电离辐射生物学作用的理化基础2

第二章电离辐射生物学作用的理化基础和基本规律21第三节传能线密度与相对生物效应2定义：是指直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量（单位J/m）。一般常用keV/μm表示。LET概念也适用于虽不是直接电离粒子但通过与物质相互作用产生次级带电粒子的X、γ射线和中子。与生物效应的关系：正相关一、传能线密度（linearenergytransfer，LET）3概念：单位长度径迹上形成的离子数。与LET关系：正比生物效应：正相关一、传能线密度（linearenergytransfer，LET）电离密度（iondensity）4Fig2.1

LET与电离密度之间关系一、传能线密度（linearenergytransfer，LET）5二、相对生物效能（relativebiologicaleffectivenessRBE)也曾称相对生物效应、相对生物效率和相对生物效应系数，这是放射生物学中沿用已久的一个概念。定义：X射线或γ射线引起某一生物效应所需剂量与所观察的电离辐射引起相同生物效应所需剂量的比值，即为该种电离辐射的相对生物效能。观察的生物终点不同，所得的RBE值也不同。（观察的生物效应指标、剂量分布的时间与空间、受照射体系所处条件不同、照射时有氧或无氧等）因此，在确定某一电离辐射的RBE值时，必须限定有关条件。最好在平均灭活剂量和平均致死剂量下，用同一生物终点进行生物效应比较。6各种电离辐射的相对生物效能辐射种类相对生物效能X射线、γ射线1β粒子1热中子3中能中子5~8快中子10α粒子10重反冲核20二、相对生物效能（relativebiologicaleffectivenessRBE)7三、LET与RBE的关系RBE的变化是LET的函数

LET<10keV/μm时；LET∝RBE(缓慢）LET10～100keV/μm时；LET∝RBE（迅速）

LET>100keV/μm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。8Fig2.2Fig2.3三、LET与RBE的关系9径迹结构（trackstructure）四、径迹结构和集簇损伤10集簇损伤（clusterdamage）概念：是指单次射线照射后，在紧凑的空间范围内，数个至10bp的距离上密集产生2个或2个以上的单损伤，包括DNA分子的单链断裂、双链断裂和碱基损伤（嘌呤嘧啶碱基氧化、碱基位点缺失）等多种类型损伤。这种集簇损伤是辐射径迹在DNA分子上能量沉积形成的主径迹、次级电子及次级活性自由基等多种因素诱发的复杂集簇化学改变而导致的损伤集合作用，是电离辐射的独特性质。四、径迹结构和集簇损伤11Fig2.4集簇损伤示意图四、径迹结构和集簇损伤12第四节自由基13一、自由基的概念和特点概念：自由基是指能够独立存在的，带有一个或多个不成对电子的原子、分子、离子或原子团。所谓“不成对电子”，即单独占据原子或分子轨道的电子。为了使自由基显示出未配对电子特征，在原有原子、分子、离子或基团符号的上角标记一个圆点“·”以显示带有未配对电子，但不表示未配对电子的数量。如·CH3、·OH、

和H·等。14一、自由基的概念和特点自由基的特点高反应性不稳定性顺磁性15二、氧自由基与活性氧活性氧概念：从强调氧对机体不利一面的角度出发，将那些较氧的化学性质更为活跃的氧的代谢产物或由其衍生的含氧物质统称为活性氧（reactiveoxygenspecies,ROS）。16二、氧自由基与活性氧活性氧的分类：氧的单电子还原物，如

及其质子型HO和·OH氧的双电子还原物H2O2；烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO·和ROO·；处于激发态的氧、单线态氧和羰基化合物。注：活性氧的特点是含有氧，化学性质较基态氧活泼。所有的含氧自由基都是活性氧（不包括基态氧），但活性氧不一定都是自由基。17二、氧自由基与活性氧氧自由基的概念：有些活性氧是自由基，在这些自由基中，若不配对的电子位于氧，则称为氧自由基。18三、自由基对生物分子的作用自由基化学反应的主要类型自由基对DNA的损伤自由基与脂质过氧化19四、生物抗氧化防御功能抗氧化酶主要的抗氧化酶有超氧化物歧化酶（superoxidedismutase,SOD）、过氧化氢酶和非特异性过氧化物酶（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（phospholipid

hydroperoxideglutathioneperoxidase,PHGSHPx）及谷胱甘肽转硫酶（glutathione-S-transferase），又称非硒谷胱甘肽过氧化物酶（nonSeGSHPx）等。上述各种抗氧化酶中，以SOD、CAT和SeGSHPx研究较多。20四、生物抗氧化防御功能脂溶性抗氧化剂体内脂溶性抗氧化剂主要有维生素E、胆红素、类胡萝卜素、胆固醇和固醇类激素、褪黑激素以及硫辛酸等。21四、生物抗氧化防御功能水溶性小分子抗氧化剂此类抗氧化剂主要包括维生素C（抗坏血酸）、尿酸和谷胱甘肽。谷胱甘肽（GSH）是GSHPx催化过氧化物还原和脱氢抗坏血酸还原酶催化脱氢抗坏血酸还原的供氢体。同时也是·OH、H2O2和1O2·的清除剂。22四、生物抗氧化防御功能蛋白性抗氧化剂铜蓝蛋白、转铁蛋白、清蛋白和结合珠蛋白等能络合金属离子，防止其催化Fenton反应生成·OH。上述各类抗氧化剂在细胞内外形成机体的抗氧化防御系统，能有效地清除在代谢过程中形成的活性氧与自由基，防止其对细胞的损伤，在机体受到电离辐射作用而活性氧产物增加时，这些防御机制可动员起来，在一定程度上增加其清除活性氧和自由基的作用。23

第五节直接作用与间接作用

（directeffect&indirecteffect）24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分子即生物大分子上。一、直接作用（directeffect）25Fig2.5直接作用间接作用示意图一、直接作用（directeffect）26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，H3O+，和H2O2），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上。二、间接作用（indirecteffect）27二、间接作用（indirecteffect）稀释效应温度效应防护效应间接作用28

定义：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。二、间接作用（indirecteffect）稀释效应29二、间接作用（indirecteffect）溶质水射线自由基射线。溶质水自由基30二、间接作用（indirecteffect）(a)(b)Fig2.6稀释效应示意图1—直接作用2—间接作用31二、间接作用（indirecteffect）温度效应(temperatureeffect)定义：是指在一定实验条件下，受照射系统的辐射效应随着温度升高而加重。32二、间接作用（indirecteffect）防护效应(protectiveeffect)定义：是指有机体或某一生物系统受电离辐射照射前或照射后立即给予某种物质，能减轻辐射损伤，促进修复，具有这种作用的物质称为辐射防护剂（radioprotector）。DRF：dosereductionfactor剂量降低系数WaleerReed系列：WR638/WR1607/WR272133

第六节氧效应与氧增强比

（oxygeneffect&oxygenenhancementratio)34定义：受照射的生物系统或分子的辐射效应随周围介质中氧浓度的升高而增加，称为氧效应。一、氧效应与氧增强比Fig2.7氧对细菌和肿瘤细胞存活曲线的影响●有氧，▵缺氧，○有氧实验值乘以倍数；细菌×3.3，肿瘤细胞×2.8

氧效应(oxygeneffect)35一、氧效应与氧增强比氧增强比(oxygenenhancementratioOER)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，常用来衡量氧效应的大小。X、γ射线OER：2.5~3.0α粒子OER：136二、氧效应的需氧浓度Fig2.8氧分压对放射敏感性的影响粘质沙雷氏菌，培养基事先与氧平衡Fig2.9中国仓鼠细胞在不同氧浓度下经X射线照射后的存活曲线○空气；●、□、■和▵氧浓度分别为2.2‰、0.36‰、0.10‰和0.01‰37三、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，无效照后充氧，在一定条件下有一定保护作用38四、氧效应的发生机制氧固定假说这个假说认为电离辐射在靶分子中诱发了自由基。如果在照射的当时靶分子附近存在着氧，那么这些辐射引起的自由基将迅速与氧结合，形成一个妨碍靶分子生物功能的基团。许多由·0H、H·、水合电子等诱导的靶分子自由基的寿命是极为短促的，在照射前或照射当时就必须有氧存在以便有效地与自由基起反应，使辐射损伤固定下来。据估计，氧固定往往发生在照射后10-9～10-8内。如果那时氧不存在，靶分子的自由基即可能迅速通过“化学修复”，转变为具有正常生物活性的分子。在氧固定、自由基衰变和内源性化学修复之间存在着竞争。39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→靶损伤第二种情况中，氧能与这些游离电子反应，防止其重新回到原位而使靶分子的损伤固定和加重。四、氧效应的发生机制40

第七节

电离辐射生物效应及其影响的主要因素

41一、辐射生物效应和放射敏感性辐射生物效应(radiobiologicaleffect)电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官所造成的形态结构和功能的变化，称为辐射生物效应。确定性效应(deterministiceffect)机体的组织和器官的功能具有强大的代偿能力，若电离辐射剂量足够大引起损失的细胞足够多而且这些细胞又足够主要，则造成可观察到的损伤。即辐射剂量超过一定阈值，损伤效应就一定会发生，而且损伤的严重程度会随剂量的增加而加重，称为确定性效应。随机性效应(stochasticeffect)电离辐射作用于机体后，一部分细胞可产生变异而不死亡，变异的细胞可逐渐导致恶变发生肿瘤。即损伤或恶变的概率随剂量增加而增大，而严重程度与剂量无关，这种不存在阈剂量的效应称为随机性效应。42一、辐射生物效应和放射敏感性辐射生物效应躯体效应遗传效应作用对象确定性效应随机性效应致癌损伤发生在后代43一、辐射生物效应和放射敏感性组织反应(tissuereaction)受辐射作用产生的组织损伤及其引发的不同器官特异性表现，称为组织反应，是一定数量细胞功能丧失的结果。早期组织反应发生在照射后数小时至几周，可来源于细胞渗透和组织胺释放的炎性反应。晚期组织反应靶组织损伤直接引发的后果，如照射使血管闭塞导致深部组织坏死；早期反应的继发反应，如肝和肺组织的纤维化反应等.44定义：生物系统对辐射作用的反应性或灵敏性。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同，若反应强、速度快，则放射敏感性高，反之则是放射敏感性低。一、辐射生物效应和放射敏感性放射敏感性(radiationsensitivity)45LD50(半致死剂量）：将引起被照射机体死亡50％时的剂量称LD50

，是表示放射敏感性的参数，LD50数值越小，放射敏感性愈高。LD50/30：代表30日内引起50％死亡的照射剂量。一、辐射生物效应和放射敏感性46一、辐射生物效应和放射敏感性氧合状态细胞周期调控DNA损伤修复细胞凋亡放射敏感性47二、影响电离辐射生物效应的主要因素电离辐射作用于机体产生的生物效应，涉及电离辐射对机体的作用与机体对其反应。影响辐射生物效应发生的诸多因素，基本上可归纳为两个方面，一是与辐射有关的因素，二是与机体有关的因素。481、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）、混合照射二、影响电离辐射生物效应的主要因素与辐射有关的因素491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