高等电离辐射防护教程-夏益华-6第四章-电离辐射的生物效应

1、电离辐射的生物效应,理学院 张慧娟,Ionizing radiation is ubiquitous. Air, water, soil, plants, animals, people, food, paper, machinery and buildings are radioactive.,日常照射,Radon is a highly radioactive element that can have serious adverse effects if it gathers in large quantities.,Your annual dose of radiation from

2、natural sources is about 0.003 Sv or 3 mSv,人类对电离辐射生物学效应的认识,第一阶段： 时间：发现X射线（1895年）1930年代 特点：对辐射可能造成的损伤认识不足 损伤对象： （1）X射线管的制造者和应用X射线的技术人员； （2）从事放射性物质研究的科学家； （3）铀矿工人及用含镭夜光涂料的操作女工。,人类对电离辐射生物学效应的认识,第二阶段： 时间：19301960年代 特点： 医学界把辐射看作是时髦的诊断和治疗手段，却缺乏对辐射远期效应的认识，病人由于接受高累积剂量而诱发过多的白血病、骨肿瘤、肝癌等恶性肿瘤。 损伤对象： 接受超剂量辐射照射的病

3、人。,人类对电离辐射生物学效应的认识,第三阶段： 时间：1960年代现在 特点： 由于人类对辐射危害的认识逐渐深化，防护知识的增长和防护措施的进步，早期的职业性急性辐射损伤，除事故外，巳极为罕见了。 中期所见到的高发生率的恶性肿瘤，得以避免。除事故外，只能用大群体的流行病学的调查方法，才能发现辐射损伤或危害有所增加 。,电离辐射生物学效应,电离辐射生物学效应（biological effect of ionizing radiation） 电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后，引起一系列复杂的物理、化学和生物学变化，由此所造成生物体组织细胞和生命

4、各系统功能、调节和代谢的改变，产生各种生物学效应。 辐射的生物效应的特点 ： 很低的吸收能量就能引起高的生物效应； 短暂作用引起长期效应。,电离辐射生物学效应,电离辐射生物学效应的分类 确定性效应 （组织反应） 因细胞丢失导致的组织或器官功能失常或功能丧失，这种效应一般由大剂量照射引起 随机性效应 （致癌效应、遗传效应） 包括癌症以及由动物实验结果推论的遗传疾患的增加，可能在受照后很久才显现出来,主要内容,生物体对电离辐射的反应 确定性效应 随机性效应,生物体对电离辐射的反应,辐射对DNA的损伤,DNA是细胞繁殖遗传的物质基础，是引起细胞一系列生化、生理变化的关键物质。 普遍认为DNA是电离辐

5、射作用主要的靶,带电粒子与DNA分子直接发生作用，导致细胞的损伤。 通过自由基的间接作用：辐射粒子与DNA周围环境成份（主要是水）发生作用，产生自由基和过氧化物，自由基将能量转移给DNA，导致DNA产生化学变化。,辐射对DNA损伤的两种机制,自由基：是指具有一个或多个不配对电子的原子或分子，它能够与其它具有不配对电子的原子或分子形成化学键，因此化学性质很活泼、不稳定。,碱基变化 DNA单链断裂 双链断裂 DNA交联 簇损伤,辐射对DNA的损伤,DNA损伤与修复,无差错修复 错配修复 SOS修复,电离辐射对细胞的损伤,作用： 一类是对细胞的杀伤作用，即使受照射细胞死亡或受伤，细胞数目减少或功能减

6、低，结果影响了受照组织或器官的功能，表现为确定性效应，如急性放射病，造血功能障碍。 一类是对细胞的诱变作用 主要表现为诱发细胞发生癌变(致癌)，诱发基因突变 (致突)和先天性畸形(致畸)。 影响因素：剂量大小、细胞的增殖能力,辐射对细胞的损伤作用,辐射与染色体畸变,研究发现，当受到电离辐射照射时，染色体对辐射具有高度的敏感性 辐射诱发的染色体疾病主要是染色体结构的改变。 非稳定性畸变 稳定性畸变,辐射生物效应的发生过程,影响辐射生物学效应的因素,物理因素 辐射类型、剂量率、受照时间间隔 生物因素 生物物种、生物物种的年龄、受照部位与面积,辐射类型,不同种类和不同能量的射线有不同的生物效应。 一

7、般说来，高LET辐射(n，)的生物效应比低LET辐射 (X，)的更为明显或严重。,剂量效应关系中的决定因素。,辐射剂量,剂量率,剂量率越高，辐射效应越显著。剂量率在0.1Gy/h 到1Gy/min之间这种关系明显。,存活曲线,根据不同的剂量和相应的生存率绘制出来的曲线。反映细胞照射后的存活情况 存活曲线可能出现的情况 直线 二次曲线 肩区出现是由于小剂量照射不会导致细胞死亡，小剂量时出现了放射损伤的积累过程,存活曲线,注意： 细胞存活曲线仅代表细胞水平。 平均致死量D0 代表这一细胞群的放射敏感性。直线越陡， D0值越小，杀灭63%细胞所需的剂量就越小。 存活的肩区宽度Dq越大，造成细胞指数死

8、亡所需的剂量越大,存活曲线的意义,研究各种细胞生物效应与放射剂量的定量关系 比较各种因素对放射敏感性的影响 比较不同放射分割方案的放射生物学效应 比较不同传能线密度射线的生物学效应 观察有氧和乏氧情况下细胞放射敏感性的变化 研究细胞的各种放射损伤 比较单纯放疗和放疗综合治疗的作用 考察各种放射增敏剂的作用,生物因素,不同生物种系对辐射的敏感性不同,半致死剂量（LD50剂量） 使一般数量个体在30天内死亡所需的剂量。 通常用来表示各类生物间的辐射敏感性。,生物因素,不同年龄对辐射的敏感性不同,胚胎不同发育阶段，2Gy X射线照射下死胎或畸形的发生率,胎内照射效应,胚胎的致死效应 主要发生在植入前

9、期 由细胞遗传学损伤引起 畸形 主要发生在器官形成期 器官特异缺陷 可能伴有智力低下 智力迟钝和智力下降 由原爆资料，辐射引起智力迟钝存在阈值，约为0.12-0.2Gy,生物因素,不同组织或器官对辐射的敏感性不同,高度敏感: 淋巴组织、 胸腺、骨髓、性腺、胚胎 肠胃上皮 中度敏感: 感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮、 唾液腺、肾、肝等 轻度敏感: 中枢神经系统、内分泌腺、心脏 不敏感: 肌肉组织、软骨组织、结缔组织,电离辐射生物学效应,电离辐射生物学效应按剂量效应关系可分为： 确定性效应 （组织反应） 因细胞丢失导致的组织或器官功能失常或功能丧失。 辐射效应的严重程度取决于所受剂量的大小。这种效应

10、有一个明确的剂量阂值，在阂值以下不会见到有害效应，如放射性皮肤损伤、 生育障碍。 随机性效应 （致癌效应、遗传效应） 辐射效应的发生几率(而非其严重程度)与剂量相关的效应，不存在剂量的阂值。 可能在受照后很久才显现出来,确定性效应,特点 : (1) 有阈. (2)严重程度与剂量有关,随机性效应,特点 : (1)发生概率与剂量有关，但严重程度与剂量无关 (2) 线性比例、无阈,组织或器官确定性效应的剂量阈值,组织或器官确定性效应的剂量阈值,急性放射病,参考人: 身高170cm 体重70kg,人体一次或短时间（通常指数日）内均匀或比较均匀地受到1.0Gy照射引起的全身性疾病。 以确定性效应为主,A

11、cute Radiation Syndrome,前期症状,厌食，恶心 呕吐 腹泻,无症状,潜伏期,发病期,厌食，恶心 呕吐，腹泻 组织损伤,恢复或死亡,Time,Irradiation,原则上说，造血型急性放射病经适当抢救和治疗，都是可以治愈的。,皮肤的辐射效应,人类认识最早的辐射效应，临床最为常见。 影响因素：辐射性质和辐射量，剂量率和间隔时间，受照面积，受照者情况 受照剂量5.0Gy，即可引起急性皮肤损伤。,皮肤损伤与射线及剂量的关系，Gy,造血器官的辐射效应,造血器官是机体中对辐射作用敏感性高的器官； 引起50受照人员在60天内死亡所需的急性照射剂量约在2.55Gy之间，而低于0.51.

12、0Gy照射只能引起造血细胞的轻微减少，不至影响受照人员的存活； 高于710Gy的急性照射则被认为是可引起100受照人员死亡的剂量，但是这也取决于是否接受有效的治疗； 如果照射延迟数月，造血系统的耐受剂量可达310Gy； 由于骨髓的再生能力，在职业性照射下，可察觉造血功能障碍的剂量阈值可能高于0.45Sv年，而致死性骨髓再生障碍的阈剂量可能高于1.0Sv年。,性腺的辐射效应,性腺有较强的敏感性，生殖细胞比间质细胞敏感； 生育能力一时性或永久性降低，性细胞突变中断妊娠或后代出现遗传效应，生殖器官癌变，但发生几率极小； 对生育的影响随性别、年龄而异。,引起男性不育的阈剂量,受照剂量相同时，分次照射的

13、损伤高于单次受照。 产生严重性性腺损伤的阈剂量与安全剂量间差距甚小，如每周30mSv， 一年内能发生绝育或精子严重减少； 而每周6mSV时，12一13年后末发现对精子计数或对生育力的影响。,引起女性不育的阈剂量,卵巢也有较高辐射敏感性但略低于睾丸； 年龄是决定性因素，35岁以下耐受力最强； 含有生殖细胞的数量是一定的 (成人约100000个)，一旦完全破坏，就绝育了； 对性激素的生成有较大影响。,胚胎和胎儿的辐射效应,胚胎不同发育阶段，2Gy X射线照射下死胎或畸形的发生率,胚胎和胎儿的辐射效应,主要器官形成期损害导致的畸形，主要是对中枢神经系统的致畸。 严重智力障碍存在阈值。对群体估计阈值位

14、于0.10.2Gy，个体约0.48Gy。,儿童智力障碍发生率与孕龄关系的分析，孕龄10一17周时最为敏感。孕龄18周后也可能发生，但其危险度已降至其前的14。 孕龄7周和26周者，未发现诱发智力低下。 每年接受0.01Sv的女性群体中胚胎的平均危险度约为10-5年。,眼晶体的辐射效应,影响：眼晶体混浊（lens opacities），白内障（cataract）,ICRP估算的辐射致白内障的阈剂量为：单次照射210 Gy； 放疗病人致白内障阈剂量的估算：单次照射2Gy，在313周分次照射达5.5Gy； 低能中子中能中子高能中子X射线。,辐射白内障的发生概率,致癌效应,致癌效应（Carcinoge

15、nesis），恶性疾病（Malignancy）,与射线类型、照射条件和被照对象有关； 在高LET辐射作用下，很可能趋向于线性（L）模式；在低LET辐射、低剂量率作用下，很可能符合线性平方（LQ）模式； 对、 核素内污染致癌观察，则支持实际有阈值的存在。,剂量效应关系,不同组织和器官对辐射致癌作用的敏感性,辐射致癌的潜伏期：,白血病：1013年； 甲状腺癌：20年； 乳腺癌：23年； 皮肤癌：25年； 一般潜伏期取25年。,白血病,受照低于1.0Gy组，在长崎看不到白血病发病率的明显增加，而广岛则不同。 中子对诱发慢性白血病贡献较大。,高本底地区调查（法国、英国、日本、美国等）未发现居民白血病发

16、病率增高。,对低LET辐射，白血病诱发率约（1525）10-4Gy。 这是剂量高于1.0Gy受照人群观察值，受照小于0.1Gy时，它要小得多。,“善良的”恶性肿瘤，自然发生率高，女性比男性高2.5倍，死亡率低。 据估计，外照射诱发甲状腺癌的有意义的剂量，成人为2.0Gy，小儿为1.5Gy。131I诱发甲状腺癌的放射性活度，成人为5.5108Bq，小儿为7.4 107Bq。,甲状腺癌,辐射诱发甲状腺癌的危险度为（50150）10-4Gy-1，诱发致死性甲状腺癌的危险度（515）10-4Gy-1,肺癌,恶性程度高，生长快，易转移。,低LET辐射诱发肺癌的危险度对受照时大于35岁的人来说，在5010

17、-4Gy左右； 全年龄段整个人群的平均危险度为2510-4Gy。,铀矿山肺癌的诱发率比广岛长崎原子弹爆炸幸存者高；,肺癌的自然发生率有较大差异：,日本：10210-6 a-1 捷克： 70610-6 a-1,Why？,吸烟的作用：缩短了辐射诱发肿瘤出现的时间,乳腺癌,乳腺癌也是“善良的”癌症，诱发率高，尤其是青年女性，死亡率低。,乳腺癌的诱发率远高于死亡率，致死性乳腺癌的危险度约为5010-4Gy。,出生前受照的儿童发生的恶性肿瘤,宫内胎儿受照0.0020.2Gy后，诱发致死性恶性疾病的危险度为（200250）10-4Gy-1。其中一半是白血病，1/4是神经系统肿瘤,辐射的遗传效应,From：

18、UNSCEAR报告,辐射诱发染色体畸变的剂量效应关系,Barcinski，1975年，巴西瓜拉巴地区，年剂量640mR/a，染色体总裂变数显著超过对照组； Pohl-Ruling，1979年，奥地利Badgastein地区，剂量率1.13.4mSv，染色体畸变率随剂量增加而增加。,高本底地区居民的染色体畸变,医疗受照人员染色体畸变,职业照射染色体畸变,累积吸收剂量0.078.08mGy范围内，年吸收剂量率5mGy，染色体畸变率与累积剂量和年剂量率有相关性。,结论,“淋巴细胞染色体畸变是相当敏感的生物学指标；高剂量照射下，畸变率和受照剂量有相关性。” “淋巴细胞染色体畸变仅意味着机体受到照射，并不意味着人体发生了辐射损伤，也不意味着将来发生恶性肿瘤。” “对原子弹爆炸幸存者子代的调查未发现辐射所致的