第二章　放射生物学基础

第一节　电离辐射生物效应的理化基础

一、电离辐射与非电离辐射

按照与物质作用方式，辐射分为电离辐射和非电离辐射。 凡能与物质作用而引起电离的辐射统称为电离辐射，非电离辐射是指不能使物质电离的辐射。 电离辐射又分为天然电离辐射和人工电离辐射两类。 对于高速的带电粒子，如α 粒子、β 粒子和质子等，能直接引起被穿透的物质产生电离，属于直接电离粒子；不带电粒子，如光子（X 射线和γ 射线）及中子等，与物质相互作用时产生带电的次级粒子进而引起物质电离，属于间接电离粒子。

另外，电磁辐射中X 射线和γ 射线能引起物质电离，为电离辐射；无线电波、微波、红外线、可见光和紫外线不能引起物质电离，只能引起物质分子震动、转动或电子能级状态的改变，属非电离辐射。 电离辐射对人类健康的损害远大于非电离辐射。

二、直接作用与间接作用

电离辐射作用于生物体引起生物活性分子的电离和激发是辐射生物效应的基础。 组成生物体或细胞的主要分子为生物大分子（如核酸、蛋白质和酶等）以及环境中的水分子（约占生物组织重的60%～70%）。 任何处在电离粒子径迹上的原子和分子都有可能发生电离，包括生物大分子和水分子。

1.直接作用

电离辐射的能量直接沉积于生物大分子上，引起生物大分子的电离和激发，导致机体的核酸、蛋白质和酶类等分子结构的改变和生物活性的丧失，这种直接由射线造成的生物大分子损伤的作用方式称为直接作用。 在直接作用的过程中，其生物效应和辐射能量沉积发生于同一分子，即生物大分子。 实验证明，DNA 分子被电离粒子直接击中，可以发生单链或双链断裂、解聚和黏度下降等，某些酶也可受辐射作用后而降低或丧失其活性。 此外，辐射也可直接破坏膜系的分子结构，如线粒体膜、溶酶体膜、内质体膜、核膜和质膜，从而干扰细胞器的正常功能。

2.间接作用

电离辐射首先直接作用于水，使水分子产生一系列原初辐射分解产物（·OH、H·、、H2 和H2O2 等），然后通过水的辐射分解产物再作用于生物大分子，引起后者的物理和化学变化，这种作用方式称为间接作用。 发生间接作用时，其生物效应和辐射能量沉积发生于不同分子上，辐射能量沉积于水分子上，生物效应发生在生物大分子上。 由于机体细胞内含有大量水分子，间接作用对生物大分子损伤的发生有重要意义。

三、自 由 基

自由基是指能够独立存在的，带有一个或多个不成对电子的原子、分子、离子或原子团。 通常用圆点“·”显示带有未配对电子，但不表示未配对电子的数量。 如·CH3、·OH、和H·等。 自由基的特点包括：

1.高反应性

自由基有未配对电子，具有强烈的夺取或丧失电子以成为配对电子的趋向。因此，自由基的化学性质异常活泼。

高反应性还表现在很容易与生物靶分子发生加成、抽氢和电子转移等反应。

2.不稳性

绝大多数自由基是不稳定的，其寿命很短。 如羟自由基的半寿期为10-10～10-9s。

3.顺磁性

原子轨道中带有负电荷的电子在做自旋运动时会产生磁场，其自身的“轴”也会有一个相应的磁矩。 当电子成对地存在于同一轨道，由于两个电子的自旋方向相反，磁矩相互抵消，对外不显示磁性。 自由基由于存在不配对电子，故产生自旋磁矩。 若施加外磁场，电子磁体只能取与外磁场相平行或反平行的方向，而不能随意取向，这就是自由基的顺磁性，也是采用电子顺磁技术对自由基检测和分类的基础。

自由基是电离辐射作用时能量传递的重要方式，自由基能够对细胞的核酸和蛋白质等生物大分子产生损伤，引起各种化学反应；DNA 分子中的碱基、核糖和磷酸二酯键都可遭受自由基的攻击，造成碱基与核糖氧化、链断裂及与蛋白质交联等多种类型的损伤；氧自由基攻击生物膜磷脂中的多不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化作用，并形成脂氢过氧化物，后者不稳定，分解成一系列复杂产物，包括新的氧自由基。

为了防止在需氧代谢活动中，活性氧和氧自由基对机体的损伤，需氧生物在进化过程中，逐渐形成了一系列抗氧化防御功能，在一定程度上抑制活性氧和自由基的作用。

四、放射敏感性

放射敏感性（radiation sensitivity）是放射生物学的重要主题，可理解为生物系统对电离辐射作用的反应性或灵敏性。 当一切照射条件完全严格一致时，机体、器官、组织、细胞或分子对辐射作用反应强弱或速度快慢不同，若反应强，速度快，其敏感性就高，反之则低。 需要强调的是，判断标准不同，得出的结论不同甚至可能相反，同一个细胞若以功能变化为指标可被认为是敏感的，若以形态结构改变为指标也可被认为是不敏感的。

体内的细胞群体依据其更新速率不同，可分为3 类：第1 类是不断分裂、更新的细胞群体，对电离辐射的敏感性较高，如造血细胞、胃肠黏膜上皮细胞和生殖上皮细胞等。 第2 类是不分裂的细胞群体，对电离辐射有相对的抗性（从形态损伤的角度衡量），如神经细胞、肌肉细胞、成熟粒细胞和红细胞等，均为高度分化的“终末”细胞。 第3 类细胞在一般状态下基本不分裂或分裂的速率很低，因而对辐射相对地不敏感，但在受到刺激后可以迅速分裂，其放射敏感性随之增高。 典型的例子是再生肝脏。 当肝脏部分切除或受化学损伤而使残留肝细胞分裂活跃时，其放射敏感性高于正常状态下的肝细胞。

随着研究的不断深入，人们认识到放射敏感性差异与细胞氧合状态、细胞周期、增殖活性、DNA 损伤修复等密切相关，其本质是与辐射生物效应过程相关的各种基因变异、基因多态性及表观修饰都可造成放射敏感性的差异。

氧效应是指受照射的生物系统或分子的辐射效应随周围介质中氧浓度（即氧含量与氧分压）的升高而增加，称为氧效应。 缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值称为氧增强比。 许多实体瘤细胞是乏氧的，因而对放射治疗有抗性，应用高压氧舱可以提高肿瘤细胞的氧合量，或者放疗前使用乏氧细胞增敏剂可以增加射线对肿瘤细胞的杀伤能力。 肿瘤组织中乏氧细胞平均占到实体肿瘤的10%～50%，肿瘤乏氧时对放射治疗抗性一般比正常氧合时强2.5 ～3 倍。 氧对射线的DNA 损伤有固定作用。 另外，肿瘤乏氧诱导多种基因转录及蛋白表达，增加了肿瘤细胞对乏氧的适应能力及存活，直接或间接影响了肿瘤的放射敏感性。

五、电离辐射的生物效应

电离辐射作用于机体后，其能量传递给机体的分子、细胞、组织和器官所造成的形态结构和功能的变化，称为辐射生物效应。 电离辐射生物效应包括确定性效应（deterministic effect）和随机性效应（stochastic effect）。 在辐射防护的研究和实践中，尽可能降低随机性效应的频度和防止确定性效应的发生，以达到减少机体损伤的目的。

1.确定性效应

机体多数器官和组织的功能并不由于损失少量的细胞而受到影响，这是因为机体有强大的代偿功能。 在电离辐射作用后，若某一组织中损失的细胞数足够多，而且这些细胞又相当重要，将会造成可观察到的损伤，主要表现为组织或器官功能不同程度的丧失。 这种在超过剂量阈值以后损伤的严重程度随剂量的增加而加重的辐射效应称为确定性效应。 只要照射剂量达到阈值，这种效应就一定会发生。 随着对辐射生物效应认识的不断提高，人们已经意识到，无论是早期组织反应还是晚期组织反应，均可受到不同生物反应修饰因子的影响。国际辐射防护委员会（International Commission on Radiological Protection，ICRP）第1 委员会从组织损伤反应的动态过程及整体综合因素考虑，提出了组织反应（tissue reaction）概念，以取代确定性效应。

2.随机性效应

当机体受到电离辐射照射后，一些细胞受损而死亡，另一些细胞发生了变异而不死亡，有可能形成变异的子细胞克隆。 当机体的防御机制不健全时，经过不同的潜伏期，由变异的但仍存活的体细胞生成的这个细胞克隆可能导致恶性病变，即发生癌症。 这种发生概率随照射剂量的增加而增大、严重程度与照射剂量无关、不存在阈剂量的效应称为随机性效应。辐射致癌就是典型的随机性效应。 如果这种变异发生在生殖细胞（精子或卵子），其基因突变的信息会传给后代，而产生的损伤效应称为遗传效应（genetic effect，hereditary effect）。

六、影响生物效应的主要因素

1.与辐射有关的因素

（1）辐射种类：

不同种类的辐射产生的生物效应不同，从辐射的物理特性上看，电离密度和穿透能力是影响其生物学作用的主要因素。 α 射线的电离密度大，但穿透能力很弱，因此体外照射时对机体的损伤作用很小，而在体内照射时对机体的损伤作用很大。 β 射线的电离能力小于α 射线，但穿透能力较大，外照射时可引起皮肤表层的损伤，内照射时亦引起明显的生物效应。 γ 射线或高能X 射线穿透能力很强，外照射时易引起严重的损伤。 快中子和各种高能重粒子也都具有很大的穿透力，在组织内其射程的末端发生极高的电离密度，适于深部局限范围内密集的辐射杀伤作用。

（2）辐射剂量：

一般而言照射剂量愈大效应愈显著，但并不全呈线性关系。 若以机体的死亡率或存活率为判断生物效应的指标，可得出图2-1 的函数关系。

将引起被照射机体死亡50%时的剂量称为半致死剂量（LD50），作为衡量机体放射敏感性的参数；LD50 数值愈小，机体放射敏感性愈高。 若以平均生存时间或死亡时间作为指标，将辐射剂量范围扩大到100Gy 以上，即可看出受照射动物的平均生存时间随辐射剂量加大而缩短，但不是完全的直线关系（图2-2）。

（3）辐射剂量率：

剂量率是指单位时间内机体所接受的照射剂量，常用Gy/d、Gy/h、Gy/min或Gy/s 表示。 在一般情况下，剂量率越高，生物效应越显著，但当剂量率达到一定范围时，生物效应与剂量率之间则失去比例关系。 而且，剂量率对生物效应的影响也随所观察的具体效应不同而异。 要引起急性放射损伤，必须要有一定的剂量率阈值。 每日0.005～0.05Gy 的剂量率，即使长期照射累积很大剂量，也不会产生急性放射病的症状，只能导致慢性放射损伤的发生。 若当剂量率达到0.05～0.1Gy/min 或更高时，则有可能引起急性放射病，且其严重程度随剂量率增大而加重。

（4）分次照射：

同一剂量的辐射，在分次给予的情况下，其生物效应低于1 次给予的效应，分次愈多，各次间隔的时间愈长，则生物效应愈小。 这显然与机体的修复过程有关。

（5）照射部位：

机体受照射的部位对生物效应有明显的影响。 许多实验资料证明，当照射剂量和剂量率相同时，腹部照射的全身后果最严重，依次排列为盆腔、头颈、胸部及四肢。

（6）照射面积：

当照射的其他条件相同时，受照射的面积愈大，生物效应愈显著。 在临床肿瘤放射治疗中，一般都将照射野缩至尽可能小的范围，并且采用分次照射以减少每次的剂量，这样就可降低正常组织的放射损伤效应，以达到对局部肿瘤尽可能大的杀伤。

（7）照射方式：

可分为内照射、外照射和混合照射。 内照射是指放射源（放射性核素）进入体内作用机体的不同部位。 外照射是指放射源在体外，其射线作用于机体的不同部分或全身。若兼有内照射和外照射，则称为混合照射。 外照射又可分为单向照射或多向照射。 一般来说，当其他条件相同时，多向照射的生物效应大于单向照射。

2.与机体有关的因素

不同种系、不同个体、不同组织和细胞、不同生物大分子，对射线作用的敏感性可有很大差异。 因此，当辐射的各种条件完全相同时，所引起的生物效应却有很大差别。

（1）种系的放射敏感性：

随着种系演化越高，机体组织结构越复杂，则放射敏感性越高。 总的说来，人、狗和豚鼠等的放射敏感性高于兔和大鼠、小鼠的放射敏感性。 在同一类动物中，不同品系之间放射敏感性有时亦有明显的差异。 一般对其他有害因子抵抗力较强的品系，其放射抵抗力亦较高。

（2）个体发育的放射敏感性：

哺乳动物的放射敏感性因个体发育所处的阶段不同而有很大差别。 一般规律是放射敏感性随着个体发育过程而逐渐降低。

关于电离辐射对个体发育影响的研究，对临床医学和卫生防护都有重要的实际意义。 有研究者提出了“十日法规”，建议除了医疗指征绝对必须以外，对育龄妇女下腹部的X 射线检查都应当在月经周期第1 天算起的10 天内进行，以避免对妊娠子宫的照射。

（3）不同器官、组织和细胞的放射敏感性：

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。 有丝分裂活动旺盛、正常时进行许多次分裂以及在形态和功能上未分化的细胞放射敏感性高。

（4）亚细胞和分子水平的放射敏感性：

同一细胞的不同亚细胞结构的放射敏感性有很大差异，细胞核的放射敏感性显著高于胞浆。 细胞内DNA 损伤和细胞放射反应（包括致死效应）之间的相互关系是分子放射生物学的基本问题之一。