核医学第3章电离辐射生物效应与放射卫生防护-1

本章内容第1页，共135页。为什么要学电离辐射生物效应与放射卫生防护1.放射线作用具有两面性，需趋利避害1

在造福人类的同时，过量照射能对人体造成有害的影响2

辐射防护的目的就是要把放射线对人的影响减少到最低限度3

只有掌握有关射线对人体影响的知识和防护措施，才能趋利避害，化害为利第2页，共135页。2.培养大家对放射性突发事件的应急处理能力，在实验过程中的防护;3.由于环保和医疗放射性管理的加强，医生必须懂得防护的原则，措施，国家标准;4.放射生物学是生命科学研究的一个重要学科。

Radiationdon’tneedtobefeared,butitmustberespected。第3页，共135页。放射防护研究历史1911年，开始有辐射引起皮肤损伤和皮肤癌的报道；1920年，美国伦琴射线学会成立“辐射防护委员会”，同年英国也成立了“伦琴射线和镭的防护委员会”，开始从事放射线对人体损害的研究；1928年，第一个国际性组织“X射线和镭的防护委员会”成立，1950年正式命名为“国际辐射防护委员会”(InternationalCommissiononRadiologicalProtection,ICRP)第4页，共135页。电磁辐射非电离辐射电离辐射日常所见的微波、无线电波、紫外线和可见光带电粒子（α、β、电子和质子等）不带电粒子（X、γ和中子等）电磁辐射分类第5页，共135页。非电离辐射vs.电离辐射。本课程基本只讲述电离辐射及其防护第6页，共135页。第7页，共135页。照射量(exposuredose)

是直接度量X、γ射线对空气电离能力的量值，可间接反映X、γ辐射场的强弱，以X表示。定义：X或γ射线在单位质量为dm的空气中与原子核相互作用，释放出来的次级电子完全被阻止时，所产生的同一种符号的离子总电荷的绝对值dQ与dm之比，即X=dQ/dm国际单位为库仑/千克(C/kg），简写为C·kg-1。传统的单位是伦琴(roentgen,R)。1R=2.58×10-4C·kg-1照射量率：指单位时间内的照射量。单位有库仑·千克-1·秒-1(C·Kg-1·S-1)或旧单位伦琴·秒-1(R·S-1)等。！注意：照射量仅适用于能量在10keV~3MeV范围内的X、γ射线照射空气，不能用于其它射线和靶物质。第8页，共135页。定义：单位质量的受照物质吸收射线的平均能量。以D表示，即D=dE/dm国际单位是戈瑞（gray，Gy）

，1Gy表示1千克受射线照射物质吸收射线能量为1焦耳，简写为J·kg-1。传统单位是拉德(rad)。1Gy＝100rad对于空气辐射场中的X或γ射线，吸收剂量D与照射量X可通过下式换算：D=33.84X吸收剂量率：指单位时间内的吸收剂量。用D表示。单位是Gy·S-1

适用范围：适用于任何类型的电离辐射和任何被照射的物质，广泛应用于内、外照射。吸收剂量（absorbeddose）第9页，共135页。当量剂量(equivalentdose)是衡量各种辐射对生物机体危害程度的物理量。定义：吸收剂量与辐射权重因数的乘积，用HT·R表示，即HT·R=WR·DT·RDT·R：R类辐射在组织T中所致的平均吸收剂量；WR：某种射线的辐射权重因数，为一个无量纲的量国际单位也是J·kg-1，并给其一个专有名称是希沃特（sievert，Sv）。旧制单位是雷姆(rem),

1Sv=100rem。当量剂量率：单位时间内的剂量当量。单位是Sv·S-1适用范围：剂量当量一般只限用于放射防护。第10页，共135页。第11页，共135页。

有效剂量

（effectivedose）WT0.010.050.120.2组织或器官骨表面膀胱、乳腺红骨髓性腺皮肤肝、食管结肠

甲状腺、其余组织肺、胃总计权重0.020.30.480.2T第12页，共135页。

吸收剂量(D)1戈瑞=1焦耳/千克1Gy=1J/kg放射源活度(A)

1贝克=1次核衰变/秒

当量剂量(H)1希沃特=1焦耳/千克任何物质有机体三者意义和区别第13页，共135页。常用辐射量及单位换算

名称国际制单位SI旧专用单位单位换算名称代号

名称

代号放射性活度A贝可Bq居里Ci1Bq=2.703×10-11Ci1Ci=3.7×1010Bq照射量X库仑/千克C·Kg-1伦琴R1C·Kg-1=3.877×103R1R=2.58×10-4C·Kg-1吸收剂量D戈瑞Gy拉得rad1Gy=100rad1rad=0.01Gy当量剂量H希沃特Sv雷姆rem1Sv=100rem1rem=0.01Sv第14页，共135页。第15页，共135页。天然本底辐射主要人工辐射源其他人工辐射源123辐射源来源第16页，共135页。2.1天然本底辐射

naturebackground

在人类生存的环境中，自然存在的多种射线和放射性物质。包括宇宙射线cosmicradiation

、宇宙射线感生放射性核素cosmogenicradionuclide

和地球辐射earthradiation

。第17页，共135页。1.宇宙射线初级宇宙射线：星球碰撞、爆炸等形成的微粒在宇宙空间磁场的作用下形成的高能粒子流，其中主要是质子，其次是α粒子和重离子等。次级宇宙射线：初级宇宙射线从宇宙空间进入大气层后，与空气分子发生核反应形成光子、电子、质子、中子、л介子等射线2009年10月9日，法国天文台向蒙帕纳斯大楼（宇宙射线实验室）屋顶发射激光束第18页，共135页。宇宙射线的辐射特点能量范围宽，强度随海拔高度、纬度的不同而变化。对人体产生外照射。

初级宇宙射线进入大气层后产生次级宇宙射线的级联反应示意图第19页，共135页。2.宇宙射线感生放射性核素初级宇宙射线从宇宙空间进入大气层后，与空气分子发生核反应除放出射线外，还产生3H、14C、7Be、22Na、85Kr等放射性核素。主要产生外照射，如随尘埃或雨水降落地面摄入人体内，可产生内照射。第20页，共135页。3.地球辐射①系列（series）衰变放射性核素必须经过2代或2代以上的衰变才能转变为稳定核素的天然放射性核素。包括铀系、钍系、锕系等三大系列；是地球辐射的主要来源。共同特点：

A.起始的母体放射性核素具有与地球年龄相当的半衰期，能长时间稳定的形成系列衰变。

B.系列衰变元素的每一条衰变线都会产生222Rn2（氡气）。

C.最后都形成稳定核素---铅（Pb）②40K、14C等单独存在的天然放射性核素（半衰期很长或可不断产生而保持一定的量）第21页，共135页。第22页，共135页。第23页，共135页。Ionizingradiationisubiquitous.Air,water,soil,plants,animals,people,food,paper,machineryandbuildingsareradioactive.

第24页，共135页。照射成分

年有效剂量(毫希沃特,mSv)

正常本底地区照射量升高的地区宇宙射线0.382.0宇生放射性核素0.010.01地球辐射：外照射0.464.3地球辐射：内照射(氡除外)0.230.6地球辐射：氡及其衰变物的内照射

吸入222Rn1.210吸入220Rn0.070.1食入222Rn0.0050.1总计2.4

天然本底辐射年有效剂量第25页，共135页。2.2医疗照射医疗照射是公众受到的最主要的人工辐射源照射。遵循合理化和最优化的原则。医疗照射的控制：减少医学放射工作人员的职业照射；减少患者受到的医疗照射；降低可能发生的公众辐射。医疗照射的趋势：受检人数逐年增加；由于技术装备改进，同样项目检查受照射逐年降低。公众接受的医疗照射约为每年0.54mSv，为天然本底辐射的20%左右。第26页，共135页。2.3其它人工辐射火力发电站：释放的主要放射性核素是钍和氡及其衰变子体。(一座火力发电厂所释放出来的放射性物质是同级核能发电厂的100倍。全世界每年因燃烧煤炭所释放出的铀和钍约37,000吨)核电站:开采，使用，乏燃料后处理核事故：核电站、医疗事故、丢源其它人工辐射：主要包括消费产品中的人工辐射，这些生活用品或掺入了放射性核素或能发射X射线。包括辐射发光产品、工业表盘和钟表、电子或电器件、静电消除器、烟雾探测器、含铀和钍的制品等。（此类辐射引起的集体有效剂量当量很小，但应用广泛，接触人群广，故其生产、销售、使用和报废都有严格规定限制。）第27页，共135页。人工辐射源辐射年有效剂量第28页，共135页。第29页，共135页。电离辐射电离辐射分为两大类：其发射的粒子是带电粒子的如电子、质子、α粒子等叫直接电离辐射，这些粒子与物质作用时能直接使物质电离或激发；发射的粒子是不带电的如光子（X射线、γ射线）、中子等，它们与物质作用时不能直接引起物质电离，而是使靶物质释放直接电离粒子或引起核反应。如光子与物质相互作用产生次级电子，而这些次级带电粒子能再度使物质发生电离。称为间接电离辐射。第30页，共135页。电离辐射作用于靶物质后原子或分子中的电子吸收射线能量，升到较高能级，但电子仍然没有脱离原子或分子，此种现象叫做原子或分子的激发；如果射线有足够的能量使1个或多个轨道电子脱离原子或分子而射出，此种现象叫做原子或分子的电离。每个电离过程的能量损失约为33eV，该能量足以破坏很强的化学键。第31页，共135页。传能线密度

与

相对生物效应

第32页，共135页。一、传能线密度

（linearenergytransfer，LET）定义：带电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，但可产生次级带电粒子的X、γ射线和中子。与生物效应的关系：正相关。是衡量辐射生物效应的重要量值。第33页，共135页。LET与带电粒子的运动速度和所载电荷有关：与运动速度呈负相关；与所载电荷呈正相关。辐射的生物损害与LET呈正相关，一般来说，高LET粒子在生物体给定体积内产生变化的几率较高，与物质相互作用的空间分布较为密集。第34页，共135页。各种射线的LET值第35页，共135页。二、相对生物效应

（relativebiologicaleffect,RBE）

RBE

＝X或γ射线引起同等生物效应所需剂量所观察的电离辐射引起某一生物效应所需剂量以250keV的X射线或60Co的γ射线为基准第36页，共135页。各种电离辐射的相对生物效应第37页，共135页。（一）RBE的含义

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。

第38页，共135页。（二）LET与RBE的关系

RBE的变化是LET的函数（正相关）

LET：<10kev/um时；LET∝RBE(缓慢)

LET：10～100kev/um时；LET∝RBE(迅速)

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，反而被浪费了第39页，共135页。

原发作用

与

继发作用第40页，共135页。一、原发作用（primaryeffect）

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。第41页，共135页。二、继发作用（secondaryeffect）：

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。第42页，共135页。

继发反应：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第43页，共135页。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。第44页，共135页。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，产生大量高活性自由基和活性离子。这种反应称水的辐解反应，各种自由基和活性离子统称水的原初辐解产物

。H2OH,OH,ea-q,H2,H2O2，H3O+，OH-

辐射生物体70~80%都是水分第45页，共135页。

直接作用与

间接作用第46页，共135页。一、直接作用（directeffect）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、激发或化学键的断裂等变化，造成其结构改变，从而破坏机体的核酸、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。第47页，共135页。电离辐射对DNA分子损伤的直接作用电离辐射对核酸大分子的直接作用，主要引起碱基的破坏或脱落、单链或双链断裂、氢键破坏、螺旋结构中出现交联，或核酸之间、核酸与蛋白质之间出现交联。电离辐射对蛋白质的直接作用可引起蛋白质侧链发生变化，氢键、二硫键断裂，导致高度卷曲的肽链出现不同程度的伸展，空间结构改变。第48页，共135页。二、间接作用（indirecteffect）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H2OH,OH,ea-q,H2,H2O2，H3O+，OH-

辐射第49页，共135页。电离辐射对DNA分子损伤的间接作用间接作用第50页，共135页。间接作用对组织或细胞的损害：破坏细胞膜，使膜脂质过氧化，引起膜结构的破坏；使细胞蛋白质氧化、脱氢，造成蛋白质的失活、结构改变、化学链的断裂，或使蛋白质交联和聚合，从而影响蛋白质的正常功能；使糖链断裂和失活；引起核酸的损伤，造成细胞死亡。第51页，共135页。电离辐射间接作用的四种效应1.稀释效应（dilutioneffect）：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第52页，共135页。2.温度效应（temperatureeffect）：

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。

原理：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。第53页，共135页。3.防护效应（protectiveeffect）：

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（dosereductionfactor，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

DRF=第54页，共135页。4.氧效应（oxygeneffect）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（oxygenenhancementradio,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：

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OER=第55页，共135页。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过氧化物基团ROO▪。辐射

O2RR▪ROO▪第56页，共135页。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，无效第57页，共135页。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。第58页，共135页。自由基第59页，共135页。自由基（freeradical）：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（homolyticfission)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。第60页，共135页。

活性氧

氧化应激

氧自由基第61页，共135页。1.活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）：是指含有氧的活性物质，可能是氧的某些代谢产物和一些经过生化反应而产生的含氧基团。主要有以氧的单电子还原产物、氧的双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO·、ROO·、处于激发态的氧。2.氧化应激（OxidativeStress）：是指具有活性的氧化中间产物（ROI）所引起的生物学反应称为氧化应激。3.氧自由基（Oxygenfreeradical）：是指含有氧元素的自由基。氧自由基都是活性氧，但活性氧不一定就是氧自由基。如处于单线激发状态的氧（1O2）虽不是自由基，但其活性很高，从生物学意义上来讲属于活性氧。第62页，共135页。常见氧自由基符号中文名英文名超氧阴离子SuperoxideanionradicalHO·2

氢过氧基HydrogenperoxideradicalHO·羟自由基HydroxylradicalRO·氧有机自由基OxygenorganicfreeradicalROO·有机过氧基Organicperoxideradical1O2

单线态氧SingletoxygenL·脂自由基LipidfreeradicalLOO·脂过氧基Lipidperoxideradical第63页，共135页。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·+H2OH·+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

第64页，共135页。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。第65页，共135页。机体的抗氧化功能（一）抗氧化酶过氧化氢酶（catalase,CAT）硒谷胱甘肽过氧化物酶（seleniumdependentglutathioneperoxidase,SeGSHPx）、磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶（phospholipidhydroperoxideglutathioneperoxidase,PHGSHPx）谷胱甘肽转硫酶（nonseGSHPX）

超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）非特异性过氧化物酶：第66页，共135页。（二）脂溶性抗氧化剂维生素E类胡萝卜素泛醌可消除1O2和阻断脂质过氧化作用直接与活性氧起反应抑制脂质过氧化可清除可与脂自由基（L·）或脂过氧基（LOO·）反应第67页，共135页。（三）水溶性小分子抗氧化剂维生素C（抗坏血酸）谷胱甘肽与和H·OH反应生成抗坏血酸自由基供氢体，同时也是·OH的清除剂H2O2和1第68页，共135页。（四）蛋白性抗氧化剂铜蓝蛋白（ceruloplasmin）是人血浆的含铜蛋白，是细胞液的重要抗氧化剂之一，其作用主要在于防止过渡金属Fe2+和Cu2+催化H2O2形成·OH。清蛋白结合的胆红素有效地清除、和过氧基，还可以作为过氧化物酶还原H2O2和有机过氧化物的提氢体。

第69页，共135页。辐射生物效应作用机制第70页，共135页。

影响电离辐射生物学作用的主要因素

第71页，共135页。（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：一般情况存在正的剂量效应关系（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）、混合照射第72页，共135页。（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、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4、不同器官、组织和细胞的放射敏感性

Bergonie和Tribondeau定律第73页，共135页。Bergonie和Tribondeau定律：

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、软骨和骨等特例：卵母细胞和淋巴细胞不能迅速分裂，但两者都对电离辐射极为敏感。第74页，共135页。（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。第75页，共135页。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。第76页，共135页。第77页，共135页。电离辐射的分子生物学效应生物大分子的辐射效应细胞的辐射效应染色体的辐射效应第78页，共135页。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（生物大分子）主要是指核酸、蛋白质以及高相对分子量的碳氢化合物（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。第79页，共135页。生物分子损伤是一切辐射生物效应的物质基础。DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质。DNA是电离辐射作用的靶分子，在细胞辐射损伤中起重要作用。生物分子损伤与自由基生成密切相关。自由基（freeradical）是指一些独立存在的、带有一个或多个不成对电子的原子、分子、基团或离子。自由基是最大特性是化学不稳定性和高反应性，寿命很短，·OH（氢氧自由基）的平均寿命为10-9～10-8s，生物分子自由基也多在10-6～10-4s之间。第80页，共135页。一、生物大分子的辐射效应1.DNA结构损伤2.DNA功能改变3.DNA辐射损伤的修复4.DNA辐射损伤修复的主要途径5.复制的过程和参与酶及因子第81页，共135页。1、DNA结构损伤1）DNA链断裂2）氢键断裂和碱基损伤3）分子交联第82页，共135页。DNA分子是由两条多核苷酸链,按碱基互补配对原则，由氢键连结而成的双股螺旋结构第83页，共135页。每一种脱氧核糖核苷酸由三个部分所组成：一分子含氮碱基+一分子五碳糖（脱氧核糖）+一分子磷酸根。第84页，共135页。链断裂是电离辐射所致DNA损伤的主要形式。原因: a)磷酸二酯键的断裂或脱氧戊糖的破坏; b)碱基破坏或脱落和形成链上的不稳定位点特点：a)DNA双链中一条链断裂者称为单链断裂(SingleStrandBreak,SSB)b)两条链在同一处或相邻处断裂者称为双链断裂(DoubleStrandBreakDSB)c)在许多细胞中单链断裂比双链断裂高10-20倍d)射线种类不同发生DNA链断裂的比例也不同e)氧效应增加DNA链的断裂1）DNA链断裂第85页，共135页。彗星实验显示DNA断裂彗星实验(Cometassay)，它是细胞经裂解、解旋后在载玻片上用少量琼脂糖凝胶包埋单个细胞样品，电泳时，断裂的DNA在电场力作用下向阳极移动，经荧光染料染色，在荧光显微镜下可观察彗星样图像——明亮的头部和弥散的彗尾，之后进行图形分析即可在单细胞水平判断DNA损伤程度。第86页，共135页。γ-H2AX免疫荧光染色实验显示DNA断裂外周血淋巴细胞在不同计量γ射线照射后，γ-H2AX免疫荧光染色（绿色）。绿色荧光点越多，显示细胞DNA损伤位点越多，损伤越严重。第87页，共135页。2)氢键断裂和碱基损伤射线作用生成的HO·自由基使DNA结构上的氢原子脱下，从而使原来紧密结合的碱基呈现自由“裸露”状态，造成碱基环的破坏和脱落等，使得DNA结构从比较坚实变得比较“疏松”；脱氧核糖上的每个碳原子和羟基上的氢都能与HO·反应，导致脱氧核糖分解，引起DNA链断裂第88页，共135页。3)分子交联分子交联（Cross-linking）是生物大分子与生物大分子发生互相连结，电离辐射作用后，可通过自由基的作用，产生DNA-DNA交联、DNA-蛋白质交联，导致DNA正常分子结构的破坏。第89页，共135页。2、DNA功能改变1）DNA合成抑制2）DNA分解代谢增强第90页，共135页。(1)剂量-效应关系：照射后，辐射敏感细胞DNA合成（如用3H-TdR掺入方法）明显受抑制，其程度与所受剂量有依赖关系，随照射后时间延长，受大剂量和小剂量照射产生两种趋势，大剂量照射者掺入进一步减少，而受小量照射者可逐渐恢复。(2)DNA合成抑制的机制：①各种三磷酸腺苷在合成的过程中，有些环节对射线是很敏感的，造成核苷酸合成障碍②射线导致DNA模板损伤，引起错误的修复，影响正常复制；③DNA聚合酶的损伤影响DNA的修复；④射线对DNA复制过程的影响破坏了DNA复制的调控机制。DNA合成抑制是一个非常敏感的辐射生物效应指标。1)DNA合成抑制第91页，共135页。2)DNA分解代谢增强在DNA合成抑制的同时，其分解代谢增强，表现为脱氧核糖核酸酶（DNase）活性增高。机制：射线破坏了溶酶体和细胞核等膜结构，使脱氧核糖核酸酶释放并与DNA接触，导致DNA分解。DNA降解程度取决于照射剂量，照射剂量越大，降解程度越大，在较低剂量范围内，DNA降解的程度随照射剂量的增加而直线上升，在较高照射剂量范围内DNA趋于稳定，达细胞DNA总量的40-70%。在DNA降解和细胞死亡之间可能存在着一定的联系，大量的DNA降解可导致细胞死亡。所以说，电离辐射对核酸的功能和代谢的影响非常广泛。第92页，共135页。3.DNA辐射损伤的修复1.DNA单链断裂的修复；2.DNA双链断裂的修复；3.碱基损伤的修复。第93页，共135页。1.DNA单链断裂的修复。绝大多数正常细胞都能修复单链断裂，而且修复的速度和效率很高，在照射后即刻开始修复，以后逐渐减慢,修复速率和时间呈负指数关系。一般在1h内修复可达90%，半修复时间约为10～40分钟。2.DNA双链断裂的修复。哺乳动物细胞双链断裂的修复可分为快修复和慢修复两个阶段，快修复的半修复时间为10数分钟；而慢修复的半修复以小时计算。不同细胞间修复水平差异很大。在体外细胞培养过程中发现，照射后保温较长时间后仍有双链不能完全修复，这是造成细胞畸变或死亡的重要原因。3.碱基损伤的修复。碱基的修复主要是紫外线引起的二聚体改变,受照射后经过保温5～6h后,可以使二聚体略有减少，到24～30h明显减少，降到照后即刻测量的60%水平。但损伤碱基只是部分修复。损伤修复的特点第94页，共135页。4.DNA辐射损伤修复的主要途径1）回复修复2）切除修复3）重组修复4）SOS修复第95页，共135页。1)回复修复回复修复指无需去除碱基或核苷酸，只需一种酶经一步反应修复DNA损伤的修复机制。是细胞对DNA某些损伤修复的一种简单方式，一般都能将DNA修复到原样。包括酶光修复(DNA光解酶)、单链断裂的重接(DNA连接酶)和碱基的直接插入(DNA嘌呤插入酶)。光修复第96页，共135页。2)切除修复切除修复需要多种酶(核酸酶、DNA聚合酶、DNA连接酶)参加,是修复DNA损伤最为普遍的方式，对多种DNA损伤起修复作用。主要有两种切除修复方式：碱基切除修复和核苷酸切除修复。基本步骤是通过识别→切除（碱基切除和核苷酸切除）→修补→再连接三个特点:准确、无误、正确修复。第97页，共135页。3)重组修复当DNA双链发生严重损伤时，即两条链同时受到损伤，或单链损伤尚未修复就发生了复制，因修复机制是通过重组，故称为重组修复。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。第98页，共135页。4)SOS修复SOS修复是指DNA受到严重损伤、细胞处于危急状态时所诱导的一种DNA修复方式，修复结果只是能维持基因组的完整性，提高细胞的生成率，但留下的错误较多，故又称为错误倾向修复（error-pronerepair），使细胞有较高的突变率。第99页，共135页。5.复制的过程和参与酶及因子1）拓扑异构酶2）解链酶3）单链结合蛋白(SSB)第100页，共135页。复制的过程分四个阶段。①亲代DNA分子超螺旋的构象变化及双螺旋的解链，将复制的模板展现出来。②复制的引发阶段，有引物RNA进行5′～3′方向的合成③DNA链的延长，在引物RNA合成基础上，进行DNA链的5′～3′方向合成，前导链连续地合成出一条长链，随从链合成出冈崎片段。去除RNA引物后，片段间形成了空隙，DNA聚合酶作用使各个片段靠近。在连接酶作用下，各片段连接成为一条长链。④终止阶段，复制叉行进到一定部位就停止前进，最后前导链与随从链分别与各自的模板形成两个子代DNA分子，到此复制过程就完成了。第101页，共135页。1)拓扑异构酶拓扑异构酶可改变DNA拓扑性质。在DNA复制时，复制叉行进的前方DNA分子总是产生超螺旋，拓扑酶可松弛超螺旋，还可以引入负超螺旋，有利于复制叉的行进及DNA的合成。在复制完成后，拓扑酶又可将DNA分子引入超螺旋，有利于DNA缠绕、折叠、压缩以形成染色质。第102页，共135页。2)解链酶DNA复制进行时，首先要在复制起点处解开双链，反应是在一类解链酶的催化下进行的。解链酶要通过ATP的分解获得能量，以解开双链。大部分的解链酶在复制叉的进行中连续地解开DNA双链，它们与随从链的模板相结合，沿着模板的5′→3′方向沿复制叉的进行而移动。第103页，共135页。3)单链结合蛋白(SSB)单链结合蛋白与解开的DNA单链相结合，可稳定此单链以利于其发挥模板作用SSB也与复制新生的DNA单链相结合，以保护其免于被核酸酶水解。电离辐射导致蛋白结构，功能发生变化，从而导致DNA复制出错。第104页，共135页。二、细胞的辐射效应1、细胞存活曲线2、细胞的辐射敏感性3、辐射诱导细胞死亡4、细胞的辐射损伤1）细胞周期各时期细胞的辐射效应2）细胞辐射损伤的修复第105页，共135页。1.细胞存活曲线受辐照后的细胞接种在培养皿上，培养一段时间后观察细胞集落形成率，以每一集落代表1个存活细胞。以集落形成率代表细胞存活率与照射剂量在半对数座标纸上作图即构成细胞的剂量存活曲线。细胞存活率（集落形成率）随照射剂量增加而减少。细胞的剂量存活曲线（dosesurvivalcurve）反映了照射剂量与细胞死亡率之间的关系，是分析受照射细胞群体辐射效应的一种模式。第106页，共135页。第107页，共135页。剂量存活曲线的形状有两种：A线是简单的指数曲线，B线是带“肩”的指数曲线哺乳类细胞剂量存活曲线常用D0、Dq、n等参数表示存活曲线的特征。根据D0，n和Dq等参数，可以比较不同细胞株的辐射敏感性和修复能力。剂量存活曲线反映了不同细胞的辐射敏感性和剂量依赖关系，对临床放疗和放射医学基础研究都有重要指导意义。第108页，共135页。D0为平均致死剂量（meanlethaldose），从存活分数（survivalfraction）对数座标的0.1和0.037两点分别作平行线与直线相交，然后从这两个相交点分别作垂直线与剂量轴相交。剂量轴上两个相交点剂量之差即为D0。D0是该直线斜率的倒数;D0值的大小反映了细胞的辐射敏感性。第109页，共135页。一些哺乳动物细胞的D0值（X射线，

射线）来源细胞株或组织D0（Gy）人皮肤成纤维细胞1.26小鼠白血病细胞15178Y/S(敏感型)0.40人神经胶质瘤细胞V—l18MO1.5～2.0人Burkitt淋巴瘤0.62中国仓鼠

肺细胞V791.76大鼠—小鼠杂交细胞肝癌—成纤维细胞1.25小鼠成纤维细胞WHFIB1.10小鼠淋巴肉瘤0.62小鼠正常造血细胞1.04第110页，共135页。n为外推值（extrapolationnumber）：是剂量存活曲线B的直线部分的延长线与纵座标的交点。对于大多数哺乳动物细胞，n一般在1-5，也有少数细胞n值大到10或20。第111页，共135页。Dq称准阈剂量（quasithresholddose），是在剂量存活曲线上存活率为1处划一横坐标的平行线，与B线直线部分延长相交，其所对应的剂量即为Dq，在A线上Dq=0，故D37=D0。对于有氧条件下急性照射的细胞，Dq=0.5～2.5Gy。Dq是衡量“肩”大小的量值，n和Dq值的大小代表细胞耐受亚致死损伤的能力，与损伤的修复有关。第112页，共135页。细胞的辐射效应是放射生物学的核心内容之一。电离辐射导致的损伤都是以细胞的损伤作用为基础的。自然界的各种生物对象在受到电离辐射作用后都表现出一定的损伤。但在同一剂量下引起损伤的程度有很大的不同，或者说，引起同一水平的效应所需要的剂量的高低存在很大差异，即为辐射敏感性差异。1.细胞的种类2.细胞周期2、细胞的辐射敏感性第113页，共135页。I.不同类型细胞的辐射敏感性。高度敏感细胞：淋巴细胞、造血细胞、生殖细胞、肠上皮细胞等。敏感细胞：膀胱、食道等上皮。中度敏感细胞：神经节细胞、肌细胞。不敏感细胞：软骨及骨。第114页，共135页。II．肿瘤细胞的辐射敏感性。肿瘤对辐射的敏感性有明显差异：高度敏感的肿瘤：放射敏感的肿瘤常常是分化程度差，恶性度高的肿瘤，它们易转移，放射治疗局部疗效虽好，但由于远处转移而病人最终未能治愈。如恶性淋巴瘤、精原细胞瘤、肾母细胞瘤，小细胞肺癌等；中度敏感肿瘤：具有一定敏感性且远处转移相对少，放射治疗疗效好。如宫颈癌、头颈部鳞癌、鳞状上皮癌、分化差的腺癌，脑胶质瘤等；辐射抗性肿瘤：高分化腺癌、恶性黑色素瘤、软骨肉瘤等。难治愈。第115页，共135页。III．不同细胞周期的辐射敏感性。M期具有很高的敏感性，而G0期细胞具有明显的辐射抗性。第116页，共135页。1)死亡类型电离辐射引起细胞死亡是辐射整体效应发生的重要基础。传统的在放射医学领域中将细胞死亡分为间期死亡和增殖死亡两种类型:间期死亡(interphasedeath)是指受照射（剂量＞100Gy以上）细胞未经细胞分裂即在间期发生死亡。增殖死亡(reproductivedeath)是指受照射的细胞丧失了继续增殖的能力，在经过一个或几个有丝分裂周期后丧失代谢活动和细胞功能而死亡。3.辐射诱导细胞死亡第117页，共135页。2)发生机制细胞增殖死亡的机制可能与染色体损伤有关。辐射诱发的染色体畸变可使分裂后的子细胞不能获得一套完整的染色体，因而不能进入以后的分裂而死亡。间期死亡的发生机制尚未完全阐明。依据文献资料可能由于照射后能量供应（ATP合成）受抑制、膜结构损伤和染色质裂解等原因。第118页，共135页。A:细胞周期各时期细胞的辐射效应细胞周期是由一次分裂到下一次分裂称为有丝分裂周期或细胞周期所经历的时间称为细胞周期时间。G0－G1－S－G2－M。为了研究细胞周期不同时期细胞的放射敏感性需将细胞同步化，获得同期的细胞。结果发现敏感性最高的是M和G2期，其剂量存活曲线的斜率较大,S后期的抗性最大。各时期的放射敏感性次序为：M、G2>G1>S早期>S后期。4.细胞的辐射损伤第119页，共135页。A:细胞周期各时期细胞的辐射效应1.杀伤细胞。处于Ｍ期的细胞对射线很敏感，小剂量照射可使细胞即刻死亡或染色体畸变，导致下一次分裂时子代细胞死亡。辐射对细胞的损伤表现为：(1)细胞核的改变：表现有细胞核肿胀、固缩、溶解、碎裂等。(2)染色体畸变：G1和S期DNA尚未合成，此时损伤表现为染体型畸变。(3)膜的改变：有核膜肿胀、核膜破裂、细胞膜、酶、蛋白质、脂蛋白的改变，可能影响细胞膜的生物学功能。2．阻断细胞周期活动。受照射后G2期细胞推迟进入M期，S期细胞推迟进入G2期，同样G1期细胞推迟进入S期。虽然各个时期均推迟，但G2期细胞更敏感，小剂量照射可明显推迟G2期细胞进入M期。第120页，共135页。细胞辐射损伤可分为:1)致死性损伤(LethalDamage,LD)：不可逆的和不可修复损伤，最终无可挽回地走向死亡；2)亚致死性损伤(SublethalDamage,SLD)：在正常情况下（没有进一步地追加损伤），可在1小时以内修复。3)潜在致死性损伤(PotentiallyLethalDamage,PLD)：这部分损伤受照射后受环境的影响，或能修复，或走向死亡。B:细胞辐射损伤的修复第121页，共135页。细胞水平放射损伤修复的影响因素主要有：(1)辐射种类:

高LET照射后基本上没有潜在致死性损伤的修复，中子照射肿瘤的优点之一。χ线照射后肩区最宽，在分割剂量照射后修复明显增强。(2)剂量率:剂量率是影响细胞放射损伤修复的主要因素，对低LET照射的细胞效应影响很大，而对高LET效应影响很小。(3)氧效应与分次照射：完全氧合的细胞比低氧细胞对射线更敏感。哺乳动物细胞在氧张力为2.7-5.4kPa(20-40mmHg)被认为是完全氧合，在细胞极度低氧时，才有放射敏感性的改变，常用氧增强比来表示。第122页，共135页。三、染色体的辐射效应染色体结构畸变畸变与细胞周期之间的关系染色体型畸变染色单体型畸变染色体数量畸变染色体畸变形成的分子机理染色体畸变的生物学意义第123页，共135页。1)在某些条件下，细胞中的染色体组可以发生数量或结构上的改变，这一类改变称为染色体畸变(chromosomeaberration,CA)。2)染色体畸变可以自发地产生，指细胞正常生活过程中产生的或受环境因素随机发生的畸变，称为自发畸变(spontaneousaberration)。自发畸变率一般很低，无着丝粒断片约占0.5％，着丝粒体约占0.05％，有时甚至低于0.01％。3)染色体畸变也可以通过物理的、化学的和生物的诱变剂作用人为地产生畸变，称为诱发畸变(inducedaberration)。4)染色体畸变分为染色体数量畸变和结构畸变两大类。第124页，共135页。1.染色体结构畸变许多物理的、化学的和生物因子可以引起染色体断裂，这些因子称为致断因子。染色体还可能自发地断裂。断裂的末端被认为具有“粘性”，即易与其它断端重新粘合或重接，因此一次断裂产生的两个粘性末端常重接而修复如初。但有时会出现反常的重接，结果导致多种染色体结构异常。第125页，共135页。A.几乎所有的畸变都是在间期受损