放射生物学讲义

第四讲放射生物学放射生物学(Radiobiology)研究电离辐射对生物体作用及其效应规律的一门科学。

涉及初始事件及一系列的物理、化学和生物学方面的改变。

为制定放疗方案提供理论依据，指导放射生物防护工作，减少正常组织损伤。

主要内容◆电离辐射的分子生物学作用及原理掌握电离辐射的直接&间接作用◆电离辐射的细胞效应掌握细胞周期时相与放射敏感性◆肿瘤放射生物学掌握肿瘤体积倍增时间: Tpot的概念◆正常组织及器官的放射反应掌握早反应组织和晚反应组织◆分次放射治疗的生物学基础掌握“4Rs"概念放射生物学的意义◆从分子、细胞层面探索射线的损伤和修复机制(重要的科研手段)◆研究照射的分次、分割、总剂量、乏氧、再氧合、损伤修复、再增殖、生物修饰剂等对肿瘤的效应，为放射治疗学的理论基础◆射线对正常组织、肿瘤组织作用的生物效应，探索最佳的照射方法，最大程度地保护正常组织。

◆通过对肿瘤放射敏感性的研究，为前瞻性临床试验提供备选治疗方案，为制定个体化放疗方案提供基础。

第一节辐射效应及时间标尺物理阶段(激发电离)化学阶段(自由基反应DNA损伤)生物效应阶段(修复过程酶反应细胞生物效应早反应晚反应癌变)1.1物理阶段辐射在生物材料中的能量吸收引起激发(Excitation) /电离(lonization)激发——原子或分子的电子跃迁到高能态而不射出电子。

（引而不发）电离——辐射具有足够能量使原子或分子射出一个或多个轨道电子。

光量子与生物体的物理效应(照射时的能量释放、激发和电离)由于光量子的能量不同，与物质发生的作用类型也不相同1)光电效应:当一个光量子和原子相碰撞时，它可能将所有的能量都交给一个电子，使电子脱离原子而运动，而光子本身被吸收。

由于这种作用而释放出来的电子叫光电子。

光电效应是在光量子能量较低时发生的。

它与吸收体密度、原子质量数和原子序数有关。

2)康普顿效应:光量子能量中等时的效应。

光量子和原子中的一个电子发生弹性碰撞所致。

放射生物学知识点讲解放射生物学知识点讲解一、辐射生物效应原理△(一）电离辐射的种类⒈电磁辐射：x射线、γ射线⒉粒子辐射⑴α粒子：质量大，运动慢，短距离引起较多电离。

⑵β粒子或电子：质量小，易偏转，深部组织电离作用。

⑶中子：不带电荷的粒子，高传能线密度射线。

⑷负π介子：大小介于电子和质子之间，可以带＋、－或不带电。

⑸重离子：某些原子被剥去外围电子后，形成带正电荷的原子核。

（二）直接作用和间接作用1.直接作用（P52）当X射线、γ射线、带电粒子或不带电粒子在生物介质中被吸收时，射线有可能直接与细胞中的靶分子作用，使靶分子的原子电离或激发，导致一系列的后果，引起生物学变化。

2.间接作用（P52）射线通过与细胞中的非靶原子或分子（特别是水分子）作用，产生自由基，后者可以扩散一定距离达到一个关键的靶并造成靶分子损伤。

(三）辐射对生物作用的机制（P53）(四）不同类型细胞的放射敏感性（P53）⒈B-T定律：∝繁殖能力/分化程度⒉cAMP：∝1/cAMP（淋巴细胞、卵细胞）⒊间期染色体体积：∝体积⒋线粒体数量：∝1/线粒体数量(五)传能线密度与相对生物效应⒈传能线密度（linearenergytransfer，LET）传能线密度是指次级粒子径迹单位长度上的能量转换，表明物质对具有一定电荷核一定速度的带电粒子的阻止本领，也就是带电粒子传给其径迹物质上的能量。

常用用千电子伏特/微米表示（keV/μm)表示，也可用焦耳/米表示。

单位换算为：1keV/μm＝1.602×10-10J/m⒉辐射生物效应与传能线密度的关系⑴射线的LET值愈大，在相同的吸收剂量下其生物效应愈大；⑵LET与电离密度成正比，高LET射线的电离密度较大，低LET射线的电离密度较小。

其中，电离密度是单位长度径迹上形成的离子数；⑶根据LET，射线可分为高LET射线和低LET射线。

低LET射线：X射线、γ射线、电子线等；高LET射线：中子、质子、α粒子、碳离子等。

第十四章基础放射生物学放射生物学:是一门关注电离辐射对牛•物组织及牛命有机体作用的分支科学，涉及两个范畴：放射物理学、放射生物学体细胞的分类：♦干细胞，能自我更新并产生分化细胞群（如造血系统、表皮和小肠被覆黏膜的干细胞）。

♦转化细胞，这些细胞动态地进入另一细胞群（如网织细胞分化成红细胞）。

♦成熟细胞，是完全分化了的失去有丝分裂活力的细胞。

线性能量传递：LET, the linear energy transfer。

在介质屮带电粒子的LET是dE/dL的商=在此dE是特定能量的带电粒子在dL的传递距离屮所给予介质的局部平均能量，低LET辐射与高LET辐射：X射线和丫射线是低LET辐射（稀疏电离辐射），而屮子、质子和带电重粒子是高LET辐射（致密电离辐射低和高LET的分界值在10 keV/ u m左右=细胞分裂周期：细胞死亡>不增殖细胞死亡：所拥有的特性功能的丧失>干细胞以及具有有丝分裂能力细胞：再繁殖完整性丢失辐射的生物效应：物理作用——化学作用——生物作用辐射对细胞的直接作用：直接作月是指担貳直接与细胞的关謹靶相互作用=高LET粒子与生物物质相互作用的主耍过程辐射对细胞的间接作用：直接作月是指握射与细胞内的其他分子或原子（主要是水，细胞成分的8灵为水）相互作用.产生自由基.在细胞里自中基通过扩散扌员伤细胞内的关谨靶=在锂射与水的相互作用中产生寿命极短的活化自由基,Sr H2O*（水的离子态）,和OH•（氢氧自由基），自由基可顺序引起细胞内关罡靶的损伤U低LET羅射〔稀陵电离鑒射），如X射线或电子线约2/3的生物损伤是由直接作用所致°辐射损伤的类型：放射的早期反应：放射的晚期反应：纤维化，寿命缩短，遗传损伤堀射对哺乳动物细胞的扌员伤可分为三类：♦致死损伤，不可逆，不能修复并导致细胞的死亡.♦亚致死扌员伤，在数小时内可以修复（若再次亚致死扌员伤最终会导致致死扌员伤人♦潜在致死扌员伤，细胞被允许怎持在非分裂状态时.扌员伤可受修复影响= ♦逋兀效应是一类发生概率随剂量的曲高而升高，但受影疋令体的严重性不取决于剂全（如癌的诱发、轻射致癌作巨以及遗传效应）的效•应=不存在真正的遇机效应阈值剂盘.厌为这些效应是左单个细呢产生的n它所假设的是，關便在吸小剂量水半也总是存在一些小的发生概率。

1.光电效应: 光子将它的全部能量传递给轨道电子，使他具有动能而发射出去，这种能量的吸收过程称为光电效应2.康普顿效应: 光子与介质原子的1个轨道电子碰撞，产生1个向一定角度发射的反冲电子和1个散射的带有剩余能量的光子，此过程称为康普顿效应3.质湮辐射: 50 ~ 100 MeV时，电子对产生为主要的能量吸收形式，形成电子对时，入射的高能光子转化为一对正负电子，形成的正电子慢化后，最终与负电子结合而转变为各约0.511 MeV的两个光子，这个过程称为质湮辐射4.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，各种自由基和分子统称水的原初辐解产物5.直接作用: 电离辐射的能量直接沉积于生物大分子，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用6.间接作用: 电离辐射首先作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（H·，OH·，水合电子，H2，和H2O），再作用于生物大分子引起后者的物理和化学变化。

7.辐射旁效应: 电离辐射引起受照细胞损伤或者功能激活，产生的损伤或者功能激活信号可导致其共同培养的未受照射的细胞产生同样的损伤或者激活效应，称为辐射旁效应。

8.确定性效应: 辐射剂量超过一定阈值，损伤效应就一定会发生，而且损伤的严重程度会随剂量的增加而加重，称为确定性效应9.随机性效应: 损伤或恶变的概率随剂量增加而增大，而严重程度与剂量无关，这种不存在阈剂量的效应称为随机性效应10.BergoniedH和Tribondeau定律：一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比，而与其分化程度成反比。

11. 传能线密度（LET）：带电电离粒子在单位径迹上消耗的平均能量，单位J/m12.LET与RBE的关系:1.RBE的变化是LET的函数（正相关）2.LET：<10kev/um时；LET∝RBE(缓慢）3. LET：10～100kev/um时；LET∝RBE（迅速）4.LET：>100kev/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13.影响辐射生物效应的因素: 1辐射的种类：电离密度和穿透能力2、辐射剂量：一般情况存在剂量效应关系3、辐射的剂量率：单位时间接受的照射剂量4、分次照射：效应低于一次照射 5、照射部位：腹部>盆腔>头颈>胸部>四肢 6、照射面积：照射面积越大，效应越显著7、照射方式：内照射、外照射、混合照射14.S SB（单链断裂）DNA双螺旋结构中一条链断裂时，称为单链断裂15.DSB (双链断裂)两条互补链于同一对应处或相邻处同时断裂时，称之为双链断裂16.APS(无嘌呤或无嘧啶位点)DNA链上损伤的碱基也可以被特异的DNA糖基化酶除去或由于N-糖基键的化学水解而丢失，形成无嘌呤或无嘧啶位点17.DPC(DNA-蛋白质交联)DNA分子同一条链上的两个碱基相互以共价键结合，称为DNA链内交联，如嘧啶二聚体DNA与蛋白质以共价键结合，称为DNA-蛋白质交联18.PD(嘧啶二聚体)当DNA受到接近它的最大吸收波长260 nm的紫外线照射后，相邻的嘧啶碱基共价交联形成环丁烷四元环，使这两个碱基的5,6位双键饱和.19.UDS(程序外DNA合成)合成起始于损伤后即刻，随时间延长而增加，但与细胞周期没有关系的修复合成，称之为程序外DNA合成20.SOS修复在正常生理状态下处于抑制状态，一旦DNA受到损伤，产生一种调控信号，解除对许多基因的抑制21.SLDR (亚致死性损伤的修复)不受照射后环境条件影响的细胞损伤后的自然修复过程22.PLDR(潜在致死性损伤的修复) 改变细胞受致死性损伤后的环境条件，从而使细胞的存活分数增高，23.增色效应：随着DNA变性程度的增加，其克原子磷消光系数值增大24.DNA交联分哪几类？1DNA蛋白质交联2DNA-DNA链间交联3DNA链内交联.25.简述DPC的发生机制:1辐照后蛋白质中的含硫氨基酸，② 蛋白质中的芳香族氨基酸R 形成酚型或酚氧型自由基，这类自由基在DPC形成中起主要作用。