第六讲电离辐射对生物的作用

第六讲电离辐射对生物的作用物理与科学技术学院10医学物理黄永杰主要内容Ⅰ.电离辐射对生物作用的时间表Ⅱ.DNA损伤及修复机制Ⅲ.细胞损伤及修复机制Ⅳ.4R理论简介Ⅴ.癌症基因治疗简介Ⅰ.电离辐射对生物作用的时间表电离辐射的治疗作用是电离辐射作用于人体后发生一系列物理、化学和生物反应的结果电离辐射中的X辐射或γ辐射作用于物质的原子，发生光电效应、康普顿效应和电子对效应，产生光电子、反冲电子、散射电子、正负电子和电离效应，这些物理作用是以后一系列化学、生物作用的基础辐射生物效应的时间标尺电离辐射对任何生物体的照射将启动一系列时间差异非常大的变化过程，这些过程分为三个阶段：㈠物理阶段㈡化学阶段㈢生物阶段㈠物理阶段包括带电粒子和组成组织的原子之间的相互作用。一个高速的电子通过DNA分子只需要10-18

秒。而通过一个哺乳动物细胞则10-14秒。当电子通过时仅作用于轨道电子，将一些电子打出原子（电离）并使其他在原子或分子内的电子进入较高能量水平（激发）。如能量足够，可发生一连串的电离事件。㈡化学阶段在这阶段受损伤的原子和分子和其他细胞的成分起快速的化学反应。电离和激发导致化学键的断裂和形成被破坏的分子（自由基）。这些自由基非常活跃有极高的活性，它们参与一系列的反应最后导致电子负荷平衡的重建。自由基反应在照射后约1毫秒内就全部完成。㈢生物阶段包括其后的所有过程，从作用于残存的化学损伤的酶反应开始，大量的占多数的损伤如DNA内的损伤都可以成功地修复。仅有较少的一些损伤不能修复，这些未修复的损伤最后导致细胞死亡。细胞死亡需要一定的时间，细胞在受小剂量的照射后在死亡前可能进行一定次数的分裂。受照射后的头几周或头几个月早反应组织就会出现损伤的表现，在较后的一些时间，晚反应组织表现出损伤，更晚的放射损伤表现是出现继发肿瘤（辐射致癌）。可观察到的电离辐射效应甚至可以延长到受照射后许多年。Ⅱ.ＤＮＡ损伤及修复机制电离辐射照射生物体后，通过上述物理过程，直接、间接地和细胞的关键靶中的原子作用。而ＤＮＡ是放射线作用于细胞的最重要的靶。ＤＮＡ分子结构DNA是一个由4种单位组成的双螺旋大分子：嘌呤碱基——

腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）嘧啶碱基——

胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）和碱基相连接的一个糖分子（脱氧核糖），和糖相连接的一个磷酸分子。核苷酸通过连接糖和磷酸分子的磷酸二酯键结合在一起。DNA是由碱基间的氢键相连的两条互补链相成。ＤＮＡ分子结构腺嘌呤与胸腺嘧啶配对（A：T碱基对），鸟嘌呤与胞嘧啶配对（G：C碱基对），使DNA的一条链具有另一条链的互补序列。㈠电离辐射损伤DNA的途径直接作用:任何形式的辐射，X射线或γ射线，带电或不带电粒子被生物物质吸收后都有可能与细胞的关键靶DNA直接发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发从而启动一系列导致生物变化的事件，这被称为辐射的直接作用间接作用：细胞是生物体的基本单元，而细胞中80％是水，电离辐射作用于水，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，达到并损伤关键靶DNA，这被称为电离辐射的间接作用自由基电离辐射的间接作用首先作用于生物大分子，特别是水，理解水分子的电离和激发过程对理解放射生物效应的发生有十分重要的意义，电离辐射与水相互作用产生自由基自由基：自由基是一种游离的原子或分子，外层携带不成对轨道电子

电离辐射与水的作用：一）水分子受电离辐射作用时，将水分子中的轨道电子击出，发生电离作用，产生带正电的水离子(H2O＋)和自由电子(e-)。1）H2O＋为不稳定离子，在水中迅即解离为氢离子(H+)和氢氧自由基.OH。2）自由电子①在其运动中又不断和水分子碰撞，击出其它水分子中的轨道电子．引起次级电离。②这些电子在其运动和引起电离的过程中逐渐丧失其能量，直至不能再击出其它分子的电子，它们就被水分子捕获，形成带负电的水离子(H2O-)，后者亦极不稳定，在水中解离成氢氧离子(OH-)和氢自由基(H·)。③一部分电子可与H+反应形成H·。④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(e水合-)。水合电子比自由电子稳定，在中性水中其生存时间为2.3×10-4s。二）水分子受电离辐射作用时，若水分子所获能量尚不足以使电子击出，亦即不能发生电离作用，而只使水分子的电子跃迁到较高能级的轨道上，使分子处于激发态，即称为水分子的激发。激发的水分子（H2O*）很不稳定，很快释放其能量，解离成为H·和.OH两种自由基。这些自由基的能量较高．重组合的机会较多，一般认为放射生物学作用中激发分子的作用与电离作用的产物比较起来，可以忽略不计。自由基对生物分子的作用(1)抽氢反应自由基可从有机分子的C-H键中抽取氢原子，形成有机自由基，如：2)加成反应自由基可在烯键或芳香环中心加成，形成有机自由基，如：3）电子俘获反应e水合-被有机分子俘获引起后者的损伤引起二硫键断裂4)歧化反应既有氧化作用，又有还原作用的自由基，易于发生歧化反应。例如O2.-既可供给电子(还原剂)，又可接受电子(氧化剂)，在过渡金属离子(如Fe3+)存在时，易于歧化生成H2O2(5)还原反应

O2.-在水溶液中主要起还原剂作用，例如使细胞色素C(cytC)还原。(6)氧化反应

O2.-在水溶液中为弱氧化剂，可使抗坏血酸氧化，产生半脱氢抗坏血酸自由基。㈡辐射所致DNA损伤的类型DNA链断裂（单链、双链）DNA碱基损伤DNA交联DNA链的断裂单链断裂（singlestrandbreak，SSB):在磷酸酯和脱氧核糖体之间的磷酸双酯键水平上发生，或者更经常是在碱基和脱氧核糖体之间的键水平上发生。双链断裂（doublestrandbreak，DSB)：包括DNA两条链相隔少于3个核苷酸的部位的断裂。可以由单个粒子产生（传递能量约为300eV的电离辐射），或者由于两个粒子在第一个断裂有时间修复以前通过同一区域，从而在互补链中产生两个单链断裂组合而成。假如断裂发生在同一个碱基对上则为同源性断裂，反之是异源性断裂，后者往往更频繁的发生。DNA双链中一条链断裂者称为单链断裂，(SingleStrandBreak,SSB损伤识别两条链在同一处或相邻处断裂者称为双链断裂，(DoubleStrandBreakBSB)碱基的损伤在充氧情况下的照射，碱基的损伤主要是由于羟自由基(·OH)所致放射敏感性：胸腺嘧啶＞胞嘧啶＞腺嘌呤＞鸟嘌呤DNA的交联DNA交联分为三种形式：DNA链间交联（一条链上的碱基与另一条链上的碱基以共价键结合）DNA链内交联（同一链上的两个碱基相互以共价键结合）DNA--蛋白质交联（DNA与蛋白质以共价键结合）（DNAproteincross-linking，DPC）DNA链内交联----嘧啶二聚体的形成二聚体的形成是指在辐射作用下，一个单链的2个相邻的碱基以共价键相连，两者之间形成一个环丁烷环二聚体的形成具有重要意义，因为它们在那一点上阻断了DNA的复制DNA的损伤修复机制回复修复切除修复excisionrepair重组修复binationrepairSOS修复错配修复Mismatchrepair回复修复回复修复：回复修复是细胞对DNA的某些损伤修复的一种简单方式，在单一基因产物的催化下，一步反应就可以完成。其机制包括酶学光复活修复、单链断裂的重接和嘌呤的直接插入。酶学光复活修复是修复DNA链上的嘧啶二聚体的一种最直接方式，也是最早发现的DNA修复方式该酶的作用过程分为三个步骤：①酶与DNA中的二聚体部位相结合；②吸收波长为260~380nm的近紫外光将酶激活，使二聚体解聚；③酶从DNA链上释放，DNA恢复正常结构DNA单链断裂中有一部分是通过简单的重接而修复的，只需要DNA连接酶（ligase）参加。也属于直接回复DNA链上的嘌呤碱基受到辐射损伤时，修复此类损伤需要特异性酶，即DNA嘌呤插入酶（insertase）上述几种直接回复是修复最直接的方式，对细胞非常有利。因为修复所需要的酶比较单一，而且只有一步反应，修复特异性高，较少发生错误切除修复切除修复：将损伤区域切除，然后用正确配对的完好的碱基来替代，是最普遍的方式基本步骤：识别→切除→修补→再连接三个特点:准确、无误、正确修复DNA的损伤和切除修复碱基丢失碱基缺陷或错配结构缺陷切开核酸内切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶IDNA连接酶AP核酸内切酶核酸外切酶切开切除修复连接糖苷酶重组修复当DNA双链发生严重损伤时需要另一种机理完成正确的修复一种情况是两条链同时受到损伤；另一种是单链损伤尚未修复发生了复制，造成对应于损伤位置的新链缺乏正确模板，此时需要重组酶系将另一段未受损伤的双链DNA移到损伤位置附近，提供正确的模板，进行重组DNA复制－重组－再合成DNA的重组修复胸腺嘧啶二聚体复制核酸酶及重组蛋白修复复制DNA聚合酶DNA连接酶重组通过这种机制实现了DNA复制，而且复制合成的新链上不存在损伤。由于修复发生在复制之后，故多为复制后修复。因修复机制是通过重组，故称之为重组修复。需要指出的是，这种修复机制只修复复制后的新链，而母链上原有的损伤依然存在，还需通过其它机制进行清除重组修复并没有从亲代DNA中去除二聚体，当第二次复制时，留在母链中的二聚体仍使复制不能正常进行，复制经过损伤部位时所产生的切口，仍旧要用同样的重组过程来进行，但随着DNA复制的继续，损伤的DNA链逐渐“稀释”，最后不再影响正常生理功能SOS修复一旦DNA受到损伤，产生一种调控信号，解除对许多基因的抑制，使这些基因的产物投入活跃的修复活动细胞DNA受到损伤或复制系统受到抑制的紧急情况下，为求得生存而出现的应急效应SOS修复过程是在损伤信号诱导下发生的，又称为可诱导的DNA修复，修复过程中容易发生错误，亦称为易错修复已经在大肠杆菌中证明了其存在，但在哺乳动物细胞中SOS系统的存在没有得到证实错配修复在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式修复的过程是：识别出正确的链，切除掉不正确的部分，然后通过DNA聚合酶和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA错配修复是生物维持生命、保持物种稳定的一种重要功能，从细菌到哺乳动物普遍具有这种修复机制Ⅲ细胞损伤及修复机制细胞放射损伤的分类电离辐射引起哺乳类动物细胞损伤可分为：①致死性损伤（lethaldamage，LD

）用任何办法都不能使细胞修复的损伤称为致死性损伤，损伤不可修复，不可逆，最终无可挽回的走向死亡。②亚致死性损伤（sublethaldamage，SLD）照射后经过一段充分时间能完全被细胞修复的损伤称为亚致死性损伤，正常情况下于几小时之内修复，若在未修复时再给予另一亚致死性损伤（如再次照射），可形成致死性损伤。

③潜在致死性损伤（potentiallethaldamage，PLD）这是一种受照射后环境条件影响的损伤，在一定条件下可以修复。细胞损伤的修复组织损伤修复可发生于三个水平：组织水平，细胞水平，分子水平组织水平的修复是由于未受损伤的正常细胞在组织中再植，形成新的细胞群体以替代由于辐射损伤而丧失了的细胞群体再植的正常细胞可以来源于受照射部位未受损伤的细胞，也可来源于远隔部位的正常细胞细胞水平的修复发生于照射后第一次有丝分裂之前，表现为细胞存活率的增高细胞水平的修复可由两种方式诱导：一是改变照射后细胞的环境条件，二是分割照射剂量分子水平的修复是通过细胞内酶系的作用使受损伤的DNA分子恢复完整性分子修复可通过细胞内恢复过程反映于细胞水平的修复。并可由于细胞存活的提高最终反映于组织水平的修复Ⅳ4R理论简介常规分次放疗：2Gy∕天，每周照射5日.细胞群受电离辐射照射，既不是一次照射后全部损伤，也不是全部完好不变，因照射剂量不同，细胞敏感性不同，照射后的损伤程度也不同，变化是多样的，“4R”概括了细胞群受照射后的各种改变，也构成分次放射治疗的理论依据。1.细胞放射损伤的修复2.细胞分裂周期内时相的再分布3.分次照射时乏氧细胞的再氧合4.组织的再群体化细胞放射损伤的修复用电离辐射照射所引起的细胞损伤可分为三类：①亚致死损伤：指受照射后，细胞的部分靶而不是所有的靶受到影响，多数只有DNA的单链断裂，这种损伤是可以修复的，对细胞的死亡影响不大。②潜在致死损伤：指细胞受到照射后，如果在某种有利的条件下，损伤仍可能修复，细胞仍可能存活，但在不利的条件下则不能修复，细胞最终丧失分裂能力。③致死损伤：细胞受照射后的损伤不可能修复，完全丧失分裂繁殖能力，最终死亡。细胞分裂周期内时相的再分布一次照射往往只损伤一些正处于G2期、M期的细胞，而处于S期、G0期的细胞相对不敏感，不受影响或很少受影响。未受到影响的细胞会继续按细胞的分裂周期向前发展，其中有一些又会进入G2期、M期。为补充受损伤的细胞，原来处于静止状态的G0期细胞也会参与分裂，这就是细胞分裂时相的再分布。分次放射治疗有利于杀伤不断进入G2期、M期的细胞。分次照射时乏氧细胞的再氧合实体瘤的生长需要充足的血液供应，其中氧的供应也是重要的部分。在肿瘤增长的过程中，总有一部分远离微血管的细胞，血液供应差，也就是氧供应差，于是出现一些乏（低）氧细胞甚至坏死细胞，这些乏氧细胞虽然仍有活力，但对电离辐射的敏感性低。经过照射后，敏感的富氧细胞容易遭到损伤。随着肿瘤细胞群总量减少，血管密度相应增加，血液供应相应改善，一部分乏氧细胞会得到再氧合，容易被下一次照射所损伤。组织的再群体化放射损伤之后的肿瘤组织，在机体调控机制的作用下会增殖，有恢复群体细胞原来数量水平的趋势，这就是再群体化，以前曾称为再增殖。有研究证明，肿瘤组织经放射照射后，在第3~4周前后会出现加速再增殖，为克服加速再增殖给放射治疗恶性肿瘤带来的不良影响，临床上有连续加速超分割放射治疗和后程加速超分割放射治疗的研究。Ⅴ.癌症基因治疗简介目前的研究表明，肿瘤从本质上说是基因病。人体内的原癌基因，癌基因，肿瘤抑制基因对细胞生长、分化、起正向或者反向调解作用各种环境的和遗传的致癌因素可能以协同或序贯的方式引起细胞的非致死性的DNA损害，从而激活原癌基因或灭活肿瘤抑制基因基因治疗：指将人正常基因或有治疗作用的基因通过一定的方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或发挥治疗作用的一种治疗手段。肿瘤的基因治疗是指通过人工的方法把外源性DNA片段转入肿瘤细胞内，并使之高效表达从而达到控制肿瘤目的的一种治疗手段。肿瘤基因治疗的策略基因置换：用正常的外源基因替换产生疾病的基因，使细胞内的DNA完全恢复正常。这是最理想的基因治疗方法，但临床上很难实现。基因修正：为定点修复，纠正致病基因中的异常部分，使致病基因完全恢复。基因替代：指将目的基因导入病变细胞或其他细胞，表达产物能加强或纠正缺陷细胞的功能。致病基因本身并没有得到改变。由于已经发展了许多有效的方法可以将目的基因导入真核细胞，并获得表达，因而是目前较为成熟的方法。基因封闭：利用反义技术特异封闭某些基因表达特性，抑制有害基因的表达。基因加强：导入外源基因，弥补机体某些基因表达的不足。基因抑制：导入外源基因去干扰和抑制有害基因的表达。肿瘤基因治疗的