第04章 电离辐射生物学作用原理

放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理1教学要求1.掌握生物靶学说的概念和类型及其意义2.掌握辐射的种类及其物质作用的特点3.掌握传能线密度、相当生物效能与辐射敏感性4.了解电离辐射对生物体作用的化学基础5.理解电离辐射生物学作用的影响因素放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理2第1节电离辐射与生物靶学说放射性物质可以诱发各类相关疾病和癌症，为解决生物学作用机制，科学家提出了靶学说(targettheory)的概念电离辐射与生物靶学说所以了解靶学说有利于理解辐射致细胞死亡的机制和探讨有关影响细胞辐射效应的因素。一、靶学说和靶数学模型靶概念靶数学模型发展细胞放射生物学第四章电离辐射生物学作用原理放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理3以后Blackwood在1931年根据他的辐射实验，计算了基因的大小。20世纪40年代，几乎同时出版了两部靶学说的经典著作：（一）靶学说概念1924年，Crowther提出了靶学说的概念。认为照射后细胞有丝分裂的抑制，是由于染色体中有着丝点那样大小的体积中发生了一次电离的结果,并证明细胞分裂的抑制与照射剂量之间存在着定量的关系——靶学说的最初形式.①英国放射生物学家Lea的《辐射对活细胞的作用》把靶概念进一步完善。②德国物理学家和Zimmer合著的《生物学中的击中原理》把靶概念进一步完善。Timofeeff-Ressovsky¢历史放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理4(1)活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作“靶”(target)，射线辐照在靶上即引起某种生物效应。(2)射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，“击中”几率服从Poisson分布(泊松分布)。(3)射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。靶学说的理论要点：辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了一次电离作用或“能量沉积事件”的结果，会引起生物大分子失活、基因突变和染色体断裂等，这种效应决定于辐射的性质和靶的辐射敏感性。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理5按照这个学说可以由受到一定照射剂量的生物体比例来计算靶分子或靶结构的大小。还可以进一步预测产生相同生物效应的不同射线的电离效率。现在学者研究认为，主要的靶分子是脱氧核糖核酸(DNA),此外还有细胞膜。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理6(二)电离辐射的作用阶段物理阶段：极短：10-14秒化学阶段：很短：10-10秒生物阶段：数分钟自几十年放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理7物理阶段主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的作用。包括电离作用和激发作用。指受损的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。主要指自由基的形成化学阶段包括所有的继发过程。在此阶段，大部分的DNA损伤会被修复，极少部分不能修复的损伤最终将导致细胞死亡，并且在照射后很长一段时间后，在照射的区域内有可能产生第2个肿瘤即射线致癌。生物阶段放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理8放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理9生物效应恢复正常死亡癌变修复成功修复失败电离辐射的直接作用和间接作用高LET射线主要是直接作用。电离辐射作用的靶是DNA直接作用：各种带电或不带电的粒子或光子被物质吸收后直接与细胞的关键靶DNA发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发，从而启动一系列的生物变化事件。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理10生物效应恢复正常死亡癌变修复成功修复失败电离辐射的直接作用和间接作用电离辐射作用的靶是DNA间接作用：指辐射与细胞内的其他分子或原子（特别是水）相互作用，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，到达并损伤靶DNA。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理11随着细胞生物学的发展，针对不同生物体对不同品质的射线、不同照射方式、不同修复条件，拟合了多种数学模型。具有代表性的模型有以下几种：（三）靶数学模型最初是从靶学说的概念中提出描述辐射剂量-细胞存活率曲线的数学模型。1.单靶单击模型(onetargetandone-hitmodel)2.多靶单击模型(moretargetandone-hitmodel)3.线性-平方模型(linearquadraticmode,LQ)放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理12假设：受照生物体仅有一个对射线敏感的结构，即单靶；在此单靶中仅发生一次电离事件或仅一个电离粒子穿过，即单击。靶学说的基础细胞生物曲线数学模型的理论基础是单靶单击模型生物大分子、某些小病毒和细菌，在少数情况下，也适用于描述高LET辐射（如α粒子）所致的哺乳动物细胞恶化性转化。应用于表达式0DDSFe-=细胞存活分子平均致死剂量放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理13当照射剂量增加时，靶的击中数也随之增加,但其增速较慢,所以击中曲线向上突起，如右图所示左图，靶的一次击中数与射线剂量成正比，但这仅仅只在刚开始时。均是以靶的击中部分为坐标放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理14未失活部分和击中部分按等比级数下降，呈指数曲线，尽管剂量增加生物效应并不按比例增加，呈下凹曲线如左图所示若将存活部分改为对数坐标，则可得如右图所示的直线。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理152.多靶单击模型(moretargetandone-hitmodel)在一些辐射生物实验中，推测有两个或多个靶存在，这时显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统，哺乳动物细胞都属于多个靶模型。多靶单击模型改良的初始斜率非零的模型简单的初始斜率为零的模型分为两种简单的多靶单击模型的细胞存活分数(SF)：0n1(1)DDSFe-=--曲线指数区存活率每下降63%所需的照射量外推数或靶数照射量放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理16这条曲线的初始斜率为0，其余部分为指数型直线，这个模型对受高LET照射的哺乳动物细胞比较适用(如右图)改良的多靶单击模型是在上式基础上乘以一个带有指数失活特点的校正系数后，得到下列方程式：12DDDDn=[1(1)]-SFee---放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理17D1和D2指曲线开始和终止时候的2个斜率所对应的剂量值，对大多数细胞和较宽能量范围都适用。我们可以类推，进一步排列组合，可得到单靶单击、单靶多击、多靶单击和多靶多击等多种可能性，并可计算出相应的模型。12DDDDn=[1(1)]-SFee---放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理183.线性-平方模型（linerquadraticmodel，简称LQ模型）模型方程为：2(D+D)βSFe-=a该模型的曲线不断向外弯曲，故又称连续弯曲曲线模型。曲线的初始斜率也不等于0。曲线弯曲程度是α和β的函数(右图)。α：单击所致的细胞死亡(不可修复)β：双击所致的细胞损伤(可修复)放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理19系数α和β值取决于DNA修复能力和细胞环境中的其他因素。α/β代表了细胞修复能力的大小。当αD=βD2或D=α/β时，单击所致的细胞损伤与双击所致的细胞损伤的贡献相等。其方程是由二元辐射作用理论(theoryofdualradiation)提出的，认为单击和多击效应同时存在，总辐射效应由αD和βD2的相对重要性决定。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理20LQ模型是近20多年来放射生物学研究的重大发展，现已广泛应用于放射生物学研究和临床放射治疗。根据正常组织与肿瘤之间α/β值的不同，改进治疗方案，可使正常组织的反应相对较轻，从而提高放射性治疗的效果。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理21（四）靶学说的意义和局限性对照射后生物大分子的失活规律、辐射敏感体积的估计、靶相对分子质量的估算，以及在分子水平上评价不同品质射线对相对生物效能(relativebiologicaleffect，RBE)的影响方面有着重要的指导意义。靶学说和数学模型意义：放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理22尽管如此，靶学说在现代生物学中仍在应用和发展，如二元辐射理论建立的DNA双链断裂模型被看做是经典靶学说的发展。靶学说的局限性：由于历史原因，经典的靶学说设想比较简单，对生物的复杂性认识不足，在使用上有一定的适用范围；放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理23②被照射的细胞不是均匀的，而是具有不同辐射敏感性的几种细胞的混合体。③照射后的代谢过程如修复作用或继发效应影响着所观察的生物效应大小。④在观察的生物效应出现以前，由于射线直接作用形成的靶分子自由基已经被“化学修复”靶学说在下列情况下不能适用：①有外来的物质或因素，如辐射防护剂、辐射增敏剂或氧效应等，影响了射线所致的原初损伤。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理24二、辐射的种类及其与物质作用的特点电磁辐射:粒子辐射:本质是电磁波，只有能量而无静质量射线按本质分本质是高速运动的粒子流，有能量也有静质量（一）电磁辐射：X射线和γ射线的特点都属于电磁波，但来源不同，X射线由原子核外的物理过程产生，γ射线是由原子核内的物理过程产生。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理25（二）粒子辐射的特点氦原子核1.α粒子（αparticle）获取途径：可由一些放射性核素衰变出α粒子行为特点：其质量大，运动缓慢，有足够时间在短距离内引起较多电离。当α粒子入射介质时，随着深度增加和更多电离事件的发生，能量逐渐被消耗，粒子变慢，慢速粒子又引起更多的电离事件，在其径迹末端，电离密度明显增大，形成布拉格峰放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理26每单位径迹长度所产生的离子对数称为“比电离”(spicificionization)或“线性电离密度”(linearinodensity)放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理27③粒子的速度控制着能量丧失的速度。快速运动的粒子的电离能力要比慢速运动的小。比电离依赖于粒子能量、电荷以及介质的密度和原子序数：①离子对产生的数目与粒子的原始能量成正比；②能量沿着径迹丧失的速度与粒子电荷的平方成正比，所以α粒子能量丧失的速度要比质子快；放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理28布拉格峰过后α粒子的能量减为0，丧失电离能力，此时粒子变为中性氦原子，生物组织比空气致密。α粒子在生物组织中只能移动几十微米，在短距离内释放全部能量，产生很高电离密度，引起严重的损伤，因而α粒子的辐射效应以内照射效应为主，其外照射效应可忽略。放射治疗时使用20MeV的特快中子和负π介子照射组织，在组织中产生α粒子，对杀伤肿瘤细胞起着重要作用。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理292.β粒子或电子（βparticleorelectron）电子质量为9.109×10-31kg，接近介质原子时很容易被发生偏转。因此电子在被照物质中路径曲折，实际射程远小于径迹长度，在其径迹末端，由于能量逐渐消失，速度减慢，与介质原子作用机会增多，故电离密度增高。由于电子是成束入射的，不可能沿其径迹画出比电离曲线放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理303.质子（proton）是原子核成分之一，质量为1.672623×10-27kg是电子的1836倍。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。宇宙射线中质子成分占83.3%~89%。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理31用质子加速器获得的高能质子速度快，穿透力强，其能量释放有一个布拉格峰，其在穿透径迹上只释放少量能量，到达肿瘤灶时会释放大量能量，因此对人体正常组织影响小，同时可用自动化技术来控制其能量释放的方向、部位和射程、是目前疗效最好、副作用最小的放射疗法。适用于肺癌、肝癌、前列腺癌、脊索瘤、鼻咽癌、子宫瘤、食管癌、淋巴瘤和眼癌等常见癌症的治疗。放射物理与防护学第四章电离辐射生物学作用原理324.中子（neutron）也是原子核成分之一，质量为1.674928×10-27kg，比质子质量