电离辐射的初始物理效应与辐射化学

第二章电离辐射的初始物理效应与辐射化学概述•电离辐射的生物效应是辐射粒子穿过介质的过程中发生的一系列现象的最终结果。•辐射初始事件是指介质的原子和分子沿电离粒子径迹产生的电离和激发。事件的次序及时间表第一节电离辐射的种类及其与物质的相互作用辐射电磁辐射粒子辐射：如α粒子、β粒子、电子、中子、负π介子、重离子等非电离辐射：如无线电波、微波等电离辐射：如X和r射线常见的辐射类型•粒子辐射–带电的•Alpha（α）辐射、•Beta（β）辐射–不带电的•中子辐射•电磁辐射•Gamma（r）辐射电离辐射的类型Alpha粒子一张纸可屏蔽Beta粒子一层衣服或薄于一英寸的物质（如塑料制品）Gamma射线几英寸至英尺的水泥或少于一英寸的铅辐射源Alpha（α）粒子•典型的α粒子由重元素衰变产生（如铀、镭等）•能量大多介于4--8MeV•7.5MeV以上的粒子可被皮肤角质层所阻（仅穿透几微米，不能穿透角质层），因此能被纸屏蔽。•空气中可穿透几厘米•布喇格峰（Braggpeak）α粒子质量较大，运动较慢，因此，有足够时间在短距离内引起较多电离。当α粒子穿入介质后，随着深度的增加和更多电离事件的发生，能量耗失，粒子运动变慢，而慢速粒子又引起更多电离，这样在其行径的末端，形成峰值，即Braggpeak•在短距离内，α粒子释放了全部能量，因此，在组织内α粒子的破坏性很大。•能释放出α粒子的放射性同位素也是如此。•因此Braggpeak在考虑电离粒子的辐射生物效应时非常重要。60000500004000030000200001000012345670比电离（离子对/cm空气）空气中射程（cm）α粒子在空气中的比电离曲线图中显示了Braggpeak•比电离（specificionization)或线性电离密度(lineariondensity)每单位径迹长度所产生的离子对数Beta（β)射线•Beta–空气中每MeV穿行大约4米–软组织中每MeV穿行大约0.5米–能到达皮肤的基底细胞层。NeutronRadiation•Neutralparticleemittedfromthenucleus•Canbeverypenetrating•Requiresspecialconsiderationforshielding•Caninduceradioactivitywhenabsorbedbystableelements(N,Na,Al,S,Cl,P,etc.)Gamma（γ）辐射•γ射线是从核内产生的•穿透力很强(很多米)•很难屏蔽，常常用铅屏蔽。X-ray辐射•X-ray是从核外产生的。•穿透力与屏蔽与γ射线相似。第二节电离和激发（ionization&excitation)一、电离（作用）（ionization）•最重要的原初过程•从一个原子、分子或其他束缚态中释放出一个或多个电子的过程称为电离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）（ionization）二、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三、辐射作用的时间进程1、直接作用和间接作用2、电离辐射的原初作用过程3、电离辐射作用的时间进程大致分为：•物理阶段：10-24S～10-12S•化学阶段：10-12S～103•生物学阶段：数小时～若干年4、早期辐射效应及其修饰的可能性物理阶段（≤10-14S)这个阶段的辐射效应主要是细胞中的水分子，无机和有机组分被激发，形成激发态和超激发态，或发生电离。只能事先从外部实行物理屏障，才能防止辐射生物效应的发生，化学预防无效。物理化学阶段（10-14～10-12S)此阶段化学损伤开始发生；正常代谢产生的自由基和酶的活性形式开始与辐射产生的活泼基团起反应。生物系统→→Rn·(代谢）生物系统→→Rr·(照射）Rn·+Rr·→→异常产物这时生物大分子中被破坏的S-H、N-H、O-H和C-H健可被细胞内已存在的巯基化合物部分修复，故照前引入外源性巯基化合物，可取得一定程度的防护效果。化学阶段（10-12～10-3S)DNA和RNA的损伤开始；酶的激活和灭活发生；细胞内巯基含量下降；脂质过氧化开始；因辐射损伤而产生的稳定和亚稳定的异常产物的毒性开始出现。细胞内正常存在的或于照射前给予的自由基清除剂或抗氧化剂可有部分防护作用.生物化学阶段（10-3～10S)许多正常生化反应受到干扰；DNA修复开始。此时许多辐射变化都可以用适当方法防止，照后治疗可以开始.早期生物阶段（数秒至数小时)辐射次级反应生成的O2¯.的反应继续进行；照射细胞的有丝分裂延迟；生物大分子的损伤引起能量供应紊乱；生物合成的前体物质供应不足；细胞质膜、核膜被破坏；细胞的辐射生物效应开始出现。辐射效应的防止或纠正措施同生物化学阶段四、水的辐解1、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（radiolysisofwater)各种自由基和分子统称水的原初辐解产物2、水辐解生成自由基的两种机理•其一是水分子的电离•其二水分子的激发。H2O激发H2O*H*+·OHH2OH2O++e-+H2OH2O-H·+OH-H++·OH+H+H·+H2Oe-水合H2OH·+·OH+e-水合+H2+H2O2+H3O+电离辐射电离水分子的辐解反应（a)与自发性电离（b）水分子在电离辐射作用下分解为*OH和*H自由基；水分子自发性电离成OH-和H＋离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水合电子（eaq-）刺团（spur）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。第三节传能线密度与相对生物效应（linearenergytransfer&relativebiologicaleffectiveness)Distributionofabsorbedenergyandionizationonamicroscopicscale.Given:1Gy=1J/kg;1eV=1.6x10-19JAssume:1ionization=33eV;1nucleus=10-10gramorabout5µm3Therefore:1Gy≈2x1017ionizations/kg≈2x1014ionizations/g≈20,000ionizations/10-10gIncrossingthe5µmnucleus:1MeVelectronslose200eVin6ionizations/µm,700tracks≈20,000ionizations≈1Gy30keVelectronslose1keVin30ionizations/µm,140tracks≈20,000ionizations≈1Gy4MeVprotonslose10keVin300ionizations/µm14tracks≈20,000ionizations≈1GyThedosetothenucleusisthesame.Thebiologicaleffectisverydifferent.Fig2.6Distributionofabsorbedenergyandionizationonamicroscopicscale一、传能线密度（linearenergytransfer，LET）概念：带电电离粒子在物质中穿行dl距离时，与电子发生能量损伤小于Δ的碰撞所造成的能量损失dE/dl:LΔ=(dE/dl)Δ简言之：直接电离粒子在单位长度径迹上消耗的平均能量又称为：定限线碰撞阻止本领单位：J/m与生物效应的关系：一定范围内正相关DNA分子中不同LET射线的电离密度分布二、相对生物效能（relativebiologicaleffectiveness,RBE)X射线或γ射线（250KV）引起某一生物效应所需剂量与所观察的辐射引起相同生物效应所需剂量的比值电离辐射的生物学有效性(biologicaleffectiveness)，不仅取决于某一特定时间内吸收的总剂量，而且还受能量分布的制约。(一)RBE的含义效应的剂量所试辐射产生相同生物量射线产生生物效应的剂或RBE用下式表示：RBE的值是一个相对量；同一种射线，RBE的大小随所比较的剂量不同而有些差别；观察的生物终点应相同。最好在平均灭活剂量或平均致死剂量下比较。RBE主要表达剂量相同时，不同种类的电离辐射所产生的某一特定效应的效率差别.χ射线和中子在哺乳动物细胞存活曲线上的RBE辐射种类相对生物效能Χ，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表:各种电离辐射的RBE（二）RBE的影响因素RBE是一相对量，受多种因素影响；辐射品质辐射剂量分次照射的次数剂量率照射时有氧与否等（三）LET与RBE的关系RBE的变化是LET的函数LET10kev/um时；LET∝RBE(缓慢）LET10～100kev/um时；LET∝RBE（迅速）LET100kev/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，反而被浪费了相对生物效应（RBE）与传能线密度（LET）的关系人肾细胞的克隆形成能力为终点第四节自由基（Freeradical）一、自由基的定义能独立存在的，核外带有一个或一个以上未配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。表示方法：在原有原子或分子等符号的上角标以圆点“·”•1、高反应性•2、不稳定性•3、顺磁性二、自由基的特点二、活性氧与氧自由基1、活性氧（activeoxygenspecies；reactiveoxygenintermediates，ROIs）氧在生物体不断为生命活动提供能量,同时也产生一些次级产物，如HO·(羟自由基），这些次级产物又可进一步衍生出一些活性物质，如脂质过氧化产物，这些氧的次级产物或衍生物具有较氧更活跃的化学性质，并可对机体造成损伤效应。因此，从强调氧对机体不利一面的角度出发，将那些较氧的活性性质更为活跃的氧的代谢产物或由其衍生的含氧物质通称ROIsROIs包括1）氧的单电子还原物，如(超氧阴离子）和氧自由基，以及它们的质子型HO2·和·OH；2）氧的双电子还原物H2O23）烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO·，ROO·4)处于激发态的氧、单线态氧和羟基化合物2O活性氧的相互转化、H2O2、HO·是生物体内活性氧最主要的三种类型。化学性质的活跃程度依次为HO·H2O2，在生物体内三者可以通过金属离子介导或酶的催化反应而相互转变。由此，、H2O2的性质虽然相对较弱，但都可产生出损伤能力较强的HO·，因此对活性氧的防护，、H2O2的清除不容忽视。2O2O2O2O三、自由基对生物分子的作用自由基化学反应的主要类型：1）抽氢反应：自由基将有机分子中的H转移至自身，形成有机自由基。HO·+RH→R·+H2OH·+RH→R·+H22)加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应R·+A-CH=CH2→A-CH-CH2·R3)电子俘获反应：e-aq被有机分子俘获引起后者的损伤。e-水合＋RS*SR→RSSR-RSSR-→RS·+RS-4)歧化反应：发生在自由基或自由基与有机分子之间的单电子转移反应。O2-·+O2-·+2H+→H2O2+O2O2-·+H2O2→O2+·OH+OH-5)还原反应：O2-·在水溶液中主要起还原剂作用，如使细胞色素C还原6）（过）氧化反应：自由基在有氧条件下使有机分子逐步氧化为过氧化物的反应。A-H+HO·→A·+HA·+O2→AO2AO2+AH→A-OOH+A·自由基对DNA的损伤1、碱基的损伤（·OH和H·)：加成与抽氢两类