RBE与对DNA的损伤

1、LET、RBE與對DNA的損傷線性能量轉移(LET) 當阻擋本領不等於LET？阻擋本領(-dE/dx)為在介質中的帶電粒子之能量損失。LET為在靶中的能量吸收。二次-電子會傳遞一部份的能量至靶體積之外。 若靶相較於二次電子的射程為小，則對重荷電粒子而言特別為真。 在生物分度上，靶的尺寸在微米(細胞)、奈米(染色質)或埃(DNA)之程度。限制阻擋本領 LET = 能量傳遞 > D = 100 eV可視為給予-電子。 符號LET意指未限制阻擋本領。 LET一般在生物學相關文章裡沒有下標是假設為未限制阻擋本領。 這只在HZE粒子與徑跡的相關議題 例：輻射一般LET值1.2 MeV 60Co 加

2、馬 0.3 keV/µm250 kVp x射線 2 keV/µm10 MeV 質子 4.7 keV/µm MeV 質子 0.5 keV/µm14 MeV 中子 12 keV/µm重帶電粒子 100-2000 keV/µm2.5 MeV 粒子 166 keV/µm2 GeV Fe離子 1,000 keV/µm在組織中重離子徑跡的微劑量量測上的結構 Chatterjee, A.與Schaefer, H. J. Radiation and Environmental Biophysics, 13, 215-227, 19

3、76.兩個不同Z且不同E(速度)的粒子但有可能有相同的LET。在徑跡上的能量微觀分布是不相同的。 閃逝碰撞：徑跡核心  E傳遞少  作用的次數大 封閉碰撞：徑跡半影  E能量傳遞大，高至最大值  作用次數少核心半徑可由此公式獲得：rc = 0.0116(mm) 這裡的= v/c，即粒子相對於光速的速度半影半徑，rp，可由此公式獲得： rp = 0.768E1.9251.257 (mm) 這裡的E拭粒子的動能，單位MeV/核子。不同Z值與能量而有相同LET的三種核種的資料元素NeArFeZ值101826速度， = v/c0.0960.200.32能量，Me

4、V/核子4.420.051.0核心半徑rc，微米0.00110.00230.0037半影半徑rp，微米0.67.727.0LET，keV/微米T800800800核心LET，keV/微米T430423420(來自Chatterjee與Schaefer, 1976的表3)HZE粒子的輻射效應無法以慣用的劑量量測單位來測量核心在輻射生物學上必須視為一完整飽和與破壞的次顯微區域！相對生物效能(RBE)影像已移除已知：1 Gy = 1 J/kg； 1 eV = 1.6×10-19 J假設：1個游離= 33 eV；1原子核 = 10-10克或約5 mm3因此：1Gy » 20,000

5、個游離/10-10克在越過一個5mm原子核： 1 MeV電子會在6個游離/mm中損失200 eV 7000 個徑跡 » 20,000個游離 » 1Gy 30 MeV電子會在30個游離/mm中損失1 keV 140 個徑跡 » 20,000個游離 » 1Gy 4 MeV質子會在300個游離/mm中損失10 keV 14 個徑跡 » 20,000個游離 » 1Gy對原子核的劑量是相同的。生物效應是非常不同的。在比較不同輻射種類時，習慣上使用X射線(早年用250 keV的X射線，現在移用60Co的加馬射線或> 1 MeV的X射線)作為

6、參考標準。 相對生物效能(RBE)定義為：RBE = ，此處的 Dref是X射線的劑量 Dtest是要產生相同生物效應的試驗輻射之劑量。這裡需要一個生物系統來量化輻射的效應。有許多不同的技術指標可能可用(活體試驗、試管內試驗、正常組織、腫瘤)影像已移除Fig. 1-7 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 1st ed. New York: Pergamon, 1986.RBE與吸收劑量之間的關係低-LET與高-LET存活曲線的形狀不同導致RBE為技術指標(存活)之函數有所不同。RBE與所顯則之技術指標的損傷程度

7、有關。RBE隨劑量而變化。 大劑量：RBE正比於最後的斜率 中等劑量：有肩部區域，因參考曲線的肩部而使RBE隨著劑量減低而增加。 低劑量：RBE趨近初始切線的斜率影響RBE的因素 輻射品質(LET) 輻射劑量 劑量分次的次數 劑量率 生物系統或技術指標影像已移除Fig. 7.3a in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000.RBE與LET之間的關係 RBE強烈地受特定輻射之LET所影響。 當LET增加，斜率變得

8、更陡，而外插數值，n，趨近1。影像已移除最佳化的LET？ 對廣泛地各種類型哺乳類細胞與不同技術指標(突變、細胞被殺)而言似乎100 keV/mm就是最大值。 曾有人提出這結果反應出靶的大小與其DNA結構有關，對所有哺乳類細胞而言其大小是相近的。影像已移除Fig. 7.6 in Hall.多餘(overkill)效應 根據靶理論。 殺死細胞需要兩個不活躍的地方 緻密的游離輻射在產生殺死細胞的最大數量上並非有效。 低-LET輻射產生鬆散的游離徑跡。 這兩類徑跡上只有極少數事件會在相同細胞中沈積能量。 LET值大於100 keV/mm者稱為無用劑量影像已移除分子理論 .影像已移除Fig. 7.7 i

9、n Hall.這效應也與修復有關。 低LET的損傷對細胞而言較容易修復。 高LET損傷中有部份較為困難或不可能修復。 整體結果是類似的。 在相同點的劑量是浪費無用的。影像已移除氧增比(OER)影像已移除Fig. 7.8 in Hall.在腫瘤治療上有明顯地意義。OER vs. LET影像已移除Fig. 7.8, 7.9 in Hall.DNA就是靶的證據是什麼？選擇性地照射細胞核或細胞質。結果顯示細胞核比細胞質還要敏感。 釙針：粒子射程 40mm影像已移除Fig. 3.4 in Hall. 微射束有以mm解析度傳遞粒子(質子或粒子)的能力。影像已移除微射束實驗影像已移除放射性同位素的植入 將一

10、個鹵素化的鹼基類似物植入DNA使細胞變得敏感。影像已移除植入使得DNA對損傷更敏感，包括輻射傷害。 放射性同位素植入DNA殺死細胞比放射性同會素在RNA或在蛋白質中更有效果。在DNA中的125I比起在細胞質或在細胞膜中的125I效果強了200-300倍。 氚特別有用：會發出18 keV的貝他粒子，在組織中的射程小於1-2 mm。氚化的胸腺嘧啶標定上DNA氚化的尿嘧啶標定上RNA穿化的氨酸來標定上蛋白質氚化水(均勻分布)比氚化的胸腺嘧啶(DNA所在處)效果差了1000倍。3H胸腺嘧啶的植入造成染色體斷裂，與在自動放射顯像上可看見的附著點有相互關聯。 在DNA修復酵素中的細胞缺陷一般使之更放射敏感

11、。 能抑制DNA修復的藥物即是增敏劑。DNA損傷的類型輻射可造成DNA不同的病灶 單股斷裂 雙股斷裂 鹼基改變 五碳糖的損毀 交叉聯結與二聚物的形成但每天發生源自天然輻射源的DNA損傷的背景水平為何，主要是氧與具反應性的氧合物種嗎？我們已發展複雜的DNA損傷偵測與損傷的修復機制細節。輻射會產生獨一無二的損傷嗎？影像已移除DNA股斷裂單股斷裂： 會發生在磷酸結合鍵或在鹼基與五碳糖之間的結合鍵。 單股斷裂有大部分是由於氫氧游離基(OH)造成。游離基清除試驗已證實這點。影像已移除單股斷裂容易被修復。雙股斷裂修復較慢且錯誤較多。量測每Gray之下每個細胞發生損傷處的數目種類發生數目參考單股斷裂8-氫氧

12、化腺嘌呤T*(胸腺嘧啶損傷)雙股斷裂DNA-蛋白質交互聯結100070025040501718191720 一x射線劑量 1 Gy在一個哺乳類細胞中會產生約1000個單股斷裂與約40個雙股斷裂。 這個劑量會造成約50%細胞死亡。 DSBs還不必然會致死。雙股斷裂 涉及兩股斷裂之點至少有出現三個分離的核苷酸。 雙股斷裂顯示直接正比於輻射劑量 但並未與LET有正比關係。影像已移除參見 Holley, W.R., I. S. Mian, S. J. Park, B. Rydberg, and A. Chatterjee. A Model for Interphase Chromosomes and Evaluation of Radiation-Induced Aberrations Radiation Research 158 (2002) 568-580 影像已移除故是什麼殺死細胞？染色體變異與劑量相互關聯。影像已移除高-LET輻射在產生變異方面比低-LET輻射有效。影像已移除染色體變異與細胞死亡相互關聯。影像已移除Fig. 3.5 in Hall. 觀察照射後的個別細胞：若有核仁出現在子代細胞中，則無菌落