医学放射生物学刘芬菊放射生物学

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,医学放射生物学刘芬菊放射生物学,绪 论,医学放射生物学,医学放射生物学,(medical radiobology),是放射医学的基础，重点研究电离辐射对机体，特别是人体的影响；它为放射防护，放射损伤和放射治疗提供生物理论依据,。,放射生物学研究的主要内容,1.,大剂量照射所致淋巴细胞及其亚群的损伤效应,4,.大剂量照射,DNA,修复基因的表达及功能研究,放射损伤（,radiation injuse),-,即电离辐射作用于身体后引起的损伤。主要来源于外照射的线，射线或其它射线和进入身体后内照射的放射性物质（医疗照射和治疗），造成损伤的原因是照射剂量过大。,放射损伤（,radiation injuse),还有在应用放射性物质过程中不遵守安全操作规程等。,放射损伤分为,全身性,（,放射病,）和,局部性,（,放射性灼伤,）和,复合伤,（,急性放射病合并放射性灼伤,）等种类。,放射医学与防护研究成果 的三个方面,1,辐射效应的基础和应用基础研究方面，已形成了相对稳定，不断深入地发展方向和研究体系，例如分子生物学的研究，辐射流行病学的研究，低剂量刺激效应研究和放射复合伤的研究等都取得了长足的进展，在国内外同行中有很大影响，在国际上占有一席之地。,2,放射医学临床与实验研究方面，急性放射病的诊断与治疗取得了很大进展，在某些方面达到国际水平。放射病临床与基础相结合的研究和中西医结合治疗全身和局部放射损伤的研究等都取得了很大进展并具有中国特色。,核事故与放射事故医学应急响应也逐步形成了一个比较完整的研究体系。另外，重离子治疗的放射生物学研究已开始起步并取得了可喜的成绩。,3,辐射剂量与放射防护方面,，,放疗剂量，诊断剂量，核医学剂量，环境剂量，个人剂量，事故剂量，生物剂量和活度剂量等的研究和应用中都取得很大成绩，并引入了一些新的方法和技术。职业照射防护，医学照射防护，人为抗高天然辐射照射的剂量与评价，医疗照射的质量保证和质量控制以及放射卫生法规标准和监督检测等的研究和实际工作都有新的进展。在辐射剂量与放射防护的某些方面已达到国际水平。,概 述,射线的发现对科技发展产生深远的影 响：,1895年12月28日，伦琴（W.C.Roentgen)发现,射线。,1896年1月Grubbe用,射线,治疗一例乳腺癌,1896年4月danidls报道照射后脱发,贝克勒尔（H.Becquerel)报道了铀发出的放射性。,概 述,不久居里夫妇成功分离出镭，提出了“放射性”,1934年约里奥-居里夫妇发现人工放射性,概 述,随着,线,研究和应用的发现，电离辐射的生物效应，皮肤损伤，及其癌症的报导屡见不鲜，居里夫人因患白血病而亡，约里奥居里夫妇也导致了组织损伤的发生。,贝克勒尔把铀放在衣袋内致使该处皮肤烧伤。,临床放射医学研究的内容,第一章 电离辐射生物学作用的 物理和化学基础,第一节 电离辐射的种类及其与物质的相互作用,1）,电磁辐射,： 是以互相垂直的电场和磁场、随时间变化而交变震荡，形成向前运动的电磁波。如：x、r、微波、红外线波和紫外线都是电磁辐射。,2）粒子辐射,：通过消耗自己的能量传递给其它物质，主要有：,、,、负,介子和带电重离子。,粒子辐射的种类,粒子,：,由两个中子和两个,质子组成,粒子或电子,：,带有一个最小单位负电核的粒子,中子：不带电粒子,负,介子：其,质量介于电子和质子之间。,重离子：,中子的种类,中能中子能量为0.5eV10keV,快中子能量为10keV10或15keV,特快中子能量在1015MeV以上,第二节 电离和激发,一、,电离作用,：,高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的原初过程。,二、,激发作用：,电离辐射与分子相互作用，其能量不足以将轨道电子击出，使电子跃迁到高能轨道上，使分子处于激发态，这一过程称为：激发作用。,三、,水的电离和激发,辐射作用于生物大分子或水分子均可引起电离和激发,H,2,O_,_,_激发,_,H,2,O* H* + OH*,H,2,O,电离,H,2,O + e,-, + H,2,O H + OH,-, H,H,+,+ OH* H,2,O eaq,-,水的原发辐解产物,H,2,O-,H.+.OH+,e,-水合,H,2,+H,2,O,2,+H,3,O,+,水的原初辐解产物的产额,._,产额 G值,O,e,水合,H,2,0.45,H,2,O,2,H,+,(H,2,O,3,+,_,第三节 传能线密度与相对生物效能,一、传能线密度（linear energy transfer ，LET）：,-10,J/m。,二、相对生物效能,（,Relative biological effectiveness,RBE,）,相对生物效应的定义,：,X,射线（250kV）引起某一生物效应所需剂量与所观察的辐射引起同一生物效应所需剂量的比值。,即：,X标准,射线产生生物效应的,剂量,RBE,=,所观察辐射,引起相同生物效应的剂量,或：,所观察的辐射产生的生物效应,RBE,=,相同剂量标准射线产生的,生物效应,三、两者的关系,2.当LET10keV/m时，RBE随LET上升很小。,3.当LET10keV/m时，RBE随LET增大迅速上升。,4.当LET100keV/m时，RBE随LET增大而下降。,第四节,自由基,一、,自由基的定义和特性,（一）自由基（free radical)的定义,自由基是指：,能够,独立存在,的、含有一个或一个以上,未配对电子,的任何原子、分子、离子或原子团。（单独占有原子或分子轨道的电子）,（二）自由基的理化特性：1.,自由基具有未配对电子，易与其它电子形成配对键，故具有很高的反应活性。（见P14-15）,2.,自由基的半寿期:,羟自由基,为本10,-10,10,-9,s,水合电子,-4,二、活性氧与氧自由基,活性氧,-,是指氧的某些代谢产物和一些由其衍生的含氧物质，统称为活性氧.,1.氧的单电子还原物,如O,2,-,和O,-,以及HO,2,.和.OH;,2,O,2,;,3.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。,二、活性氧与氧自由基,所有含氧自由基都是,活性氧(active oxygen species),活性氧可以通过生物体内的金属离子介导或酶的催化反应相互转变。,* 清除O2,-.,的超氧化物歧化酶(SOD),*清除H,2,O,2,的过氧化氢酶(CAT),三、自由基对生物分子的作用,1.,自由基对,DNA,的损伤作用:,1)碱基的损伤: .OH和.H自由基与嘧啶碱基可发生加成和抽氢两类反应。,2)核糖的损伤: 单、双链断裂与DNA的碱基缺失。,3）磷酸基的损伤,2.,自由基与脂质过氧化（,生物膜的损伤,）,脂质过氧化作用是由于,氧自由基,攻击了生物膜磷脂中的多不饱和脂肪酸引起,形成脂质过氧化物对细胞造成损伤.(如,LPO,),3. 脂质过氧化作用对 细胞的损伤机制,生物膜主要由脂质和蛋白质组成.脂质中含有最多的成分是磷脂等。,1)细胞膜功能的改变(膜结构的刚柔特性,增加膜的通透性,甚至发生崩解),2)脂质过氧化过程中形成的活性氧对酶和细胞其它成分的损伤,。,3)脂质过氧化物的代谢产物对蛋白质的损伤及其成分的毒性效应。,四、抗氧化防御功能,1.,抗氧化酶类,清除自由基酶类的统称,主要有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase SOD)，过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶(Peroxidase)等。,*,SOD是一组金属酶,氧自由基(O,2,.,)的专一酶,SOD的三种类型:CuZnSOD，MnSOD和FeSOD。分别存在于细胞的不同部位。(p16-17),五、抗氧化酶的辐射防护作用,辐射防护是放射生物学工作者面临的 一个重要课题：,1.,SOD,对脂质过氧化与生物膜损伤的防护作用.,2.,SOD,对造血干细胞与骨髓损伤的防护作用.,(照前及照后给予SOD使小鼠WBC与RBC下降减轻),3.,SOD,对小鼠存活率的影响.,(照前注射SOD使受照小鼠死亡率降低),SOD对照前小鼠红细胞数,变化的效应 (X S),照射量,红 细 胞 数 (X10-9/ml),(Gy) 0.1mol/L NaCl(对照) SOD(35g/g),5.5 4.990.46 8.29 0.53*,6.75 3.341.04 7.39 0.77*,6.5Gy辐照后小鼠死亡率(n=48),SOD(mg/Kg体重) 30d死亡率(%),15 26,35 21,70 45,_,100 32_,第五节 直接作用与间接作用,一、直接作用：,电离辐射的能量直接沉积与生物大分子，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。,二、间接作用：,电离辐射首先直接作用与水，使水分子产生一系列原发辐射分解产物，然后通过水的辐射分解产物再作用于生物大分子。间接作用的几个效应如下：,一定数量的电离辐射产生固定数量的自由基,如果是间接作用,失活溶质分子数，与固定数量的自由基有关，与溶液浓度无关。失活分子的百分数随溶液浓度增加而下降。(p19),受照射的组织、细胞或溶液，其辐射效应随氧浓度的增加而增加，这种现象在放射 生物效应中称为氧效应,(Oxygen effect),。 治疗肿瘤时瘤细胞在增加氧的条件下，辐射敏感性增高，可提高治疗.(p19),3. 保护效应,受照射体系中由于有其它物质的存在，使辐射对溶质的操作效应减轻。,4. 温度效应,降低温度或置于冰冻状态可使辐射损伤减轻。,第六节 氧效应与氧增强比,一、,氧效应,:,受照组织,、,细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增高。,二、氧增强比,（,OER,）：指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。,三、氧浓度对氧效应的影响,四、照射时间对氧效应的影响,五、氧效应的发生机制,LET与OER的关系,氧增强比,（OER）,为,LET,的函数，低,LET,（、）射线，,OER,=2.53.0。随着,LET,增加，,OER,快速下降，这与 RBE的迅速上升位置是相同的。,LET,约等于100keV/m的地方。,第七节 靶学说和靶分子,一、单击模型,二、多击模型,三、单靶与多靶模型,四、,DNA双链断裂模型,五、靶分子,第八节 辐射增敏及辐射防护,一、辐射增敏剂,1.,DNA,前体碱基类似物,二、辐射防护剂,1.,硫氢化合物,（含,SH,基）,巯基乙酸、谷光甘肽、色氨酸、胱氨,酸及半胱氨酸,2. 具有,碱基,功能,胺类：组胺及5-羟色胺,3.,生物反应修饰剂,：,内毒素、植物多糖、雌激素等,4.,中药制剂,:如 姜黄、云脂多糖、榄香,烯 等,第九节 影响电离辐射生物 效应的主要因素,影响生物效应的主要因素有两个:,一、与,辐射,有关的因素,1.射线的种类(电离密度和穿透能力是影响生物学作用的重要)因素。,2.辐射剂量 照射剂量与生物效应之间存在一定的相依关系.（LD,50,）,总的规律,：是剂量愈大，效应愈显著，但不完全呈线性关系。,半数致死量（LD,50,）,定义：,将引起被照射机体死亡,50%,所需的剂量称为半致死剂量,（LD,50,）,，作为衡量机体放射敏感性的参数。,LD,50,愈小，机体放射敏感性愈高。,LD,50/30,表示30日内引起动物或人50%死亡的剂量。（见P30）,辐射剂量率,：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，剂量率与生物效应呈正比关系，要引起急性放射损伤必须要达到一定的剂量率阈值。,4. 分次照射,分次照射是指同一剂量的辐射，分次照射所产生的生物效应低于一次照射，分次愈多，分次间隔时间愈长，生物效应愈小。,5. 照射部位,机体受照部位不同，所产生的生物效应亦不尽相同。,其严重程度为腹部,盆腔,头颈,胸部,四肢,6. 照射面积,内照射,7. 照射方式,外照射(单向或多向),混合照射,二、与机体有关的因素,放射敏感性,：,不同器官,组织和细胞的放射敏感性与分裂活动成正比，与分化程度成反比。,随种系演化不同阶段，其敏感性规律是种系演化愈高，机体组织结构愈复杂，放射敏感性愈高。,不同动物或不同品系之间辐射敏感性有很大差异，其敏感顺序：豚鼠,狗,人,兔小鼠大鼠,2.,个体发育的放射敏感性,总的规律是:,放射敏感性随个体发育过程逐渐降低,即越幼稚的动物越敏感,相对成熟的动物（成年动物机体）敏感性较低.,3.不同器官、组织和细胞 的放射敏感性,敏感性规律：,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。,人体各种组织的放射敏感性顺序：,1）高度敏感组织：淋巴组织、胸腺、骨髓、胃肠上皮、性腺和胚胎组织。,不同器官、组织和细胞 的放射敏感性,2）中度敏感组织：,感觉器官、内皮细胞、皮肤上皮、唾液腺、肾、肝、肺组织的上皮组织。,3）轻度敏感组织,：中枢神经系统、内分泌腺、心脏。,4）不敏感组织,：肌肉组织、软骨和骨组织、结缔组织。,放射敏感性的特殊规律,一般来讲，对于多种细胞是愈幼稚愈敏感；成熟者不敏感但是对于淋巴细胞来说不符合这个规律：,*,淋巴细胞从幼稚到成熟各个阶段都敏感,。,4.亚细胞和分子水平的 放射敏感性,生物大分子的放射敏感性顺序,:,DNA,mRNA,rRNA 和 tRNA,蛋白质,第二章 电离辐射的分 子生物学效应,正常DNA分子结构,DNA是一个由4种单位组成的双螺旋大分子,：,即嘌呤碱,腺嘌呤（A）,和,鸟嘌呤（G）,嘧啶碱,胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）,这些碱基排列成两条线性列阵（或链），中间以氢键结合在一起，外侧则以非共价键与糖-磷酸残基相连接（DNA骨架）。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对,（A：T碱基对）,，鸟嘌呤与胞嘧啶配对,（G：C碱基对）,，使DNA的一条链具有另一条链的互补序列。,第一节 电离辐射所致DNA,损伤及其生物学意义,细胞核的放射敏感性,1. 用,210,P,o,沉积于细胞，用,射线照射核或细胞浆；其胞核的平均致死剂量幼红细胞幼单细胞幼粒细胞巨核细胞各系成熟血细胞网状细胞与脂肪细胞等。,2. 造血干细胞的放射损伤 与修复过程,1)脾集落形成单位(CFU-S)的放射敏感性,体内、外CFU-S的放射敏感性,不同发育阶段及不同周龄小鼠的CFU-S的放射敏感性。胎肝CFU-S抗辐射能力是 骨髓CFU-S的1.31.5倍。,不同细胞周期中的放射敏感性,CFU-S在M和G2期放射性较高，S较低,。, 不同能量及LET射线照射时CFU-S放射敏感性的影响: 在射线不同、能量不同时，在一定范围内，随能量增大RBE也会增加，但是超过一定剂量，相对生物效应随之减少。,低剂量照射时的放射敏感性(P184)亚致死剂量照射时的放射敏感性。,2）,造血干细胞急性损伤与修复,造血干细胞的急性损伤与细胞集落形成单位。,辐射停止后造血干细胞还有一个继续下降的过程，下降程度与照射剂量有关，剂量越大，下降越明显，这叫,辐射后效应，,也叫,后效应。,造血干细胞增殖与分化特点(P186),A）造血干细胞数轻度减少时，可通过增殖和分化两种进行修复其中分化增殖,b）当干细胞遭到严重损伤时，数量急剧下降，此时干细胞的增殖速率分化,c）当干细胞池继续缩小到一定程度时，以自身更新为主。,d）造血干细胞向各系分化是不均等的，向红系分化粒系，与数量有关。,3) 脾结节形成有两种方法,内源性脾结节,（CFU-S）,：,利用自身的造血细胞形成的脾结节。即小鼠部分造血组织用铅屏蔽，如：股骨、胫骨，其余部分进行致死剂量照射，存活的少量造血干细胞在脾脏中增殖和分化，最后生成一定数量大小的脾结节，称为内源性脾结节。,外源性脾结节,（CFU-S）,：小鼠受到致死性剂量照射，然后将正常小鼠造血干细胞（骨髓或外周血）输入小鼠体内，使其在脾内增殖、分化、逐渐形成造血细胞集落，表面突起，成为肉眼可见的结节，称为脾结节或脾集落。,1. 外周血中性