辐射、人与环境-辐射生物

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

电磁辐射无线电波、微波光辐射紫外辐射

……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0.4mSv/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0.007mSv/年；来自核电站排放约0.002mSv/年。类型剂量水平(mSv/a)看电视每天2小时<0.01夜光表0.02乘飞机2000km0.005眼镜（局部）0.01～0.04家用天然气（局部）0.06～0.09假牙（局部）0.001吸烟每天20支（“钋弹”）0.5～1.0诊断X射线人均年有效剂量0.3CT人均单次年有效剂量8.6火力发电厂带来的照射0.005核电站附近0.001-0.02核设施附近0.001-0.2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－－遗传信息分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡导致随机性效应单一细胞变异导致DNA损伤细胞水平临床症状效应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（linearenergytransfer，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

（elativebiologicaleffectiveness,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250KeVX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：<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

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（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。

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（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。

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（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）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（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：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O2RR▪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（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