久性不育。 ➢ 分次照射对睾丸的损伤比单次照射更为严重。 ➢ 激素水平不受影响。
放射生物学课件-第一节生殖系统与胚胎的放射敏感性
第二，电离辐射可以引起的DNA损伤导致基因的突变， 如果这种突变发生在生殖细胞中，那么生育的下一代 是否会发生基因的突变，从而导致出现生长发育的障 碍或智力的异常。
第三，女性如果在怀孕期间受到电离辐射照射，是否 会对腹中的胎儿造成损伤，会引起那些严重的后果？
这三个是大家普遍的关心的问题。
睾丸与卵巢
电离辐射的发育毒性效应
电离辐射作用于胚胎发育过程，称为胎内照射或宫内照 射，其作用对胚胎发育过程产生的有害影响，称为电离 辐射的发育毒性效应。
那么，在本周中我们将学习电离辐射对丸与卵巢分别是男性和女性的主要性 腺器官，具有较高的放射敏感性，其中生殖细胞的 动力学在男性和女性是完全不同的，所以在受到电 离辐射作用后的男性和女性的生殖系统的损伤特点 也是不同的。
突变与遗传病
当电离辐射诱导生殖细胞基因发生突变时，可能导致遗传 疾病，需要注意的是这种电离辐射诱导的突变不会导致全 新的或独特的遗传效应，电离辐射是使自发或天然的突变 发生的频率增加，比如并指和多指，这些突变都是人群中 本来具有一定发病率的遗传疾病，电离辐射只是使这些遗 传疾病的发病率升高，并具有剂量依赖性。
生殖系统与胚胎的放射敏感性
由于生殖系统对电离辐射非常敏感，而且涉及到下一 代的健康，所以电离辐射对生殖系统和胚胎的作用一 直是人们关注的热点。大家实际关注的问题集中在三 个方面，首先，受到电离辐射照射后生殖系统会发生 什么损伤，男性与女生生殖系统损伤的特点是什么？ 会不会发生生殖功能的障碍，会不会导致不孕不育？
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线性二次模式
E/α=D〔1+d/(α/β)〕 E/α为生 物有效剂量(biologically effective dose, BED),单位为Gy. 它代表:整个分次照射或低剂量连续照 射过程的生物效应.
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线性二次模式
LQ的临床意义 1:预测剂量分割方式的生物效应,而提出
超分割,加速超分割,低分割等照射方式. 2:不同剂量分割方式的等量转换
临床放射生物学基础 Radiobiology
北京大学人民医院放疗科 陈亚林
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放射生物学 Radiobiology
放射生物学研究的是辐射对生物 体作用及其效应规律的一门科学
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放射生物学 Radiobiology
电离辐射对生物体的作用分为
物理阶段 化学阶段 生物阶段
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物理阶段
10-18—10-12s
n2d2〔 1+d2/(α/β) 〕= n1d1 〔 1+d1/(α/β) 〕
D2/D1= 1+d2/(α/β) / 1+d1/(α/β)
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细胞周期时相与放射敏感性
细胞周期时间 （cell-cycle time）,也称为 有丝分裂周期 G2 时间, 是两次 有效的有丝分 裂之间的时间
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M 有丝分裂期
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哺乳动物细胞存活曲线
横坐标表示剂量， 按线性标度绘 制，
纵坐标表示存活 率，按对数标 度绘制
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哺乳动物细胞存活曲线
D0(平均致死剂 量,mean lethal dose)
D0=1/k,K为直线的斜 率. 它表明,杀死63%的细 胞所需的照射剂量. D0值越小,细胞越敏感.
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哺乳动物细胞存活曲线
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肿瘤的增殖动力学
人类肿瘤典型的动力学参数
细胞周期：
约2天
生长因数：
约40%
丢失率：
约90%
癌细胞潜在倍增时间：约5天
体积倍增时间：
约60天
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早反应组织和晚反应组织
根据正常组织的不同特性和对电离辐射的 不同反应,将正常组织分为早反应组织和 晚反应组织两大类
早反应组织(Early responding tissue) 细胞更新快,放射后的损伤很快会表现出 来,这类组织α/β比值较高(10),损伤后 以活跃的增殖来维持组织中的细胞数量. 如:粘膜上皮、骨髓
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线性二次模式
S=e –n (αd+βd2)
S: 存活比例. e :自然对数的底. d:分次剂量 n:照射次数 α β为系数.
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线性二次模式
-LnS=n(αd+βd2 ) =nd(α+βd) =E
E:生物效应. nd=D,d:分次剂量 E/β=nd(α/β +d) 总生物效应(Total effect,TE), 单位为(Gy)2.
Dq值(准阈剂量,quasithreshold dose) 代表存活曲线的肩宽,也称为浪费剂量. 表示:开始照射到细胞呈指数性死亡时 所“浪费”的剂量. SF2:为用2GY单次照射后的细胞存活率, 作 为细胞放射敏感性的指标之一.
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细胞存活曲线的临床意义
1:研究各种生物效应与放射剂量的关系. 2:比较各种因素(氧﹑放射增敏剂﹑化学
G1
S DNA合成期
细胞周期时相与放射敏感性
有丝分裂期细胞或接近有丝分裂期细胞 是放射最敏感细胞
晚S期细胞通常具有较大的放射抗拒性 若G1期相对较长,G1早期细胞表现相对辐
射抗拒,其后逐渐敏感,G1末期相对更敏 感 G2期细胞通常较敏感,敏感性与M期相似
.
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肿瘤的增殖动力学
描述肿瘤生长的一些参数 潜在倍增时间（potential doubling
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靶的概念
所谓“靶”指的是细胞内对放射线敏感的 位点。Lee 1946年在他的“辐射对活细 胞作用”一书中，创立了靶的概念，认 为辐射的生物效应是由于放射线击中了 生物大分子或细胞内对射线敏感的特定 区域并使之电离的结果，并将这个敏感 区域形象的称为“靶”。
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DNA单链断裂
单链断裂的修复过程是受酶控制的
time, Tpot） 是一个理论值,假设在 没有细胞丢失的情况下肿瘤细胞群体 增加一倍所要的时间
决定因素: 细胞周期时间 生长比例
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肿瘤的增殖动力学
描述肿瘤生长的一些参数 细胞丢失因子（cell lose factor） 细胞丢失因子=1-Tpot/Td Td: Tumor volume doubling time
药 物﹑放射保护剂 ﹑不同射线 ﹑以及其 他物理因素) 对细胞放射敏感性的影响.
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生物剂量
生物剂量是指对生物体放射反应程度 的测量.它与物理剂量不一致.因为剂量 率不同,生物效应不一样.
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线性二次模式
线性二次模式(Liner quadratic model, LQ) 电离辐射作用于靶细胞并造成该细胞的损伤 由α 和β两个损伤概率复合而成. 单击致死,损伤与吸收剂量成正比,用α表示. 多击致死,损伤与吸收剂量的平方成正比,用β表示.
射线照射路径上的能 量释放 激发 电离
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化学阶段
激发 电离
化学键断裂 自由基形成
分子结构破坏 修复正常
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生物阶段
分子结构破坏
酶反应
修复 基因变异/癌变
DNA不能复制/ 有丝分裂停止
细胞死亡
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电离辐射的直接作用和间接作用
辐射导致的DNA分子断 裂分为两类：直接作用 (direct effect)和间 接作用(indirect effect)。直接作用是 指射线直接作用于DNA 分子，使DNA 分子发生 损伤而导致断裂。间接 作用是指辐射可使水分 子产生自由基，自由基 作用于DNA分子并使之 断裂
T
T
C
.
DNA双链断裂 染色体断裂
一般认为，引起 DNA损伤并最终导致细胞 死亡的主要是 DNA的双链断裂。这主要 是由于在实验中发现辐射引起的单链断 裂可以大部分得到修复，而双链断裂不 易修复， 且修复的过程中有可能发生的 修复差错
A T
C
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细胞存活曲线
细胞存活:经射线照射后,细胞仍具有无限 增殖能力称为细胞存活.如没有无限增殖能力, 即使形态完整,有有限分裂能力,但不 能传种接代,也称为细胞死亡.
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DNA是放射线对细胞作用最关键的靶
➢微辐射研究显示：用放射线杀死细胞时，单 独照射细胞浆所需的照射剂量要比单独照射细 胞核大得多。 ➢放射性同位素（如3H,125I）掺入核DNA可有效 地造成DNA损伤并杀死细胞。 ➢受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密 切相关。 ➢当特异地把胸腺嘧啶类似物，如碘脱氧尿核 苷或溴脱氧尿核苷掺入染色体时可修饰细胞的 放射敏感性。
线性二次模式
E/α=D〔1+d/(α/β)〕 E/α为生 物有效剂量(biologically effective dose, BED),单位为Gy. 它代表:整个分次照射或低剂量连续照 射过程的生物效应.
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线性二次模式
LQ的临床意义 1:预测剂量分割方式的生物效应,而提出
超分割,加速超分割,低分割等照射方式. 2:不同剂量分割方式的等量转换
临床放射生物学基础 Radiobiology
北京大学人民医院放疗科 陈亚林
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放射生物学 Radiobiology
放射生物学研究的是辐射对生物 体作用及其效应规律的一门科学
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放射生物学 Radiobiology
电离辐射对生物体的作用分为
物理阶段 化学阶段 生物阶段
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物理阶段
10-18—10-12s
n2d2〔 1+d2/(α/β) 〕= n1d1 〔 1+d1/(α/β) 〕
D2/D1= 1+d2/(α/β) / 1+d1/(α/β)
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细胞周期时相与放射敏感性
细胞周期时间 （cell-cycle time）,也称为 有丝分裂周期 G2 时间, 是两次 有效的有丝分 裂之间的时间
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M 有丝分裂期
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哺乳动物细胞存活曲线
横坐标表示剂量， 按线性标度绘 制，
纵坐标表示存活 率，按对数标 度绘制
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哺乳动物细胞存活曲线
D0(平均致死剂 量,mean lethal dose)
D0=1/k,K为直线的斜 率. 它表明,杀死63%的细 胞所需的照射剂量. D0值越小,细胞越敏感.
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哺乳动物细胞存活曲线
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肿瘤的增殖动力学
人类肿瘤典型的动力学参数
细胞周期：
约2天
生长因数：
约40%
丢失率：
约90%
癌细胞潜在倍增时间：约5天
体积倍增时间：
约60天
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早反应组织和晚反应组织
根据正常组织的不同特性和对电离辐射的 不同反应,将正常组织分为早反应组织和 晚反应组织两大类
早反应组织(Early responding tissue) 细胞更新快,放射后的损伤很快会表现出 来,这类组织α/β比值较高(10),损伤后 以活跃的增殖来维持组织中的细胞数量. 如:粘膜上皮、骨髓
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线性二次模式
S=e –n (αd+βd2)
S: 存活比例. e :自然对数的底. d:分次剂量 n:照射次数 α β为系数.
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线性二次模式
-LnS=n(αd+βd2 ) =nd(α+βd) =E
E:生物效应. nd=D,d:分次剂量 E/β=nd(α/β +d) 总生物效应(Total effect,TE), 单位为(Gy)2.
Dq值(准阈剂量,quasithreshold dose) 代表存活曲线的肩宽,也称为浪费剂量. 表示:开始照射到细胞呈指数性死亡时 所“浪费”的剂量. SF2:为用2GY单次照射后的细胞存活率, 作 为细胞放射敏感性的指标之一.
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细胞存活曲线的临床意义
1:研究各种生物效应与放射剂量的关系. 2:比较各种因素(氧﹑放射增敏剂﹑化学
G1
S DNA合成期
细胞周期时相与放射敏感性
有丝分裂期细胞或接近有丝分裂期细胞 是放射最敏感细胞
晚S期细胞通常具有较大的放射抗拒性 若G1期相对较长,G1早期细胞表现相对辐
射抗拒,其后逐渐敏感,G1末期相对更敏 感 G2期细胞通常较敏感,敏感性与M期相似
.
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肿瘤的增殖动力学
描述肿瘤生长的一些参数 潜在倍增时间（potential doubling
.
靶的概念
所谓“靶”指的是细胞内对放射线敏感的 位点。Lee 1946年在他的“辐射对活细 胞作用”一书中，创立了靶的概念，认 为辐射的生物效应是由于放射线击中了 生物大分子或细胞内对射线敏感的特定 区域并使之电离的结果，并将这个敏感 区域形象的称为“靶”。
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DNA单链断裂
单链断裂的修复过程是受酶控制的
time, Tpot） 是一个理论值,假设在 没有细胞丢失的情况下肿瘤细胞群体 增加一倍所要的时间
决定因素: 细胞周期时间 生长比例
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肿瘤的增殖动力学
描述肿瘤生长的一些参数 细胞丢失因子（cell lose factor） 细胞丢失因子=1-Tpot/Td Td: Tumor volume doubling time
药 物﹑放射保护剂 ﹑不同射线 ﹑以及其 他物理因素) 对细胞放射敏感性的影响.
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生物剂量
生物剂量是指对生物体放射反应程度 的测量.它与物理剂量不一致.因为剂量 率不同,生物效应不一样.
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线性二次模式
线性二次模式(Liner quadratic model, LQ) 电离辐射作用于靶细胞并造成该细胞的损伤 由α 和β两个损伤概率复合而成. 单击致死,损伤与吸收剂量成正比,用α表示. 多击致死,损伤与吸收剂量的平方成正比,用β表示.
射线照射路径上的能 量释放 激发 电离
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化学阶段
激发 电离
化学键断裂 自由基形成
分子结构破坏 修复正常
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生物阶段
分子结构破坏
酶反应
修复 基因变异/癌变
DNA不能复制/ 有丝分裂停止
细胞死亡
.
电离辐射的直接作用和间接作用
辐射导致的DNA分子断 裂分为两类：直接作用 (direct effect)和间 接作用(indirect effect)。直接作用是 指射线直接作用于DNA 分子，使DNA 分子发生 损伤而导致断裂。间接 作用是指辐射可使水分 子产生自由基，自由基 作用于DNA分子并使之 断裂
T
T
C
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DNA双链断裂 染色体断裂
一般认为，引起 DNA损伤并最终导致细胞 死亡的主要是 DNA的双链断裂。这主要 是由于在实验中发现辐射引起的单链断 裂可以大部分得到修复，而双链断裂不 易修复， 且修复的过程中有可能发生的 修复差错
A T
C
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细胞存活曲线
细胞存活:经射线照射后,细胞仍具有无限 增殖能力称为细胞存活.如没有无限增殖能力, 即使形态完整,有有限分裂能力,但不 能传种接代,也称为细胞死亡.
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DNA是放射线对细胞作用最关键的靶
➢微辐射研究显示：用放射线杀死细胞时，单 独照射细胞浆所需的照射剂量要比单独照射细 胞核大得多。 ➢放射性同位素（如3H,125I）掺入核DNA可有效 地造成DNA损伤并杀死细胞。 ➢受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密 切相关。 ➢当特异地把胸腺嘧啶类似物，如碘脱氧尿核 苷或溴脱氧尿核苷掺入染色体时可修饰细胞的 放射敏感性。