人民卫生毒理学基础第7版第十五章 放射毒理学.pptx

毒理学基础,第十五章放射毒理学,目录,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,第三节放射性核素内照射效应,第四节放射性核素生物效应的分子基础,01,02,03,04,重点难点,1.研究放射性核素对机体造成的生物学效应和机制。2.探索放射性核素作用于机体后最初出现的生物学变化（生物标志），以便及早发现并设法控制或排除。3.定量评定放射性核素的剂量-效应（躯体、遗传）或剂量-反应关系，为制定放射卫生法规、标准及管理条例提供科学依据，为核医学、放射化学的应用及核动力的利用中防止放射性核素的污染提供防护、急救和治疗措施。,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,辐射是存在于宇宙和人类生存环境中的一种物理现象，是一种能量的空间传递。辐射有多种分类方法，根据辐射的来源可以分为天然辐射和人工辐射；根据辐射与物质的作用方式可以分为电离辐射和非电离辐射；根据辐射的本质可以分为电磁辐射和粒子辐射。放射性核素所致内照射和外照射辐射剂量进行估算时，需要知道核素的半衰期、种类和能量，以及放射性核素所发出的核与原子辐射的强度等计量学参数。,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,1.天然辐射（1）宇宙辐射：又可分为初级宇宙线和次级宇宙线。（2）地球辐射：指存在于地球上的天然放射性核素所引起的照射。地球上的天然放射性核素又可分为原生放射性核素和宇生放射性核素两类。2.人工辐射指存在于地球上的天然放射性核素所引起的照射。全球人类受到的主要人工辐射照射主要来自于在1945年至1980年间进行的大气层核武器试验导致的大量的放射性物质向环境中无约束地释放，核电站辐射以及伴随辐射的医学应用。,（一）天然辐射和人工辐射,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,1.电离辐射电离辐射是一类能能使被穿越物质发生电离并产生带正电荷的离子及带负电荷的电子的高速粒子及高能量电磁波，如宇宙线、X线、线、带电或非带电粒子射线等。2.非电离辐射非电离辐射是低能量的电磁辐射，例如紫外线、红外线、激光、微波等除X射线和射线以外的电磁波，由于它们的能量不高，不足以引起生物体电离，只会使物质内的粒子产生振动，使温度上升。,（二）电离辐射和非电离辐射,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,1.电磁辐射电磁辐射是能量以电磁波形式发射到空间的现象，是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成，能量是由电荷移动所产生。2.粒子辐射粒子辐射是指组成物质原子的一些基本粒子或原子核，既有运动能量又有静止质量，可通过消耗自己的动能把能量传递给其他物质，穿透性能相对较差。主要的粒子辐射有重带电粒子、高能电子和中子等。,（三）电磁辐射和粒子辐射,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,放射性核素所致内照射和外照射辐射剂量进行估算时，需要知道核素的半衰期、种类和能量，以及放射性核素所发出的核与原子辐射的强度等。有关概念如下所示：1.照射量（Exposure,E）是用于度量X、射线所致空气电离程度的辐射量，它仅适用于X射线或射线在空气辐射场的测量。照射量的国际制单位为库伦/千克（C/kg）。旧的专用单位为伦琴（R），lR=2.5810-4C/kg,（四）电离辐射的剂量学,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,2.比释动能（Kerma,Kineticenergyreleasedperunitmass,K）是表示不带电电离粒子在质量为dm的某一物质内释出的全部带电电离粒子的初始动能的总和（dEtr）。3.放射性活度放射性活度是表示放射性核素特征的一个物理量，即衡量放射性物质的多少。其定义为：一定量放射性核素在单位时间间隔dt内发生自发核转换数目。4.放射性核素摄入量和待积剂量放射性摄入量I是通过食入、吸入或经皮肤吸收进入人体的特定放射性核素的量。,（四）电离辐射的剂量学,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,5.吸收剂量吸收剂量D的定义为：电离辐射向无限小体积内授予的平均能量除以该体积内物质的质量而得的商。6.当量剂量特定种类及能量的辐射在某一个组织或器官中引致的当量剂量，就是该辐射在组织或器官的平均吸收剂量乘以该辐射的辐射权重因数。7.有效剂量有效剂量是表示在多个器官或组织受照时辐射对人体的总危害。有效剂量考虑了各个人体器官和组织在随机效应辐射危害方面的相对辐射敏感性。其定义为：人体各组织或器官的当量剂量乘以相应的组织权重因数后的和。,（四）电离辐射的剂量学,第一节辐射分类与电离辐射剂量学,放射性核素又称不稳定性核素，是指能自发地发射、和等各种射线的核素。依据其来源，放射性核素可大致分为两类：天然放射性核素和人工放射性核素。放射性核素的核自发地发生核结构的变化而释放出某种射线的现象称为核衰变（nucleardecay）。根据天然放射性核素衰变时所释放的射线种类不同，可分为衰变、衰变（-衰变、+衰变、电子俘获）和衰变等。,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,1.衰变一些放射性元素衰变时同时放出结合在一起的两个质子和两个中子，即粒子（alphaparticle），这就是衰变（alphadecay）。由于粒子是高速运动的氦原子核，在空气中的射程一般只有几厘米，一张纸或生物组织表皮就足以挡住粒子，因此，射线外照射的危害可以忽略。但粒子一旦进入人体内，因电离作用极强，其内照射所造成的危害很大。,（一）放射性核素衰变,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,2.衰变衰变是指不稳定原子核通过放出粒子或俘获核外的轨道电子转变为另一原子核的现象，可分为-衰变、+衰变和电子俘获三种类型。射线的电离能力较射线弱，但穿透能量力较射线强，一般能量的粒子可穿过几米甚至几十米厚的空气层，对人体可造成内、外照射的辐射危害。,（一）放射性核素衰变,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,3.衰变衰变指处于激发态的原子核通过放出射线或内转换电子到较低能态的过程，又称退激或跃迁。衰变前后，母核、子核的质子数和中子数均保持不变，不产生新的核素。从原子核衰变放出的射线是一种高能的光子流，属不带电的中性粒子，静止质量为零，是一种电磁波，穿透能力强，对人体可造成内、外照射的辐射危害。,（一）放射性核素衰变,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,如果核电站不能正常运转，反应堆内产生的混合产物（“核裂变产物”）可能会向周边地区释放出放射物。核电运行过程中对健康具有风险的主要放射性核素为放射性碘、放射性铯和放射性锶。,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,（二）反应堆事故中毒理学意义较大的核素,1.放射性碘放射性碘进入人体的主要途径是随饮食摄入，其次是随受污染的空气吸入。131I半衰期是8.3天。放射性碘进入人体后迅速蓄积于甲状腺，甲状腺中的碘含量比其他器官或组织中的含量高几百倍甚至几千倍，可引起甲状腺炎、甲状腺功能减退，远期可发生甲状腺结节和癌变。放射性碘内照射的远期危害是对甲状腺的致癌效应。,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,（二）反应堆事故中毒理学意义较大的核素,2.放射性铯137Cs是公众受全球性放射性落下灰照射剂量的主要贡献核素之一，可经消化道、呼吸道、皮肤和伤口进入人体，极易从胃肠道吸收，吸收率约为100%。137Cs属中等毒性组核素，但由于环境中的放射性铯对公众的照射剂量很低，迄今尚无人群损伤效应的流行病学资料，有关放射性铯的生物效应资料基本来自动物实验，137Cs对动物机体的生物效应包括急性辐射效应如骨髓破坏、造血功能不良、白细胞和血小板显著降低、贫血、败血症和出血症候群等，远期辐射效应如甲状腺癌、淋巴肉瘤、神经元纤维肉瘤和乳腺癌等。,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,（二）反应堆事故中毒理学意义较大的核素,3.放射性锶锶为二价碱土族元素，是生物体中的微量元素。放射性锶是核反应堆事故和核爆炸对公众构成远期危害的主要放射性核素之一。锶可经食物由消化道或体表皮肤吸收后进入体内，主要蓄积于骨骼中，小部分滞留于软组织中，另有一部分则经肾排出。放射性锶属于高毒组核素，半衰期长达28.4年，由于其子体90Y释放的射线能量高，射程远，90Sr及其子体可对骨髓和骨组织形成持久而较强的照射，引起再生障碍性贫血、白细胞增生、白血病和恶性骨肿瘤等损害。,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,（二）反应堆事故中毒理学意义较大的核素,1.放射性锝锝（technetium,Tc）的原子序数为43。锝是1937年利用回旋加速器以氘核轰击钼（Mo）取得的第一种人工放射性元素，有90Tc108Tc和110Tc等二十多种同位素，均为放射性核素，其中毒理学意义较大的是99Tc和99mTc。核医学应用中意义较大的是99mTc。99mTc的物理半衰期为6.02小时，是辐射源，其光子能量为0.140MeV（98.6%），适于作活体测量。,（三）医学应用中毒理学意义较大的核素,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,2.放射性磷磷（phosphorus,P）有27P38P共12个同位素，其中31P为稳定性同位素，其余均是放射性同位素。临床医学上，32P可用于治疗真性红细胞增多症、继发性红细胞增多症、血管瘤及恶性肿瘤等，也可用于治疗皮肤病。32P属中等毒核素，对造血器官的损伤明显且持久，表现为粒细胞系完全受损，骨髓极度衰竭，几乎全部内脏器官均显示出不同程度的出血。同时，由于其在骨骼蓄积可导致骨骼遭受破坏，动物实验中可见骨肉瘤的形成。此外，32P还可对性腺造成损伤。,（三）医学应用中毒理学意义较大的核素,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,（三）医学应用中毒理学意义较大的核素,第二节放射性核素的衰变与常见核素介绍,3.放射性碳碳有9C19C共11种同位素，其中12C和13C为稳定性同位素，其余的均为放射性同位素。医学中应用最多的是14C和11C。14C作为示踪剂标记蛋白质、脂肪、氨基酸等，可观察体内的代谢过程和排出途径。11C标记化合物在临床主要用于进行符合测量和体外扫描。由于14C是参与机体碳代谢的一个长寿命放射性核素，在其生物转化过程中，14C可掺入DNA和RNA分子中，造成DNA损伤。,第三节放射性核素内照射效应,放射性核素经呼吸道、胃肠道、皮肤或伤口进入体内，使体内放射性核素含量超过自然量，称为体内放射性核素污染。进入体内的放射性核素，依其本身的理化特性、摄入途径、摄入量及代谢模式，可经血液循环分布至全身或特定的靶器官，作为内照射源对人体组织器官进行持续性内照射，产生生物效应。产生的生物学效应受到核素本身特点、接触途径、机体状态、联合暴露等诸多因素影响。,第三节放射性核素内照射效应,1.吸收途径（1）经呼吸道吸收（2）经消化道吸收（3）经皮肤吸收（4）注入,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,2.体内分布（1）均匀型分布：主要是一些在体内大量存在且均匀分布的稳定元素的放射性核素，如14C、24Na、42K、35Cl和3H等，进入机体后比较均匀地分布于全身各器官组织。此外，137Cs、86Rb等放射性核素在体内也基本呈均匀分布。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,2.体内分布（2）亲肝型分布：放射性核素离开血液后主要分布于肝脏和网状内皮系统中，主要包括稀土族和锕系核素，如140La、144Ce、147Pm、232Th、227Ac和241Am等。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,2.体内分布（3）亲骨型分布：放射性核素主要蓄积在骨骼，包括45Ca、90Sr、140Ba、226Ra、90Y、95Zr、钚和某些超钚核素、重镧核素等，上述的这些核素通常称为亲骨性核素。放射性核素在骨组织内的分布可依其定位分为两类：一类放射性核素如226Ra，可置换骨骼无机盐晶格中的钙而均匀地分布于骨的无机质中；另一类放射性核素如239Pu，可沉积在骨内膜、骨小梁和皮质骨血管表面，可对距骨表面010m处的成骨细胞及红骨髓细胞形成较大的剂量。由于成骨细胞和红骨髓细胞的辐射敏感性较高，因此，这类放射性核素的危害较大。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,2.体内分布（4）亲肾型分布：一些放射性核素可较多地滞留在肾脏，如238U，可在肾脏近曲小管中段大量蓄积。（5）亲其他器官组织型分布：放射性核素可依其特性选择性地滞留于不同器官或组织。例如，放射性碘可选择性地高度蓄积于甲状腺中，59Fe较多地蓄积在红细胞中。另有一些难溶性放射性核素化合物，可在肺内形成难溶性氢氧化物胶体，且大部份滞留于肺内或肺淋巴结内。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,3.排除放射性核素自体内排除的速率是其内照射危害程度的重要决定因素之一。如果放射性核素吸收量较少并能较快从体内排除，则可能产生的内照射作用较小；反之，如果吸收量多、排除速率低，在体内滞留时间长，则可能引起较严重的内照射作用。其中，肾脏是放射性核素最重要的排除途径，其次为肠道。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,4.生物半排期和有效半减期放射性核素的排除途径及排除速率与放射性核素的理化状态、摄入途径和转运特点等密切相关。放射毒理学研究中，常用生物半排期（biologicalhalf-life,Tb）和有效半减期（effectivehalf-life,Te）来描述和表达放射性核素自体内的排除速率。生物半排期指生物机体或特定的器官、组织内的放射性核素的排出速率近似地符合指数规律时，通过自然排出过程使机体内或特定器官或组织内的放射性核素总活度减少一半所需的时间。有效半减期指生物机体或特定的器官、组织内的放射性核素，由于核素自身的放射性衰变和生物排出的综合作用而近似地按指数规律减少，使其总活度减少一半所需的时间。,（一）放射性核素体内过程,第三节放射性核素内照射效应,1.不同传能线密度和相对生物效能的辐射作用即使辐射照射剂量相等，不同类型电离辐射产生的生物效能不同。这是由于不同辐射源本身的电荷数不同，而带电粒子在物质中单位路程上的能量损失与它所带的电荷数有关。,（二）放射性核素内照射作用特点,第三节放射性核素内照射效应,2.作用的持续性放射性核素进入人体后，依据其自身的物理半衰期和生物半排期等衰变规律释放出的带电粒子或射线，可对机体产生持续照射。这种照射作用将一直持续到放射性核素全部被排出体外，或放射性核素衰变成稳定性核素时为止。,（二）放射性核素内照射作用特点,第三节放射性核素内照射效应,3.辐射与化学毒性的复合作用对于一些比活度较高的放射性核素，极少量的放射性核素蓄积或作用于人体后，就会产生明显的辐射效应，其化学毒性往往是可忽略的。但是，有一些比活度极低的放射性核素如232Th、238U等，除了需考虑辐射对机体的损伤效应外，该元素本身的化学毒性作用也不容忽视。,（二）放射性核素内照射作用特点,第三节放射性核素内照射效应,4.选择性蓄积作用放射性核素进入机体后，在体内的分布和滞留规律各有其特点，表现为在某一特定器官或组织的选择性蓄积特性，例如：131I进入机体后主要蓄积在甲状腺中，活度约占体内蓄积量的68%。放射性核素的选择性蓄积作用与放射性核素本身的特性有关。,（二）放射性核素内照射作用特点,第三节放射性核素内照射效应,1.内照射的确定效应确定效应（deterministiceffect）的特点是存在阈剂量，在特定组织中关键细胞群的辐射损伤（严重的功能丧失或死亡）持续存在，直到损害表现为临床相关表征。高于阈剂量时组织损害（包括组织恢复能力损害）的严重程度随辐射剂量而增加。,（三）放射性核素内照射生物学效应,第三节放射性核素内照射效应,2.内照射的随机效应随机效应（stochasticeffect）即癌症和遗传效应。电离辐射的能量沉积是一个随机的过程，即使是非常低的剂量也有可能在细胞关键位点沉积足够的能量而诱发细胞改变或死亡。在大多数情况下，单个或少量细胞死亡不会产生组织上的后果，但单个细胞的变异，如发生遗传变化或最终导致恶性突变的细胞转化事件，将会产生严重后果。这些源于单个细胞损伤的辐射效应即为随机效应，即使在极低剂量下，这些随机效应仍会以有限的概率发生。因此，随机效应不存在剂量阈值。但这类效应事件的发生概率会随辐射剂量的增加而增加，但发生效应的严重程度并不增加。,（三）放射性核素内照射生物学效应,第三节放射性核素内照射效应,3.出生前（宫内）照射的效应出生前即宫内受照射的人群流行病学队列研究尚未发现辐射诱发儿童癌症的明显证据。目前，宫内受照射致癌效应的最大病例对照研究资料是牛津儿童癌症研究（OSCC）组织的研究，结果表明辐射照射能以近似相同程度增加所有类型的儿童癌症。,（三）放射性核素内照射生物学效应,第三节放射性核素内照射效应,1.放射性核素的理化因素物态、化合物形式、剂量与剂量率、溶剂性质或载体等因素均是影响放射性核素内照射作用的重要因素。,（四）放射性核素内照射作用的影响因素,第三节放射性核素内照射效应,2.机体因素种系、年龄、性别、机体状态（妊娠、营养、病理因素）等对放射性核素内照射作用均有影响。首先，不同种系生物体的放射损伤效应存在差异，与不同种系生物体的解剖和组织学结构、代谢速率及辐射敏感性相关。例如，大动物单位体重所需的放射性核素摄入量要比小动物的少。年龄和性别因素也是影响辐射效应的重要因素之一，可影响放射性核素的吸收、分布、滞留和代谢速率。,3.放射性核素的接触因素放射性核素进入体内的方式、摄入途径等均是影响放射性核素内照射效应的重要因素。机体内摄入总活度相同的放射性核素时，如果摄入的次数不同，产生的效应有明显的差异，一次摄入的损伤效应要远大于分次摄入。此外，放射性核素的摄入途径也对其内照射损伤效应有重大影响，静脉注入方式时放射性核素直接入血并迅速分布到各器官组织，辐射损伤效应发生得快且严重，皮下注入或气管吸入次之，经口摄入的损伤效应较为缓慢。,（四）放射性核素内照射作用的影响因素,第三节放射性核素内照射效应,4.复合作用放射性与非放射性因素的复合作用，如烧伤/冲击伤与放射性污染同时存在、环境中化学因素与放射性核素同时存在对机体产生的复合损伤效应；不同种类辐射因素的混合照射，如核反应堆事故时不同种类辐射同时存在导致的混合照射，尤其是受混合裂变产物的混合照射。而放射性/非放射性复合因子的存在，可能加重辐射损伤效应，其各自的毒性剂量要小于单独作用剂量，应引起关注。,（四）放射性核素内照射作用的影响因素,第三节放射性核素内照射效应,第四节放射性核素生物效应的分子基础,对电离辐射与物质相互作用的认识，是研究辐射效应和进行生物剂量测量的基础。电离辐射能被生物体吸收后，可使生物体在分子水平发生变化，引起分子的电离和激发，从而引起生物分子的功能和代谢障碍，导致具有生物活性的有机化合物分子如核酸、蛋白质等结构的变化，包括DNA链的断裂、解聚和黏度下降等，也可导致一些酶活性的降低或丧失。电离辐射还可能损伤膜系统的分子结构，如线粒体膜、溶酶体膜、内质网、核膜和质膜等，引起酶系释放，从而影响细胞的正常功能。DNA和膜是辐射生物效应的主要细胞靶标，是引起细胞一系列生化、生理和病理学变化的关键，是一切辐射生物效应的物质基础，靶理论是辐射生物学效应的理论核心。,第四节放射性核素生物效应的分子基础,（一）辐射与物质的相互作用,第四节放射性核素生物效应的分子基础,1.带电粒子对物质的作用（1）非弹性碰撞（电离和激发）：带电粒子可使物质的原子或分子激发或电离，并将部分能量转化为激发能和电离能。如果传递给束缚电子的能量足够大，能使电子脱离原子变成自由电子，称为电离；如果传递给束缚电子的能量不够大，仅能使电子跃迁到较高的能级上，则称为激发。（2）韧致辐射：带电粒子在物质原子核电场的作用下，运动方向发生变化并得到了加速度，使一部分动能转化为连续能量分布即韧致辐射，以X射线的形式放出。（3）弹性碰撞：带电粒子通过同作用物质的原子和分子发生不断的弹性碰撞，将带电粒子的一部分能量转化为热能。,2.X、射线对物质的作用（1）光电效应：光电效应是能量为0.110MeV的X、射线与物质作用的主要方式。X、射线（光子）作用于原子的内壳层电子（束缚电子），将全部能量交给电子，使其克服结合能而离开原子成为自由电子（光电子），而光子本身消失。（2）康普顿效应：康普顿效应是X、射线工作场所散射线的主要来源。当光子作用于结合能较低的原子外壳层电子，将一部分能量交给电子使其脱离束缚成为反冲电子，光子本身不消失，而是携带其余能量沿着与光子入射方向成一定角度的方向散射，这一过程称为康普顿效应。（3）电子对生成：能量大于1.022MeV的光子，在接近被照射物质的原子核时，在原子核的库仑场的作用下，其能量转化为一个正电子和一个负电子，自身消失，该过程称为电子对生成效应。,（一）辐射与物质的相互作用,第四节放射性核素生物效应的分子基础,3.中子对物质的作用中子的电荷数为0，不能直接引起物质电离。中子与物质作用产生效应的类型与中子的能量大小有关，主要为散射和吸收。,（一）辐射与物质的相互作用,第四节放射性核素生物效应的分子基础,1.染色体DNA是辐射的主要靶DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。大量的研究结果已证明染色质DNA是电离辐射生物效应的主要靶标，DNA损伤在放射生物学效应如诱发癌症中起重要作用。,（二）对DNA影响,第四节放射性核素生物效应的分子基础,DNA损伤反应常见的DNA损伤有以下几种：碱基变化：包括碱基环破坏、碱基脱落丢失、碱基替代、形成嘧啶二聚体等。DNA链断裂：是电离辐射所致DNA损伤的主要形式。双链中一条链断裂称单链断裂，两条链在同一处或相邻外断裂称双链断裂。一旦发生双链断裂则难以修复，是细胞死亡的重要原因。DNA交联：DNA分子受损伤后，在碱基之间或碱基与蛋白质之间形成了共价键，而发生DNA-DNA交联和DNA-蛋白质交联。DNA链上不稳定位点的形成：由于碱基或糖基的损伤，在DNA链上形成了一些不稳定位点，最终可导致DNA链的断裂。糖基的破坏：同样易引起DNA链的断裂。,（二）对DNA影响,第四节放射性核素生物效应的分子基础,(2)DNA损伤的修复DNA结构的完整与稳定有重要的生物学意义。但在生命过程中，细胞核内的DNA经常遭受内、外环境中各种因素的伤害。生物本身具有一系列的DNA修复功能，以保障生命的延续和物种的稳定。当电离辐射引起DNA的多种损伤时，其细胞的修复系统也同时启动。修复过程的效能决定其结果：通常情况是DNA结构得到正确的修复，细胞功能恢复正常。但如果修复不成功、不完善或不精确，细胞就会死亡或发生遗传信息的改变和丢失（可见到突变和染色体畸变）。这些信息改变