电离辐射生物学效应

电离辐射生物学效应南方医科大学放射医学系周美娟电离辐射生物学效应

ionizingradiationbiologicaleffect电离辐射将能量传递给有机体，从而引起的有机体所有改变。包括分子的变化、细胞功能的变化、代谢的变化、结构的变化等等电离辐射对生物大分子的作用电离辐射对细胞的作用组织器官的效应电离辐射生物学效应的分类和影响因素电离辐射对生物大分子的作用一基本原理（1）*自由基（freeradical）：独立存在、带有不成对电子（一个或多个）的原子、离子、分子或基团。形成自由基的方式：直接作用自由基间接作用

直接作用间接作用(1)间接作用(2)间接作用(3)氧效应（OxygenEffect）：受照组织、细胞或者溶液系统，其辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加的现象对生物大分子产生的影响遗传物质蛋白质和酶¶分子结构¶分解代谢¶合成代谢电离辐射对DNA的损伤DNA分子结构的损伤碱基的改变DNA链断裂分子交联二聚体形成氢键断裂碱基的破坏与脱落：（1）原发自由基可使嘧啶碱基5，6双键发生加成作用（2）使胸腺嘧啶上的－CH3被氧化成－COOH受伤碱基，被糖基酶作用于糖苷键，并把它水解下来，从而造成碱基的脱落。碱基的取代和转换射线于作用后，碱基失去与糖结合的稳定性，DNA复制期间，一些碱基拟似物也可取代碱基，或发生错误碱基的参入等，干扰和破坏了DNA链上正常的核苷排序，诱发突变。射线诱发DNA碱基损伤和突变是射线致癌的主要机制。（一）碱基的改变类型：单链断裂（SingleStrandBreak，SSB）双链断裂（DoubleStrandBreak，DSB）机理：1碱基受伤后引起DNA链的断裂2糖受伤后引起DNA链的断裂（二）DNA链断裂（三）分子交联（Cross-linking）

DNA－DNA交联；DNA－Pr交联。（四）二聚体(Dimer)形成

主要类型：胸腺嘧啶二聚体（T

T）；10胸腺嘧啶－胞嘧啶二聚体（T

C）；7胞嘧啶二聚体（C

C）；2（五）氢键断裂

DNA合成抑制

机理（1）DNA模板受到破坏（2）MIT膜结构受到破坏，功能障碍，细胞氧化磷酸化受到抑制，能量代谢障碍；（3）DNA合成所需的四种脱氧核糖核苷酸形成障碍；（4）DNA合成有关的酶活性降低等。DNA分解代谢增强机理：辐射破坏了溶酶体膜和细胞核膜等膜结构，DNAase释放和DNA接触等三电离辐射对Pr和酶的影响

（一）分子结构破坏

机理：肽键断裂二硫键还原羟基氧化（二）合成代谢的影响总体规律：大部分受到抑制，但有少数例外，有的蛋白质合成可呈现增强的现象，有些呈现双向。血清蛋白质：总量很少发生改变，但组分变化明显。白蛋白减少，球蛋白增多，白球比（A/G）降低；球蛋白中α－球蛋白显著增多，γ－球蛋白也增多，但γ－球蛋白变化不稳定，常有减少或者略有增多，α/γ比值显著增大。其原因不明。尽管蛋白的合成代谢情况比较特殊，但是受照后，蛋白质的净合成仍然是降低的。（三）分解代谢增强原因：1照后食欲降低、胃肠道消化吸收功能减弱、由于恶心、呕吐等胃肠道功能紊乱，机体处于饥饿状态；2辐射生成的自由基使Pr肽键断裂；3射线破坏胞浆内溶酶体膜结构，释放大量的组织蛋白分解酶类，使Pr分解加速；4氧化磷酸化抑制与代谢障碍，Pr合成抑制。临床检验：尿中氨基酸排出量明显增多,氨基酸尿是低水平照射的一个敏感指标：牛磺酸、肌酸、尿素等。第二节电离辐射对细胞的作用一、细胞的辐射敏感性

定义：当一切照射条件严格保持一致时，机体、组织、细胞、器官等对辐射作用的反应强弱和/或速度快慢的不同。*贝戈尼和特里邦杜定律：细胞的辐射敏感性同细胞的分化程度成反比，同细胞的增殖能力成正比

辐射敏感细胞：造血细胞，小肠上皮细胞、肿瘤细胞二细胞周期的变化

细胞周期（cellcycle）

一次有丝分裂开始到下一次有丝分裂开始为止称为细胞周期，也叫有丝分裂周期，所经历的时间称为有丝分裂周期时间或细胞周期时间。细胞周期包括有丝分裂期（M期）、分裂间期（G1期、S期、G2期）。G1期：代谢活跃，合成DNA合成所需的酶类、各种RNA、结构蛋白等。

非增殖性细胞，可自G1期进入相对静止的G0期，或停滞在G1期；增殖性细胞的增殖率可由部分停留在G1期的细胞数量来调节。S期：完成DNA复制及组蛋白等的合成。继续合成RNA，并形成有丝分裂所需的细胞器（如中心粒等）。G2期（复制后期）：继续合成RNA及有丝分裂所需的特异性Pr，中心粒移向两极。M期：前期：染色体浓缩成染色单体,胞浆内出现中心粒和纺锤体。中期：染色体排列在赤道部，形成中期板，纺锤丝开始和中期板上的着丝点相连，中心粒移向细胞两极。后期：胞体变成椭圆形，各对着丝粒沿纺锤体向两极分开，开始将子染色体拖向两极。末期：子染色体已经拖向两极，细胞表面出现裂沟，发生细胞分裂，形成两个子核。M期持续时间短，仅约1h，占细胞周期的很小一部分。细胞周期的辐射敏感性（1）处于或接近有丝分裂期的细胞最敏感（2）S早期敏感性高，S后期具有抗性（3）如果G1期长，则早期具有抗性、晚期敏感（4）G2期通常都敏感，大致与M期相等。G2阻断（G2block）受照细胞由G1期和S期移入G2期，因剂量不同而延缓不同时间才进入M期，在分裂前被阻滞于靠近G2期中期的某一特定点。此即G2阻滞（G2阻断）。G2阻断是辐射引起的最重要的可逆性周期阻滞。三染色体畸变（1）

定义：细胞在分裂过程中染色体数量和结构发生的变化。分类：

染色体数目的改变：着丝粒不分离非整倍体染色体结构的改变：染色单体型畸变染色体型畸变三染色体畸变（2）

染色体型的畸变：G1期，S早期,染色体以一条丝状行使功能,此时受照,细胞经过S晚期的DNA复制和有丝分裂期,在子代细胞中产生畸变的染色体,此即为染色体型的畸变。(常见，且稳定)染色单体型畸变：染色体复制后(S期、G2期)，射线导致的染色单体一条臂上发生的断裂等畸变。(少)几种较有意义的染色体型畸变类型四细胞损伤

第一类：致死性损伤（lethalDamage，LD）

间期死亡（intermitoticdeath，interphasedeath）

增殖死亡（reproductivedeath）

第二类：亚致死性的损伤第三类：潜在致死性损伤。间期死亡定义：又称非有丝分裂死亡、即刻死亡等，指细胞受较大剂量（100Gy或更大）照射后，不经有丝分裂，在几个小时内就开始的死亡。机理：1核结构破坏；2通透性障碍；3能量代谢障碍。增殖死亡

定义：又称有丝分裂死亡、分裂死亡、延缓死亡或代谢死亡。即细胞受照后经历1个或几个有丝分裂周期后，丧失了继续增殖的能力而引起的死亡。机理：细胞受照后，DNA分子的损伤和错误修复、染色体畸变导致有丝分裂的障碍等。亚致死性损伤

定义：细胞受到辐射损伤不足以使细胞死亡，这种损伤在正常情况下于几小时内修复。该修复机制称为亚致死性损伤修复（SubleathalDamageRepair，SLDR）。在临床肿瘤放疗中，分割剂量照射就是利用肿瘤细胞无SLDR，而人体正常组织存在SLDR。潜在致死性损伤

定义：是受照射后环境条件影响的损伤，在一定条件下损伤可以修复。这种PLD的修复机制称潜在致死性损伤修复（PotentiallyleathalDamageRepair，PLDR）。适合的环境：照射后，细胞处于次优条件时，也就是不利于分裂的环境中。PLDR的机理并不清楚。

剂量存活曲线定义：反应照射剂量和细胞存活率之间关系的曲线。

两种形式:1、简单的指数曲线，2、带有“肩”区的指数线。照射剂量照射剂量存活率存活率nDqD01－1e1－1eD01Dq:拟阈剂量

D0：平均致死剂量（meanlethaldose）

n：外推值D37：单击单靶模型；单击多靶模型；多击多靶模型平均致死剂量D0：剂量存活曲线直线部分斜率的倒数，即在剂量存活曲线的直线部分，存活率每降低到原来的37%时所需的剂量。拟阈剂量Dq：剂量存活曲线的直线部分的反向延长线与存活率为100%时所作的X轴的平行线的交点所对应的剂量。D37：存活率从100%降低到37%所需要的剂量N：外推值，剂量存活曲线直线部分的延长线和y轴交点所对应的值。反应细胞内的敏感位点。D0：=D37+Dq第三节组织器官的辐射效应

一造血、血液器官

造血干细胞的损伤：辐射敏感性高，P死亡随D增加而增加。但有人发现该细胞存在两个敏感亚群，其一对射线极为敏感，但另一亚群对射线不敏感，且不敏感的细胞是以后机体造血重建的基础。造血祖细胞：由造血干细胞分化而来。一、造血、血液器官

对造血调控的影响：造血微环境（基质细胞和细胞外基质）支持并参与调节造血。普遍认为，骨髓基质细胞辐射抗性高；全身受照后，基质细胞集落刺激能力增加，并以此促进机体造血机能的恢复。外周血细胞的损伤：白细胞敏感（尤其是淋巴细胞敏感），其它细胞不敏感。二、消化道

消化道也是辐射敏感器官，其敏感顺序是小肠>胃>结肠。临床表现早期恶心、呕吐小肠粘膜上皮损伤的表现三、神经内分泌系统

就形态而言，是辐射不敏感组织，需要很大的剂量才会引起间期死亡。就机能而言，神经内分泌系统是辐射敏感组织，较小剂量的照射就会出现相应的变化。表现为兴奋后抑制。四、对心血管系统的作用心血管系统对电离辐射的敏感性较低，10Gy以下的照射主要为造血损伤引起的一些反应，10Gy以上的照射可以看到心内膜下出血点，心肌纤维断裂等，而10Gy以上的射线照射机体后，机体是必死无疑的，目前人类历史上还没有救治成功的，所以电离辐射对心脏的损伤的研究意义不如胃肠道损伤重要。至于血管方面，主要是增加了毛细血管的脆性和通透性。五、对免疫系统的损伤在电离辐射作用时，机体的特异性免疫和非特异性免疫都受到了损伤，例如，射线照射能破坏皮肤粘膜，从而导致皮肤粘膜屏障功能的破坏，射线还能导致巨噬细胞功能丧失，射线还可以破坏免疫细胞的活性等等。第四节

生物学效应分类和影响因素生物学效应分类按照射方式：外照射内照射局部照射（腹部>胸部>头部>四肢）全身照射按照射剂量率：急性效应慢性效应按出现时间：早期效应远期效应（>6个月）按表现个体：躯体效应（个体本身）遗传效应（后代）按效应的发生和照射剂量的关系：组织反应：也称为确定性效应、非随机性效应，是指发生的效应的严重程度和照射剂量的大小成正比，而且存在阈剂量的效应。随机性效应：是指效应的发生率（而非严重程度）与剂量的大小有关，不存在阈剂量的效应。

遗传效应和辐射致癌效应就属于随机性效应。剂量剂量几率严重程度阈值随