医学辐射防护学教学课件：第4章 辐射的生物学作用原理

1、辐射的生物学作用原理第四章电离辐射与物质作用 电离和激发概念： 参见原子结构图 氦原子结构示意图（图）: 氦原子由原子核与核外电子构成，核内有2个质子（带正电）、2个中子（电中性），核外有绕核高速运动的2个电子（带负电）。原子核的半径约占原子半径的几万分之一。靶学说：辐射成簇地一次或多次击中生物结构中敏感的“靶”区，可引发辐射生物效应。 认为辐射效应是粒子击中了某些分子特定(靶)结构的结果。引起生物大分子失活、基因突变和染色体断裂等都是由于电离粒子击中了其中的“靶” 。三种主要的靶数学模型 1.单靶单击模型（one target and one-hit model） 生物体仅有一个对射线敏感的

2、结构，是数学模型的理论基础。用于生物大分子、某些小病毒、细菌，在少数情况下，也适用于描述高LET辐射（如粒子）所致的哺乳动物细胞恶性转化。 2.多靶单击模型（more target and one-hit model） 有两个或多个靶存在 ，病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统、哺乳动物细胞都需应用多靶模型。 多靶单击模型中又可分为简单的初始斜率为零的模型和改良的初始斜率非零的模型两种。3.线性平方模型（linear quadratic mode，简称LQ模型）认为单击和多击效应同时存在，总辐射效应由D和D2的相对重要性决定。与此同时也提出了DNA双链断裂模型，把细胞死亡与DNA双链断裂（DSB）

3、直接联系起来。 书40页的一些参数含义还可参考P66 X和射线均由光子组成，但来源不同，X射线由两种原子核外的物理过程产生：高速电子在物质中受阻减速，其能量以电磁波形式释放，其实质是韧致辐射，如电子在高压电场作用下高速撞击钨钼金属靶而产生；高速电子与原子核外内层轨道电子碰撞，使其被击出，外层能量较高的轨道电子填充该内层电子留下的空位时，两电子轨道的能级差值以光子形式释放，产生特征X射线。 、射线与物质的作用 和射线对生物体的作用基本相同，它们与组成机体的各种物质（靶原子和分子）相互作用，产生光电效应、康普顿吴有训效应和形成电子对，转移其能量。从而使作用的物质电离。图 3-2 射线与物质的作用

4、射线即电子流（electron streams），带有负电，其质量很小，其径迹曲折，其实际穿透深度（射程）小于其径迹长度。射线与物质的作用 射线即氦核组成的粒子流，带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量约大8000倍。 射线在组织中通过较慢，穿透距离甚短，外照射危害小。但电离密度较大，造成的损伤则更为严重。1234567空气中的射程（cm）图4-2 粒子在空气中的比电离曲线1104210431044104510461040比电离（离子对/cm空气）布喇格峰径迹末端，电离密度明显增大，形成布啦格峰 中子与物质的作用 中子不带电荷 ，通过组织时不干扰带正电或带负电的物质，只有在与原子核直接碰撞时发

5、生相互作用。但慢中子或热中子（能量在0.5eV以下）易被原子核俘获，而快中子（能量大于20keV）与原子核主要发生弹性碰撞；在中子与质子（即氢原子核）的一次相撞中，中子的部分能量传给质子，产生反冲质子，这种带正电的重粒子在组织中的速度很快下降，引起高密度的电离作用。质子 (proton) 质子质量是电子的1836倍，是稳定粒子，平均寿命大于1032年，宇宙射线中质子成份占8389，质子加速器获得的高能质子速度快，穿透力强，其能量释放有布啦格峰，其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤灶时才会释放大量能量。是目前疗效最好、副作用最小的放射疗法。适用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宫瘤、食

6、道癌、淋巴瘤、眼癌等常见癌症。负介子（- meson） 质量介于电子和质子之间故称为介子 ，介子包括介子（0，+，-）、K介子及介子、介子等。 负介子通过组织时，靠电离和激发损失其能量，在其射程末端形成布啦格峰。 重离子（heavy ion） 某些原子核如碳、氮、硼、氖和氩原子被剥去或部分剥去外层电子后形成的带正电荷的原子核称为重离子。重离子在放射损伤和放疗的特点类似于负介子。 传能线密度与相对生物效应 传能线密度(linear energy transfer，LET)指带电粒子在组织（或其他介质）中经过一定距离时由于碰撞而损失的能量。LET的单位是J/m及eV/m。图4-4 DNA中不同LE

7、T射线的电离密度相对生物学效能（relative biological effectiveness，RBE ） 条件：以250kV X射线或60Co的射线为基础。 定义：上述X或射线引起某种生物效应（往往以机体某种损伤表示之）所需要的吸收剂量与所研究的电离辐射引起相同生物效应所需吸收剂量的比值（倍数），即为相对生物效能。 应当注意的是RBE的使用必须是在产生同一种生物效应的条件下比较，因此IAEA最新给出了针对选定的严重确定性效应的RBET,R 的组织特定值和辐射特定值（P60 表4-7）。表4-6 不同电离辐射的相对生物效能 辐射种类 RBEX，射线粒子热中子中能中子快中子粒子重反冲核质子1

82相对生物效能权重吸收剂量（RBE weighted absorbed dose，ADT,R）值定义为：ADT,RDT,RRBET,R ADT,R 是某个组织或器官所受剂量的一个量度，它反映了严重确定性效应发生的危险性，任何辐射类型对特定组织产生的相对生物效能权重吸收剂量的数值均可直接进行比较。 RBET,R 的组织特定值和辐射特定值见表4-7 , 可以应用实践活动的比较。辐射敏感性（ionizing radiation sensitivity，IRS） 含义是某种辐射以相同的剂量作用于不同生物体，或作用于同一生物体的不同组织及细胞，由于生物体的差异造成产生的生物学效应

9、不相同，这两种生物效应的差异称为辐射敏感性，常用同种辐射引发不同种生物产生相同生物效能所需的剂量的比值来表示。一、电离辐射的直接作用 射线的粒子或光子的能量被DNA或具有生物功能的其他分子直接吸收 ，使生物分子发生化学变化，这个效应为直接效应。电离辐射的这种作用称为直接作用（direct effect）。 电离辐射对核酸大分子的直接作用，主要引起碱基的破坏或脱落、单链或双链断裂、氢键破坏、螺旋结构中出现交联，或核酸之间、核酸与蛋白质之间出现交联。 电离辐射对蛋白质的直接作用可引起蛋白质侧链发生变化，氢键、二硫键断裂，导致高度卷曲的肽链出现不同程度的伸展，空间结构改变。 二、电离辐射的间接作用

10、间接作用：辐射的能量向生物分子传递时，通过扩散的离子及自由基起作用，并被生物分子所吸收而产生的生物学效应称为间接效应或间接作用 自由基定义：带有一个或多个不配对电子的分子或原子团。 间接作用主要是指辐射通过水的原发射解产物等对生物大分子的作用，引起后者的损伤。 H2O，H，OH，eaq- H2，H2O，H3O+等 带电粒子及其次级粒子在水中被阻止时，每损失100eV所产生的特定产物数目，不同降解产物的G值不同，下边是常见的辐射降解产物的G值：G值的含义(放化产额)OH2.6； eaq2.6； H0.6； H2 0.45； H2O2 0.75 水辐解有以下产物：水自由基的性质行为 羟自由基 OH

11、是水辐解自由基中致伤能力最强 ，G值高达2.62.7，扩散系数为2.310 -5cm2/s，属氧化性自由基 。 水化电子（ ）的放化产额与OH相似，但扩散速度比OH快，在中性水中半衰减期T1/2=2.310 -4s。为还原性自由基，在酸性条件下可与H+或H2O2反应形成H自由基；在有氧条件下则易被氧捕获成超氧化物阴离子（O2-）： + O2O2- 自由基反应发生在很小的反应体积内，这个小体积叫做剌团（Spurs），其平均直径为1.5nm，反应发生的时间为10-1410-10s，平均每个剌团约含6个自由基，在剌团内水自由基可发生复合，导致分子的次级产物H2和H2O2的形成。剌团概念OH (2.6

12、)和eaq- ( 2.6)的G值最大,损伤作用强 自由基等活性基团的损伤途径1、自由基破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引起膜结构的破坏；2、自由基使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋白质的失活、结构改变、化学链的断裂，或使蛋白质交联和聚合，从而影响蛋白质的正常功能；3、自由基使糖链的断裂和失活；4、自由基引起核酸的损伤，造成细胞死亡。 三、直接作用和间接作用的相对效应直接作用或间接作用是相辅相成 稀释效应diluent effect：最大的相对效应发生在最稀释的溶液中，这就是稀释效应。氧效应oxygen effect：辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称为氧效应防护效应protective

13、 effect：在溶液体系中，由于其他物质的存在而使一定剂量的辐射对溶质的损伤效应降低，称为防护效应。温度效应temperature effect：溶液系统或机体受照射时，降低温度或使之处于冰冻状态可使辐射损伤减轻，这种效应称为温度效应或冰冻效应。 抗自由基的氧化酶系效应resistive free radical effect： 电离辐射产生大量的自由基，而在生物进化的过程中，动物和人类为了自身保护的需要在自身体内形成了一系列能清除自由基的酶类，把酶类清除自由基的效应称为抗自由基氧化酶系效应。如超氧化物歧化酶等。 抗自由基氧化酶系从细胞、器官和动物机体水平来观察均具有明显的抗辐射间接损伤的防

14、护作用。影响电离辐射生物学作用的因素与辐射有关的因素（一）辐射种类 （二）照射剂量规律：剂量愈大，效应愈显著，但并不全呈直线关系。半数致死剂量：（LD50）or LD50/30（三）剂量率 在一般情况下剂量率越大，生物效应越显著，但当剂量率达到一定程度时，生物效应与剂量率之间则失去比例关系。（四）分次照射 同一剂量的辐射，在分次给予的情况下，其生物效应低于一次给予的效应。分次愈多，各次间隔时间愈久，则生物效应愈小.机理修复（五）照射部位 当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射的全身后果最严重，依次为盆腔、头颈、胸部及四肢。（六）照射面积 当照射的其他条件相同时，受照射的面积愈大，生物效应愈显著（七

15、）照射方式 照射方式可以是内照射或外照射和混合照射。 外照射又可以是单向或多向照射，一般来说，多向照射大于单向照射。与机体有关的因素（一） 生物种系的放射敏感性 总的趋势是：种系演化越高，机体组织结构越复杂，则其放射敏感性越高 。（二） 个体发育的放射敏感性 总的来说，放射敏感性随着个体发育过程而逐渐降低.胚胎植入前期:照射母体胚胎大量死亡，人为妊娠第09日，小鼠为05日。器官形成期:受到照射出现大量畸形。人为第942天，小鼠为第513天。器官形成期后:个体的放射敏感性逐渐下降。 应当强调指出，胚胎和胎儿期受照射的儿童发生某些类型的癌症和白血病的危险度增高。 (三) 不同组织和细胞的放射敏感性Bergonie和Tribondeau定律： 一种组织的放射敏感性与其细胞的