輻射、人與環(huán)境-輻射生物

1、輻射、人與環(huán)境 ---輻射生物學,2015年10月8日,十堰市人民醫(yī)院腫瘤中心,王賢和,輻射是不依人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀事物。在我們賴依生存的環(huán)境中。輻射無處不在。太陽發(fā)出的由核反應產(chǎn)生的光和熱，是人類必需的，天然的放射性物質(zhì)則廣泛地分布于整個環(huán)境中，就連我們的身體內(nèi)，也存在著¹?C、??K等之類的放射性核素。地球上的所有生命，都是在存在著此類的背景下不斷進化而來的。,地球·●環(huán)境,輻射是粒子、光子通過空間傳播能

2、量的方式。輻射無色、無味、看不見、摸不著，它無處不在、無時不在。輻射分類：,輻射,,電離輻射 （輻射能量>10eV）非電離輻射 （輻射能量<10eV）,,宇宙射線、X線和放射性物質(zhì)的輻射,整個人類的生活環(huán)境中遍布于天然的電離輻射－－天然本底輻射,天然本底輻射,,宇宙射線：星球碰撞、爆炸的微粒,宇生放射性核素：感生放射性核素,地球輻射：存在的天然放射性輻射,對于大多數(shù)人來說，天然輻射是主要的輻射來源,宇宙射線(原生

3、射線),主要是不知出自空間何處的能量很高的質(zhì)子，并以基本恒定的數(shù)目達到大氣層部分能量較低的質(zhì)子來自于太陽及星球爆炸和碰撞形成的微粒－初級宇宙射線初級宇宙射線進入大氣層與空氣分子發(fā)生核反應形成－次級宇宙射線,宇宙感生射線(宇生射線),初級宇宙射線與空氣分子發(fā)生核反應產(chǎn)生的氫、碳、鈹、鈉、氪等不穩(wěn)定的放射性核素對人類的作用與宇宙射線相同，還可產(chǎn)生內(nèi)照射,宇宙射線的特點,輻射劑量率隨著緯度的升高而增加?。厍虼艌龅挠绊戄椛鋭┝柯孰S著

4、海拔高度的降低而減少－與大氣層反應被逐漸吸收,輻射無時不在，無處不在,,到處都有輻射？,輻射的來源,室內(nèi)氡的來源,輻射來源,人工輻射：平均約0.4 mSv/年，醫(yī)療輻射是最大的人工輻射來源；各種人工放射性核素中大約80％用于醫(yī)學目的。 另外，在人工輻射中，來自大氣層核試驗和切爾諾貝利事故引起的放射性沉降物約 0.007 mSv/年；來自核電站排放約 0.002 mSv/年。,人類生活方式對輻射水

5、平的影響,,電離輻射生物學效應基礎(chǔ),,醫(yī)學放射生物學 研究電離輻射對機體（特別是人體）的各種細胞、組織、器官和系統(tǒng)的作用規(guī)律和機理的一門科學。 為保障機體安全和健康，探索有效防護措施和提高臨床放射治療水平提供理論基礎(chǔ)，使射線和核技術(shù)更好地為人類服務。,輻射生物效應 電離輻射作用于機體后，其能量傳遞給機體的分子、細胞、組織和器官等基本生命物質(zhì)和分子后，引起一系列復雜的物理、化學和生物學變化，由

6、此所造成生物體組織細胞和生命各系統(tǒng)功能、調(diào)節(jié)和代謝的改變，產(chǎn)生各種生物學效應。,生物的結(jié)構(gòu)和功能生物體－－組織－－細胞－－染色體－－DNA－－遺傳信息,,生物效應產(chǎn)生的過程和機理,亞細胞結(jié)構(gòu)的破壞,細胞內(nèi)水解酶的釋放,信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)的改變或破壞,代謝的方向性和協(xié)調(diào)性的紊亂,生物化學損傷,細胞、組織器官和系統(tǒng)的變化,病理學改變,功能變化,,,,,,,,繼發(fā)反應：,電離輻射生物效應的種類,區(qū)分以下四個述語:

7、 ①變化: 由輻射引起的某種生物學改變，可能有害， 也可能無害; ②損傷: 表示某種程度的有害變化，這種損傷是指對細胞有害，不一定是對受照射的人體有害; ③損害: 指臨床上可觀察到的有害效應，表現(xiàn)于 受照射的個體(軀體效應)或其后代（遺傳效應）; ④危害: 是一個復雜的概念，它將損

8、害的概率、嚴重程度和顯現(xiàn)時間結(jié)合起來加以考慮。,輻射種類,按與物質(zhì)作用分類： 電離輻射 非電離輻射按本質(zhì)和性質(zhì)分類： 電磁輻射 粒子輻射,電離輻射與非電離輻射 電離輻射是指一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱。電磁輻射（無形） 以相互垂直的電場和磁場，隨時間變化而交變振蕩，形成向前運動的電磁波 電離輻射 (如X射線和 γ射線) 非電離輻射 (如無線電波、

9、微波等)粒子輻射（有形） 高能粒子通過消耗自身的動能把能量傳遞給其它物質(zhì)---高速粒子、帶電粒子,,,,,電磁輻射,電離輻射,粒子輻射,X,γ射線,α、β、中子質(zhì)子、負π,電磁輻射--波譜,傳能線密度 與 相對生物效應,,重 點,一、傳能線密度（linear energy transfer，LET，線性能量傳遞）定義：帶電電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量（單位J/m）。LET概念也

10、適用于雖不是直接電離粒子，但通過次級帶電粒子的X、γ射線和中子。,LET意義,表示射線在穿過物體時，單位長度所引起的能量損失LET越大，對機體的損傷越大(吸收或起反應)與生物效應的關(guān)系：正相關(guān),二、 相對生物效能 （ elative biological effectiveness, RBE）,RBE ＝,X或γ射線引起某一生物效應所需劑量,,所觀察的電離輻射引起相同生物效應所需劑量,以250KeV X線所產(chǎn)

11、生的生物效應為基準,（一） RBE的含義,RBE的大小隨所比較的劑量不同而有些差別，最好在平均滅活劑量或平均致死劑量下比較。 意義：主要是為了比較在劑量相同時，不同種類的電離輻射引起某一特定效應的效率的差別。即：劑量相同、輻射種類不同，產(chǎn)生的效應也不同；若要產(chǎn)生相同效應，則不同種類的輻射所需的劑量就不同。,（二）LET與RBE的關(guān)系 RBE的變化是LET的函數(shù)（正相關(guān)）

12、 LET：100kev/um時；LET繼續(xù)增加，RBE反而下降，表明更多的射線并不能用于引起生物效應上，反而被浪費了,原發(fā)作用 與 繼發(fā)作用,生物大分子,生物大分子指的是作為生物體內(nèi)主要活性成分的各種分子量達到上萬或更多的有機分子。高相對分子量的生物有機化合物主要是指蛋白質(zhì)、核酸以及高相對分子量的碳氫化合物。常見的生物大分子包括蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)、糖類。這個定義只是概念性的，與生物大分子對立的是小分子物質(zhì)（

13、二氧化碳、甲烷等）和無機物質(zhì)。,一、原初作用（primary effect）,指從照射之時起到在細胞學上觀察到可見損傷的這段時間內(nèi)，在細胞中進行著輻射損傷的原初和強化過程。 包括物理、物理化學和化學三個階段。 此過程中輻射能量的吸收和傳遞、分子的激發(fā)和電離、自由基的產(chǎn)生、化學鍵的斷裂等，都是在生物體內(nèi)進行的。,是指在原發(fā)作用發(fā)生的基礎(chǔ)上，因原發(fā)作用形成的各種活性基團不斷攻擊生命大分子，導致生物顯微結(jié)構(gòu)的破壞，繼而發(fā)生一系列生物學、

14、生物化學的損傷效應。,二、繼發(fā)作用,三、電離和激發(fā),電離（作用）（ionization） 生物組織分子被粒子或光子流撞擊，軌道電子擊出，產(chǎn)生自由電子和帶正電荷的離子，即形成離子對，這一過程稱為電離（作用）。 激發(fā)作用（excitation） 電離輻射與組織分子相互作用，能量不足以擊出電子，而使軌道電子從低能級躍遷到較高能級軌道，分子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)分子很不穩(wěn)定，容易向鄰近分子或原子釋放能量。,四、水的電

15、離和激發(fā),水的原初輻解產(chǎn)物： 電離輻射作用于機體的水分子，使水分子發(fā)生電離和激發(fā)，產(chǎn)生自由基和分子。這種反應稱水的輻解反應，各種自由基和分子統(tǒng)稱水的原初輻解產(chǎn)物 。,水合電子 游離的電子在碰撞過程中喪失其大部分能量，當其能量水平降至100eV以下而未被捕獲時，可吸收若干水分子而形成水合電子。 刺團 水的原初輻射反應并非平均分布于空間，一般是在小的體積內(nèi)成簇發(fā)生的，這種小的反應體積稱為刺團，平均半徑為1.5nm，每

16、個刺團內(nèi)含有6個自由基。,直接作用 與 間接作用,,重 點,一、直接作用概念：電離輻射的能量直接沉積于生物大分子，引起生物大分子的電離和激發(fā)，破壞機體的核酸、蛋白質(zhì)、酶等具有生命功能的物質(zhì)，這種直接由射線造成的生物大分子損傷效應稱為直接作用。特點：生物效應與輻射能量沉積發(fā)生于同一生物大分子上。,電離輻射對DNA分子損傷的直接作用,直接作用,1）DNA鏈斷裂2）氫鍵斷裂和堿基損傷3）分

17、子交聯(lián),二、間接作用概念：電離輻射首先作用于水，使水分子產(chǎn)生一系列原初輻射分解產(chǎn)物（H·，OH·，水合電子等），再作用于生物大分子引起后者的物理和化學變化。特點：能量沉積和生物效應發(fā)生在不同分子,電離輻射對DNA分子損傷的間接作用,間接作用,電離輻射間接作用的四種效應1. 稀釋效應（dilution effect）：指最大的相對效應發(fā)生在最稀釋的溶液中。 一定劑量的電離輻射在溶液中產(chǎn)生固

18、定數(shù)量自由基，如果作用是間接的，那么失活的溶質(zhì)分子數(shù)目就與溶液濃度無關(guān)，只與產(chǎn)生的自由基數(shù)量一致；若作用為直接的，則失活的溶質(zhì)分子數(shù)將取決于受照溶液的溶質(zhì)分子數(shù)，并與溶液濃度成正比。 在稀釋溶液系統(tǒng)中，間接作用占主要地位,2. 溫度效應（temperature effect）： 指在一定實驗條件下，受照射系統(tǒng)（如酶濃度）的輻射效應，隨著周圍溫度升高而加重。 因為溫度升高，增加了自由基接近酶的機會，使

19、酶分子損傷加重，反之亦然。 對于恒溫生物表面來講（包括人體），通常條件下的照射所產(chǎn)生的輻射效應不受環(huán)境溫度變化的影響。,3. 防護效應（protective effect）： 指向受照射的生物系統(tǒng)中引入某種或某幾種物質(zhì)具有能降低該系統(tǒng)的損傷程度的作用。 ①輻射防護劑（radioprotectors）： 指有機體或某一種生物系統(tǒng)受輻照前或輻照后立即給予某種物質(zhì)，能減輕

20、其輻射損傷，促進其修復的物質(zhì)。 ②劑量降低系數(shù)（dose reduction factor，DRF） DRF= 有防護劑時，引起致死效應所需輻照劑量 無防護劑時，引起致死效應所需輻照劑量,4. 氧效應（ oxygen effect）① 氧效應：是指受照射的生物組織、細胞或生物

21、大分子的輻射效應隨周圍介質(zhì)中氧濃度升高而增加。 氧 + 自由基 → 過氧化物自由基 (R00?) 在有氧條件下細胞放射敏感性增高，增高的幅度與氧濃度有關(guān)。② 氧增強比（oxygen enhancement radio,OER）是指缺氧條件下引起一定效應所需輻射劑量與有氧條件下引起同樣效應所需輻射劑量的比值。其公式是： OER= 缺氧條件

22、下產(chǎn)生一定效應的劑量 有氧條件下產(chǎn)生同樣效應的劑量,③ 氧效應的發(fā)生機制：氧具有雙重作用。 氧固定假說 ：電離輻射在靶分子中誘發(fā)自由基，如果有氧存在，輻射產(chǎn)生的自由基迅速與氧分子結(jié)合，形成一種妨礙靶分子生物功能的集團 ROO?。

23、 輻射 O2 R R? ROO?電子轉(zhuǎn)移假說： 輻射→靶分子→游離電子（兩種可能） 回到靶分子原位→自愈 轉(zhuǎn)移到一個電子陷阱部位→靶分子損傷,氧濃度對氧效應的影響,有氧條件下細胞放射敏感性增高 氧分壓從0上升至1％，放射敏感

24、性迅速增加 增至21％或至100％時，敏感性處于坪值,照射時間對氧效應的影響,照射前引入氧，表現(xiàn)出氧效應 照射后引入氧，無效,氧效應生物學意義： 許多實體瘤細胞是乏氧的，因而對放射治療有抗性，應用高壓氧艙可以提高腫瘤細胞的氧合量，或者放療前使用乏氧細胞增敏劑可以增加射線對腫瘤細胞的殺傷能力。,自由基（free radical）：指含有一個或多個不配對電子的原子、分子、離子或游離基團。形成方式——均裂（homolytic fi

25、ssion) 自由基的特性：,高反應性： 帶有未配對電子，具有強烈的獲取或失去電子以成為配對電子的趨勢，因此化學性質(zhì)活潑不穩(wěn)定性：壽命短不穩(wěn)定 順磁性： 當電子成對存在于同一軌道時，由于兩個電子的自旋方向相反，各自的相應磁矩相互抵消，對外不顯示磁性。,自由基對生命大分子的作用,1）抽氫反應：自由基將有機分子中的H轉(zhuǎn)移至自身，形成有機自由基。 HO· + RH

26、 → R· + H2O H· + RH → R· + H2 2) 加成反應：自由基加入至不飽和有機分子中雙鍵部位的反應 H· + R―CH = CH2 → R―CH― CH2 ·

27、H,,3) 歧化反應：既有氧化作用又有還原作用的自由基，易于發(fā)生。發(fā)生在自由基或自由基與有機 分子之間的單電子轉(zhuǎn)移反應。 O2-· + O2- · + 2H+ → H2O2 + O2 O2- · + H2O2 → O2 + · OH + OH- 4) 鏈式反應: 在生物系統(tǒng)中脂質(zhì)（RH）的過氫

28、化就是鏈式反應與支鏈反應。 5) 氧化還原反應: O-2在水溶液中主要起還原劑作用，使細胞色素C還原；也可以使Vc氧化，產(chǎn)生半脫氫抗壞血酸自由基。,輻射生物學效應的分類,確定性效應 與 隨機性效應,,重 點,1. 確定性效應（deterministic effect）：指發(fā)生生物效應的嚴重程度隨著電離輻射劑量的增加而增加的生物效應。這種生物效應存在劑量閾值，只要照射劑量達到或超過劑量閾值效應肯定發(fā)生。

29、 如照射后的白細胞減少、白內(nèi)障、皮膚紅斑脫毛等輻射皮膚損傷均屬于確定性效應。2. 隨機性效應（stochastic effect）：指生物效應的發(fā)生概率（而不是其嚴重程度）與照射劑量的大小有關(guān)的生物效應。這種效應在個別細胞損傷（主要是突變）時即可出現(xiàn)，不存在劑量閾值。 如輻射致癌、遺傳效應。,外照射、內(nèi)照射效應 局部照射、全身照射效應,1. 外照射（external irradiation）：

30、 輻射源從體外對機體進行的照射。γ 射線、中子、X射線等穿透力強，外照射的生物學效應強。2. 內(nèi)照射（internal irradiation）： 放射性核素通過各種途徑進入機體，在機體內(nèi)發(fā)射出射線產(chǎn)生的生物效應。 內(nèi)照射效應主要發(fā)生在放射性核素通過的途徑和沉積部位的組織器官，但其效應可波及全身。內(nèi)照射效應一般以射程短、電離強的 α、β 射線為主。,3. 局部照射（local irradiation）：

31、當外照射的射線照射身體某一部位，引起局部組織的反應者稱局部照射。當照射劑量和劑量率相同時，身體各部位的輻射敏感性依次為 腹部>盆腔>胸部>頭部>四肢。4. 全身照射（total body irradiation）：當全身均勻地或非均勻地受到照射而產(chǎn)生全身效應時稱全身照射。如照射劑量較小者為小劑量效應，如照射劑量較大者 ( >1Gy) 則發(fā)展為急性放射病。根據(jù)照射劑量大小和不同敏感組織的反應程度，

32、輻射所致全身損傷分為骨髓型、腸型、腦型三種類型。,軀體和遺傳效應近期與遠期效應,1. 軀體效應（somatic effect）：受照射個體體細胞損傷而致本身發(fā)生的各種效應稱為軀體效應。又可區(qū)分為全身效應（total body effect）和局部效應（local effect）。如輻射所致的骨髓造血障礙、白內(nèi)障等。2．遺傳效應（genetic effect）：受照射個體生殖細胞突變,而在子代身上表現(xiàn)出的效應稱遺傳效應。這是由于電

33、離輻射造成受照者生殖細胞遺傳物質(zhì)的損傷，引起基因突變和染色體畸變，導致后代先天畸形、流產(chǎn)、死胎和某些遺傳性疾病。,1. 近期效應（early effect）或者早期效應：指電離輻射作用于生物機體后，輻射損傷效應在照射后短期(數(shù)周內(nèi)60天)就出現(xiàn)的那些效應。 如急性放射病，急性皮膚損傷等。2. 遠期效應（late effect）或者遠后效應：指電離輻射作用于生物機體后，輻射損傷效應在照射后數(shù)月至數(shù)年才出現(xiàn)的那些效應（

34、一般6個月以上）。 如慢性放射病、致癌效應、放射性白內(nèi)障、輻射遺傳效應等。,輻射旁效應,傳統(tǒng)輻射效應：只有被照射的細胞才會有變化…？未直接受照射的細胞表現(xiàn)出與直接受照射細胞相類似的生物學終點變化,影響電離輻射生物效應的主要因素,,重 點,（一）與輻射有關(guān)的因素1. 輻射的種類：電離密度和穿透能力2. 輻射劑量：一般情況存在劑量效應關(guān)系（非線性）3. 輻射的劑量率 ：單位時間接受的照射劑量4. 分次

35、照射：效應低于一次照射 5. 照射部位：腹部>盆腔>頭頸>胸部>四肢 6. 照射面積：照射面積越大，效應越顯著7. 照射方式：內(nèi)照射、外照射（單向或多向）、混合照射,（二）與機體有關(guān)的因素 1、種系的放射敏感性 ：種系演化越高，機體組織結(jié)構(gòu)越復雜，放射敏感性越高 2、個體發(fā)育的放射敏感性 ：敏感性隨個體發(fā)育過程而逐漸降低 十日法規(guī)：對育齡婦女下腹部的X射線檢查都應當在月經(jīng)周期第1天算

36、起的10天內(nèi)進行，以避免對妊娠子宮的照射 3、不同器官、組織和細胞的放射敏感性 4、亞細胞和分子水平的放射敏感性細胞核的敏感性高于胞漿 DNA > mRNA > rRNA > tRNA >蛋白質(zhì),放射敏感性生物系統(tǒng)對輻射作用的反應性或靈敏性。當一切照射條件嚴格一致時，機體組織、器官、細胞和分子對輻射作用反應強弱或速度快慢不同，若反應強、速度快，則敏感性高。反之亦然,特性 一種組

37、織的放射敏感性與其細胞的分裂活動成正比，而與其分化程度成反比。 1. 高度敏感組織：淋巴組織、胸腺、骨髓、胃腸上皮、性腺、胚胎組織。 2. 中度敏感組織：感覺器官、內(nèi)皮細胞、皮膚上皮 3. 輕度敏感組織：中樞神經(jīng)系統(tǒng)；內(nèi)分泌腺、心臟 4. 不敏感組織： 肌組織、軟骨和骨等,（三）與介質(zhì)有關(guān)的因素,1. 溫度：機體受照射時，其內(nèi)外環(huán)境溫度的改變，可直接影響輻射生

38、物學效應，稱其為溫度效應。進行放射治療之前，先提高腫瘤組織局部溫度，其放療療效有明顯提高。 其原因：①溫度造成動物體內(nèi)氧狀況的改變； ②溫度引起體內(nèi)新陳代謝水平的改變； ③在低溫或冰凍狀況下，溶液中自由基擴散受阻。2. 氧：受照組織、細胞或溶液系統(tǒng)的輻射效應隨周圍介質(zhì)中氧濃度的增加而增加，這種現(xiàn)象稱為氧增強效應。目前為提高腫瘤組織對輻射的敏感性，利用輻射“

39、氧效應”這一特性提高放射治療效果。,3. 化學物質(zhì) 在溶液體系中，由于其它物質(zhì)的存在而使一定劑量的輻射對溶質(zhì)的損傷效應降低稱為防護效應。細胞的培養(yǎng)體系中或機體體液中在照前含有輻射防護劑，可減輕自由基反應，促進損傷生物分子修復，能減弱生物效應。反之，如含有輻射增敏劑（radiosensitizer），可增強自由基化學反應，阻止損傷分子和細胞修復，能提高輻射效應。,小劑量外照射的生物效應,小劑量外照射的概念①一次受到較小劑量的

40、照射。它可以是一次或在數(shù)天內(nèi)多次受到小劑量的照射。例如事故性照射或應急照射；②長期受到低劑量率的慢性照射。這是指受到當量的劑量限值范圍內(nèi)的照射。,小劑量慢性照射的醫(yī)學隨訪結(jié)果A：造血系統(tǒng)以中性粒細胞為主的白細胞降低和淋巴細胞絕 對值減少。單核、嗜酸、嗜堿粒細胞則表現(xiàn)增高。B：外周血淋巴細胞染色體畸變率和微核率明顯增高。C：惡性腫瘤發(fā)病率增高，其中白血病的發(fā)病率增高較明顯D：子女遺傳性疾病和先天性畸形的總發(fā)病率

41、均有增高。從 上述可見，小劑量慢性長期照射導致的機體損傷效應比 小劑量一次照射的損傷效應更為明顯。,(1)興奮效應（hormesis）:刺激動物的生長發(fā)育、延長動物壽命、提高生育能力，還可以增強動物和人體的免疫功能，降低腫瘤發(fā)生率等。(2) 適應性反應（adaptive response）:經(jīng)微小劑量（如50～75mGy）輻射預處理的細胞、臟器或整體動物，當它相繼接受較大劑量輻射時，能夠?qū)p傷產(chǎn)生抗性