医学辐射防护学课件 03辐射的生物学作用原理

T1/2=2.3×10 -4s。为还原性自由基，在酸性条件 下可与H+或H2O2反应形成H·自由基；在有氧条件 下则易被氧捕获成超氧化物阴离子（O2-）：
eaq
+ O2→O2-
剌团概念
自由基反应发生在很小的反应体积内， 这个小体积叫做剌团（Spurs），其平均 直径为1.5nm，反应发生的时间为10-14～ 10-10s，平均每个剌团约含6个自由基， 在剌团内水自由基可发生复合，导致分 子的次级产物H2和H2O2的形成。
负π介子（π- meson）
质量介于电子和质子之间故称为介子 ，介 子包括π介子（π0，π+，π-）、K介子及ρ介子、 ω介子等。
负π介子通过组织时，靠电离和激发损失其 能量，在其射程末端形成布啦格峰。
重离子（heavy ion）
某些原子核如碳、氮、硼、氖和氩原子被 剥去或部分剥去外层电子后形成的带正电荷的 原子核称为重离子。重离子在放射损伤和放疗 的特点类似于负π介子。
应当强调指出，胚胎和胎儿期受照射的儿童发生 某些类型的癌症和白血病的危险度增高。
(三) 不同组织和细胞的放射敏感性
Bergonie和Tribondeau定律：
一种组织的放射敏感性与其细胞的分 裂活动成正比而与其分化程度成反比的 结论,但卵母细胞和淋巴细胞例外，这２ 种细胞并不迅速分裂，但两者都对辐射 极为敏感。
温度效应temperature effect：溶液系统或机体受照 射时，降低温度或使之处于冰冻状态可使辐射 损伤减轻，这种效应称为温度效应或冰冻效应。
抗 自 由 基 的 氧 化 酶 系 效 应 resistive free radical effect：
电离辐射产生大量的自由基，而在 生物进化的过程中，动物和人类为了自 身保护的需要在自身体内形成了一系列 能清除自由基的酶类，把酶类清除自由 基的效应称为抗自由基氧化酶系效应。 如超氧化物歧化酶等。
三、直接作用和间接作用的相对效应 直接作用或间接作用是相辅相成
稀释效应diluent effect：最大的相对效应发生在最 稀释的溶液中，这就是稀释效应。
氧效应oxygen effect：辐射效应随周围介质中氧浓 度的增加而增加，这种现象称为氧效应
防护效应protective effect：在溶液体系中，由于其 他物质的存在而使一定剂量的辐射对溶质的损 伤效应降低，称为防护效应。
Ｘ和γ射线对生物体的作用基本 相同，它们与组成机体的各种物质 （靶原子和分子）相互作用，产生 光电效应、康普顿—吴有训效应和 形成电子对，转移其能量。从而使 作用的物质电离。
图 3-2
β射线与物质的作用
β射线即电子流 （electron streams）， 带有负电，其质量很小， 其径迹曲折，其实际穿 透深度（射程）小于其 径迹长度。
径迹末端，电离密度明显 增大，形成布啦格峰
1
2
3
4
5
6
7
空气中的射程（cm）
图4-2 α粒子在空气中的比电离曲线
中子与Fra Baidu bibliotek质的作用
中子不带电荷 ，通过组织时不干扰带正电 或带负电的物质，只有在与原子核直接碰撞时 发生相互作用。但慢中子或热中子（能量在 0.5eV以下）易被原子核俘获，而快中子（能 量大于20keV）与原子核主要发生弹性碰撞； 在中子与质子（即氢原子核）的一次相撞中， 中子的部分能量传给质子，产生反冲质子，这 种带正电的重粒子在组织中的速度很快下降， 引起高密度的电离作用。
（七）照射方式
照射方式可以是内照射或外照射和混 合照射。
外照射又可以是单向或多向照射，一
般来说，多向照射大于单向照射。
与机体有关的因素
（一） 生物种系的放射敏感性 总的趋势是：种系演化越高，机体组
织结构越复杂，则其放射敏感性越高 。
（二） 个体发育的放射敏感性
总的来说，放射敏感性随着个体发育过程而逐渐 降低. 胚胎植入前期:照射母体…胚胎大量死亡，人为妊娠 第0~9日，小鼠为0~5日。 器官形成期:受到照射…出现大量畸形。人为第9~42 天，小鼠为第5~13天。 器官形成期后:个体的放射敏感性逐渐下降。
（四）分次照射
同一剂量的辐射，在分次给予的情况下， 其生物效应低于一次给予的效应。分次愈多， 各次间隔时间愈久，则生物效应愈小…….机 理修复
（五）照射部位
当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射的 全身后果最严重，依次为盆腔、头颈、胸部 及四肢。
（六）照射面积
当照射的其他条件相同时，受照射的 面积愈大，生物效应愈显著
书40页的一些参数含义还可参考P66
Ｘ、γ射线与物质的作用
X和γ射线均由光子组成，但来源不同，X射 线由两种原子核外的物理过程产生： ①高速电子在物质中受阻减速，其能量以电磁波形
式释放，其实质是韧致辐射，如电子在高压电场 作用下高速撞击钨钼金属靶而产生； ②高速电子与原子核外内层轨道电子碰撞，使其被 击出，外层能量较高的轨道电子填充该内层电子 留下的空位时，两电子轨道的能级差值以光子形 式释放，产生特征X射线。
α射线与物质的作用
α射线即氦核组成的粒子流，带有2 个正电荷，质量数为4，比电子质量约 大8000倍。
α射线在组织中通过较慢，穿透距离 甚短，外照射危害小。但电离密度较大， 造成的损伤则更为严重。
比
6×104
电
离
5×104
（ 离
4×104
子
3×104
对
/cm
2×104
空
气
1×104
）
0
布 喇 格 峰
物结构中敏感的“靶”区，可引发辐射生 物效应。
认为辐射效应是粒子击中了某些分子 特定(靶)结构的结果。引起生物大分子失 活、基因突变和染色体断裂等都是由于电 离粒子击中了其中的“靶” 。
三种主要的靶数学模型
1.单靶单击模型（one target and onehit model） 生物体仅有一个对射线敏 感的结构，是数学模型的理论基础。 用于生物大分子、某些小病毒、细菌， 在少数情况下，也适用于描述高LET 辐射（如α粒子）所致的哺乳动物细胞 恶性转化。
抗自由基氧化酶系从细胞、器官和动 物机体水平来观察均具有明显的抗辐射 间接损伤的防护作用。
影响电离辐射生物学作用的因素
与辐射有关的因素
（一）辐射种类
（二）照射剂量
规律：剂量愈大，效应愈显著，但并不全呈直线 关系。
半数致死剂量：（LD50）or LD50/30 （三）剂量率
在一般情况下剂量率越大，生物效应越显 著，但当剂量率达到一定程度时，生物效应与 剂量率之间则失去比例关系。
(四) 亚细胞和分子水平的敏感性
DNA>mRNA>rRNA和rRNA>蛋白质
与环境相关因素
温度 降温或冰冻可减轻辐射作用。
氧含量 氧浓度升高后，再给予射线照 射可使辐射损伤程度加重 。
化学物质 物质包括辐射防护剂 （radioprotectors）和辐射增敏剂 （radiosensitizers）
传能线密度与相对生物效应
传 能 线 密 度 (linear energy transfer ， LET) 指 带 电 粒 子 在 组 织 （或其他介质）中经过一定距离时 由 于 碰 撞 而 损 失 的 能 量 。 LET 的 单 位是J/m及eV/m。
图4-4 DNA中不同LET射线的电离密度
OH·(2.6)和eaq- ( 2.6)的G值最大,损伤作用 强
自由基等活性基团的损伤途径
1、自由基破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引 起膜结构的破坏；
2、自由基使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋 白质的失活、结构改变、化学链的断裂，或 使蛋白质交联和聚合，从而影响蛋白质的正 常功能；
3、自由基使糖链的断裂和失活； 4、自由基引起核酸的损伤，造成细胞死亡。
新给出了针对选定的严重确定性效应的
RBET,R 的组织特定值和辐射特定值（P60 表 4-7）。
相对生物效能权重吸收剂量
（RBE weighted absorbed dose，ADT,R） 值定义为：
ADT,R＝DT,R×RBET,R
ADT,R 是某个组织或器官所受剂量的一个 量度，它反映了严重确定性效应发生的危险 性，任何辐射类型对特定组织产生的相对生 物效能权重吸收剂量的数值均可直接进行比 较。
2.多靶单击模型（more target
and one-hit model）
有两个或多个靶存在 ，病毒和细 菌、酵母菌落的多细胞系统、哺乳动 物细胞都需应用多靶模型。
多靶单击模型中又可分为简单的 初始斜率为零的模型和改良的初始斜 率非零的模型两种。
3.线性—平方模型（linear quadratic mode，简称LQ模型）认为单击和多击 效应同时存在，总辐射效应由αD和 βD2的相对重要性决定。与此同时也 提出了DNA双链断裂模型，把细胞 死亡与DNA双链断裂（DSB）直接 联系起来。
质子 (proton)
质子质量是电子的1836倍，是稳定粒子， 平均寿命大于1032年，宇宙射线中质子成份 占83％～89％，质子加速器获得的高能质子 速度快，穿透力强，其能量释放有布啦格峰， 其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤 灶时才会释放大量能量。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、食道 癌、淋巴瘤、眼癌等常见癌症。
RBET,R 的组织特定值和辐射特定值见 表4-7 , 可以应用实践活动的比较。
辐射敏感性（ionizing radiation
sensitivity，IRS）
含义是某种辐射以相同的剂量作用
于不同生物体，或作用于同一生物体的 不同组织及细胞，由于生物体的差异造 成产生的生物学效应不相同，这两种生 物效应的差异称为辐射敏感性，常用同 种辐射引发不同种生物产生相同生物效 能所需的剂量的比值来表示。
电离辐射对蛋白质的直接作用可引起蛋白质 侧链发生变化，氢键、二硫键断裂，导致高度卷 曲的肽链出现不同程度的伸展，空间结构改变。
二、电离辐射的间接作用
间接作用：辐射的能量向生物分子传递时， 通过扩散的离子及自由基起作用，并被生物分子 所吸收而产生的生物学效应称为间接效应或间接 作用
自由基定义：带有一个或多个不配对电子的 分子或原子团。
RBE
X或射线所致某种生物效应 的剂量
某种辐射产生相同生物 效应的剂量
表4-6 不同电离辐射的相对生物效能
辐射种类
RBE
X，γ射线 β粒子 热中子 中能中子 快中子 α粒子 重反冲核 质子
1 1 3 5～8 10 10 20 1-2
应当注意的是RBE的使用必须是在产生
同一种生物效应的条件下比较，因此IAEA最
OH·2.6； eaq2.6； H·0.6； H2 0.45； H2O2 0.75
水自由基的性质行为
羟自由基 OH·是水辐解自由基中致伤能力最 强 ，G值高达2.6～2.7，扩散系数为2.3×10 5cm2/s，属氧化性自由基 。
水化电子（ eaq ）的放化产额与OH·相似， 但扩散速度比OH·快，在中性水中半衰减期
间接作用主要是指辐射通过水的原发射解产 物等对生物大分子的作用，引起后者的损伤。
水辐解有以下产物：
H2O→，H·，OH·，eaq- H2，H2O，H3O+等
G值的含义(放化产额)
带电粒子及其次级粒子在水中被阻止 时，每损失100eV所产生的特定产物数目， 不同降解产物的G值不同，下边是常见的辐 射降解产物的G值：
第四章
辐射的生物学 作用原理
电离辐射与物质作用
电离和激发概念： 参见原子结构图
氦原子结构示意图（图）: 氦原子由原子核与核外电子构
成，核内有2个质子（带正电）、2个中子（电中性），核外 有绕核高速运动的2个电子（带负电）。原子核的半径约占原 子半径的几万分之一。
靶学说：辐射成簇地一次或多次击中生
一、电离辐射的直接作用
射线的粒子或光子的能量被DNA或具有生物功 能的其他分子直接吸收 ，使生物分子发生化学变 化，这个效应为直接效应。电离辐射的这种作用 称为直接作用（direct effect）。
电离辐射对核酸大分子的直接作用，主要引
起碱基的破坏或脱落、单链或双链断裂、氢键破 坏、螺旋结构中出现交联，或核酸之间、核酸与 蛋白质之间出现交联。
相对生物学效能
（relative biological effectiveness，RBE ）
条件：以250kV X射线或60Co的γ射线为基础。
定义：上述X或γ射线引起某种生物效应（往往 以机体某种损伤表示之）所需要的吸收剂量与所 研究的电离辐射引起相同生物效应所需吸收剂量 的比值（倍数），即为相对生物效能。