《紫外辐射与人类生存环境的关系和其生物学作用的初步研究》第一军医大学

1、紫紫 外外 辐辐 射与人类生存环境的关射与人类生存环境的关系和其系和其生物学作用的初步研究* 第一军医大学放射医学教研室 -*国家自然科学基金资助项目。国家自然科学基金资助项目。:39670192,39970187一、一、 紫紫 外外 辐辐 射射 与与人类生存环境的关系人类生存环境的关系 地球表面UV辐射水平及其影响因素阳光中红外至宇宙射线所占比例1104 74 102 4 1102 1 10-1红外线红外线 可见光可见光 紫外线紫外线 X、 线等线等 60% 37% 3% 少量少量天然UV辐射 大气层特别是臭氧层的吸收作用人类的社会活动地理因素的影响 大气层的吸收作用大气层中的不同分子对UV

2、的吸收能力，其中尤以臭氧最为重要；空气分子、颗粒以及云层的散射 人类的社会活动生活方式、工作性质等的影响如农民、渔民、高层建筑玻璃清洁工等工种的工作人员都会受到相对较高的阳光紫外辐射。另外，“太阳灯”等人工光源、电焊弧光、灭菌灯、黑光灯以及某些激光等也会发射出较高强度的紫外辐射。地理因素等的影响地理因素（主要是指海拔高度和纬度）、年度时间以及每天的不同时段、尘埃、烟雾以及雨水的散射与吸收的影响等等。 臭 氧 及 臭 氧 层 臭氧分子由三个氧原子组成；主要位于离地球表面1530公里的大气层中的“平流层”部分，称之为“臭氧层”；其浓度约为十万分之一，有效厚度3mm左右；臭 氧 及 臭 氧 层大气中

3、的臭氧约有90%是通过太阳发射的高能量紫外辐射而在距地面较高的大气层中自然形成，即紫外辐射将氧分子分解成氧原子再和其它氧分子结合而形成臭氧。同时，来自太阳的高能辐射也能将臭氧分解成氧分子和游离的氧原子。 臭氧层对照射到地面臭氧层对照射到地面UVUV的影响的影响 阳光中的阳光中的UVA/UVB/UVCUVA/UVB/UVC 臭氧层臭氧层 ( (平流层）平流层） UVAUVAUVBUVB（10%10%） （臭氧层空洞会导致（臭氧层空洞会导致UVBUVB、UVCUVC ）消耗臭氧层物质 *氯氟烃(chlorofluorocarbons， CFCs) ；*CFCs的过渡性替代品含氢氯氟化碳（HCFC）

4、；*含溴的化合物如作为灭火剂的哈龙(310倍）、土壤熏蒸和检疫的甲基溴；*清洗金属的溶剂：四氯化碳和甲基氯仿； *一氧化氮（NO）土壤中的细菌 、超音速飞行 、核爆炸 消耗臭氧层物质 CFCs等卤化碳化合物可在平流层稳定地存在100年以上。在平流层被阳光中的UV辐射分解，释放出化学活性非常活泼的氯原子和溴原子，和臭氧反应产生氯或溴的一氧化物而臭氧则变为氧分子。氯或溴的一氧化物分子与游离氧原子反应，释放夺来的氧原子而形成更多的分子氧和游离的氯原子或溴原子。新的游离氯原子或溴原子再与臭氧分子反应，使每个氯原子或溴原子能破坏约十万个臭氧分子。 消耗臭氧层物质1970 ：Paul Grutzen教授指

5、出了肥料和超音速飞机释放的氮氧化物可能对臭氧层具有破坏作用；1974：F.Sherwood Rowland & Mario J.Molina教授认识到CFCs在大气中分裂并释放出破坏臭氧层的氯原子。哈龙物质释放的溴原子对臭氧层也具有同样的破坏作用;1995：诺贝尔化学奖。臭氧层受到的破坏臭氧层受到的破坏 19581991:在世界范围内以平均年0.15%的速率减少，现已近每年1%。当臭氧层的臭氧减少一半以上-臭氧层空洞，近年不断扩大; 南极上空的臭氧层空洞:1995年达1000万平方公里(欧洲面积)、1998年维持在1000万平方公里的时间长达100天！照此速度，预计到2075年全球的臭

6、氧水平就会减少40%甚至更低。 臭氧层受到破坏的后果 农作物：减产或营养价值改变等； 自然生态系统：植物形态、生物量、损害可吸收大量温室二氧化碳气体的浮游生物而影响全球气温等； 渔业生产：对浮游生物、浮游动物、幼鱼以及幼体虾、蟹的危害等； 对某些材料的影响：加速某些材料的老化；臭氧层受到破坏的后果 人类健康：臭氧降1%，照射到地面上的UV增加2%，其中UVB的生物学作用就增加1.32.0%，皮肤癌的发生率将增4%，白内障增0.3%。由于臭氧减少，英国的皮肤癌患者至少会增加15%；美国到2060年，皮肤癌患者将达4,000万人。除此之外：雪盲即光化角膜炎、免疫系统等。人类为保护臭氧层所做的努力

7、保护臭氧层的维也纳公约： 1985年3月22日在维也纳通过 ，我国1989年9月月加入 关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书：于1987年9月6日在蒙特利尔通过 ，联合国大会为纪念此议定书的通过而决定每年的9月6日为“国际保护臭氧层日”。 我国于1991年6月年加入 我国对保护臭氧层所做的努力我国对保护臭氧层所做的努力 1991年，18个部委组成国家保护臭氧层领导小组并组织编制了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案。于1993年1月国务院批准。 作为世界上最大的消耗臭氧层物质生产及消费国之一 ，我国政府宣布：1999年7月起全面冻结氟里昂的生产和消费；2010年将氟里昂的生产和消费减至零。 2.

8、UV辐射的作用方式及与人类生存环境的关系人类生存环境的关系UV直接作用直接作用间接作用间接作用 光敏作用光敏作用 植物生长供能植物生长供能 生态环境破坏生态环境破坏皮肤病治疗皮肤病治疗 皮肤灼伤、癌变皮肤灼伤、癌变Vit D3转 化转 化 免 疫 抑 制免 疫 抑 制癌 症 光 敏 治 疗癌 症 光 敏 治 疗 白 内 障白 内 障消 毒 灭 菌消 毒 灭 菌 眼 底 损 伤眼 底 损 伤污 水 处 理污 水 处 理 材 料 老 化材 料 老 化紫外辐射对人类的贡献紫外辐射对人类的贡献地球上生命起源中具有重要作用的能量来源之一；在疾病治疗中的应用：光疗法鼻祖希波克拉底(Hippocrates，

9、460B.C.)曾在克斯岛上建了一个诊所和一个医校，使用日光浴来治疗患者 ；丹麦名医尼尔斯芬申(NielsFinsen，1860-1904)证实红光对天花病人皮肤有治疗作用，并用人工UV治愈了寻常狼疮和皮肤结核病人并由此而获得了1903年的诺贝尔医学奖。紫外辐射对人类的贡献紫外辐射对人类的贡献消毒灭菌 ：对空气或不耐热物质的表面进行消毒灭菌是一种简单有效的方法 ，对血液制品的消毒尤其是对病毒（人类免疫缺陷病毒（HIV）、乙型肝炎病毒（HBV）和丙型肝炎病毒（HCV）等 ）的杀灭 。紫外辐射对人类的贡献紫外辐射对人类的贡献废水处理：臭氧是强氧化剂且其作用可被紫外加强的特征而用于处理工业废水中的碳

10、氢化合物、油、颜料或苯等污染物紫外辐射器，大大提高了净化效率，开辟了污水处理的新领域。例如，用这种方法对染料业废水进行处理能够取得95%的净化率，处理后的废水可以直接排入下水道。紫外辐射对人类的危害紫外辐射对人类的危害 也许是巧合，构成生命的最基本、最重要的物质核酸和蛋白质分别在波长为260nm和278nm处有吸收峰，这恰恰是UBAUVB的波长范围。确凿证据表明，过度的阳光及人工紫外光源的辐照有害于健康。皮肤的急慢性损伤、对眼睛的损伤和对免疫系统的损伤作 UV、可见光和激光对皮肤和眼睛的效应、可见光和激光对皮肤和眼睛的效应 UVA UVA 光化学白内障光化学白内障 色素变黑、皮肤烧伤色素变黑、

11、皮肤烧伤 UVB UVB 光角膜炎光角膜炎 增加色素沉着增加色素沉着 光化学白内障光化学白内障UVC UVC 光角膜炎光角膜炎 红斑（晒斑）、疼痛红斑（晒斑）、疼痛 、加速老化、加速老化 可见光可见光 光化学及视网膜光化学及视网膜 色素变黑、光敏色素变黑、光敏 热损伤热损伤 反应反应 、皮肤烧伤、皮肤烧伤IRA IRA 白内障、视网膜烧伤白内障、视网膜烧伤 皮肤烧伤皮肤烧伤IRB IRB 角膜烧伤、水眩光、白内障？角膜烧伤、水眩光、白内障？ 皮肤烧伤皮肤烧伤IRC IRC 角膜烧伤角膜烧伤 皮肤烧伤皮肤烧伤紫外辐射对人类的危害紫外辐射对人类的危害 急性的皮肤反应：短时间内过度地曝露于紫外辐射。

12、黑色素加深、黑色素颗粒向表面移行以及生成增加（晒黑）、产生红斑（晒斑）、表皮细胞生长的改变以及药性光过敏反应等。 紫外辐射对人类的危害紫外辐射对人类的危害 皮肤迟发效应：皮肤的老化和肿瘤的发生。皮肤的老化为非随机效应，皮肤肿瘤的发生则为迟发型随机效应。至少有三种类型的皮肤癌和紫外辐照有关，即基底细胞癌、鳞状细胞癌和黑素瘤 。紫外辐射对人类的危害紫外辐射对人类的危害 UV对眼睛的损伤：光角膜炎、眼睑红斑、白内障以及视网膜的损伤等 。强光角膜炎和结膜炎。急性充血、畏光和眼睑痉挛，可持续15天，一般无永久性损害。 UV辐射是导致白内障的主要因素之一（年龄、糖尿病、微波和电离辐射等）。视网膜的光化学损

13、伤：受到光谱中UV和蓝光的相对短期而低水平的照射所致。紫外辐射对人类的危害紫外辐射对人类的危害UVB所致的免疫抑制对人类健康是一个严重威胁。 据在角质层位置、免疫抑制吸收特性和作用光谱，现在认为至少有两种物质在其中发挥着作用即尿刊酸和DNA。 Langerhans细胞是一种“抗原提示细胞”，处理外界抗原的刺激信号并向淋巴细胞传递。皮肤受紫外照射可使这种活动降低90%以上，而其恢复约需两周的时间。使血中淋巴细胞减少，降低机体免疫力。3.3.减轻紫外辐射危害的减轻紫外辐射危害的主主 要要 措措 施施 日常生活中不可避免日常生活中不可避免 ：生存环境、：生存环境、生活方式以及工作分工；生活方式以及工

14、作分工； 一定剂量的一定剂量的UV照射为维持身体照射为维持身体健康所必需健康所必需 ；医疗照射：医护人员、患者的防医疗照射：医护人员、患者的防护问题。护问题。UV指数的预报第二天11:3012:30的UV辐射强度 ：34（低度危险）：20min；56（中危险度）：15min；79（高危险度）：10min；1010以上（极度危险）： UV防护剂和防护用品 太阳镜和宽边帽：使用遮阳镜注意事项 ：坚持使用 、不可等同于一般的墨镜、“紫外窗”、材质（颜色、光敏物质）、太阳镜的形状、大小以及佩带方式、等同于太阳镜 紫外辐射防护剂：维生素类（Vit E， VitC）、含硫化合物类等。二、紫外辐射二、紫外辐

15、射生物学生物学作作 用用 的的 初初 步步 研研 究究紫外辐射对细胞损伤作用紫外辐射对细胞损伤作用 UVUV源：源：UVA/365nm: 118; UVA/365nm: 118; UVB/310nm: 16.5; UVB/310nm: 16.5; UVC/254nm: 165( UVC/254nm: 165( W/cmW/cm2 2) )Epics EliteEpics Elite流式细胞仪流式细胞仪,Coulter Co.,Coulter Co.Annexin-V-Fluos(Boeh.Man.) Annexin-V-Fluos(Boeh.Man.) NIH 3T3NIH 3T3细胞细胞紫外

16、辐射对细胞损伤作用紫外辐射对细胞损伤作用死亡：死亡：UVCUVBUVAUVCUVBUVA凋亡：凋亡：UVA/UVB/UVCUVA/UVB/UVC 5/10/5min 5/10/5min，20%/35%/40%20%/35%/40%UVBUVB致致NIH 3T3NIH 3T3细胞凋亡细胞凋亡 1. 1. 断裂的特点断裂的特点 ：普通电泳、形态：普通电泳、形态：照后照后12h12h凋亡，凋亡，24h24h见见凋亡小体且凋亡小体且DNADNA已断但无梯形带。同条已断但无梯形带。同条件昆明鼠胸腺细胞有典型件昆明鼠胸腺细胞有典型DNADNA梯形带。梯形带。反转电场凝胶电泳：反转电场凝胶电泳：照后照后12

17、h12h部分断成部分断成23kb23kb片段片段( (核已固缩核已固缩),),再断裂成小分子再断裂成小分子片段，但始终未出现梯形带。片段，但始终未出现梯形带。 先断裂成大分子片段，再断裂成小分子先断裂成大分子片段，再断裂成小分子片段，而非常见的在核小体之间的断裂。片段，而非常见的在核小体之间的断裂。UVBUVB致致NIH 3T3NIH 3T3细胞凋亡细胞凋亡2.2.某些基因的表达：某些基因的表达：免疫组化：免疫组化：SPTM SPTM 试剂盒；试剂盒；半定量：半定量：Quantimet520Quantimet520图像分析仪图像分析仪 照后照后6h6h：bcl-2bcl-2降而降而N-mycN

18、-myc、c-fosc-fos升升UVBUVB致致NIH 3T3NIH 3T3细胞凋亡细胞凋亡3.3.细胞内细胞内CaCa2+2+的变化及其规律的变化及其规律: :神经酰胺致胞内神经酰胺致胞内CaCa2+2+升且在升且在100nm100nm100100 m m内有剂量依存关系；内有剂量依存关系；钙来自外钙经膜的内流和内钙池的钙来自外钙经膜的内流和内钙池的释放；释放；NIH 3T3NIH 3T3胞内钙池有胞内钙池有IPIP3 3R R和和RyRRyR且且IPIP3 3R R为主。为主。 UVBUVB致致NIH 3T3NIH 3T3细胞凋亡细胞凋亡4. 4. 细胞内细胞内pHpH的变化及其规律的变

19、化及其规律: :UVBUVB照射照射10min10min后后pHpH渐升渐升, 100min, 100min达达峰值峰值, ,至至125 min125 min基本恢复至照前水基本恢复至照前水平；平；将细胞内、外钙鳌合将细胞内、外钙鳌合(10mMEGTA)(10mMEGTA)后后, ,虽再经虽再经UVBUVB照射照射10min,10min,但但pHpH基本不升。基本不升。 UVBUVB致致NIH 3T3NIH 3T3细胞凋亡细胞凋亡5.5.神经酰胺水平的变化规律神经酰胺水平的变化规律: : A A：二氢鞘氨醇和脂酰辅酶：二氢鞘氨醇和脂酰辅酶A A在合成酶作在合成酶作用下合成二氢神经酰胺并迅速氧化

20、为神用下合成二氢神经酰胺并迅速氧化为神经酰胺；经酰胺；B B：鞘磷脂在磷脂酶：鞘磷脂在磷脂酶C C催化下降解为磷酸催化下降解为磷酸胆碱和神经酰胺。胆碱和神经酰胺。UVBUVB照射照射NIH3T3NIH3T3细胞后细胞后5-105-10分钟内便迅分钟内便迅速增高并达到顶峰，主要由细胞膜中的速增高并达到顶峰，主要由细胞膜中的鞘磷脂水解产生。鞘磷脂水解产生。 神经酰胺标的准曲线神经酰胺标的准曲线CeramideCeramide（ugug） 液闪计数（液闪计数（cpmcpm） 0 76780 7678 0.212 29939 0.212 29939 0.425 35133 0.425 35133 0.850 42846 0.850 42846 1.275 48467 1.275 48467 1.700 60356 1.700 60356 线性回归后线性回归后: y=18399+19353x: y=18399+19353x r=0.993 r=0.993 UVBUVB照射照射10min10min后培养不后培养不 同时间的神经酰胺水平同时间的神经酰胺水平培养时间（培养时间（minmin） CeramideCeramide（ug1