辐射、人与环境-辐射生物

1、十堰市人民医院肿瘤中心十堰市人民医院肿瘤中心王贤和王贤和l辐射是不依人的意志为转移的客观事物。辐射是不依人的意志为转移的客观事物。l在我们赖依生存的环境中。辐射无处不在我们赖依生存的环境中。辐射无处不在。太阳发出的由核反应产生的光和热，在。太阳发出的由核反应产生的光和热，是人类必需的，天然的放射性物质则广是人类必需的，天然的放射性物质则广泛地分布于整个环境中，就连我们的身泛地分布于整个环境中，就连我们的身体内，也存在着体内，也存在着C C、K K等之类的放射性等之类的放射性核素。核素。l地球上的所有生命，都是在存在着此类地球上的所有生命，都是在存在着此类的背景下不断进化而来的。的背景下不断进化

2、而来的。l辐射辐射是粒子、光子通过空间传播能量的方式。辐射无色、无味、看不见、摸不着，它无处不在、无时不在。l辐射分类：辐射分类：辐射辐射电磁辐射无线电波、微波光辐射紫外辐射电离辐射（辐射能量10eV）非电离辐射（辐射能量10eV）宇宙射线、宇宙射线、X线线和放射性物质和放射性物质的辐射的辐射l整个人类的生活环境中遍布于天然的电离辐射天然本底辐射天然本底辐射天然本底辐射宇宙射线：星球碰撞、爆炸的微粒宇宙射线：星球碰撞、爆炸的微粒宇生放射性核素：感生放射性核素宇生放射性核素：感生放射性核素地球辐射：存在的天然放射性辐射地球辐射：存在的天然放射性辐射对于大多数人来说，天然辐射是主要的辐射来源对于大

3、多数人来说，天然辐射是主要的辐射来源l主要是不知出自空间何处的能量很高的质子，并以基本恒定的数目达到大气层l部分能量较低的质子来自于太阳及星球爆炸和碰撞形成的微粒初级宇宙射线初级宇宙射线l初级宇宙射线进入大气层与空气分子发生核反应形成次级宇宙射线次级宇宙射线l初级宇宙射线与空气分子发生核反应产生的氢、碳、铍、钠、氪等不稳定的放射性核素l对人类的作用与宇宙射线相同，还可产生内照射l辐射剂量率随着纬度的升高而增加地球磁场的影响l辐射剂量率随着海拔高度的降低而减少与大气层反应被逐渐吸收辐射无时不在，无处不在辐射无时不在，无处不在到处都有到处都有辐射？辐射？辐射的来源辐射的来源 人工辐射人工辐射：平均

4、约0.4mSv/年，医疗辐射是最大的人工辐射来源；各种人工放射性核素中大约80用于医学目的。另外，在人工辐射中，来自大气层核试验和切尔诺贝利事故引起的放射性沉降物约0.007mSv/年；来自核电站排放约0.002mSv/年。类型剂量水平(mSv/a)看电视每天2小时0.01夜光表0.02乘飞机2000km0.005眼镜（局部）0.010.04家用天然气（局部）0.060.09假牙（局部）0.001吸烟每天20支（“钋弹”）0.51.0诊断X射线人均年有效剂量0.3CT人均单次年有效剂量8.6火力发电厂带来的照射0.005核电站附近0.001-0.02核设施附近0.001-0.2电离辐射生物学效

5、应基础电离辐射生物学效应基础医学放射生物学医学放射生物学 研究电离辐射对机体（特别是人体）的各研究电离辐射对机体（特别是人体）的各种细胞、组织、器官和系统的作用规律和机种细胞、组织、器官和系统的作用规律和机理理的一门科学。为保障机体安全和健康，探索有效防护措施和提高临床放射治疗水平提供理论基础提供理论基础，使射线和核技术更好地为人类服务。l生物的结构和功能生物的结构和功能生物体组织细胞生物体组织细胞染色体染色体DNA遗遗传信息传信息分子水平分子水平细胞死亡细胞死亡细胞变异细胞变异体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞功能障碍功能障碍不孕不孕肿瘤肿瘤遗传效应遗传效应确定性效应确

6、定性效应多细胞死亡导致多细胞死亡导致随机性效应随机性效应单一细胞变异导致单一细胞变异导致DNA损伤损伤细胞水平细胞水平临床症状临床症状效应效应亚细胞亚细胞结构的结构的破坏破坏细胞内水解细胞内水解酶的释放酶的释放信号转导网络信号转导网络的改变或破坏的改变或破坏代谢的方向性和代谢的方向性和协调性的紊乱协调性的紊乱生物化学损伤生物化学损伤细胞、组织器官细胞、组织器官和系统的变化和系统的变化病理学病理学改变改变功能变化功能变化继发反应：继发反应：区分以下四个述语:变化变化: : 由辐射引起的某种生物学改变，可能有害，也可能无害;损伤损伤: : 表示某种程度的有害变化，这种损伤是指对细胞有害，不一定是对

7、受照射的人体有害;损害损害: : 指临床上可观察到的有害效应，表现于受照射的个体(躯体效应)或其后代（遗传效应）;危害危害: : 是一个复杂的概念，它将损害的概率、严重程度和显现时间结合起来加以考虑。按与物质作用分类：按与物质作用分类：电离辐射非电离辐射按本质和性质分类：按本质和性质分类：电磁辐射粒子辐射p电离辐射与非电离辐射电离辐射与非电离辐射 电离辐射是指一切能引起物质电离的辐射总称。p电磁辐射（无形）电磁辐射（无形）以相互垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波电离辐射(如X射线和射线)非电离辐射(如无线电波、微波等)p粒子辐射（有形）粒子辐射（有形）高能粒子通过消耗

8、自身的动能把能量传递给其它物质-高速粒子、带电粒子电电磁辐辐射电离辐射电离辐射粒子辐辐射X,射线射线、中子、中子质子、负质子、负传能线密度 与 相对生物效应 重重 点点一、传能线密度一、传能线密度（linear energy transfer，LET，线性能量传递线性能量传递）定义：定义：带电电离粒子在其单位长度径迹单位长度径迹上消耗的平均能量平均能量（单位J/m）。LET概念也适用于虽不是直接电离粒子，但通过次级带电粒子的X、射线和中子。l表示射线在穿过物体时，单位长度所引起的能量损失lLET越大，对机体的损伤越大(吸收或起反应)与生物效应的关系：正相关正相关 二、二、 相对生物效能相对生物

9、效能 （elativebiologicaleffectiveness,RBE）RBEX或射线引起某一生物效应所需剂量引起某一生物效应所需剂量所观察的电离辐射引起相同生物引起相同生物效应所需剂量效应所需剂量以以250KeV X线所产生的生物效应为基准线所产生的生物效应为基准RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。l意义：意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电离辐射引起某一特定效应的效率的差别。即：剂量相同、辐射种类不同，剂量相同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生相同效应，产生的效应也不同；若要产生相同效应，则不同种类的辐射所需的剂量就不同

10、则不同种类的辐射所需的剂量就不同。（二）（二）LET与与RBE的关系的关系RBE的变化是的变化是LET的函数（正相关）的函数（正相关）LET：100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下降，表明更多的射线并不能用于引起生物效应上，反而被浪费了l生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。高相对分子量的生物有机化合物主要是指蛋白质、核酸以及高相对分子量的碳氢化合物。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸核酸、脂质、糖类。这个定义只是概念性的，与生物大分子对立的是小分子物质（二氧化碳、甲烷等）和无机物质。l指从照射之时起到在细胞学上观察到可见损伤的这段时间内，在细

11、胞中进行着辐射损伤的原初和强化过程原初和强化过程。 包括物理、物理化学和化学物理、物理化学和化学三个阶段。 此过程中辐射能量的吸收和传递、分子的激发和电激发和电离离、自由基的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。 Q 电离（作用）电离（作用）（ionization）生物组织分子被粒子或光子流撞击，轨道电子击出，产生自由电子和带正电荷的离子，即形成离子对，这一过程称为电离（作用）。电离（作用）。Q 激发作用激发作用（excitation）电离辐射与组织分子相互作用，能量不足以击出电子，而使轨道电子从低能级跃迁到较高能级轨道，分子处于激发态激发态。激发分子很不稳定，容易向邻近分子或原子释放能

12、量。l水的原初辐解产物：水的原初辐解产物： 电离辐射作用于机体的水分子水分子，使水分子发生电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称水的辐解反应，各种自由基和分子统称水的原初辐解产水的原初辐解产物物 。l水合电子水合电子 游离的电子在碰撞过程中丧失其大部分能量，当其能量水平降至100eV以下而未被捕获时，可吸收若干水分子而形成水合电子。l刺团刺团水的原初辐射反应并非平均分布于空间，一般是在小的体积内成簇发生的，这种小的反应体小的反应体积积称为刺团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。直接作用 与 间接作用重重 点点一、直接作用l概念：概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大能量直接沉积于

13、生物大分子分子，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，这种直接由射线造成的生物大直接由射线造成的生物大分子损伤效应分子损伤效应称为直接作用直接作用。l特点：特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同同一一生物大分子上。电离辐射对电离辐射对DNA分子损伤的直接作用分子损伤的直接作用直接作用直接作用l1）DNA链断裂链断裂l2）氢键断裂和碱基损伤）氢键断裂和碱基损伤l3）分子交联）分子交联二、间接作用概念：概念：电离辐射首先作用于水首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物原初辐射分解产物（H，OH，水合电子等），再作用于生物大分子再作用于生物大分子引起后者的

14、物理和化学变化。l特点：特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子不同分子电离辐射对电离辐射对DNA分子损伤的间接作分子损伤的间接作用用间接作用间接作用l电离辐射间接作用的四种效应1. 稀释效应稀释效应（dilutioneffect）：指最大的相对效应发生在最稀释的溶液中。 一定剂量的电离辐射在溶液中产生固定数量自由基，如果作用是间接的，那么失活的溶质分子数目就与溶液浓度无关，只与产生的自由基数量一致；若作用为直接的，则失活的溶质分子数将取决于受照溶液的溶质分子数，并与溶液浓度成正比。 在稀释溶液系统中，间接作用间接作用占主要地位2. 温度效应温度效应（temperatureeffect）： 指在

15、一定实验条件下，受照射系统（如酶浓度）的辐射效应，随着周围温度升高而加重。因为温度升高，增加了自由基接近酶的机会，使酶分子损伤加重，反之亦然。对于恒温生物表面来讲（包括人体），通常条件下的照射所产生的辐射效应不受环境温度变化的影响。3. 防护效应防护效应（protectiveeffect）：指向受照射的生物系统中引入某种或某几种物质具有能降低该系统的损伤程度的作用。 辐射防护剂辐射防护剂（radioprotectors）：指有机体或某一种生物系统受辐照前或辐照后立即给予某种物质，能减轻其辐射损伤，促进其修复的物质。剂量降低系数剂量降低系数（dosereductionfactor，DRF）DRF

16、=有防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量无防护剂时，引起致死效应所需辐照剂量4. 氧效应氧效应（oxygeneffect） 氧效应：氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度周围介质中氧浓度升高而增加。氧+自由基 过氧化物自由基(R00) 在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。 氧增强比氧增强比（oxygenenhancementradio,OER）是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。其公式是：OER=缺氧缺氧条件下产生一定效应的剂量有氧有氧条件下产生同样效应的剂量 氧效应的发生机制：氧效应的发生机制

17、：氧具有双重作用。氧固定假说氧固定假说 ：电离辐射在靶分子中诱发自由基，如果有氧存在，辐射产生的自由基迅速与氧分子结合，形成一种妨碍靶分子生物功能的集团ROO。辐射O2RR ROO电子转移假说：电子转移假说： 辐射靶分子游离电子（两种可能） 回到靶分子原位自愈 转移到一个电子陷阱部位靶分子损伤F有氧条件下细胞放射敏感性增高 F氧分压从0上升至1，放射敏感性迅速增加 增至21或至100时，敏感性处于坪值l 照射时间对氧效应的影响F照射前照射前引入氧，表现出氧效应 F照射后照射后引入氧，无效 l氧效应生物学意义氧效应生物学意义：许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱高压氧舱可以

18、提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧乏氧细胞增敏剂细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。l自由基自由基（freeradical）：指含有一个或多个不配不配对电子对电子的原子、分子、离子或游离基团。l形成方式形成方式均裂（homolyticfission)l自由基的特性：自由基的特性：l高反应性：高反应性： 带有未配对电子，具有强烈的获取或失去电子以成为配对电子的趋势，因此化学性质活泼l不稳定性：不稳定性：寿命短不稳定 l顺磁性：顺磁性： 当电子成对存在于同一轨道时，由于两个电子的自旋方向相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。1 1）抽氢反应：）抽氢反应：自由基将有机分子中的H

19、转移至自身，形成有机自由基。 HO+RHR+H2OH+RHR+H2 2)2) 加成反应：加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应 H+RCH=CH2RCHCH2 H 3) 3) 歧化反应：歧化反应：既有氧化作用又有还原作用的自由基，易于发生。发生在自由基或自由基与有机 分子之间的单电子转移反应。 O2-+O2- +2H+H2O2+O2O2- +H2O2O2+ OH+OH- 4)链式反应链式反应: 在生物系统中脂质（RH）的过氢化就是链式反应与支链反应。5)氧化还原反应氧化还原反应: O-2在水溶液中主要起还原剂作用，使细胞色素C还原；也可以使Vc氧化，产生半脱氢抗坏血酸自由基。重重

20、 点点1. 确定性效应确定性效应（deterministiceffect）：指发生生物效应的严重程度随着电离辐射剂量的增加随着电离辐射剂量的增加而增加而增加的生物效应。这种生物效应存在剂量阈存在剂量阈值值，只要照射剂量达到或超过剂量阈值效应肯定发生。 如照射后的白细胞减少、白内障、皮肤红斑脱毛等辐射皮肤损伤均属于确定性效应。2. 随机性效应随机性效应（stochasticeffect）：指生物效应的发生概率（而不是其严重程度）与照射剂量的大小有关的生物效应。这种效应在个别细胞损伤（主要是突变）时即可出现，不存在剂量不存在剂量阈值阈值。如辐射致癌、遗传效应。1. 外照射外照射（externali

21、rradiation）：辐射源从体外对机体进行的照射。射线、中子、X射线等穿透力强，外照射的生物学效应强。2. 内照射内照射（internalirradiation）：放射性核素通过各种途径进入机体，在机体内发射出射线产生的生物效应。内照射效应主要发生在放射性核素通过的途径和沉积部位的组织器官，但其效应可波及全身。内照射效应一般以射程短、电离强的、射线为主。3. 局部照射局部照射（localirradiation）：当外照射的射线照射身体某一部位，引起局部组织的反应者称局部照射。当照射剂量和剂量率相同时，身体各部位的辐射敏感性依次为腹部盆腔胸部头部四肢。4. 全身照射全身照射（totalbod

22、yirradiation）：当全身均匀地或非均匀地受到照射而产生全身效应时称全身照射。如照射剂量较小者为小剂量效应，如照射剂量较大者(1Gy)则发展为急性放射病。根据照射剂量大小和不同敏感组织的反应程度，辐射所致全身损伤分为骨髓型、肠型、脑型三种类型。1. 躯体效应躯体效应（somaticeffect）：受照射个体体细胞损伤而致本身发生的各种效应称为躯体效应。又可区分为全身效应（totalbodyeffect）和局部效应（localeffect）。如辐射所致的骨髓造血障碍、白内障等。2遗传效应遗传效应（geneticeffect）：受照射个体生殖细胞突变,而在子代身上表现出的效应称遗传效应。这

23、是由于电离辐射造成受照者生殖细胞遗传物质的损伤，引起基因突变和染色体畸变，导致后代先天畸形、流产、死胎和某些遗传性疾病。1. 近期效应（近期效应（early effect）或者早期效应：）或者早期效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后短期(数周内60天)就出现的那些效应。如急性放射病，急性皮肤损伤等。2. 远期效应（远期效应（late effect）或者远后效应：）或者远后效应：指电离辐射作用于生物机体后，辐射损伤效应在照射后数月至数年才出现的那些效应（一般6个月以上）。如慢性放射病、致癌效应、放射性白内障、辐射遗传效应等。l传统辐射效应：只传统辐射效应：只有被照射的细胞才有被

24、照射的细胞才会有变化会有变化？l未直接受照射的细未直接受照射的细胞表现出与直接受胞表现出与直接受照射细胞相照射细胞相类似类似的的生物学终点变化生物学终点变化影响电离辐射生物效应的主要因素 重重 点点（一）与（一）与辐射有关辐射有关的因素的因素1.辐射的种类种类：电离密度和穿透能力2.辐射剂量剂量：一般情况存在剂量效应关系（非线性）3.辐射的剂量率剂量率：单位时间接受的照射剂量4.分次分次照射：效应低于一次照射5.照射部位部位：腹部盆腔头颈胸部四肢6.照射面积面积：照射面积越大，效应越显著7.照射方式方式：内照射、外照射（单向或多向）、混合照射（二）与（二）与机体有关机体有关的因素的因素 1、种

25、系的放射敏感性、种系的放射敏感性 ：种系演化越高，机体组织结构越复杂，放射敏感性越高2、个体发育的放射敏感性、个体发育的放射敏感性：敏感性随个体发育过程而逐渐降低十日法规：十日法规：对育龄妇女下腹部的X射线检查都应当在月经周期第1天算起的10天内进行，以避免对妊娠子宫的照射3、不同器官、组织和细胞的放射敏感性、不同器官、组织和细胞的放射敏感性4、亚细胞和分子水平的放射敏感性、亚细胞和分子水平的放射敏感性细胞核的敏感性高于胞浆DNAmRNArRNAtRNA蛋白质l放射敏感性放射敏感性 生物系统对辐射作用的反应性或灵敏性。 当一切照射条件严格一致时，机体组织、器官、细胞和分子对辐射作用反应强弱或速

26、度快慢不同，若反应强、速度快，则敏感性高。反之亦然l 特性特性 一种组织的放射敏感性放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比分裂活动成正比，而与其分化程度成反比分化程度成反比。 1. 高度敏感组织：高度敏感组织：淋巴组织、胸腺、骨髓、胃肠上皮、性腺、胚胎组织。2. 中度敏感组织：中度敏感组织：感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮3. 轻度敏感组织：轻度敏感组织：中枢神经系统；内分泌腺、心脏4. 不敏感组织：不敏感组织： 肌组织、软骨和骨等1. 温度温度：机体受照射时，其內外环境温度的改变，可直接影响辐射生物学效应，称其为温度效应温度效应。进行放射治疗之前，先提高肿瘤组织局部温度，其放疗疗效有明显提高。其原因：温度造成动物体內氧状況的改变；温度引起体内新陈代谢水平的改变；在低温或冰冻状況下，溶液中自由基扩散受阻。2. 氧氧：受照组织、细胞或溶液系统的辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称为氧增强效应氧增强效应。目前为提高肿瘤组织对辐射