电离辐射生物学效应基础省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第四章电离辐射生物学效应基础金顺子教授/博导吉林大学公共卫生学院放射生物学教研室1/108Ionizingradiationisubiquitous.Air,water,soil,plants,animals,people,food,paper,machineryandbuildingsareradioactive.

2/1083/108

医学放射生物学

研究电离辐射对机体（尤其是人体）各种细胞、组织、器官和系统作用规律和机理一门科学。

为保障机体安全和健康，探索有效防护办法和提升临床放射治疗水平提供理论基础，使射线和核技术更加好地为人类服务。

4/108第一节

辐射生物学效应基本概念5/108辐射生物效应

（biologicaleffectofionizingradiation）

电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体分子、细胞、组织和器官等基本生命物质和分子后，引发一系列复杂物理、化学和生物学改变，由此所造成生物体组织细胞和生命各系统功效、调整和代谢改变，产生各种生物学效应。6/108电离辐射生物效应种类ICRP第60号提议书(1991)中，区分以下四个述语:①改变:由辐射引发某种生物学改变，可能有害，

也可能无害;②损伤:表示某种程度有害改变，这种损伤是指对细胞

有害，不一定是对受照射人体有害;③损害:指临床上可观察到有害效应，表现于受照射个体(躯体效应)或其后代（遗传效应）;④危害:是一个复杂概念，它将损害概率、严重程度

和显现时间结合起来加以考虑。7/108辐射种类按与物质作用分类：

电离辐射（IonizingRadiation）非电离辐射（Non-IonizingRadiation）按本质和性质分类：

电磁辐射(ElectromagneticRadiation)

粒子辐射(ParticleRadiation)8/108电离辐射与非电离辐射

电离辐射是指一切能引发物质电离辐射总称。电磁辐射（无形）

以相互垂直电场和磁场，随时间改变而交变振荡，形成向前运动电磁波电离辐射(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）

高能粒子经过消耗本身动能把能量传递给其它物质高速粒子、带电粒子9/108电磁辐射电离辐射粒子辐射X,γ射线α、β、中子质子、负π10/108电磁辐射--波谱11/108传能线密度

与

相对生物效应

重点12/108一、传能线密度

（linearenergytransfer，LET）定义：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗平均能量（单位J/m）。LET概念也适合用于虽不是直接电离粒子，但经过次级带电粒子X、γ射线和中子。与生物效应关系：正相关13/108二、相对生物效能

（

elativebiologicaleffectiveness,RBE）

RBE

＝X或γ射线引发某一生物效应所需剂量所观察电离辐射引发相同生物效应所需剂量14/108（一）RBE含义

RBE大小随所比较剂量不一样而有些差异，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，不一样种类电离辐射引发某一特定效应效率差异。即：剂量相同、辐射种类不一样，产生效应也不一样；若要产生相同效应，则不一样种类辐射所需剂量就不一样。15/108（二）LET与RBE关系

RBE改变是LET函数（正相关）

LET：<10kev/um时；LET∝RBE(迟缓）LET：10～100kev/um时；LET∝RBE（快速）

LET：>100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下降，表明更多射线并不能用于引发生物效应上，反而被浪费了16/108

原发作用

与

继发作用17/108一、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这段时间内，在细胞中进行着辐射损伤原初和强化过程。

包含物理、物理化学和化学三个阶段。此过程中辐射能量吸收和传递、分子激发和电离、自由基产生、化学键断裂等，都是在生物体内进行。18/108二、继发作用（secondaryeffect）：

是指在原发作用发生基础上，因原发作用形成各种活性基团不停攻击生命大分子，造成生物显微结构破坏，继而发生一系列生物学、生物化学损伤效应。19/108

继发反应：亚细胞结构破坏细胞内水解酶释放信号转导网络改变或破坏代谢方向性和协调性紊乱生物化学损伤细胞、组织器官和系统改变病理学改变功效改变20/108三、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，轻易向邻近分子或原子释放能量。21/108四、水电离和激发

水原初辐解产物：

电离辐射作用于机体水分子，使水分子发生电离和激发，产生自由基和分子。这种反应称水辐解反应，各种自由基和分子统称水原初辐解产物。22/108水合电子

游离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以下而未被捕捉时，可吸收若干水分子而形成水合电子。

刺团

水原初辐射反应并非平均分布于空间，普通是在小体积内成簇发生，这种小反应体积称为刺团，平均半径为1.5nm，每个刺团内含有6个自由基。23/108

直接作用与

间接作用重点24/108一、直接作用（directeffect）概念：电离辐射能量直接沉积于生物大分子，引发生物大分子电离和激发，破坏机体核酸、蛋白质、酶等含有生命功效物质，这种直接由射线造成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。25/108电离辐射对DNA分子损伤直接作用直接作用26/108二、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发后者物理和化学改变。特点：能量沉积和生物效应发生在不一样分子27/108电离辐射对DNA分子损伤间接作用间接作用28/108电离辐射间接作用四种效应1.稀释效应（dilutioneffect）：指最大相对效应发生在最稀释溶液中。一定剂量电离辐射在溶液中产生固定数量自由基，假如作用是间接，那么失活溶质分子数目就与溶液浓度无关，只与产生自由基数量一致；若作用为直接，则失活溶质分子数将取决于受照溶液溶质分子数，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29/1082.温度效应（temperatureeffect）：

指在一定试验条件下，受照射系统（如酶浓度）辐射效应，伴随周围温度升高而加重。

因为温度升高，增加了自由基接近酶机会，使酶分子损伤加重，反之亦然。

对于恒温生物表面来讲（包含人体），通常条件下照射所产生辐射效应不受环境温度改变影响。30/1083.防护效应（protectiveeffect）：

指向受照射生物系统中引入某种或某几个物质含有能降低该系统损伤程度作用。

①辐射防护剂（radioprotectors）：

指有机体或某一个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

复物质。

②剂量降低系数（dosereductionfactor，DRF）DRF=

有防护剂时，引发致死效应所需辐照剂量

无防护剂时，引发致死效应所需辐照剂量

31/108

表4.5WR2721对正常组织防护作用

被防护组织

未被防护组织

骨髓

（2.4—3）

脑

免疫系统（1.8—3.4）

脊髓

皮肤

（2—2.4）

小肠

（1.8—2）

结肠

（1.2—1.8）

食道

（1.4）

肾

（1.5）

肝

（2.7）

唾液腺

（2.0）

睾丸

（2.1）

32/1084.氧效应（oxygeneffect）①

氧效应：是指受照射生物组织、细胞或生物大分子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，增高幅度与氧浓度相关。②

氧增强比（oxygenenhancementradio,OER）是指缺氧条件下引发一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引发一样效应所需辐射剂量比值。其公式是：OER=

缺氧条件下产生一定效应剂量

有氧条件下产生一样效应剂量33/108③

氧效应发生机制：氧含有双重作用。

氧固定假说

：电离辐射在靶分子中诱发自由基，假如有氧存在，辐射产生自由基快速与氧分子结合，形成一个妨碍靶分子生物功效集团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34/108氧浓度对氧效应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％，放射敏感性快速增加增至21％或至100％时，敏感性处于坪值照射时间对氧效应影响照射前引入氧，表现出氧效应照射后引入氧，无效35/108氧效应生物学意义：

许多实体瘤细胞是乏氧，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱能够提升肿瘤细胞氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂能够增加射线对肿瘤细胞杀伤能力。36/108自由基37/108自由基（freeradical）：指含有一个或多个不配对电子原子、分子、离子或游离基团。形成方式——均裂（homolyticfission)自由基特征：高反应性：带有未配对电子，含有强烈获取或失去电子以成为配对

电子趋势，所以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，因为两个电子自旋方向

相反，各自对应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。38/108

活性氧

氧化应激

氧自由基39/1081.活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）：是指含有氧活性物质，可能是氧一些代谢产物和一些经过生化反应而产生含氧基团。主要有以氧单电子还原产物、氧双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO·，ROO·、处于激发态氧。2.氧化应激（OxidativeStress）：是指含有活性氧化中间产物（ROI）所引发生物学反应称为氧化应激。3.氧自由基（Oxygenfreeradical）：是指含有氧元素自由基。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。40/108惯用氧自由基符号汉字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Lipidperoxideradical41/108自由基对生命大分子作用

1）抽氢反应：自由基将有机分子中H转移至本身，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

反应

H·

+R―CH=CH2→R―CH―

CH2·H

42/1083)歧化反应：现有氧化作用又有还原作用自由基，

易于发生。发生在自由基或自由基与有机分子之间单电子转移反应。

O2-·+O2-·+2H+→H2O2+O2

O2-·+H2O2→O2+·OH+OH-

4)链式反应:

在生物系统中脂质（RH）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；也能够使Vc氧化，产

生半脱氢抗坏血酸自由基。43/108机体抗氧化功效（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：44/108（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去除可与脂自由基（L·）或脂过氧基（LOO·）反应45/108（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去除剂H2O2和146/108（四）蛋白性抗氧化剂铜蓝蛋白（ceruloplasmin）是人血浆含铜蛋白，是细胞液主要抗氧化剂之一，其作用主要在于预防过渡金属Fe2+和Cu2+催化H2O2形成·OH。清蛋白结合胆红素有效地去除、和过氧基，还能够作为过氧化物酶还原H2O2和有机过氧化物提氢体。

47/108第二节

辐射生物学效应分类48/108确定性效应

与

随机性效应重点49/1081.确定性效应（deterministiceffect）：指发生生物效应严重程度伴随电离辐射剂量增加而增加生物效应。这种生物效应存在剂量阈值，只要照射剂量到达或超出剂量阈值效应必定发生。

如照射后白细胞降低、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（stochasticeffect）：指生物效应发生概率（而不是其严重程度）与照射剂量大小相关生物效应。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。50/108外照射、内照射效应

局部照射、全身照射效应51/1081.外照射（externalirradiation）：

辐射源从体外对机体进行照射。γ射线、中子、X射线等穿透力强，外照射生物学效应强。2.内照射（internalirradiation）：

放射性核素经过各种路径进入机体，在机体内发射出射线产生生物效应。

内照射效应主要发生在放射性核素经过路径和沉积部位组织器官，但其效应可涉及全身。内照射效应普通以射程短、电离强

α、β

射线为主。52/1083.局部照射（localirradiation）：当外照射射线照射身体某一部位，引发局部组织反应者称局部照射。当照射剂量和剂量率相同时，身体各部位辐射敏感性依次为

腹部>盆腔>胸部>头部>四肢。4.全身照射（totalbodyirradiation）：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。依据照射剂量大小和不一样敏感组织反应程度，辐射所致全身损伤分为骨髓型、肠型、脑型三种类型。53/108躯体和遗传效应

近期与远期效应54/1081.躯体效应（somaticeffect）：受照射个体体细胞损伤而致本身发生各种效应称为躯体效应。又可区分为全身效应（totalbodyeffect）和局部效应（localeffect）。如辐射所致骨髓造血障碍、白内障等。2．遗传效应（geneticeffect）：受照射个体生殖细胞突变,而在子代身上表现出效应称遗传效应。这是因为电离辐射造成受照者生殖细胞遗传物质损伤，引发基因突变和染色体畸变，造成后代先天畸形、流产、死胎和一些遗传性疾病。55/1081.近期效应（earlyeffect）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)就出现那些效应。

如急性放射病，急性皮肤损伤等。2.远期效应（lateeffect）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多年才出现那些效应（普通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。56/108

辐射旁效应电离辐射引发受照细胞损伤或功效激活，产生损伤或激活信号可造成其共同培养未受照射细胞产生一样损伤或激活效应，称辐射旁效应。机制尽管不清楚，但与受照细胞产生活性氧、细胞因子和细胞间缝隙连接通信（GJIC）关系亲密。57/108辐射旁效应传统辐射效应：只有被照射细胞才会有改变…？未直接收照射细胞表现出与直接收照射细胞相类似生物学终点改变58/108辐射诱导旁效应因照射剂量和其它条件不一样，能够是损伤性效应，也能够是保护性效应。IR旁效应细胞间隙连接抑制剂可减弱或消除一些辐射旁效应转化细胞与邻近正常细胞可经过细胞间通讯而引发前者凋亡组织细胞共培养体系研究表明，受照射细胞与未受照射细胞共培养时，因受照射剂量不一样，未受照射细胞可出现不一样改变。59/108用共培养上清培养液处理未照射细胞，也发生一样旁效应增殖反应

EL-4（T淋巴细胞株）IRJ774A.1（巨噬细胞株）EL-460/108

第三节

影响电离辐射生物效应主要原因

重点61/108（一）与辐射相关原因1.辐射种类：电离密度和穿透能力2.辐射剂量：普通情况存在剂量效应关系（非线性）3.辐射剂量率：单位时间接收照射剂量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62/108（二）与机体相关原因

1、种系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、个体发育放射敏感性

敏感性随个体发育过程而逐步降低

十日法规：对育龄妇女下腹部X射线检验都应该在月经周

期第1天算起10天内进行，以防止对妊娠子宫照射3、不一样器官、组织和细胞放射敏感性

Bergonie和Tribondeau定律4、亚细胞和分子水平放射敏感性细胞核敏感性高于胞浆

DNA>mRNA>rRNA>tRNA>蛋白质63/108放射敏感性生物系统对辐射作用反应性或灵敏性。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一样，若反应强、速度快，则敏感性高。反之亦然64/108

Bergonie和Tribondeau定律：

一个组织放射敏感性与其细胞分裂活动成正比，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65/108（三）与介质相关原因1.温度：机体受照射时，其內外环境温度改变，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，先提升肿瘤组织局部温度，其放疗疗效有显著提升。其原因：①温度造成动物体內氧状況改变；

②温度引发体内新陈代谢水平改变；

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、细胞或溶液系统辐射效应随周围介质中氧浓度增加而增加，这种现象称为氧增强效应。当前为提升肿瘤组织对辐射敏感性，利用辐射“氧效应”这一特征提升放射治疗效果。66/1083.化学物质

在溶液体系中，因为其它物质存在而使一定剂量辐射对溶质损伤效应降低称为防护效应。细胞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，能提升辐射效应。67/108应掌握内容概念：水原初辐解产物、直接作用、间接作用、辐射旁效应、确定性效应、随机性效应、Bergonie和Tribondeau定律名词解释及英文缩写：LET,RBE,ROI,OERLET与RBE关系影响辐射生物效应原因68/10869/10870低水平辐射生物效应

及其研究进展70/1087171/10872低水平辐射：指0.2Gy以内低LET辐射或0.05Gy以内高LET辐射(剂量率在0.05mGy/min以内各种辐射)。低水平辐射与癌症发生（致癌）低水平辐射与癌症治疗（治癌）72/10873低水平辐射与癌症发生不一样观点争论美国能源部10年研究计划流行病学调查资料73/10874一、不一样观点争论焦点辐射效应是否线性无域还是线性有域？这一问题在学术团体间和普通媒体上进行了不停讨论，迄今尚无一致结论。主要争论焦点是辐射致癌是否存在剂量阈值。这一问题切实处理，对社会经济发展、人类健康生活和科学技术应用都将产生主要影响。

74/10875线性无阈学说（LinearNo-ThresholdHypothesis，LNT）辐射健康危险性与剂量成线性关系，效应无剂量阈值

任何剂量不论多低，均会带来一定健康危险性每单位剂量危险度是衡定危险性是随剂量增加而提升75/108

右侧取自NCRP136号汇报对同一资料分析，X轴高度压缩，以致阈值和兴奋效应被掩盖。左侧取自UNSCEAR1994汇报,在200mSv以下可见显著兴奋效应；该汇报认为，“在0~3Sv范围内出现有统计学意义上升性曲线”。对日本原爆幸存者白血病资料两种分析放射生物学研究关键问题之一是辐射剂量与生物效应关系

76/10877美国核学会立场申明

(1999年4月于波士顿)无足够依据支持以LNT假说预计低水平辐射对健康影响需要对以往研究作全方面分析，并进行新研究，以驳斥LNT假说应开启跨越多学科探讨低水平辐射健康效应新研究项目77/10878二、美国能源部10年研究计划

未来百年人类面临照射主要来自医学检验、废物处理、恐怖事件以及与核武器、核能生产相关环境原因，均为低剂量、低剂量率、低LET辐射。所以，该计划集中于以上三方面辐射效应研究，能够采取以往50年所没有研究伎俩和技术，愈加深入地探讨问题本质。----USDOE10-yearLDRResearchProgram,199878/10879计划资助预算

第1~3年：每年2.24千万，共计6.72千万第4~6年：每年2.56千万，共计7.68千万第7~10年：每年1.86千万，共计7.44千万总计2亿1千8百40万（＄）（进行中项目106个，结题54个）79/10880三、辐射流行病学调查切尔诺贝利事故高空飞行人员（3项调查，68,061人）英国核工业职员（1946~1997年51,367人）居室氡与肺癌(EU13项调查）高本底地域健康调查80/10881地点：前苏联切尔诺贝利

原因：核电站泄漏及爆炸辐射源：131I、134Cs、137Cs当场死亡人数：31人年汇报：累计死亡人数56人剂量：相当于广岛、长崎两枚原子弹辐射量

100倍后果：47名工人、9名儿童患甲状腺癌切尔诺贝利事故（1986.4.26）：81/10882切尔诺贝利事故评价年切尔诺贝利论坛结论是该地域居民无须顾忌不良健康效应。事故发生之初，T.D.Luckey曾预言“这将是一次对辐射兴奋效应学说天然试验”。

雷帕乔利博士说：切尔诺贝利事故对健康最主要副作用不是辐射，而是恐惧。

82/10883高本底地域健康调查

阳江高本底辐射地域是两块分开区域，总面积约为500km2，放射性起源于附近山上花岗岩，经过长久雨水冲刷，独居石微粒不停地沉积在附近两片洼地，使这两块地域放射性本底升高。83/10884

长久居住人口：8万多人

高本底程度：约为邻近恩平县3倍

适应性反应指标：外周血淋巴细胞受大剂量

UV射线作用后其UDS增高，受大剂量X射线作用后其染色体畸变率降低。

最近汇报：该地域人群中40-70岁癌症高发年纪段居民癌症死亡率显著低于对应对照地域。调查结果：84/10885低水平辐射免疫效应

与癌症治疗85/10886主要概念适应性反应：先给予机体（细胞）低剂量辐射，随即给予大剂量辐射时，其有害作用减轻。保护剂量：D1

攻击剂量：D2

表现形式：整体水平、细胞水平、分子水平一、低剂量辐射免疫效应86/108低水平辐射诱导精母细胞适应性反应小鼠受低剂量率（20µGy/min）慢性照射，累积剂量1.1Gy（D1），照射结束后40日，给予1.5GyX射线（D2），检验精母细胞染色单体断裂，低剂量率慢性照射诱导显著细胞遗传学适应性反应.(CaiL,etal.1995).87/108C57BL/6小鼠低剂量辐射抑癌试验

（照射结束后6个月观察结果）HDR=1.75Gyx4(李修义等，1998)88/108低剂量辐射抑癌效应机制

照射结束后1个月检验

对照75mGy×41.75Gy×4(75mGy+1.5Gy)×4NK100116.563.7(1)93.2(2)

IL-2100119.156.2(1)77.9(2)

IFNγ100101.675.0(1)94.5(2)

Mφ100162.8(1)97.2147.9(