医学放射生物学PPT课件

医学放射生物学 1 放医专业 授课教师 医学放射生物学 医学放射生物学 2 绪论 医学放射生物学 3 医学放射生物学 4 医学放射生物学 医学放射生物学 medicalradiobology 是放射医学的基础 重点研究电离辐射对机体 特别是人体的影响 它为放射防护 放射损伤和放射治疗提供生物理论依据 医学放射生物学 5 放射生物学研究的主要内容 1 大剂量照射所致淋巴细胞及其亚群的损伤效应2 低剂量照射对淋巴细胞及其亚群的刺激效应3 低剂量照射自由基生物效应的研究4 大剂量照射DNA修复基因的表达及功能研究 医学放射生物学 6 放射损伤 radiationinjuse 即电离辐射作用于身体后引起的损伤 主要来源于外照射的 线 射线或其它射线和进入身体后内照射的放射性物质 医疗照射和治疗 造成损伤的原因是照射剂量过大 医学放射生物学 7 放射损伤 radiationinjuse 还有在应用放射性物质过程中不遵守安全操作规程等 放射损伤分为全身性 放射病 和局部性 放射性灼伤 和复合伤 急性放射病合并放射性灼伤 等种类 医学放射生物学 8 放射医学与防护研究成果的三个方面 1 辐射效应的基础和应用基础研究方面 已形成了相对稳定 不断深入地发展方向和研究体系 例如分子生物学的研究 辐射流行病学的研究 低剂量刺激效应研究和放射复合伤的研究等都取得了长足的进展 在国内外同行中有很大影响 在国际上占有一席之地 医学放射生物学 9 2 放射医学临床与实验研究方面 急性放射病的诊断与治疗取得了很大进展 在某些方面达到国际水平 放射病临床与基础相结合的研究和中西医结合治疗全身和局部放射损伤的研究等都取得了很大进展并具有中国特色 核事故与放射事故医学应急响应也逐步形成了一个比较完整的研究体系 另外 重离子治疗的放射生物学研究已开始起步并取得了可喜的成绩 医学放射生物学 10 3 辐射剂量与放射防护方面 放疗剂量 诊断剂量 核医学剂量 环境剂量 个人剂量 事故剂量 生物剂量和活度剂量等的研究和应用中都取得很大成绩 并引入了一些新的方法和技术 职业照射防护 医学照射防护 人为抗高天然辐射照射的剂量与评价 医疗照射的质量保证和质量控制以及放射卫生法规标准和监督检测等的研究和实际工作都有新的进展 在辐射剂量与放射防护的某些方面已达到国际水平 医学放射生物学 11 概述 射线的发现对科技发展产生深远的影响 1895年12月28日 伦琴 W C Roentgen 发现 射线 1896年1月Grubbe用 射线治疗一例乳腺癌1896年4月danidls报道照射后脱发贝克勒尔 H Becquerel 报道了铀发出的放射性 医学放射生物学 12 概述 不久居里夫妇成功分离出镭 提出了 放射性 1934年约里奥 居里夫妇发现人工放射性 医学放射生物学 13 概述随着 线研究和应用的发现 电离辐射的生物效应 皮肤损伤 及其癌症的报导屡见不鲜 居里夫人因患白血病而亡 约里奥居里夫妇也导致了组织损伤的发生 贝克勒尔把铀放在衣袋内致使该处皮肤烧伤 医学放射生物学 14 临床放射医学研究的内容 医学放射生物学 15 第一章电离辐射生物学作用的物理和化学基础 第一节电离辐射的种类及其与物质的相互作用1 电磁辐射 是以互相垂直的电场和磁场 随时间变化而交变震荡 形成向前运动的电磁波 如 x r 微波 红外线波和紫外线都是电磁辐射 2 粒子辐射 通过消耗自己的能量传递给其它物质 主要有 负 介子和带电重离子 医学放射生物学 16 粒子辐射的种类 粒子 由两个中子和两个质子组成 粒子或电子 带有一个最小单位负电核的粒子中子 不带电粒子负 介子 其质量介于电子和质子之间 重离子 医学放射生物学 17 中子的种类 热中子 能量小于0 5eV中能中子 能量为0 5eV 10keV快中子 能量为10keV 10或15keV特快中子 能量在10 15MeV以上 医学放射生物学 18 第二节电离和激发 一 电离作用 高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的原初过程 二 激发作用 电离辐射与分子相互作用 其能量不足以将轨道电子击出 使电子跃迁到高能轨道上 使分子处于激发态 这一过程称为 激发作用 三 水的电离和激发 医学放射生物学 19 辐射作用于生物大分子或水分子均可引起电离和激发 H2O 激发 H2O H OH H2O电离H2O e H2O H OH HH OH H2O eaq 医学放射生物学 20 水的原发辐解产物 H2O H OH e 水合H2 H2O2 H3O 医学放射生物学 21 水的原初辐解产物的产额 产额G值 OH2 7H 0 55e水合2 7H20 45H2O20 7H H2O3 2 7 医学放射生物学 22 第三节传能线密度与相对生物效能 一 传能线密度 linearenergytransfer LET 指直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量 其单位为J m 常用keV m表示 1keV m 1 602X10 10J m 医学放射生物学 23 二 相对生物效能 Relativebiologicaleffectiveness RBE 相对生物效应的定义 X射线 250kV 引起某一生物效应所需剂量与所观察的辐射引起同一生物效应所需剂量的比值 即 X标准射线产生生物效应的剂量RBE 所观察辐射引起相同生物效应的剂量 医学放射生物学 24 或 所观察的辐射产生的生物效应RBE 相同剂量标准射线产生的生物效应 医学放射生物学 25 三 两者的关系 1 RBE与LET呈正相关关系2 当LET 10keV m时 RBE随LET上升很小 3 当LET 10keV m时 RBE随LET增大迅速上升 4 当LET 100keV m时 RBE随LET增大而下降 医学放射生物学 26 第四节自由基 一 自由基的定义和特性 一 自由基 freeradical 的定义自由基是指 能够独立存在的 含有一个或一个以上未配对电子的任何原子 分子 离子或原子团 单独占有原子或分子轨道的电子 二 自由基的理化特性 1 自由基具有未配对电子 易与其它电子形成配对键 故具有很高的反应活性 见P14 15 2 自由基的半寿期 羟自由基为本10 10 10 9s水合电子为2 3X10 4 医学放射生物学 27 二 活性氧与氧自由基 活性氧 是指氧的某些代谢产物和一些由其衍生的含氧物质 统称为活性氧 1 氧的单电子还原物 如O2 和O 以及HO2 和 OH 2 氧的双电子还原物H2O2 3 烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO ROO 4 处于激发态的氧 单线态氧和羟基化合物 医学放射生物学 28 二 活性氧与氧自由基 所有含氧自由基都是活性氧 activeoxygenspecies 活性氧可以通过生物体内的金属离子介导或酶的催化反应相互转变 清除O2 的超氧化物歧化酶 SOD 清除H2O2的过氧化氢酶 CAT 医学放射生物学 29 三 自由基对生物分子的作用 1 自由基对DNA的损伤作用 1 碱基的损伤 OH和 H自由基与嘧啶碱基可发生加成和抽氢两类反应 2 核糖的损伤 单 双链断裂与DNA的碱基缺失 3 磷酸基的损伤2 自由基与脂质过氧化 生物膜的损伤 脂质过氧化作用是由于氧自由基攻击了生物膜磷脂中的多不饱和脂肪酸引起 形成脂质过氧化物对细胞造成损伤 如LPO 医学放射生物学 30 3 脂质过氧化作用对细胞的损伤机制 生物膜主要由脂质和蛋白质组成 脂质中含有最多的成分是磷脂等 1 细胞膜功能的改变 膜结构的刚柔特性 增加膜的通透性 甚至发生崩解 2 脂质过氧化过程中形成的活性氧对酶和细胞其它成分的损伤 3 脂质过氧化物的代谢产物对蛋白质的损伤及其成分的毒性效应 医学放射生物学 31 四 抗氧化防御功能 1 抗氧化酶类 清除自由基酶类的统称主要有超氧化物歧化酶 superoxidedismutaseSOD 过氧化氢酶 CAT 和过氧化物酶 Peroxidase 等 SOD是一组金属酶 氧自由基 O2 的专一酶SOD的三种类型 CuZnSOD MnSOD和FeSOD 分别存在于细胞的不同部位 p16 17 医学放射生物学 32 五 抗氧化酶的辐射防护作用 辐射防护是放射生物学工作者面临的一个重要课题 1 SOD对脂质过氧化与生物膜损伤的防护作用 2 SOD对造血干细胞与骨髓损伤的防护作用 照前及照后给予SOD使小鼠WBC与RBC下降减轻 3 SOD对小鼠存活率的影响 照前注射SOD使受照小鼠死亡率降低 医学放射生物学 33 SOD对照前小鼠红细胞数变化的效应 X S 照射量红细胞数 X10 9 ml Gy 0 1mol LNaCl 对照 SOD 35 g g 4 07 8 0 678 56 0 965 54 99 0 468 29 0 53 6 753 34 1 047 39 0 77 010 57 0 2010 53 1 26 医学放射生物学 34 6 5Gy辐照后小鼠死亡率 n 48 SOD mg Kg体重 30d死亡率 对照 0 1mol LNaCl85152635217045 10032 医学放射生物学 35 第五节直接作用与间接作用 一 直接作用 电离辐射的能量直接沉积与生物大分子 引起生物大分子的电离和激发 破坏机体的核酸 蛋白质 酶等具有生命功能的物质 二 间接作用 电离辐射首先直接作用与水 使水分子产生一系列原发辐射分解产物 然后通过水的辐射分解产物再作用于生物大分子 间接作用的几个效应如下 医学放射生物学 36 1 稀释效应一定数量的电离辐射产生固定数量的自由基 如果是间接作用 失活溶质分子数 与固定数量的自由基有关 与溶液浓度无关 失活分子的百分数随溶液浓度增加而下降 p19 医学放射生物学 37 2 氧效应 受照射的组织 细胞或溶液 其辐射效应随氧浓度的增加而增加 这种现象在放射生物效应中称为氧效应 Oxygeneffect 治疗肿瘤时瘤细胞在增加氧的条件下 辐射敏感性增高 可提高治疗 p19 医学放射生物学 38 3 保护效应受照射体系中由于有其它物质的存在 使辐射对溶质的操作效应减轻 4 温度效应降低温度或置于冰冻状态可使辐射损伤减轻 医学放射生物学 39 第六节氧效应与氧增强比 一 氧效应 受照组织 细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增高 二 氧增强比 OER 指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值 三 氧浓度对氧效应的影响四 照射时间对氧效应的影响五 氧效应的发生机制 医学放射生物学 40 LET与OER的关系 氧增强比 OER 为LET的函数 低LET 射线 OER 2 5 3 0 随着LET增加 OER快速下降 这与RBE的迅速上升位置是相同的 LET约等于100keV m的地方 医学放射生物学 41 第七节靶学说和靶分子 一 单击模型二 多击模型三 单靶与多靶模型四 DNA双链断裂模型五 靶分子 医学放射生物学 42 第八节辐射增敏及辐射防护 一 辐射增敏剂1 DNA前体碱基类似物2 乏氧细胞增敏剂3 巯基抑制剂4 类氧化合物5 其它 医学放射生物学 43 二 辐射防护剂 1 硫氢化合物 含SH基 巯基乙酸 谷光甘肽 色氨酸 胱氨酸及半胱氨酸2 具有碱基功能胺类 组胺及5 羟色胺3 生物反应修饰剂 内毒素 植物多糖 雌激素等4 中药制剂 如姜黄 云脂多糖 榄香烯等 医学放射生物学 44 第九节影响电离辐射生物效应的主要因素 影响生物效应的主要因素有两个 一 与辐射有关的因素1 射线的种类 电离密度和穿透能力是影响生物学作用的重要 因素 2 辐射剂量照射剂量与生物效应之间存在一定的相依关系 LD50 总的规律 是剂量愈大 效应愈显著 但不完全呈线性关系 医学放射生物学 45 半数致死量 LD50 定义 将引起被照射机体死亡50 所需的剂量称为半致死剂量 LD50 作为衡量机体放射敏感性的参数 LD50愈小 机体放射敏感性愈高 LD50 30表示30日内引起动物或人50 死亡的剂量 见P30 医学放射生物学 46 3 辐射剂量率 辐射剂量率 是指单位时间内机体所接受的照射剂量 常用Gy d Gy h Gy min或Gy s表示 在一般情况下 剂量率与生物效应呈正比关系 要引起急性放射损伤必须要达到一定的剂量率阈值 医学放射生物学 47 4 分次照射 分次照射是指同一剂量的辐射 分次照射所产生的生物效应低于一次照射 分次愈多 分次间隔时间愈长 生物效应愈小 医学放射生物学 48 5 照射部位 机体受照部位不同 所产生的生物效应亦不尽相同 其严重程度为腹部 盆腔 头颈 胸部 四肢 医学放射生物学 49 6 照射面积 内照射7 照射方式 外照射 单向或多向 混合照射 医学放射生物学 50 二 与机体有关的因素 放射敏感性 不同器官 组织和细胞的放射敏感性与分裂活动成正比 与分化程度成反比 医学放射生物学 51 1 种系的放射敏感性 随种系演化不同阶段 其敏感性规律是种系演化愈高 机体组织结构愈复杂 放射敏感性愈高 不同动物或不同品系之间辐射敏感性有很大差异 其敏感顺序 豚鼠 狗 人 兔 小鼠 大鼠 医学放射生物学 52 2 个体发育的放射敏感性 总的规律是 放射敏感性随个体发育过程逐渐降低 即越幼稚的动物越敏感 相对成熟的动物 成年动物机体 敏感性较低 医学放射生物学 53 3 不同器官 组织和细胞的放射敏感性 敏感性规律 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 人体各种组织的放射敏感性顺序 1 高度敏感组织 淋巴组织 胸腺 骨髓 胃肠上皮 性腺和胚胎组织 医学放射生物学 54 不同器官 组织和细胞的放射敏感性 2 中度敏感组织 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮 唾液腺 肾 肝 肺组织的上皮组织 3 轻度敏感组织 中枢神经系统 内分泌腺 心脏 4 不敏感组织 肌肉组织 软骨和骨组织 结缔组织 医学放射生物学 55 放射敏感性的特殊规律 一般来讲 对于多种细胞是愈幼稚愈敏感 成熟者不敏感但是对于淋巴细胞来说不符合这个规律 淋巴细胞从幼稚到成熟各个阶段都敏感 医学放射生物学 56 4 亚细胞和分子水平的放射敏感性 生物大分子的放射敏感性顺序 DNA mRNA rRNA和tRNA 蛋白质 医学放射生物学 57 第二章电离辐射的分子生物学效应 医学放射生物学 58 正常DNA分子结构 DNA是一个由4种单位组成的双螺旋大分子 即嘌呤碱 腺嘌呤 A 和鸟嘌呤 G 嘧啶碱 胸腺嘧啶 T 和胞嘧啶 C 这些碱基排列成两条线性列阵 或链 中间以氢键结合在一起 外侧则以非共价键与糖 磷酸残基相连接 DNA骨架 腺嘌呤与胸腺嘧啶配对 A T碱基对 鸟嘌呤与胞嘧啶配对 G C碱基对 使DNA的一条链具有另一条链的互补序列 医学放射生物学 59 第一节电离辐射所致DNA损伤及其生物学意义 医学放射生物学 60 细胞核的放射敏感性 1 用210Po沉积于细胞 用 射线照射核或细胞浆 其胞核的平均致死剂量 1 5Gy 而细胞浆细胞浆受照剂量250Gy 其核敏感性要比胞浆大100倍 医学放射生物学 61 2 用氚水与氚标记的3H TdR比较辐射效应 3H TdR是DNA合成的特异前体物质 故可进入细胞核DNA中 而氚水则均匀分布于细胞内 即需要1000倍的氚水才能引起与3H TdR标记产生同等的损伤 医学放射生物学 62 辐射所致DNA损伤的类型 DNA链断裂 DNA碱基损伤 DNA交联一 DNA链断裂单链断裂 singlestrandbreak SSB 双链断裂 doublestrandbreak DSB 医学放射生物学 63 1 DNA断裂的分子机制 由于磷酸二酯键或脱氧戊糖的破坏 由于碱基破坏或脱落形成链上的不稳定位点 1 脱氧戊糖和磷酸二酯键的破坏由于辐解产物 水合电子 羟自由基和氢自由基 的形成 DNA断裂主要与羟自由基的作用有关 医学放射生物学 64 2 碱基的损伤在充氧情况下的照射 碱基的损伤主要是由于羟自由基 OH 所致 医学放射生物学 65 测定DNA碱基损伤的方法 1 气相色谱 质谱法2 碱几基切除修复酶识别法3 胸腺嘧啶乙二醇的超敏感方法 将抗体检测与毛细管电泳相结合 医学放射生物学 66 2 不同条件下辐照所致DNA链断裂 A 充氧情况下使糖基 脱氧戊糖 破坏 引起DNA链断裂 B 固态下照射DNA 脱氧戊糖破坏 DNA链断裂C 细胞中DNA受照后引起的链断裂在碱性条件下测定DNA链断裂 医学放射生物学 67 3 DNA链断裂的主要特点 1 单链断裂与双链断裂的比值DSB约为SSB的1 10 1 20SSB由一个自由基攻击引起 DSB必须由两个以上自由基引起 一定能量的射线所产生的SSB和DSB有一个大致的比值 但比值不是恒定的 医学放射生物学 68 2 LET对链断裂的影响 各种射线对链断裂效应的顺序 中子 射线 紫外线SSB与DSB的比值与LET的高低有关 随着LET的升高 SSB减少 DSB增多 医学放射生物学 69 低LET辐射所致哺乳动物细胞内DNA损伤的产额 损伤类型产额 每细胞缺陷数Gy 1 单链断裂1000碱基损伤500双链断裂40蛋白质胶联150 医学放射生物学 70 3 氧效应对链断裂的影响 氧效应可增加链断裂的程度 主要原因是氧效应可增加羟自由基的产生 医学放射生物学 71 4 DNA链发生的部位 剂量不同 DNA碱基发生断裂的概率亦不同 当剂量 10Gy照射时 碱基断裂顺序G A T C 当剂量 40 80Gy照射时 碱基断裂顺序T G A C 医学放射生物学 72 5 DNA链断裂与细胞辐射敏感性 DNA的断裂程度与辐射敏感性有关 不同哺乳动物细胞对辐射的敏感性有很大差异 平均致死剂量 D0 亦不同 例P41 医学放射生物学 73 DNA自然断裂的发生 通常情况下DNA断裂的本底水平可达总DNA的百分之几 一般方法难以测量 常引入凝胶模块的方法来解决 医学放射生物学 74 二 DNA交联 DNA交联是指一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合的形式 DNA交联分为三种形式 a DNA链间交联b DNA链内交联c DNA 蛋白质交联 医学放射生物学 75 1 DNA 蛋白质交联 DPC 1 DPC存在的证据用碱性洗脱法检测DPC的形成 将细胞照射后 用蠕动泵将样品收集在微孔滤膜上 用脱氧核糖核酸酶 DNase 消化滤膜上的DPC中DNA 通过同位素 3H或14C 标记观察蛋白质的存留率 可观察到DNA因DPC的破坏被洗脱下来 使膜上残留率下降 医学放射生物学 76 2 氧效应对DPC形成的影响 有氧条件下进行紫外线照射 交联量增加有氧条件下进行 线照射 交联量减少 反之产生的交联反应增强 3 温度对DPC形成的影响过热能增加肿瘤细胞DPC的形成而用于放射治疗的增敏 4 染色质状态对DPC形成的影响 医学放射生物学 77 2 DNA DNA链间的交联 在放射生物学中研究DNA DNA链间的交联的报道较少 在干燥及含25 水的DNA中链间断裂占优势 随着水分子的增加DNA链断裂生成率上升 而链间断裂下降 医学放射生物学 78 3 DNA链内交联 嘧啶二聚体的形成 电离辐射引起二聚体形成很少二聚体形成是紫外线照射引起DNA的特征性改变 二聚体形成是紫外线照射后胸腺嘧啶自由基加合而成 医学放射生物学 79 一 单击模型二 多击模型三 单靶与多靶模型四 DNA双链断裂模型五 靶分子 射线 医学放射生物学 80 DNA双链中一条链断裂者称为单链断裂 SingleStrandBreak SSB 医学放射生物学 81 损伤识别 两条链在同一处或相邻处断裂者称为双链断裂 DoubleStrandBreakBSB 医学放射生物学 82 损伤识别 错配修复 BRCA1 BRCA2 ATM ATR PARP 碱基切除修复 DNA复制 越过损伤合成 基于重复序列的末端连接 hRAD50hMRE11NBS1 非同源末端连接 同源重组修复 人细胞受电离辐射损伤后DNA修复途径中的重要基因 医学放射生物学 83 同源重组修复 hRAD51 hRAD52hRAD54 XRCC2XRCC3 碱基切除修复 hNTH hOGG1HAP1XPGPOL 聚合酶beta XRCC1LIG3 连接酶III 回主页 医学放射生物学 84 二聚体 医学放射生物学 85 三 DNA二级和三级结构的变化 1 增色效应和Tm值 随着DNA大分子发生变性和降解程度增加 其克原子磷消光系数值增大 这种现象称为 增色效应 增色效应是有限度的 当照射剂量不断加大 DNA结构受到进一步损伤 增色效应消失 医学放射生物学 86 2 旋光色散和圆二色性可用原子吸收光谱仪测定3 粘度DNA溶液粘度的改变可反映出DNA结构的改变 医学放射生物学 87 四 DNA损伤的生物学意义 DNA结构的完整与稳定在生物学上有着特别重要的意义 在射线作用下 DNA碱基的损伤或脱落改变了密码 引起基因的突变 医学放射生物学 88 第二节辐射引起DNA功能与代谢改变DNA是遗传的重要物质 受照射后引起DNA分子结构的破坏和代谢的改变 一 DNA合成抑制 用3氢 胸腺嘧啶核苷 3H TDR 掺入法测定DNA合成速率 医学放射生物学 89 一 辐射对DNA生物合成的抑制作用与机制 1 剂量 效应关系DNA合成速率常以放射性同位素标记的前体参入率来测定 常用前体物质有高纯度的3H和14C标记的特异性碱基 电离辐射可抑制3H TdR参入细胞DNA的速率下降 医学放射生物学 90 2 DNA合成抑制机制 1 核苷酸形成障碍 DNA合成 2 能量代谢障碍 3 与DNA合成有关的酶反应受抑制 4 模板损伤引起DNA模板损伤 是在较大剂量照射时发生的 5 对DNA复制过程的影响射线破坏细胞内DNA复制的调控机制 医学放射生物学 91 3 辐射对细胞合成期的影响 1 电离辐射对细胞周期各个阶段产生不同程度的影响 不同种属细胞在细胞间期照射 产生的影响也不同 2 S期DNA合成抑制S期进入G2期的速度减慢 其S期延长 医学放射生物学 92 医学放射生物学 93 医学放射生物学 94 医学放射生物学 95 二 辐射对DNA分解代谢的影响 DNA合成抑制1 电离辐射 DNA代谢增强Dnase 2 DNA降解程度与时间和剂量有关 P50 3 DNA降解的辐射损伤指标 P50 51 医学放射生物学 96 第三节染色质的辐射生物学效应 与DNA损伤修复有密切关系的另一个因素是真核细胞的染色质结构 而染色质包括 DNA 组蛋白 非组蛋白及少量RNA 一 染色质的辐射敏感性1 染色质常染色质 活性染色质异染色质 非活性染色质 染色体 2 核小体 医学放射生物学 97 第四节DNA辐射损伤的修复及其遗传学控制 一 DNA损伤修复的不同类型1 DNA单链断裂的修复绝大多数正常细胞都能修复单链断裂 例 用 射线照射中国仓鼠卵巢细胞 CHO 保温不同时间后测DNA单链断裂修复的程度 医学放射生物学 98 2 DNA双链断裂的修复 用中性洗脱法显示 在 射线100Gy照射后 保温30min 膜上DNA残存量均增加20 左右 说明双链断裂得到了部分修复 P57 医学放射生物学 99 3 碱基损伤的修复 碱基的修复主要是紫外线引起的二聚体改变 受照射后经过保温 可以使二聚体减少 但损伤碱基只是部分修复 医学放射生物学 100 4 DNA修复合成 DNA修复合成不同于细胞增殖过程中的合成 与细胞周期无关 研究确定 称为DNA期外合成或程序外合成 UDS 方法可用3H TdR参入法 医学放射生物学 101 二 DNA的损伤修复机制 1 回复修复定义 回复修复是细胞对DNA某些损伤修复的一种简单方式 包括酶光复活修复 单链断裂的重接和嘌呤的直接插入 酶光复活修复主要是低等生物修复紫外线损伤的一种方式 对于高等生物细胞及人的组织细胞不是主要途径 医学放射生物学 102 2 切除修复 切除修复 通过识别 切除 碱基切除和核苷酸切除 修补 再连接 三个特点 准确 无误 正确修复 3 重组修复 DNA复制 重组 再合成当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机理完成正确的修复 一种情况是两条链同时受到损伤 单链损伤尚未修复发生了复制 医学放射生物学 103 4 SOS修复 细胞处于危急状态下发生的一种修复 故用国际遇难信号SOS命名 5 错配修复错配修复是生物维持生命 保持物种稳定的一种重要功能 从细菌到哺乳动物普遍具有这种修复机制 医学放射生物学 104 recA蛋白 缺口 医学放射生物学 105 杂合双链 杂合双链 医学放射生物学 106 切割 医学放射生物学 107 不同电离辐射对肿瘤细胞DNA掺入率的比较 医学放射生物学 108 电离辐射对不同肿瘤细胞DNA迁移距离的影响 医学放射生物学 109 单细胞凝胶电泳技术检测肿瘤细胞DNA损伤 医学放射生物学 110 脑胶质瘤SHG 44细胞单细胞图片 医学放射生物学 111 药物三氧化二砷 60Co 线照射所致DNA损伤 医学放射生物学 112 第五节电离辐射对转录过程的影响 一 体外照射后RNA的生物合成1 DNA的遗传密码通过以下四个步骤转录入RNA 1 RNA聚合酶与DNA模板的结合2 RNA合成的起始3 RNA链的延伸4 RNA链和RNA聚合酶的释放 医学放射生物学 113 2 细胞受照后RNA的生物合成 3 整体照射后RNA的生物合成 医学放射生物学 114 第六节电离辐射对蛋白质及能量代谢的影响 一 对蛋白质生物合成的影响主要表现为白蛋白减少 球蛋白增多 白蛋白与球蛋白比值降低 二 辐射对蛋白质分解代谢的影响1 牛磺酸牛磺酸是半胱氨酸的代谢产物2 肌酸尿中肌酸排出量增多3 尿素尿素是蛋白质分解代谢的主要最终产物 医学放射生物学 115 第八节辐射所致的能量代谢障碍 医学放射生物学 116 一 糖代谢紊乱 1 线粒体氧化磷酸化的抑制 医学放射生物学 117 3 氧化磷酸化抑制的原因ATP的前体物减少 ATP含量减少 4 能量代谢障碍的后果能量代谢障碍主要为氧化磷酸化的抑制 以ATP合成抑制最突出 ATP水平下降 医学放射生物学 118 四 其它 1 糖原的生成和异生作用的改变 异生作用增强 常常出现高血糖 2 糖糖解作用增强 乳酸含量大增 氧的利用受抑制 3 脂代谢障碍 1 动物体内总脂含量增高 出现脂血症 2 脂肪酸分解代谢减弱 导致脂肪酸堆积 3 肝脏中脂肪的含量增加 导致脂蛋白形成障碍 致使脂肪的外运受阻 医学放射生物学 119 DNA修复机制 医学放射生物学 120 2 核氧化磷酸化的抑制特点 变化出现早 所需剂量小 损伤效应非常明显 为间期死亡细胞所持有 4 水 电解质代谢及酸 碱平衡紊乱 医学放射生物学 121 第三节细胞膜的辐射效应 一 辐射对膜蛋白和膜脂质的影响1 辐射对膜蛋白质的影响2 辐射对膜脂质的影响二 辐射对膜的理化性质和受体功能的影响1 电离辐射对膜理化性质的影响 1 对细胞膜表面电荷的影响 照射后短时间内膜电核减少 2 对膜通透性的影响 脾和胸线细胞核中Na 和K 含量下降 2 电离辐射对膜受体功能的影响 医学放射生物学 122 第四章电离辐射的细胞效应 辐射敏感性的指标 1 对于个体 存活率或半致死剂量 2 对于细胞 多数用克隆形成率表示存活率 染色体畸变率也是常用的评价指标 医学放射生物学 123 第一节细胞的放射敏感性 自然界的各种生物对象在受到电离辐射作用后都表现出一定的损伤 但在同一剂量下引起损伤的程度有很大的不同 或者说 引起同一水平的效应所需要的高低存在很大差异 即为辐射敏感性差异 医学放射生物学 124 一 哺乳动物细胞辐射敏感性的差异 一 不同类型细胞的辐射敏感性高度敏感细胞 淋巴细胞 造血细胞 生殖细胞 肠上皮细胞等敏感细胞 膀胱 食道等上皮 中度敏感细胞 神经节细胞 肌细胞不敏感细胞 软骨及骨 医学放射生物学 125 二 肿瘤细胞的辐射敏感性 各种肿瘤对辐射的敏感性有明显差异 对射线高度敏感的肿瘤 恶性淋巴瘤 精原细胞瘤 肾母细胞瘤等 中度敏感 鳞状上皮癌 分化差的腺癌 脑胶质瘤等 辐射抗性肿瘤 恶性黑色素瘤 软骨肉瘤等 医学放射生物学 126 三 辐射敏感的突变细胞株 小鼠乳癌细胞 SR 1 CHOK1细胞 小鼠L5178Y细胞等数十种 毛细血管扩张性共济失调症 AT 是一种对电离辐射高度敏感的疾病 AT细胞不仅对射线敏感性有关 而且对一些拟辐射的化学因子也敏感 如 新制癌菌素 过氧化氢等 医学放射生物学 127 二 不同细胞周期时相的放射敏感性 一 细胞处于周期不同时相的辐射敏感性对于大多数细胞来说在G1期有一定的抵抗 G1 S边界上敏感性最高 进入S期后抗性又逐渐升高 到G2期与M期细胞又较敏感 甚至达到高峰 医学放射生物学 128 细胞敏感性随周期性变化机理 1 可能是在周期过程中DNA损伤的生成量可能不同 2 内源性的辐射防护因子的变化如 发现淋巴细胞中非蛋白的巯基水平与存活率相应地随周期变化而变化 3 修复水平的变化修复水平与辐射敏感性成反比 医学放射生物学 129 二 细胞周期调控与敏感性的关系 不同辐射敏感性的细胞在受到同一剂量照射后 其细胞周期进程也往往不同 如 AT细胞没有明显的DNA双链断裂修复缺陷 但照后细胞周期延迟情况异于正常细胞 AT细胞的G1期阻滞轻微 但G2明显受到阻滞 医学放射生物学 130 例 P53基因是原癌基因 人肿瘤中发生P53基因突变 P53蛋白功能异常的比例很高 肿瘤对放疗与化疗的抗性是与P53突变有关 P53基因突变的肿瘤细胞对辐射的抗性大大高于具有野生型P53基因的同类细胞 医学放射生物学 131 三 细胞辐射敏感性相关的基因 一 DNA修复基因recA LexA基因等 二 p53抑癌基因及癌基因 三 辐射敏感遗传疾患有关的基因 医学放射生物学 132 四 与敏感性有关的其它问题 一 辐射能否引起细胞抗性增强 实验表明 长时间照射可增加细胞的辐射抗性 二 低剂量照射下的细胞辐射敏感性 实验结果发现 在低剂量区域内具有高敏感性 接着出现抗性 医学放射生物学 133 五 肿瘤细胞辐射敏感性预测 一 肿瘤细胞离体照射后的存活率照射后的细胞克隆存活率是细胞内辐射敏感性的主要特征 二 DNA双链断裂修复能力 修复速率 半修复时间表示修复的参数 照后经一定时间修复 残余损伤 医学放射生物学 134 三 细胞增殖状态 用流式细胞光度计测定嘧啶核苷的标记率 细胞DNA的倍数 预测肿瘤倍增时间 细胞增殖抗原等指标 四 其他微核率 酶类的测定 医学放射生物学 135 六 影响辐射损伤与修复的因素 一 DNA修复水平与细胞辐射敏感性1 初始DNA双链断裂数2 染色质结构的影响3 DNA双链断裂的修复情况 二 细胞周期调控 三 敏感相关的基因 医学放射生物学 136 第二节电离辐射引起细胞死亡及其机制 细胞受到电离辐射作用后诱发DNA损伤 细胞周期调控紊乱及严重的细胞学后果 细胞死亡 医学放射生物学 137 辐射敏感性与细胞周期 哺乳动物细胞的辐射敏感性随周期不同而不同 通常在DNA合成期 S期 抗性高 G2 有丝分裂和G1期抗性最低 一 细胞死亡的类型 医学放射生物学 138 增殖死亡 是指受照细胞丧失了持续增殖的能力 在经过一个或几个有丝分裂周期后丧失代谢活动和细胞功能而死亡 又称代谢死亡或延缓死亡 医学放射生物学 139 间期死亡 是指受照射细胞未经细胞分裂即在间期死亡 测定增殖死亡采用体外细胞集落培养法 观察单个细胞在一次或数次分裂后不能形成一个克隆 则认为死亡 间期死亡辨认最常用的是染色排斥法 伊红 台盼蓝或氨基黑等染料 活细胞不着色 死细胞可被染色 医学放射生物学 140 细胞坏死 necrosis 突然及严重损伤所造成的细胞意外死亡 这种损伤包括电离辐射 严重的感染 剧烈的炎症 烧伤或其他形式的创伤以及化学损伤等 医学放射生物学 141 二 细胞凋亡 apoptosis 细胞凋亡是指维持内环境稳定 由基因控制的细胞自主的有序的死亡 包括生理性的程序性死亡 programmedcelldeath 医学放射生物学 142 一 细胞凋亡的形态学特征及判定指标 细胞凋亡和细胞死亡的区别特征凋亡坏死形态学变化染色质浓缩 边缘化 细胞与细胞器肿胀破裂染色体断裂 细胞膜泡核固缩状突起 凋亡小体形成生化变化DNA降解 电泳呈梯状DNA弥散降界解 电泳谱 胞内钙浓度失衡 特呈拖曳谱 胞内钙浓异蛋白酶出现 谷氨酰胺度无变化 蛋白质水转移酶活性升高 有合成解酶作用 谷氨酰胺代谢转移酶活性无变化 合成代谢终止 医学放射生物学 143 一 细胞凋亡的形态学特征及判定指标 细胞凋亡和细胞死亡的区别特征凋亡坏死炎症反应无炎症反应有炎症反应 波及周围细胞分布凋亡细胞分散于同一区域各种细胞同时受累正常细胞间细胞结局凋亡小体被吞噬细胞崩解形成原因见于程序性细胞见于病理损伤死亡和某些病理状态 由基因调控 医学放射生物学 144 对照组SHG44细胞形态完整 伸出典型的细小突起 AO EB染色后细胞核呈明亮的绿色 胞膜光滑 医学放射生物学 145 4Gy照射后SHG 44细胞 红色为死亡 棕色为凋亡 医学放射生物学 146 坏死细胞 核染色质着橘红色 医学放射生物学 147 处理组4Gy细胞凋亡 医学放射生物学 148 照射后细胞伸出细小突起 核呈黄绿色 核形态不规则 胞膜光滑 可见晚期凋亡细胞 医学放射生物学 149 大剂量照射出现丝状突起 核呈黄绿色 核形态不规则 多数核碎裂 出现微核样或凋亡小体样核碎片 胞膜不完整 医学放射生物学 150 第三节细胞存活的剂量效应关系 一 细胞存活的剂量效应曲线1 所谓存活即 具有增殖能力的造血细胞 离体培养细胞 肿瘤细胞等 在离体培养中 一个细胞可繁殖成一个群体 成为 集落 某一剂量照射后形成的集落数存活分数 接种的单个细胞数xPE 接种效率 医学放射生物学 151 2 几种存活曲线的数学模型图 D0 受照细胞群体的平均致死量 meanlethaldose D0愈小 斜率愈大 细胞放射敏感性愈高 D37 引起细胞 或酶分子 63 死亡 或灭活 的照射剂量称之为D37剂量 有37 的细胞存活 LD50 30天内50 的动物死亡所需要的剂量 医学放射生物学 152 第四节辐射诱导的细胞损伤及其修复 医学放射生物学 153 一 细胞辐射损伤的类型可分为 1 致死性损伤 LethalDamage LD 最终导致细胞死亡 2 亚致死性损伤 SublLethalDamage SLD 如在几小时内不能修复 可形成致死性损伤 3 潜在致死性损伤 PotentiallyLethalDamage PLD 可修复 组织损伤修复可发生于三个水平 组织水平 细胞水平 分子水平 医学放射生物学 154 二 细胞损伤的修复1 亚致死性损伤的修复2 潜在致死性损伤的修复三 影响细胞放射损伤修复的主要因素 1 辐射的种类2 剂量率 3 氧效应与分次照射 4 增温 5 放射增敏剂与防护剂 6 增温 医学放射生物学 155 第六节辐射对细胞功能的影响 一 辐射对细胞的分泌功能垂体细胞 生殖细胞等二 生理防御功能细胞吞噬功能 腹腔 肺 脾及纤毛运动 三 淋巴细胞归巢在循环淋巴细胞由血液移行到特定的淋巴组织或其它器官组织称为淋巴细胞归巢 医学放射生物学 156 思考题1 细胞周期时相的辐射敏感性2 环境对细胞敏感性的影响因素 3 细胞死亡的类型 何为增殖死亡和间期死亡 细胞凋亡 4 细胞损伤与修复的类型 医学放射生物学 157 第七节辐射诱导的细胞突变及恶性转化 医学放射生物学 158 第五章电离辐射对调节系统的作用 90年代初 大量研究表明神经内泌系统与免疫活性细胞及细胞因子的存在联系 提出了下丘脑 垂体 肾上腺轴与免疫调节互相影响 证实了促肾上腺皮质激素 ACTH 受IL 1的调节调节 小剂量照射后ACTH升高 医学放射生物学 159 第一节神经系统的变化一 神经系统的辐射敏感性 一 衡量辐射敏感性的依据不同 1 以机能反应神经系统的敏感性是很高的 1cGy以下的照射即可引起反应 2 以形态结构衡量神经系统的放射抵抗性较高 需要特大剂量 100Gy 才会引起反应 医学放射生物学 160 二 胚胎时期受照对神经系统的影响 1 妊娠期或后期受照 对胎儿中枢神经系统产生的影响是不同的 后者易发生小头畸形 多数发生智力发育障碍 2 出生前受照可导致神经系统异常 医学放射生物学 161 二 急性照射对神经系统的影响 一 神经系统的机能改变1 高级神经活动的变化动物受照剂量 0 1 2 0Gy 作用 出现条件反应异常 照射剂量愈大愈明显 可分为三个时项 P162 2 神经系统形态变化当受到低于LD50剂量时 主要为神经细胞的充血 水肿 无明显形态学变化 医学放射生物学 162 3 神经系统的生化变化4 特大剂量照射引起的神经系统变化 100Gy的照射 临床上出现共济失调 抽搐 昏迷等 实验室 可出现神经细胞的变性坏死 神经胶质细胞的增生 胶质细胞包绕变性和坏死的神经细胞 形成 卫星现象 又称 噬节现象 医学放射生物学 163 三 低剂量照射对神经系统的影响长期小剂量照射临床上主要出现神经衰弱症候群 神经细胞对辐射的抗性并不是没有损伤 在治疗儿童神经管胚细胞瘤过程中 发现随着放疗的延长 会导致记忆力减退 严重的可丧失记忆 医学放射生物学 164 第二节内分泌系统的变化 一 垂体垂体局部受到大剂量照射后导致 生长激素 GH 和促性腺激素 GTH 分泌受抑制 全身受照可引起促肾上腺素 ACTH 促甲状腺素 TSH 分泌增多 医学放射生物学 165 第六章 电离辐射对造血 血液系统的作用 医学放射生物学 166 电离辐射作用于机体后 通过物理 化学和生物学的复杂机理 DNA等大分子损伤 出现细胞 组织 器官 系统及整个机体功能代谢和形态的辐射损伤 医学放射生物学 167 辐射血液学的研究历史 自1895年伦琴发现 射线后 辐射对血液的观察得到足够的重视 造血组织的损伤是急性放射病的主要病理生理基础 造血器官变化出现早 具有明显的时项性 可作为分类诊断和判断预后的依据 医学放射生物学 168 一 造血干细胞1 造血干细胞 HemopoieticStemCell 亦称PluripotentHemopoieticStemCell 造血干细胞是一个具有自我更新能力并有进一部分化为各系祖细胞潜能的低分化细胞团体 它是由胚胎间叶细胞发育而来的最原始的造血细胞 主要存在于骨髓中 约占骨髓有核细胞总数的0 05 外周血中少量存在 第一节 造血器官的正常结构与功能 医学放射生物学 169 2 造血干细胞的主要作用1 具有向各类血细胞分化的能力 2 具有潜在的自我更新能力3 特征 自我复制 迅速增殖 多向分化 表达特征为CD34 CD38 医学放射生物学 170 4 如何辨认造血干细胞 造血组织中的造血干细胞至今在形态上尚无法辨认 因为它的结构和小淋巴细胞相似 只能从造血干细胞的功能上加以认识 方法 在培养体系中加入一定量的细胞团 生成的细胞团数与种入的骨髓细胞数之间呈线性关系 在琼脂培养中每生成一个细胞团 成为一个细胞团生成单位 主要由粒系组成 是一类向粒系细胞方向继续分化的支干细胞或定向干细胞 医学放射生物学 171 二 造血微环境 一 概念 造血微环境是造血干细胞在造血组织内赖以增殖和分化的微观区段 即造血干细胞在造血组织内增殖和分化的场所 也叫干细胞的窝 二 造血微环境的作用a 造血微环境对造血干细胞有识别作用 b 造血微环境对造血干细胞有引导作用 c 造血微环境有调节其定居 增殖 分化作用 医学放射生物学 172 三 正常造血过程几个转移 1 卵黄囊造血人在妊娠2周开始开始造血 这是第一代造血 时间短 以天计算 在胚胎4个月可完全消失 2 肝脏造血 妊娠40天以后 卵黄囊造血趋向衰竭 肝脏开始造血 称第二代造血 3 骨髓造血 妊娠5周开始 胚胎4个月后 肝脾造血功能明显减弱 骨髓成为体内最主要的造血器官 医学放射生物学 173 四 造血器官中干细胞数量比较 造血组织胚胎 4 5个月 成体 红骨髓7 8 1054 4 107肝脏6 0 10625脾脏6 0 1051 0 106 医学放射生物学 174 五 造血细胞的更新系统 一 各类细胞的更新均有以下四个池 1 干细胞池在骨髓内2 增殖池在骨髓内3 成熟储存池一半在骨髓 一半在血液 4 机能池在血液中 医学放射生物学 175 二 淋巴细胞的更新 淋巴细胞 分T细胞与B细胞两个亚群T细胞 负责细胞免疫 主要由胸腺 脾和淋巴结分化产生 B细胞 负责体液免疫 主要由骨髓造血干细胞分化而来 T B亚群细胞的功能 医学放射生物学 176 第二节 急性全身外照射对造血血液系统的损伤 分型受照剂量病理变化及临床特点 骨髓型1 8Gy以造血系统为主 病情分轻 中 重 极重度胃肠型8 45Gy主要表现为胃肠道症状 大量呕吐 反复腹泻 指使大量体液丧失 电解质紊乱 休克病理变化 肠粘膜水肿 坏死 肠壁变薄 细胞浸润 坏死脱落 医学放射生物学 177 心血管型45 50Gy表现为 心原性休克 心血管性死亡 临床出定向障碍 精神不安皮肤苍白 气喘病理 心外膜点状出血心肌严重水肿 变性 细胞浸润 医学放射生物学 178 脑型 50Gy脑型放射病多为实验动物资料 其主要表现中枢神经系统症状 有肌张力增强 四肢抽 角弓反张 肌肉震 共济失调 全身广泛性出血 组织水肿 短期死亡 主要病理变化 小脑颗粒细胞层大量细胞核 神经细胞变性 坏死 胶质细胞增多及广泛性出血 水肿 很快引起死亡 医学放射生物学 179 一 造血器官的辐射损伤1 造血器官的病理变化特点 照射后出现机能 代谢 形态变化 形态上出现三项基本变化 细胞和组织的退行性变 包括变性和坏死 一方面射线的直接作用 另一方面神经体液的调节障碍 表现细胞核固缩 核碎裂 核溶解 核及胞浆空泡样变以及组织结构的坏死 医学放射生物学 180 循环障碍 包括血管及血窦充血 出血 组织水肿等 代偿适应性反应包括炎症性反应 乏细胞炎症为特征 吞噬清除反应异常 医学放射生物学 181 2 急性放射病临床分期 初期假愈期极期恢复期放射损伤临床课会详细介绍 医学放射生物学 182 3 造血器官的变化 1 骨髓的变化初期 受照后几小时就可观察到 细胞有丝分裂减少 核固缩 核碎裂 线粒体肿胀 两周左右造血机能严重抑制 增殖分化池细胞供应不上 出现临床上的假愈期 极期 骨髓造血细胞基本消失 造血功能完全停止 恢复期 30天左右进入恢复期 医学放射生物学 183 2 淋巴结和脾的变化 实验室检查 受照后短时间内可见淋巴结及淋巴细胞核肿胀 核固缩 核膜消失 淋巴细胞急剧下降 两周后出现淋巴小结及脾小体结构消失 呈无结构状态 医学放射生物学 184 3 胸腺的变化与淋巴结和脾脏基本相同急性放射病LD50 30照射后可出现明显的病理变化 P183 医学放射生物学 185 二 造血细胞的辐射损伤 1 造血细胞的放射敏感性1 造血细胞对辐射敏感性规律 一般规律 幼稚阶段的细胞分裂活动强 则敏感 成熟者敏感性低 是因为成熟细胞不再分裂 医学放射生物学 186 2 敏感性规律及顺序 对于淋巴细胞 与其它系统胞不同 从幼稚到成熟各发育阶段都敏感 淋巴细胞 幼红细胞 幼单细胞 幼粒细胞 巨核