電離輻射生物學(xué)效應(yīng)

電離輻射生物學(xué)效應(yīng)南方醫(yī)科大學(xué)放射醫(yī)學(xué)系周美娟電離輻射生物學(xué)效應(yīng)

ionizingradiationbiologicaleffect電離輻射將能量傳遞給有機(jī)體，從而引起的有機(jī)體所有改變。包括分子的變化、細(xì)胞功能的變化、代謝的變化、結(jié)構(gòu)的變化等等電離輻射對(duì)生物大分子的作用電離輻射對(duì)細(xì)胞的作用組織器官的效應(yīng)電離輻射生物學(xué)效應(yīng)的分類和影響因素電離輻射對(duì)生物大分子的作用一基本原理（1）*自由基（freeradical）：獨(dú)立存在、帶有不成對(duì)電子（一個(gè)或多個(gè)）的原子、離子、分子或基團(tuán)。形成自由基的方式：直接作用自由基間接作用

直接作用間接作用(1)間接作用(2)間接作用(3)氧效應(yīng)（OxygenEffect）：受照組織、細(xì)胞或者溶液系統(tǒng)，其輻射效應(yīng)隨周圍介質(zhì)中氧濃度的增加而增加的現(xiàn)象對(duì)生物大分子產(chǎn)生的影響遺傳物質(zhì)蛋白質(zhì)和酶?分子結(jié)構(gòu)?分解代謝?合成代謝電離輻射對(duì)DNA的損傷DNA分子結(jié)構(gòu)的損傷堿基的改變DNA鏈斷裂分子交聯(lián)二聚體形成氫鍵斷裂堿基的破壞與脫落：（1）原發(fā)自由基可使嘧啶堿基5，6雙鍵發(fā)生加成作用（2）使胸腺嘧啶上的－CH3被氧化成－COOH受傷堿基，被糖基酶作用于糖苷鍵，并把它水解下來(lái)，從而造成堿基的脫落。堿基的取代和轉(zhuǎn)換射線于作用后，堿基失去與糖結(jié)合的穩(wěn)定性，DNA復(fù)制期間，一些堿基擬似物也可取代堿基，或發(fā)生錯(cuò)誤堿基的參入等，干擾和破壞了DNA鏈上正常的核苷排序，誘發(fā)突變。射線誘發(fā)DNA堿基損傷和突變是射線致癌的主要機(jī)制。（一）堿基的改變類型：?jiǎn)捂湐嗔眩⊿ingleStrandBreak，SSB）雙鏈斷裂（DoubleStrandBreak，DSB）機(jī)理：1堿基受傷后引起DNA鏈的斷裂2糖受傷后引起DNA鏈的斷裂（二）DNA鏈斷裂（三）分子交聯(lián)（Cross-linking）

DNA－DNA交聯(lián)；DNA－Pr交聯(lián)。（四）二聚體(Dimer)形成

主要類型：胸腺嘧啶二聚體（T

T）；10胸腺嘧啶－胞嘧啶二聚體（T

C）；7胞嘧啶二聚體（C

C）；2（五）氫鍵斷裂

DNA合成抑制

機(jī)理（1）DNA模板受到破壞（2）MIT膜結(jié)構(gòu)受到破壞，功能障礙，細(xì)胞氧化磷酸化受到抑制，能量代謝障礙；（3）DNA合成所需的四種脫氧核糖核苷酸形成障礙；（4）DNA合成有關(guān)的酶活性降低等。DNA分解代謝增強(qiáng)機(jī)理：輻射破壞了溶酶體膜和細(xì)胞核膜等膜結(jié)構(gòu)，DNAase釋放和DNA接觸等三電離輻射對(duì)Pr和酶的影響

（一）分子結(jié)構(gòu)破壞

機(jī)理：肽鍵斷裂二硫鍵還原羥基氧化（二）合成代謝的影響總體規(guī)律：大部分受到抑制，但有少數(shù)例外，有的蛋白質(zhì)合成可呈現(xiàn)增強(qiáng)的現(xiàn)象，有些呈現(xiàn)雙向。血清蛋白質(zhì)：總量很少發(fā)生改變，但組分變化明顯。白蛋白減少，球蛋白增多，白球比（A/G）降低；球蛋白中α－球蛋白顯著增多，γ－球蛋白也增多，但γ－球蛋白變化不穩(wěn)定，常有減少或者略有增多，α/γ比值顯著增大。其原因不明。盡管蛋白的合成代謝情況比較特殊，但是受照后，蛋白質(zhì)的凈合成仍然是降低的。（三）分解代謝增強(qiáng)原因：1照后食欲降低、胃腸道消化吸收功能減弱、由于惡心、嘔吐等胃腸道功能紊亂，機(jī)體處于饑餓狀態(tài)；2輻射生成的自由基使Pr肽鍵斷裂；3射線破壞胞漿內(nèi)溶酶體膜結(jié)構(gòu)，釋放大量的組織蛋白分解酶類，使Pr分解加速；4氧化磷酸化抑制與代謝障礙，Pr合成抑制。臨床檢驗(yàn)：尿中氨基酸排出量明顯增多,氨基酸尿是低水平照射的一個(gè)敏感指標(biāo)：?；撬?、肌酸、尿素等。第二節(jié)電離輻射對(duì)細(xì)胞的作用一、細(xì)胞的輻射敏感性

定義：當(dāng)一切照射條件嚴(yán)格保持一致時(shí)，機(jī)體、組織、細(xì)胞、器官等對(duì)輻射作用的反應(yīng)強(qiáng)弱和/或速度快慢的不同。*貝戈尼和特里邦杜定律：細(xì)胞的輻射敏感性同細(xì)胞的分化程度成反比，同細(xì)胞的增殖能力成正比

輻射敏感細(xì)胞：造血細(xì)胞，小腸上皮細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞二細(xì)胞周期的變化

細(xì)胞周期（cellcycle）

一次有絲分裂開始到下一次有絲分裂開始為止稱為細(xì)胞周期，也叫有絲分裂周期，所經(jīng)歷的時(shí)間稱為有絲分裂周期時(shí)間或細(xì)胞周期時(shí)間。細(xì)胞周期包括有絲分裂期（M期）、分裂間期（G1期、S期、G2期）。G1期：代謝活躍，合成DNA合成所需的酶類、各種RNA、結(jié)構(gòu)蛋白等。

非增殖性細(xì)胞，可自G1期進(jìn)入相對(duì)靜止的G0期，或停滯在G1期；增殖性細(xì)胞的增殖率可由部分停留在G1期的細(xì)胞數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)。S期：完成DNA復(fù)制及組蛋白等的合成。繼續(xù)合成RNA，并形成有絲分裂所需的細(xì)胞器（如中心粒等）。G2期（復(fù)制后期）：繼續(xù)合成RNA及有絲分裂所需的特異性Pr，中心粒移向兩極。M期：前期：染色體濃縮成染色單體,胞漿內(nèi)出現(xiàn)中心粒和紡錘體。中期：染色體排列在赤道部，形成中期板，紡錘絲開始和中期板上的著絲點(diǎn)相連，中心粒移向細(xì)胞兩極。后期：胞體變成橢圓形，各對(duì)著絲粒沿紡錘體向兩極分開，開始將子染色體拖向兩極。末期：子染色體已經(jīng)拖向兩極，細(xì)胞表面出現(xiàn)裂溝，發(fā)生細(xì)胞分裂，形成兩個(gè)子核。M期持續(xù)時(shí)間短，僅約1h，占細(xì)胞周期的很小一部分。細(xì)胞周期的輻射敏感性（1）處于或接近有絲分裂期的細(xì)胞最敏感（2）S早期敏感性高，S后期具有抗性（3）如果G1期長(zhǎng)，則早期具有抗性、晚期敏感（4）G2期通常都敏感，大致與M期相等。G2阻斷（G2block）受照細(xì)胞由G1期和S期移入G2期，因劑量不同而延緩不同時(shí)間才進(jìn)入M期，在分裂前被阻滯于靠近G2期中期的某一特定點(diǎn)。此即G2阻滯（G2阻斷）。G2阻斷是輻射引起的最重要的可逆性周期阻滯。三染色體畸變（1）

定義：細(xì)胞在分裂過(guò)程中染色體數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。分類：

染色體數(shù)目的改變：著絲粒不分離非整倍體染色體結(jié)構(gòu)的改變：染色單體型畸變?nèi)旧w型畸變?nèi)旧w畸變（2）

染色體型的畸變：G1期，S早期,染色體以一條絲狀行使功能,此時(shí)受照,細(xì)胞經(jīng)過(guò)S晚期的DNA復(fù)制和有絲分裂期,在子代細(xì)胞中產(chǎn)生畸變的染色體,此即為染色體型的畸變。(常見，且穩(wěn)定)染色單體型畸變：染色體復(fù)制后(S期、G2期)，射線導(dǎo)致的染色單體一條臂上發(fā)生的斷裂等畸變。(少)幾種較有意義的染色體型畸變類型四細(xì)胞損傷

第一類：致死性損傷（lethalDamage，LD）

間期死亡（intermitoticdeath，interphasedeath）

增殖死亡（reproductivedeath）

第二類：亞致死性的損傷第三類：潛在致死性損傷。間期死亡定義：又稱非有絲分裂死亡、即刻死亡等，指細(xì)胞受較大劑量（100Gy或更大）照射后，不經(jīng)有絲分裂，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就開始的死亡。機(jī)理：1核結(jié)構(gòu)破壞；2通透性障礙；3能量代謝障礙。增殖死亡

定義：又稱有絲分裂死亡、分裂死亡、延緩死亡或代謝死亡。即細(xì)胞受照后經(jīng)歷1個(gè)或幾個(gè)有絲分裂周期后，喪失了繼續(xù)增殖的能力而引起的死亡。機(jī)理：細(xì)胞受照后，DNA分子的損傷和錯(cuò)誤修復(fù)、染色體畸變導(dǎo)致有絲分裂的障礙等。亞致死性損傷

定義：細(xì)胞受到輻射損傷不足以使細(xì)胞死亡，這種損傷在正常情況下于幾小時(shí)內(nèi)修復(fù)。該修復(fù)機(jī)制稱為亞致死性損傷修復(fù)（SubleathalDamageRepair，SLDR）。在臨床腫瘤放療中，分割劑量照射就是利用腫瘤細(xì)胞無(wú)SLDR，而人體正常組織存在SLDR。潛在致死性損傷

定義：是受照射后環(huán)境條件影響的損傷，在一定條件下?lián)p傷可以修復(fù)。這種PLD的修復(fù)機(jī)制稱潛在致死性損傷修復(fù)（PotentiallyleathalDamageRepair，PLDR）。適合的環(huán)境：照射后，細(xì)胞處于次優(yōu)條件時(shí)，也就是不利于分裂的環(huán)境中。PLDR的機(jī)理并不清楚。

劑量存活曲線定義：反應(yīng)照射劑量和細(xì)胞存活率之間關(guān)系的曲線。

兩種形式:1、簡(jiǎn)單的指數(shù)曲線，2、帶有“肩”區(qū)的指數(shù)線。照射劑量照射劑量存活率存活率nDqD01－1e1－1eD01Dq:擬閾劑量

D0：平均致死劑量（meanlethaldose）

n：外推值D37：?jiǎn)螕魡伟心Ｐ?；單擊多靶模型；多擊多靶模型平均致死劑量D0：劑量存活曲線直線部分斜率的倒數(shù)，即在劑量存活曲線的直線部分，存活率每降低到原來(lái)的37%時(shí)所需的劑量。擬閾劑量Dq：劑量存活曲線的直線部分的反向延長(zhǎng)線與存活率為100%時(shí)所作的X軸的平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的劑量。D37：存活率從100%降低到37%所需要的劑量N：外推值，劑量存活曲線直線部分的延長(zhǎng)線和y軸交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值。反應(yīng)細(xì)胞內(nèi)的敏感位點(diǎn)。D0：=D37+Dq第三節(jié)組織器官的輻射效應(yīng)

一造血、血液器官

造血干細(xì)胞的損傷：輻射敏感性高，P死亡隨D增加而增加。但有人發(fā)現(xiàn)該細(xì)胞存在兩個(gè)敏感亞群，其一對(duì)射線極為敏感，但另一亞群對(duì)射線不敏感，且不敏感的細(xì)胞是以后機(jī)體造血重建的基礎(chǔ)。造血祖細(xì)胞：由造血干細(xì)胞分化而來(lái)。一、造血、血液器官

對(duì)造血調(diào)控的影響：造血微環(huán)境（基質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)）支持并參與調(diào)節(jié)造血。普遍認(rèn)為，骨髓基質(zhì)細(xì)胞輻射抗性高；全身受照后，基質(zhì)細(xì)胞集落刺激能力增加，并以此促進(jìn)機(jī)體造血機(jī)能的恢復(fù)。外周血細(xì)胞的損傷：白細(xì)胞敏感（尤其是淋巴細(xì)胞敏感），其它細(xì)胞不敏感。二、消化道

消化道也是輻射敏感器官，其敏感順序是小腸>胃>結(jié)腸。臨床表現(xiàn)早期惡心、嘔吐小腸粘膜上皮損傷的表現(xiàn)三、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)

就形態(tài)而言，是輻射不敏感組織，需要很大的劑量才會(huì)引起間期死亡。就機(jī)能而言，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)是輻射敏感組織，較小劑量的照射就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。表現(xiàn)為興奮后抑制。四、對(duì)心血管系統(tǒng)的作用心血管系統(tǒng)對(duì)電離輻射的敏感性較低，10Gy以下的照射主要為造血損傷引起的一些反應(yīng)，10Gy以上的照射可以看到心內(nèi)膜下出血點(diǎn)，心肌纖維斷裂等，而10Gy以上的射線照射機(jī)體后，機(jī)體是必死無(wú)疑的，目前人類歷史上還沒(méi)有救治成功的，所以電離輻射對(duì)心臟的損傷的研究意義不如胃腸道損傷重要。至于血管方面，主要是增加了毛細(xì)血管的脆性和通透性。五、對(duì)免疫系統(tǒng)的損傷在電離輻射作用時(shí)，機(jī)體的特異性免疫和非特異性免疫都受到了損傷，例如，射線照射能破壞皮膚粘膜，從而導(dǎo)致皮膚粘膜屏障功能的破壞，射線還能導(dǎo)致巨噬細(xì)胞功能喪失，射線還可以破壞免疫細(xì)胞的活性等等。第四節(jié)

生物學(xué)效應(yīng)分類和影響因素生物學(xué)效應(yīng)分類按照射方式：外照射內(nèi)照射局部照射（腹部>胸部>頭部>四肢）全身照射按照射劑量率：急性效應(yīng)慢性效應(yīng)按出現(xiàn)時(shí)間：早期效應(yīng)遠(yuǎn)期效應(yīng)（>6個(gè)月）按表現(xiàn)個(gè)體：軀體效應(yīng)（個(gè)體本身）遺傳效應(yīng)（后代）按效應(yīng)的發(fā)生和照射劑量的關(guān)系：組織反應(yīng)：也稱為確定性效應(yīng)、非隨機(jī)性效應(yīng)，是指發(fā)生的效應(yīng)的嚴(yán)重程度和照射劑量的大小成正比，而且存在閾劑量的效應(yīng)。隨機(jī)性效應(yīng)：是指效應(yīng)的發(fā)生率（而非嚴(yán)重程度）與劑量的大小有關(guān)，不存在閾劑量的效應(yīng)。

遺傳效應(yīng)和輻射致癌效應(yīng)就屬于隨機(jī)性效應(yīng)。劑量劑量幾率嚴(yán)重程度閾值隨