輻射生物物理

1、輻射生物物理     輻射生物物理fushe shengwu wuliradiation biophysics的分支學(xué)科。它研究輻射對(duì)生物器官和組織的效應(yīng)中所涉及的基本物理、物理化學(xué)過程的規(guī)律及原理，特別是生物效應(yīng)的分子機(jī)制和定量關(guān)系。輻射包括能引起物質(zhì)分子電離的電離輻射（如X射線、射線、電子、質(zhì)子、中子、介子和其他重帶電粒子等） 和非電離輻射（如可見光、紅外光、紫外光等）。由于與非電離輻射有關(guān)的生物物理學(xué)內(nèi)容已獨(dú)立為光生物物理，所以輻射生物物理一般指電離輻射的生物物理，又稱放射生物物理。簡史 1895年，WC倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后不久，人們就觀察到

2、它引起機(jī)體組織損傷和細(xì)胞死亡的現(xiàn)象。還發(fā)現(xiàn)用它可以根除惡性腫瘤，從而誕生了放射治療。1902年后，人們認(rèn)識(shí)到電離輻射還可以引起癌癥。于是，輻射生物物理作為生物物理最早的一支問世了。早期的輻射生物物理主要是純經(jīng)驗(yàn)的定性研究，重要的發(fā)現(xiàn)有：富氧組織的輻射敏感性比乏氧組織高12倍（“氧效應(yīng)”）；細(xì)胞和組織的溫度和代謝的旺盛程度常與輻射敏感性相關(guān)；利用電離輻射的生物效應(yīng)與組織吸收的能量相關(guān)的特性，建立起用測(cè)量空氣電離來推斷組織中吸收能量的第一種劑量學(xué)方法，為定量輻射生物物理研究奠定了基礎(chǔ)。20年代后期，發(fā)現(xiàn)X射線可引起果蠅的突變，從而引起人們對(duì)輻射遺傳效應(yīng)的重視和輻射在遺傳育種上的應(yīng)用。30年代末，B

3、拉耶夫斯基和A施勞布證明肺癌是由氡及其子體的 射線引起的。這是對(duì)環(huán)境科學(xué)的最早貢獻(xiàn)。1935年，HB季莫費(fèi)耶夫-列索夫斯基和KG齊默爾創(chuàng)立了“靶理論”，認(rèn)為細(xì)胞內(nèi)有一個(gè)叫做“靶”的敏感區(qū)，只要帶電粒子擊中了這個(gè)“靶”，細(xì)胞即被損傷或致死。他們用數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，第一次建立了劑量-存活曲線的數(shù)學(xué)描述，雖然這個(gè)理論有很多缺陷，但它第一次把量子物理與生物過程聯(lián)系起來。20世紀(jì)40年代出現(xiàn)的核反應(yīng)堆和原子彈，極大地刺激了輻射生物物理的發(fā)展。一方面，輻射致癌、致突變、致畸等遠(yuǎn)后效應(yīng)的研究大大加強(qiáng)；另一方面，反應(yīng)堆被用來大量廉價(jià)地生產(chǎn)人工放射性同位素。輻射生物物理學(xué)家最早認(rèn)識(shí)到放射性示蹤方法對(duì)醫(yī)學(xué)、生物

4、學(xué)研究的巨大價(jià)值，他們用放射性同位素診斷多種疾病，用同位素標(biāo)記方法研究和的和翻譯（見）。從50年代開始，輻射生物物理學(xué)家利用加速器產(chǎn)生的高能電子、高能 X射線、中子和高能重帶電粒子治療癌癥，從而開創(chuàng)了“超高壓放射治療”的新時(shí)代。對(duì)高線性能量轉(zhuǎn)移（LET）輻射的物理學(xué)和生物效應(yīng)的研究，特別是相對(duì)生物學(xué)效應(yīng)（RBE）的研究也隨之興起。50年代末和60年代初，電子自旋共振（ESR）和脈沖輻射分解兩項(xiàng)新技術(shù)被引進(jìn)輻射生物物理的實(shí)驗(yàn)研究。它們能定量測(cè)量和直接觀察輻射在生命系統(tǒng)中產(chǎn)生的自由基和壽命極限（甚至短至10（秒）的瞬態(tài)產(chǎn)物。從而使輻射在分子水平上最初引起的物理和化學(xué)過程的研究成為可能。70年代，M

5、M埃爾金德從細(xì)胞存活率-輻射劑量關(guān)系的研究中，得到細(xì)胞在輻射損傷后可以被部分修復(fù)的證據(jù)，并進(jìn)而證明這種修復(fù)過程發(fā)生在分子水平。這一發(fā)現(xiàn)使人們?cè)絹碓缴钊肓私饬松^程的一個(gè)基本特征，即活細(xì)胞在某些條件下可以“修補(bǔ)”受損傷的大分子而不論損傷是由電離輻射、紫外線或化學(xué)致癌、致突變物質(zhì)中的哪一種因素所引起的。80年代以后，輻射生物物理研究正轉(zhuǎn)向一些更基本的問題，例如，輻射與的相互作用、基因的表達(dá)和調(diào)節(jié)控制在輻射引起的細(xì)胞轉(zhuǎn)化和 過程中所起的作用等。基本內(nèi)容 輻射與生物系統(tǒng)作用的原初過程 輻射作用的時(shí)間范圍從秒內(nèi)快速帶電粒子或光子穿過一個(gè)原子所引起的最初的物理事件，到幾十年后才表現(xiàn)出的癌癥和遺傳性疾病，

6、中間經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物化學(xué)和生理學(xué)的變化過程（見表輻射作用的時(shí)間表）。其中，最初的物理和化學(xué)過程對(duì)最終的生物效應(yīng)有深刻的影響。輻射對(duì)生物系統(tǒng)的原初作用，主要指對(duì)各種生物大分子（核酸、蛋白質(zhì)、酶和酯）的直接作用和間接作用。生物分子直接吸收輻射能而被電離和激發(fā)，進(jìn)而發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化，叫做直接作用。輻射能被生物分子周圍的水分子吸收并引起水的分解，產(chǎn)生羥自由基（?OH）、水合電子 （）和氫原子（H）等反應(yīng)性很高的自由基。它們通過擴(kuò)散與生物分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并引起后者結(jié)構(gòu)的改變；這種作用叫做間接作用。直接作用和間接作用的相對(duì)比例，取決于輻射能量損失的空間分布和生物系統(tǒng)的化學(xué)成分，也和生物系統(tǒng)

7、的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。輻射作用原初過程的研究大致可分以下3方面：徑跡結(jié)構(gòu)的研究。任何電離輻射都是通過初級(jí)和次級(jí)帶電粒子把能量傳遞給生物組織的，而這種能量交換只能沿粒子的徑跡處發(fā)生。LET 反映的是單位徑跡長度上碰撞能量損失的期望值，它是一個(gè)平均量。比能和線能雖然反映了微觀空間里能量傳遞的統(tǒng)計(jì)漲落，但是經(jīng)常用來估計(jì)生物效應(yīng)的一次事件比能或線能平均值，仍然是對(duì)大量粒子徑跡的統(tǒng)計(jì)平均。然而，任何生物效應(yīng)終點(diǎn)，都是受照生物系統(tǒng)內(nèi)非常早期（<10（秒）發(fā)生的物理和化學(xué)兩種過程相互作用的結(jié)果，無論是 LET還是比能和線能，都反映不了這種相互作用。在含水生物系統(tǒng)中，沿粒子徑跡形成的激發(fā)水分子（H2O（）離子

8、（H2O（）和射解產(chǎn)生的各種自由基（?OH、H（、等）的空間分布和隨時(shí)間的演變與生物效應(yīng)有密切的關(guān)系。這些高反應(yīng)性中間產(chǎn)物的空間分布“圖形”又和能量損失的“空間圖形”相聯(lián)系。因此，必須追蹤每一個(gè)帶電粒子的徑跡，弄清沿徑跡分布的所有原子和分子“事件”在空間的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)，才能最終解釋為什么不同“質(zhì)”的輻射具有不同的生物學(xué)效率。所有稱為“徑跡結(jié)構(gòu)”（見圖用掃描電子顯微鏡重現(xiàn)的1MeV核子的氬離子在中國倉鼠細(xì)胞內(nèi)的徑跡。在照片下方可以看到被擊中的細(xì)胞核和核仁；照片上的標(biāo)尺代表10微米）。研究徑跡結(jié)構(gòu)，就是用所有已知的知識(shí)和必要的假設(shè)，描述和預(yù)測(cè)一個(gè)帶電粒子引起的所有事件的空間分布。在數(shù)學(xué)上，它相當(dāng)于用

9、一個(gè)幾率函數(shù) （11，）描述在時(shí)間（一般<10（秒）時(shí)，沿徑跡發(fā)生的所有事件和它們的空間位置（=1，2，），并考慮到所有事件之間的相互聯(lián)系。徑跡結(jié)構(gòu)將成為計(jì)算生物系統(tǒng)內(nèi)所有繼發(fā)的化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的起點(diǎn)，目前還只能通過理論計(jì)算得到，常用的是蒙特卡洛方法；自由基反應(yīng)的研究。自由基是指具有一個(gè)或多個(gè)不配對(duì)電子從而能與其他具有不配對(duì)電子的原子或分子形成化學(xué)鍵的原子、分子或基團(tuán)。在輻射與生物系統(tǒng)作用時(shí)，通過激發(fā)態(tài)分子分解、激發(fā)態(tài)分子與其他分子反應(yīng)、離子自由基與中性分子的反應(yīng)等多種途徑，形成大量具有高反應(yīng)性的自由基。此反應(yīng)是導(dǎo)致生物分子損傷的主要途徑。由于生物系統(tǒng)是一個(gè)含水系統(tǒng)，生物分子的損傷在很

10、大程度上是水射解自由基作用的結(jié)果。自由基的攻擊可以導(dǎo)致核酸堿基的改變、DNA 鏈的斷裂、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的破壞和氨基酸殘基的氧化，從而使蛋白質(zhì)（特別是酶）鈍化。它還可以引起脂質(zhì)的過氧化，從而導(dǎo)致生物膜系統(tǒng)的損傷。例如，尿嘧啶或其他嘧啶與水合電子加成，形成負(fù)離子自由基，它的質(zhì)子化導(dǎo)致兩個(gè)新的自由基：胸腺嘧啶（或其他嘧啶）受羥自由基攻擊后，可能形成3種新的自由基，其中OH加成在5位碳上的是還原型自由基，而加成在6位碳上的是氧化型自由基：兩個(gè)還原型嘧啶自由基可以結(jié)合形成一個(gè)二聚體：生物分子自由基可以互相反應(yīng)，可以與氧、其他生物分子或藥物反應(yīng)，經(jīng)過一系列演變，最終造成生物分子的永久性化學(xué)改變。其反應(yīng)過程

11、可能很復(fù)雜，現(xiàn)在了解得很少；輻射能量和電荷在生物分子內(nèi)遷移的研究。生物分子吸收輻射能量或局部電離后，能量和電子還會(huì)遷移，使大分子的損傷具有一定的特點(diǎn)。例如，在DNA分子中，按照堿基激發(fā)態(tài)能量的高低，激發(fā)單線態(tài)的能量沿下列順序轉(zhuǎn)移：AUTGC 而激發(fā)三線態(tài)的能量則按另一順序轉(zhuǎn)移：C，UGAT又如，DNA分子在電離輻射作用下，初始階段總是產(chǎn)生鳥嘌呤陽離子（G）和胸腺嘧啶陰離子（T），這是因?yàn)檩椛錈o論在DNA大分子的哪一個(gè)核苷酸上產(chǎn)生初級(jí)電離，總是發(fā)生如下的電子轉(zhuǎn)移過程在蛋白質(zhì)中、生物膜上，也都會(huì)發(fā)生能量和電荷的遷移，研究這種遷移對(duì)了解生物系統(tǒng)的原初損傷規(guī)律有著重要的意義。輻射引起生物大分子結(jié)構(gòu)的改

12、變 在 DNA的長鏈上，100萬個(gè)核苷酸中只要有一個(gè)發(fā)生改變，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生物學(xué)后果。DNA由兩條螺旋形纏繞的長鏈構(gòu)成，輻射的直接作用和自由基的攻擊都可以造成一條互補(bǔ)鏈的斷裂，即單鏈斷裂。如果兩個(gè)斷裂點(diǎn)是如此之近（少于20個(gè)核苷酸），以至它們之間的核苷酸配對(duì)不能使DNA分子保持為一個(gè)整體，就會(huì)形成雙鏈斷裂。輻射引起的DNA轉(zhuǎn)化活性的喪失，主要與單鏈斷裂有關(guān)；而噬菌體DNA轉(zhuǎn)染活性的喪失則與雙鏈斷裂有關(guān)。輻射引起組成DNA的堿基的改變，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的生物學(xué)后果。由于堿基的改變，意味著基因和基因表達(dá)的改變，從而直接影響DNA的復(fù)制、和轉(zhuǎn)譯。人工合成的多聚胞苷酸的實(shí)驗(yàn)表明，由于電離輻射使胞嘧啶的5

13、，6雙鍵打開并分別接上一個(gè)氫和羥基，它的配對(duì)特性變成與胸腺嘧啶相同，轉(zhuǎn)錄后mRNA的序列也發(fā)生改變，合成的蛋白質(zhì)中氨基酸的序列便出現(xiàn)錯(cuò)誤。生物大分子的構(gòu)型和構(gòu)象與它的功能密切聯(lián)系DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是靠堿基配對(duì)形成的氫鍵和堆砌在一起的堿基間垂直的相互作用力維系的。在輻射作用下，氫鍵的破壞或堿基間形成交聯(lián)都會(huì)改變 DNA的這種高級(jí)結(jié)構(gòu)。雖然效率比紫外線低，但電離輻射仍能使空間上相鄰的兩個(gè)嘧啶堿基之間形成一個(gè)環(huán)丁烷型的二聚體：a 胸腺嘧啶二聚體b 胞嘧啶-胸腺嘧啶二聚體二聚體的形成會(huì)引起雙螺旋結(jié)構(gòu)的扭曲，從而影響DNA的轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，并可能造成細(xì)胞的死亡和癌變。但是，DNA在活細(xì)胞里總是和RNA、蛋白

14、質(zhì)或膜組成復(fù)雜的復(fù)合體，它們之間的相互作用不容忽視。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，輻射還會(huì)引起蛋白質(zhì)與核酸的交聯(lián)，這種交聯(lián)與細(xì)胞死亡、突變和衰老有關(guān)。DNA損傷修復(fù) 直到60年代中期，人們還認(rèn)為活細(xì)胞里的DNA分子受損傷或發(fā)生改變后，該細(xì)胞要么復(fù)制出突變的子代細(xì)胞，要么不能分裂。實(shí)際上，很多細(xì)胞都能應(yīng)付環(huán)境造成的某些嚴(yán)重危害，修復(fù)損傷的DNA分子（見）。DNA修復(fù)目前主要還是一個(gè)分子生物學(xué)的問題。但是，低劑量輻射為什么能激勵(lì) DNA修復(fù)系統(tǒng)?修復(fù)過程中細(xì)胞內(nèi)的酶系統(tǒng)是如何識(shí)別損傷的?這都是輻射生物物理學(xué)的新課題。細(xì)胞水平輻射作用模型的研究 “模型”是人們對(duì)輻射引起細(xì)胞死亡、突變作用機(jī)制的認(rèn)識(shí)水平的度量；它起著

15、指導(dǎo)設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)和加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、判別的重要作用。人們不能要求輻射作用模型與所有活體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確地符合，但是，它應(yīng)該能給出各種放射生物學(xué)效應(yīng)（如染色體畸變、基因突變、細(xì)胞死亡和輻射致癌等）中“劑量- 效應(yīng)關(guān)系”的基本特征。例如，與輻射“質(zhì)”、劑量率（包括分次照射）和氧濃度等參量的關(guān)系。大量的生物實(shí)驗(yàn)得出一條基本結(jié)論：在低劑量下，對(duì)“自治的細(xì)胞”（受照后它的命運(yùn)不受與它相鄰的其他細(xì)胞的輻射效應(yīng)的影響）的任何“劑量-效應(yīng)關(guān)系”，一定是線性的。遺傳效應(yīng)和染色體畸變服從這個(gè)規(guī)律，但輻射致癌效應(yīng)不服從線性規(guī)律。因?yàn)榧?xì)胞之間的相互作用和體內(nèi)其他因素在致癌過程中起著重要的作用。在中等和較高的劑量下，細(xì)胞輻

16、射效應(yīng)的劑量關(guān)系比較復(fù)雜，模型很多，但是公認(rèn)最好的是“線性-平方模型”：=+式中為輻射引起某種效應(yīng)的頻率，為吸收劑量，、為與細(xì)胞特性和輻射“質(zhì)”有關(guān)的參數(shù)。細(xì)胞死亡和服從這個(gè)模型。從40年代 DE利和K薩克斯對(duì)中子和X射線引起染色體畸變的“劑量-效應(yīng)關(guān)系”的研究開始，經(jīng)過GJ尼亞里、HH羅西和AM克勒雷爾等人的努力，終于形成了一個(gè)解釋線性- 平方關(guān)系的“雙作用模型”。該模型認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)首先由能量傳遞隨機(jī)地形成許多亞損傷（可以把它們想象為DNA單鏈斷裂或染色體非穩(wěn)定性變化）。一對(duì)相鄰的亞損傷，經(jīng)過相互作用才能形成最終的損傷（可以把它們想象為 DNA的雙鏈斷裂或染色體畸變）。其作用幾率，隨亞損傷靠近的程度而增加。當(dāng)兩個(gè)亞損傷之間的距離小于50納米時(shí)，才有較大的相互作用幾率；超過50100納米后，作用幾率急劇下降。當(dāng)距離超過1微米以上時(shí)，幾乎不發(fā)生相互作用。線性-平方模型中的線性項(xiàng)，對(duì)應(yīng)于同一粒子徑跡上的兩個(gè)亞損傷作用的結(jié)果，平方項(xiàng)是兩個(gè)獨(dú)立粒子徑跡上亞損傷相互作用的結(jié)果。因此，對(duì)于電離密度高的高LET輻射，同一徑跡內(nèi)亞損傷相互作用的幾率大，線性項(xiàng)占優(yōu)勢(shì)；對(duì)于電離