电离辐射生物学效应

关于电离辐射生物学效应对于放射治疗而言，ICRP将治疗开始90天之内发生的辐射效应称为早期效应，治疗开始90天后出现的效应称为迟发效应。早期效应与迟发效应也分别被称为近期效应和远后效应第2页,共64页，2024年2月25日，星期天躯体效应与遗传效应：构成机体的细胞可区分为体细胞和生殖细胞两大类，按照效应成像的部位可将电离辐射生物效应分为躯体效应与遗传效应。躯体效应是由体细胞损伤引起的，是指出现在受照者本身的效应第3页,共64页，2024年2月25日，星期天躯体效应又可分为全身效应和局部效应遗传效应：指生殖细胞的损伤引起、显现在受照者后代身上的有害效应。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天按效应发生规律性质划分的效应1977年ICRP将电离辐射生物效应划分为随机性效应和非随机性效应。1990年ICRP建议书又将非随机性效应改为确定性效应第5页,共64页，2024年2月25日，星期天确定性效应的基础是细胞死亡，放射线引起细胞死亡是一种随意性过程，把它称为非随机性效应不够妥当，改为确定性效应是由于这些效应在成因上是由放射线能量沉积事件决定的，因此被译作确定性效应。确定性效应的含义是当照射剂量达到一定水平后，细胞死亡会超过细胞增殖补充或代偿能力。第6页,共64页，2024年2月25日，星期天2007年ICRP发布新的放射防护建议书，出于对辐射所致非癌症健康效应危害的考虑，认识到其中有些效应并不是仅仅在受照时决定，在受辐射照射之后也可被修饰，因此现在被称为组织反应，建议用以替代确定性效应这一术语，或用作确定性效应的同义词。第7页,共64页，2024年2月25日，星期天随机性效应、确定性效应与组织反应随机性效应：指电离辐射照射生物机体产生的一些有规律的效应，其规律是：效应的发生概率与受照剂量的大小呈正比，但效应的严重程度与受照剂量无关；一般认为，在电离辐射防护感兴趣的范围内，这种效应的发生不存在阈值剂量，因此，不管接受照射的剂量大还是小，这种效应都有可能发生。第8页,共64页，2024年2月25日，星期天照射剂量越大，该效应的发生率就越高，但当接受照射的剂量很低时，也不能保证这种效应不发生。第9页,共64页，2024年2月25日，星期天随机性效应的依据是辐射流行病学调查数据和剂量效应—线性无阈模型（linear-non-thresholdmodel,LNT)。LNT的含义是假设在较低剂量范围内，当辐射剂量大于零时，受到照射人员的癌症和遗传疾病风险增高，此时生物效应发生率与受照剂量之间呈线性关系。第10页,共64页，2024年2月25日，星期天引发随机性效应发生实际上是体细胞和生殖细胞突变的结果，最终可导致致癌效应、基因突变和遗传性疾病。第11页,共64页，2024年2月25日，星期天第12页,共64页，2024年2月25日，星期天随机性效应的最大特点是效应是否发生存在着不可预知性，由于随机性效应的生物学研究中难于找到对应的剂量限值，而是应用确定性效应（组织反应）的剂量限值，并在此基础上追加了附加要求：即在不超过剂量限值的前提下，还要使个人受照剂量的大小、受照射的人数以及受照射的可能性均保持在可合理达到的尽可能低（ALART）的水平。第13页,共64页，2024年2月25日，星期天确定性效应与组织反应确定性效应指电离辐射引发的某种健康效应，该效应通常存在一个阈值剂量水平，当受到照射超过了剂量阈值水平时该效应可能发生。每个器官和组织以及每个人引起确定性效应的阈值存在一定的差异，在有限程度上可能还取决于受照个体的情况，超过阈值剂量时，这种效应的发生率和严重程度随剂量的增加而增大第14页,共64页，2024年2月25日，星期天确定性效应的发生基础是器官或组织的细胞死亡，确定性效应指除了癌症、遗传和突变以外的所有躯体效应和胚胎效应及不育症等。如果这种效应具有致命性或威胁到生命或导致降低生活质量的永久性伤害，则被称为严重确定性效应。第15页,共64页，2024年2月25日，星期天组织反应是从组织损伤反应的动态过程等综合因素来考虑，以前认为某种效应存在阈剂量是确定发生或未发生，现在认为有“不确定性”，因为有些效应临床可能还没有观察到，但已经有了组织或细胞反应，或者临床可能有该效应但通过治疗又可以使效应不发生，它有较多的不确定性；第16页,共64页，2024年2月25日，星期天还有一些组织反应到很晚（晚期）才表现出来，这些组织反应与发生时间、随访时间、个人敏感性差异、放疗及核事故后风险评估等因素有关，所以国际组织提倡用“组织反应”取代“确定性效应”。第17页,共64页，2024年2月25日，星期天针对组织反应，国际组织又提出了组织反应阈剂量、正常组织早期（晚期）反应和终身危险的概念。组织反应阈剂量或阈值剂量：照射会导致某种组织反应（效应）发生，但效应发生率仅为1%时所对应的剂量。第18页,共64页，2024年2月25日，星期天第19页,共64页，2024年2月25日，星期天如果正常组织受到照射后，在数周至数月内出现的组织损伤称为正常组织早期反应，若经数月至数年后才表现出来的损伤称为正常组织晚期反应；终身危险是指在人的一生中发病或死于放射性照射的风险。第20页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射的细胞效应细胞是构成机体组织、器官的基本结构单元，电离辐射的整体效应，如急性、慢性损伤，早期效应与迟发效应，均以辐射对细胞的作用为基础。细胞的损伤类型主要有两个，一个是细胞死亡，一个是细胞损伤和突变。第21页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射损伤细胞的数量和程度不同，可出现体内一系列生理变化，直至发生多种局部或整体的近期和远后效应等。第22页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射所致细胞死亡与凋亡在细胞水平上研究电离辐射效应时，细胞存活或死亡是重要的终点指标；在放射生物学中，从辐射致死效应的角度，把细胞“增殖能力”的完整性作为存活与死亡的判断标准。第23页,共64页，2024年2月25日，星期天细胞死亡的形式1.间期死亡：照射后细胞在有丝分裂的间隙期立即死亡者称为间期死亡，又称即刻死亡，由于不能通过下次有丝分裂，故又称为非有丝分裂死亡。第24页,共64页，2024年2月25日，星期天间期死亡对一般细胞来说，多出现在一次大剂量照射后迅速出现正常核形态消失，发生细胞变性而死亡。对某些细胞如A型精原细胞、卵细胞和小淋巴细胞，较小剂量即可导致间期死亡。间期死亡的原因是细胞核磷酸化抑制，ATP合成损伤，膜通透性改变，核结构的破坏等。第25页,共64页，2024年2月25日，星期天细胞间期死亡与机体辐射损伤程度紧密相关，例如骨髓型急性放射病就是大量小淋巴细胞和胸腺细胞间期死亡的结果，脑性急性放射病是神经细胞的间期死亡所致。第26页,共64页，2024年2月25日，星期天2.增殖死亡：细胞接受致死剂量照射后并不立即死亡，在停止有丝分裂之前保持正常显微结构，但在经过几次分裂后突然变性而死亡。增殖死亡与细胞分裂周期数与受照剂量有关，受照剂量越大则可分裂次数越少。第27页,共64页，2024年2月25日，星期天增殖死亡的机制可能是有丝分裂抑制和染色体畸变所致，因此，不能进入细胞分裂的细胞如神经细胞等一般不表现为这类死亡。还有一种情况是细胞照射后，既不立即变性，也不进一步分裂，而是形成巨细胞，存活一段时间后突然死亡，它可能是细胞融合或核内分裂的结果。增殖死亡的分子基础可能是DNA的双链断裂、碱基损伤和错误修复引起遗传密码改变，影响蛋白质和酶的正常合成。第28页,共64页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡：细胞死亡和细胞变异是辐射引起的两个相互关联的现象，使变异细胞死亡是避免细胞癌变的重要机制。凋亡是指为了维持内环境的稳定，由基因控制的细胞自主的有序地死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，凋亡是主动过程。第29页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射引起坏死和凋亡的机制不同，凋亡可发生在受到很高剂量照射的细胞，也可以发生于治疗剂量的正常或肿瘤组织，肿瘤细胞的辐射敏感性与照射后出现的凋亡现象呈正相关。第30页,共64页，2024年2月25日，星期天细胞存活曲线及其参数在培养基上接种一定数目的细胞经一定剂量照射后，可以通过计数形成的集落数来计量存活下来的细胞。为了集落计数标准一致，通常把含50个以上细胞的克隆计为一个集落，代表一个存活单位。在一定剂量下，生成的集落数目与原接种细胞数之比，称为该剂量下的存活分数。第31页,共64页，2024年2月25日，星期天第32页,共64页，2024年2月25日，星期天

电离辐射诱发的旁效应1992年Nagasawa发现中国仓鼠1%卵巢细胞受到α粒子随机照射20%的人鼠杂交瘤细胞，却产生比预期结果高出3倍的突变频率，有的甚至发现在低剂量α粒子作用下，旁观者细胞的基因突变频率5倍于单个α粒子击中的细胞，于是人们提出了旁效应概念。第33页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射诱发的旁效应指未直接受照细胞产生与受照细胞相同或相似的辐射生物效应。辐射旁效应涉及姐妹染色体交换、DNA双链断裂、细胞存活、增殖、凋亡、细胞生长阻滞、细胞转化、基因突变、基因表达和基因组不稳定性等多个方面。第34页,共64页，2024年2月25日，星期天

旁效应的特点:①高LET辐射所致旁效应比低LET辐射强烈；②一般相同组织的旁观者细胞才可能产生旁效应；③旁效应不仅局限在最初几代细胞，还可涉及后代细胞；④旁效应属于非靶效应，其中一些效应对细胞有害，而另一些对细胞无害，这取决于产生旁效应信号的细胞类型和接受信号的细胞类型。第35页,共64页，2024年2月25日，星期天

电离辐射诱发的旁效应的机制可能有：①辐射诱发产生活性氧自由基；②受照介质的效应；③与细胞间通信或信号传导有关的因素，以及细胞因子（包括TNF、IL-1、IL-8、TGF-1）等均在诱导旁效应过程中发挥作用。第36页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射致癌与遗传效应电离辐射致癌效应电离辐射致癌是得到确认的致命性健康危害因素，致癌效应是制定放射防护标准的重要依据之一，因此，辐射致癌效应的评价是辐射危害评价的核心内容。第37页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射的致癌特征正常细胞转化为癌细胞的过程涉及多种机制和阶段，称为多阶段学说，即经历“始动-促进-发展”三阶段。电离辐射无疑首先是致癌的“始动因子”，与化学致癌物相比，电离辐射是一种比较弱的始动因子。其次，电离辐射也可能是一种“促癌因子”，可促进已始动细胞克隆增殖。第38页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射并不是强的促癌因子，因为细胞增殖只有当受到足够高的剂量引起细胞损伤继而出现代偿性增殖时才能发生。假如剂量过高，一些已被始动的细胞还将被杀死，因而降低癌症的发生率。第39页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射也是一种“促发展因子”，任何受照射的人，肯定体内已经存在既往因其他原因引起的被始动和被促进的细胞克隆，这时电离辐射作为基因和染色体的诱变剂，可以使这些变异的细胞克隆转化为恶性生长。电离辐射具有几乎可以诱发所有种系哺乳动物的所有组织肿瘤的能力，这是任何一种化学致癌物都不能比拟的。第40页,共64页，2024年2月25日，星期天易患癌症的人对辐照的敏感性增加，其他个体因素（年龄、激素、免疫状况）和环境因素（毒素暴露、饮食等）可促进个体的辐射敏感性改变。第41页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射致癌效应评估方法电离辐射诱发的癌症与一般人群自然发生的癌症并没有可供鉴别的临床和病理学特征，而是使自然存在的某种癌症的发生率增加，超出其基线发生率。第42页,共64页，2024年2月25日，星期天为了评价人群电离辐射致癌的危险水平，流行病学中经常使用绝对危险值（EAR）、相对危险值（RR）和归因危险值（AR)三个指标。绝对危险值：是照射组癌症发生率与对照组或参比人群发生率之差，又称为超额绝对危险值第43页,共64页，2024年2月25日，星期天相对危险值是两组发生率之比。如果病例组的发病率与对照组或参比人群相比并不增加，则RR≤1，当相对危险值RR＞1时，称为相对危险增加值或超额相对危险值（ERR）归因危险值是EAR与癌症总数之比，说明全部癌症中有多少（%）起因于电离辐射照射第44页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射致癌危险辐射致癌危险评价的重要任务是根据辐射流行病学研究得到的EAR。ERR技术单位剂量照射引起的危险，称为危险系数，EAR系数为单位剂量增加的例数，用106人/年Sv表示；ERR系数为单位剂量增加的百分数，通常用%/Sv表示。

第45页,共64页，2024年2月25日，星期天人类辐射致癌危险评价特别关心低剂量照射引起的癌症危险，以便为制定职业照射与环境照射辐射防护剂量限值提供生物学依据。第46页,共64页，2024年2月25日，星期天值得关注的是医疗照射癌症危险的增加已证实20世纪英国强直性脊髓炎X线治疗人群的白血病、膀胱癌、前列腺癌和脊髓癌症增加；以色列儿童头癣放疗后，甲状腺癌增加；子宫颈癌放疗后，直肠、膀胱和胃癌以及白血病等二次原发癌增加。近年来除继续报道放疗病人新生癌症增加外，由于X线和CT的不合理应用，已成为癌症发病率增加的原因之一。第47页,共64页，2024年2月25日，星期天癌的遗传易感性及其意义现代医学研究证实，人类存在着癌的遗传易感性，因此，电离辐射致癌危险不完全是随机的，某些具有家族致癌危险的人，辐射诱发癌的概率高于一般人群。第48页,共64页，2024年2月25日，星期天对伴有家族性癌症的个体来说，低剂量照射时辐射致癌危险相当于基线危险来说是比较小的，不足以构成需专门加以防范的基础；然而在放疗中接受了高剂量照射后，这种危险增加；某些人存在癌的遗传易感性，家族性肿瘤患者诱发二次癌的危险已成为应当重视的现实。第49页,共64页，2024年2月25日，星期天电离辐射遗传效应如果辐射引起生殖细胞的损伤，这个损伤（突变或染色体畸变）可以传递下去并表现为受照者后代的遗传紊乱。辐射尚未被确认为人类的这种效应的一个原因，但对动植物的研究提示这种效应将出现。而且后果可能是微小到不可观察，进一步则为重大畸形或丧失功能，直到早期死亡。必须假定对人类生殖细胞的非致死损伤会传给后代，这种随机性效应称为遗传效应。第50页,共64页，2024年2月25日，星期天虽然迄今为止在人的辐射流行病学调查中（包括对日本原子弹爆炸幸存者的长期遗传流行病调查，对马绍尔群岛居民受核试验落下灰污染、切尔诺贝利核事故的追踪调查，天然辐射高本底地区人群及职业照射和医疗照射受照人群的流行病学调查等）尚未发现有统计学意义的遗传效应，但大量的动物实验研究中却早已观察到辐射能诱发遗传效应，包括染色体畸变（结构改变或数目改变）和基因突变（显性的和隐性的），因此，不能排除辐射对人类有产生遗传损害的危险第51页,共64页，2024年2月25日，星期天

电离辐射其他效应宫内照射效应发育中的胚胎或胎儿对电离辐射高度敏感。辐射对发育中的胚胎或胎儿可能产生的效应，有两种需要考虑，这就是发育异常（确定性效应）和在儿童期或成年期发生癌症（随机性效应）。第52页,共64页，2024年2月25日，星期天辐射照射对胚胎或胎儿的效应，取决于照射发生相当于受精的时间以及总的吸收剂量。器官形成期和胎儿早期的辐射危险最大，妊娠的中期危险稍微小一些，晚期危险最小。应当注意，对于宫内照射，值得关注的辐射剂量为胚胎或胎儿（而不是孕妇）的吸收剂量。第53页,共64页，2024年2月25日，星期天致癌效应胎儿受照后，诱发儿童期致死性恶性肿瘤也是胎儿照射关注后果之一。有证据表明，受照胎儿在10周岁之内发生的儿童白血病和癌症的危险度增大，其危险度略高于成年人的危险度，发生超额癌症的危险度持续到儿童期以后。妊娠前3个月的危险度高于后6个月期间所观察到的危险度。第54页,共64页，2024年2月25日，星期天

成年人确定性效应皮肤的电离辐射效应人类表皮厚度躯干：40~50μm，手指370μm；照射后最早出现的皮肤变化是红斑，可在暂时消退后再次反复出现；随红斑之后可以出现脱毛、干性脱屑、湿性脱屑和表皮坏死；大剂量照射后出现皮肤脱屑的时间（照射后2~3周）与从基底细胞分化到角化层所需时间大体一致。皮肤照射的远期效应为表皮、汗腺、皮脂腺及毛囊萎缩，真皮纤维化，血管扩张，皮肤溃疡和皮肤癌等。第55页,共64页，2024年2月25日，星期天

受到重视的皮肤放射损伤主要是接受穿透力较低的β射线和低能量X射线的外照射。因为穿透力较高的X射线和γ射线照射时，更重要的损伤是发生在深部器官而不是体表。第56页,共64页，2024年2月25日，星期天性腺的电离辐射效应精原细胞对电离辐射非常敏感，照射后几个小时就会出现坏死；精母细胞和精子细胞很不敏感，只要不超过3Gy就不会引起明显的变化，这时这些细胞可以继续分化成熟，精子数在受照后大约46天内变化不大，这是精母细胞成长所需的时间，在此之后精子数目将迅速下降。第57页,共64页，2024年2月25日，星期天眼晶