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辐射、人与环境 ---辐射生物学,2015年10月8日,十堰市人民医院肿瘤中心,王贤和,辐射是不依人的意志为转移的客观事物。 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，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，就连我们的身体内，也存在着¹⁴C、⁴⁰K等之类的放射性核素。 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。,地球·●环境,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。 辐射分类：,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、X线和放射性物质 的辐射,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,,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,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,宇宙射线(原生射线),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 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 初级宇宙射线进入大气层与空气分子发生核反应形成－次级宇宙射线,宇宙感生射线(宇生射线),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 对人类的作用与宇宙射线相同，还可产生内照射,宇宙射线的特点,辐射剂量率随着纬度的升高而增加 　－地球磁场的影响 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,,到处都有辐射？,辐射的来源,室内氡的来源,辐射来源,人工辐射：平均约0.4 mSv/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 0.007 mSv/年；来自核电站排放约 0.002 mSv/年。,人类生活方式对辐射水平的影响,,电离辐射生物学效应基础,,医学放射生物学 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，使射线和核技术更好地为人类服务。,辐射生物效应  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各系统功能、调节和代谢的改变，产生各种生物学效应。,生物的结构和功能 生物体－－组织－－细胞－－染色体－－DNA－－遗传信息,,生物效应产生的过程和机理,亚细胞结构的破坏,细胞内水解酶的释放,信号转导网络的改变或破坏,代谢的方向性和协调性的紊乱,生物化学损伤,细胞、组织器官和系统的变化,病理学 改变,功能变化,,,,,,,,继发反应：,电离辐射生物效应的种类,区分以下四个述语: ①变化: 由辐射引起的某种生物学改变，可能有害， 也可能无害; ②损伤: 表示某种程度的有害变化，这种损伤是指对细胞有害，不一定是对受照射的人体有害; ③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）; ④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。,辐射种类,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： 电磁辐射 粒子辐射,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。 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 γ射线) 非电离辐射 (如无线电波、微波等) 粒子辐射（有形） 高能粒子通过消耗自身的动能把能量传递给其它物质---高速粒子、带电粒子,,,,,电磁辐射,电离辐射,粒子辐射,X,γ射线,α、β、中子 质子、负π,电磁辐射--波谱,传能线密度 与 相对生物效应,,重 点,一、传能线密度（linear energy transfer，LET，线性能量传递） 定义：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量（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、γ射线和中子。,LET意义,表示射线在穿过物体时，单位长度所引起的能量损失 LET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,二、 相对生物效能 （ elative biological effectiveness, RBE）,RBE ＝,X或γ射线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效应所需剂量,以250KeV X线所产生的生物效应为基准,（一） RBE的含义,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。 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，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。,（二）LET与RBE的关系 RBE的变化是LET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,原发作用 与 继发作用,生物大分子,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、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。,一、原初作用（primary effect）,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，在细胞中进行着辐射损伤的原初和强化过程。 包括物理、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、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等，都是在生物体内进行的。,是指在原发作用发生的基础上，因原发作用形成的各种活性基团不断攻击生命大分子，导致生物显微结构的破坏，继而发生一系列生物学、生物化学的损伤效应。,二、继发作用,三、电离和激发,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）。 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。激发分子很不稳定，容易向邻近分子或原子释放能量。,四、水的电离和激发,水的原初辐解产物： 电离辐射作用于机体的水分子，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物 。,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。 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 点,一、直接作用 概念：电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，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分子损伤效应称为直接作用。 特点：生物效应与辐射能量沉积发生于同一生物大分子上。,电离辐射对DNA分子损伤的直接作用,直接作用,1）DNA链断裂 2）氢键断裂和碱基损伤 3）分子交联,二、间接作用 概念：电离辐射首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子等），再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化。 特点：能量沉积和生物效应发生在不同分子,电离辐射对DNA分子损伤的间接作用,间接作用,电离辐射间接作用的四种效应 1. 稀释效应（dilution effect）：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，间接作用占主要地位,2. 温度效应（temperature effect）： 指在一定实验条件下，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（protective effect）： 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。 ①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。 ②剂量降低系数（dose reduction factor，DRF） DRF= 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（ oxygen effect） ① 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。 ② 氧增强比（oxygen enhancement radio,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= 缺氧条件下产生一定效应的剂量 有氧条件下产生同样效应的剂量,③ 氧效应的发生机制：氧具有双重作用。 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 O2 R R▪ ROO▪ 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,氧浓度对氧效应的影响,有氧条件下细胞放射敏感性增高 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,照射时间对氧效应的影响,照射前引入氧，表现出氧效应 照射后引入氧，无效,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，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。,自由基（free radical）：指含有一个或多个不配对电子的原子、分子、离子或游离基团。 形成方式——均裂（homolytic fission) 自由基的特性：,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 不稳定性：寿命短不稳定 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。,自由基对生命大分子的作用,1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形成有机自由基。 HO· + RH → R· + H2O H· + RH → R· + H2 2) 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· + R―CH = CH2 → R―CH― CH2 · H,,3) 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 + O2 O2- · + H2O2 → O2 + · OH + OH- 4) 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: 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。,辐射生物学效应的分类,确定性效应 与 随机性效应,,重 点,1. 确定性效应（deterministic effect）：指发生生物效应的严重程度随着电离辐射剂量的增加而增加的生物效应。这种生物效应存在剂量阈值，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（stochastic effect）：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，不存在剂量阈值。 如辐射致癌、遗传效应。,外照射、内照射效应  局部照射、全身照射效应,1. 外照射（external irradiation）： 辐射源从体外对机体进行的照射。γ 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（internal irradiation）： 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 α、β 射线为主。,3. 局部照射（local irradiation）：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（total body irradiation）：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。,躯体和遗传效应近期与远期效应,1. 躯体效应（somatic effect）：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（total body effect）和局部效应（local effect）。如辐射所致的骨髓造血障碍、白内障等。 2．遗传效应（genetic effect）：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（early effect）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（late effect）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。,辐射旁效应,传统辐射效应：只有被照射的细胞才会有变化…？ 未直接受照射的细胞表现出与直接受照射细胞相类似的生物学终点变化,影响电离辐射生物效应的 主要因素,,重 点,（一）与辐射有关的因素 1. 辐射的种类：电离密度和穿透能力 2. 辐射剂量：一般情况存在剂量效应关系（非线性） 3. 辐射的剂量率 ：单位时间接受的照射剂量 4. 分次照射：效应低于一次照射 5. 照射部位：腹部>盆腔>头颈>胸部>四肢 6. 照射面积：照射面积越大，效应越显著 7. 照射方式：内照射、外照射（单向或多向）、混合照射,（二）与机体有关的因素 1、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 ：敏感性随个体发育过程而逐渐降低 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 4、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 DNA > mRNA > rRNA > tRNA >蛋白质,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度快慢不同，若反应强、速度快，则敏感性高。反之亦然,特性 一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比，而与其分化程度成反比。 1. 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：感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮 3. 轻度敏感组织：中枢神经系统；内分泌腺、心脏 4. 不敏感组织： 肌组织、软骨和骨等,（三）与介质有关的因素,1. 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。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：①温度造成动物体內氧状況的改变； ②温度引起体内新陈代谢水平的改变； ③在低温或冰冻状況下，溶液中自由基扩散受阻。 2. 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。目前为提高肿瘤组织对辐射的敏感性，利用辐射“氧效应”这一特性提高放射治疗效果。,3. 化学物质 在溶液体系中，由于其它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。细胞的培养体系中或机体体液中在照前含有辐射防护剂，可减轻自由基反应，促进损伤生物分子修复，能减弱生物效应。反之，如含有辐射增敏剂（radiosensitizer），可增强自由基化学反应，阻止损伤分子和细胞修复，能提高辐射效应。,小剂量外照射的生物效应,小剂量外照射的概念 ①一次受到较小剂量的照射。它可以是一次或在数天内多次受到小剂量的照射。例如事故性照射或应急照射； ②长期受到低剂量率的慢性照射。这是指受到当量的剂量限值范围内的照射。,小剂量慢性照射的医学随访结果 A：造血系统以中性粒细胞为主的白细胞降低和淋巴细胞绝 对值减少。单核、嗜酸、嗜碱粒细胞则表现增高。 B：外周血淋巴细胞染色体畸变率和微核率明显增高。 C：恶性肿瘤发病率增高，其中白血病的发病率增高较明显 D：子女遗传性疾病和先天性畸形的总发病率均有增高。从 上述可见，小剂量慢性长期照射导致的机体损伤效应比 小剂量一次照射的损伤效应更为明显。,(1)兴奋效应（hormesis）:刺激动物的生长发育、延长动物寿命、提高生育能力，还可以增强动物和人体的免疫功能，降低肿瘤发生率等。 (2) 适应性反应（adaptive response）:经微小剂量（如50～75mGy）辐射预处理的细胞、脏器或整体动物，当它相继接受较大剂量辐射时，能够对损伤产生抗性，尤其在增强DNA的修复能力和减轻染色体损伤等方面表现更为明显。 (3) 生物学意义:进一步探讨上述效应的发生机理及其将对辐射防护的理论和实践具有重要的价值。,微小剂量辐射的兴奋效应和适应性反应,应掌握的内容,概念： 水的原初辐解产物、直接作用、间接作用、确定性效应、随机性效应 名词解释及英文缩写：LET, RBE, ROI, OER LET与RBE的关系影响辐射生物效应的因素,