高等電離輻射防護教程 夏益華 6第四章 電離輻射的生物效應

電離輻射的生物效應理學院張慧娟Ionizingradiationisubiquitous.Air,water,soil,plants,animals,people,food,paper,machineryandbuildingsareradioactive.

日常照射Radonisahighlyradioactiveelementthatcanhaveseriousadverseeffectsifitgathersinlargequantities.Yourannualdoseofradiationfromnaturalsourcesisabout0.003Svor3mSv人類對電離輻射生物學效應的認識第一階段：時間：發(fā)現(xiàn)X射線（1895年）～1930年代特點：對輻射可能造成的損傷認識不足損傷對象：（1）X射線管的制造者和應用X射線的技術人員；（2）從事放射性物質研究的科學家；（3）鈾礦工人及用含鐳夜光涂料的操作女工。人類對電離輻射生物學效應的認識第二階段：時間：1930～1960年代特點：醫(yī)學界把輻射看作是時髦的診斷和治療手段，卻缺乏對輻射遠期效應的認識，病人由于接受高累積劑量而誘發(fā)過多的白血病、骨腫瘤、肝癌等惡性腫瘤。損傷對象：接受超劑量輻射照射的病人。人類對電離輻射生物學效應的認識第三階段：時間：1960年代～現(xiàn)在特點：

由于人類對輻射危害的認識逐漸深化，防護知識的增長和防護措施的進步，早期的職業(yè)性急性輻射損傷，除事故外，巳極為罕見了。中期所見到的高發(fā)生率的惡性腫瘤，得以避免。除事故外，只能用大群體的流行病學的調查方法，才能發(fā)現(xiàn)輻射損傷或危害有所增加。電離輻射生物學效應電離輻射生物學效應（biologicaleffectofionizingradiation）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和分子后，引起一系列復雜的物理、化學和生物學變化，由此所造成生物體組織細胞和生命各系統(tǒng)功能、調節(jié)和代謝的改變，產(chǎn)生各種生物學效應。輻射的生物效應的特點：很低的吸收能量就能引起高的生物效應；短暫作用引起長期效應。電離輻射生物學效應電離輻射生物學效應的分類確定性效應（組織反應）因細胞丟失導致的組織或器官功能失常或功能喪失，這種效應一般由大劑量照射引起隨機性效應（致癌效應、遺傳效應）包括癌癥以及由動物實驗結果推論的遺傳疾患的增加，可能在受照后很久才顯現(xiàn)出來主要內容生物體對電離輻射的反應確定性效應隨機性效應生物體對電離輻射的反應輻射對DNA的損傷DNA是細胞繁殖遺傳的物質基礎，是引起細胞一系列生化、生理變化的關鍵物質。普遍認為DNA是電離輻射作用主要的靶帶電粒子與DNA分子直接發(fā)生作用，導致細胞的損傷。通過自由基的間接作用：[輻射粒子與DNA周圍環(huán)境成份（主要是水）發(fā)生作用，產(chǎn)生自由基和過氧化物，自由基將能量轉移給DNA，導致DNA產(chǎn)生化學變化。]輻射對DNA損傷的兩種機制自由基：是指具有一個或多個不配對電子的原子或分子，它能夠與其它具有不配對電子的原子或分子形成化學鍵，因此化學性質很活潑、不穩(wěn)定。

堿基變化DNA單鏈斷裂雙鏈斷裂DNA交聯(lián)簇損傷輻射對DNA的損傷CDNA損傷與修復無差錯修復錯配修復SOS修復電離輻射對細胞的損傷作用：一類是對細胞的殺傷作用，即使受照射細胞死亡或受傷，細胞數(shù)目減少或功能減低，結果影響了受照組織或器官的功能，表現(xiàn)為確定性效應，如急性放射病，造血功能障礙。一類是對細胞的誘變作用主要表現(xiàn)為誘發(fā)細胞發(fā)生癌變(致癌)，誘發(fā)基因突變(致突)和先天性畸形(致畸)。影響因素：劑量大小、細胞的增殖能力輻射對細胞的損傷作用輻射與染色體畸變研究發(fā)現(xiàn)，當受到電離輻射照射時，染色體對輻射具有高度的敏感性輻射誘發(fā)的染色體疾病主要是染色體結構的改變。非穩(wěn)定性畸變穩(wěn)定性畸變輻射生物效應的發(fā)生過程時間發(fā)生過程物理階段10-18秒～10-12秒電離粒子穿過原子，同原子的軌道電子相互作用，通過電離和激發(fā)發(fā)生能量沉積。物理化學階段10-12秒～10-9秒從原子的激發(fā)和電離引起分子的激發(fā)和電離，分子變得很不穩(wěn)定，極易發(fā)生反應形成自由基。化學階段10-9秒～數(shù)百秒自由基擴散并與關鍵的生物分子相作用，形成分子損傷。生物階段數(shù)百秒到若干年分子損傷逐漸發(fā)展表現(xiàn)為細胞效應，如染色體畸變、細胞死亡、細胞突變等，最終可能造成機體死亡、遠期癌變以及后代的遺傳改變等。影響輻射生物學效應的因素物理因素

輻射類型、劑量率、受照時間間隔生物因素生物物種、生物物種的年齡、受照部位與面積輻射類型不同種類和不同能量的射線有不同的生物效應。一般說來，高LET輻射(n，)的生物效應比低LET輻射(X，)的更為明顯或嚴重。劑量－效應關系中的決定因素。

輻射劑量劑量率劑量率越高，輻射效應越顯著。劑量率在0.1Gy/h到1Gy/min之間這種關系明顯。X射線及中子輻照后的存活曲線存活曲線根據(jù)不同的劑量和相應的生存率繪制出來的曲線。反映細胞照射后的存活情況存活曲線可能出現(xiàn)的情況直線二次曲線肩區(qū)出現(xiàn)是由于小劑量照射不會導致細胞死亡，小劑量時出現(xiàn)了放射損傷的積累過程存活曲線注意：細胞存活曲線僅代表細胞水平。平均致死量D0代表這一細胞群的放射敏感性。直線越陡，D0值越小，殺滅63%細胞所需的劑量就越小。存活的肩區(qū)寬度Dq越大，造成細胞指數(shù)死亡所需的劑量越大存活曲線的意義研究各種細胞生物效應與放射劑量的定量關系比較各種因素對放射敏感性的影響比較不同放射分割方案的放射生物學效應比較不同傳能線密度射線的生物學效應觀察有氧和乏氧情況下細胞放射敏感性的變化研究細胞的各種放射損傷比較單純放療和放療綜合治療的作用考察各種放射增敏劑的作用生物因素不同生物種系對輻射的敏感性不同半致死劑量（LD50劑量）使一般數(shù)量個體在30天內死亡所需的劑量。通常用來表示各類生物間的輻射敏感性。生物種系人猴大鼠雞龜大腸桿菌病毒LD50（Gy）3.0~5.06.07.07.1515.056.02104生物因素不同年齡對輻射的敏感性不同胚胎不同發(fā)育階段，2GyX射線照射下死胎或畸形的發(fā)生率胎內照射效應胚胎的致死效應主要發(fā)生在植入前期由細胞遺傳學損傷引起畸形主要發(fā)生在器官形成期器官特異缺陷可能伴有智力低下智力遲鈍和智力下降由原爆資料，輻射引起智力遲鈍存在閾值，約為0.12-0.2Gy生物因素不同組織或器官對輻射的敏感性不同高度敏感:

淋巴組織、胸腺、骨髓、性腺、胚胎腸胃上皮中度敏感:

感覺器官、內皮細胞、皮膚上皮、唾液腺、腎、肝等輕度敏感:

中樞神經(jīng)系統(tǒng)、內分泌腺、心臟不敏感:

肌肉組織、軟骨組織、結締組織電離輻射生物學效應電離輻射生物學效應按劑量—效應關系可分為：確定性效應（組織反應）因細胞丟失導致的組織或器官功能失常或功能喪失。輻射效應的嚴重程度取決于所受劑量的大小。這種效應有一個明確的劑量閡值，在閡值以下不會見到有害效應，如放射性皮膚損傷、生育障礙。隨機性效應（致癌效應、遺傳效應）輻射效應的發(fā)生幾率(而非其嚴重程度)與劑量相關的效應，不存在劑量的閡值?？赡茉谑苷蘸蠛芫貌棚@現(xiàn)出來確定性效應特點:(1)有閾.(2)嚴重程度與劑量有關隨機性效應特點:(1)發(fā)生概率與劑量有關，但嚴重程度與劑量無關

(2)線性比例、無閾組織或器官確定性效應的劑量閾值組織或器官確定性效應的劑量閾值急性放射病參考人:身高170cm體重70kg人體一次或短時間（通常指數(shù)日）內均勻或比較均勻地受到>1.0Gy照射引起的全身性疾病。以確定性效應為主AcuteRadiationSyndrome

前期癥狀厭食，惡心嘔吐腹瀉無癥狀潛伏期發(fā)病期厭食，惡心嘔吐，腹瀉組織損傷恢復或死亡TimeIrradiation原則上說，造血型急性放射病經(jīng)適當搶救和治療，都是可以治愈的。皮膚的輻射效應人類認識最早的輻射效應，臨床最為常見。影響因素：輻射性質和輻射量，劑量率和間隔時間，受照面積，受照者情況受照劑量>5.0Gy，即可引起急性皮膚損傷。皮膚損傷與射線及劑量的關系，Gy造血器官的輻射效應造血器官是機體中對輻射作用敏感性高的器官；引起50％受照人員在60天內死亡所需的急性照射劑量約在2.5～5Gy之間，而低于0.5～1.0Gy照射只能引起造血細胞的輕微減少，不至影響受照人員的存活；高于7～10Gy的急性照射則被認為是可引起100％受照人員死亡的劑量，但是這也取決于是否接受有效的治療；如果照射延遲數(shù)月，造血系統(tǒng)的耐受劑量可達3—10Gy；由于骨髓的再生能力，在職業(yè)性照射下，可察覺造血功能障礙的劑量閾值可能高于0.45Sv／年，而致死性骨髓再生障礙的閾劑量可能高于1.0Sv／年。性腺的輻射效應性腺有較強的敏感性，生殖細胞比間質細胞敏感；生育能力一時性或永久性降低，性細胞突變中斷妊娠或后代出現(xiàn)遺傳效應，生殖器官癌變，但發(fā)生幾率極?。粚ι挠绊戨S性別、年齡而異。引起男性不育的閾劑量受照劑量相同時，分次照射的損傷高于單次受照。產(chǎn)生嚴重性性腺損傷的閾劑量與安全劑量間差距甚小，如每周30mSv，一年內能發(fā)生絕育或精子嚴重減少；而每周6mSV時，12一13年后末發(fā)現(xiàn)對精子計數(shù)或對生育力的影響。

引起女性不育的閾劑量卵巢也有較高輻射敏感性但略低于睪丸；年齡是決定性因素，35歲以下耐受力最強；含有生殖細胞的數(shù)量是一定的(成人約100000個)，一旦完全破壞，就絕育了；對性激素的生成有較大影響。胚胎和胎兒的輻射效應胚胎不同發(fā)育階段，2GyX射線照射下死胎或畸形的發(fā)生率胚胎和胎兒的輻射效應主要器官形成期損害導致的畸形，主要是對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的致畸。嚴重智力障礙存在閾值。對群體估計閾值位于0.1—0.2Gy，個體約0.48Gy。兒童智力障礙發(fā)生率與孕齡關系的分析，孕齡10一17周時最為敏感。孕齡＞18周后也可能發(fā)生，但其危險度已降至其前的1／4。孕齡＜7周和＞26周者，未發(fā)現(xiàn)誘發(fā)智力低下。每年接受0.01Sv的女性群體中胚胎的平均危險度約為10-5年。眼晶體的輻射效應影響：眼晶體混濁（lensopacities），白內障（cataract）ICRP估算的輻射致白內障的閾劑量為：單次照射2~10Gy；放療病人致白內障閾劑量的估算：單次照射2Gy，在3～13周分次照射達5.5Gy；低能中子>中能中子>高能中子>X射線。輻射白內障的發(fā)生概率致癌效應致癌效應（Carcinogenesis），惡性疾?。∕alignancy）與射線類型、照射條件和被照對象有關；在高LET輻射作用下，很可能趨向于線性（L）模式；在低LET輻射、低劑量率作用下，很可能符合線性－平方（L－Q）模式；對β、核素內污染致癌觀察，則支持實際有閾值的存在。劑量－效應關系不同組織和器官對輻射致癌作用的敏感性

癌的部位和類型癌的自發(fā)程度輻射致癌的相對敏感性備注1.較高的輻射致癌率乳腺甲狀腺肺（支氣管）白血病消化道

非常高低很高中等高

高非常高特別是女性中等很高中到低

青春期增加敏感性低死亡率吸煙的定量影響不確知尤其骨髓性白血病特別是在結腸發(fā)生2.較低的輻射致癌率咽肝和膽道胰腺淋巴瘤腎和膀胱

低低中中中

中中中中低

———淋巴肉瘤和多發(fā)性骨髓瘤可致何杰金氏病大腦和神經(jīng)系統(tǒng)唾液腺骨皮膚低很低很低高低低低低———低死亡率，需很高劑量3.輻射致癌率不確知的部位和組織喉鼻竇副甲狀腺卵巢結締組織

中很低很低中很低

低低低低低

—————4.未觀察到輻射致癌的部位和組織前列腺子宮和子宮頸睪丸系膜和間皮慢性淋巴性白血病

很高很高低很低低

—————輻射致癌的潛伏期：白血?。?0～13年；甲狀腺癌：20年；乳腺癌：23年；皮膚癌：25年；一般潛伏期取25年。白血病受照低于1.0Gy組，在長崎看不到白血病發(fā)病率的明顯增加，而廣島則不同。中子對誘發(fā)慢性白血病貢獻較大。高本底地區(qū)調查（法國、英國、日本、美國等）未發(fā)現(xiàn)居民白血病發(fā)病率增高。對低LET輻射，白血病誘發(fā)率約（15～25）10-4Gy。這是劑量高于1.0Gy受照人群觀察值，受照小于0.1Gy時，它要小得多?！吧屏嫉摹睈盒阅[瘤，自然發(fā)生率高，女性比男性高2.5倍，死亡率低。據(jù)估計，外照射誘發(fā)甲狀腺癌的有意義的劑量，成人為2.0Gy，小兒為1.5Gy。131I誘發(fā)甲狀腺癌的放射性活度，成人為5.5108Bq，小兒為7.4107Bq。甲狀腺癌輻射誘發(fā)甲狀腺癌的危險度為（50～150）10-4Gy-1，誘發(fā)致死性甲狀腺癌的危險度（5～15）10-4Gy-1肺癌惡性程度高，生長快，易轉移。低LET輻射誘發(fā)肺癌的危險度對受照時大于35歲的人來說，在50×10-4Gy左右；全年齡段整個人群的平均危險度為25×10-4Gy。鈾礦山肺癌的誘發(fā)率比廣島長崎原子彈爆炸幸存者高；肺癌的自然發(fā)生率有較大差異：日本：10210-6a-1捷克：70610-6a-1Why？吸煙的作用：縮短了輻射誘發(fā)腫瘤出現(xiàn)的時間乳腺癌乳腺癌也是“善良的”癌癥，誘發(fā)率高，尤其是青年女性，死亡率低。乳腺癌的誘發(fā)率遠高于死亡率，致死性乳腺癌的危險度約為50×10-4Gy。出生前受照的兒童發(fā)生的惡性腫瘤宮內胎兒受照0.002~0.2Gy后，誘發(fā)致死性惡性疾病的危險度為（200～250）10-4Gy-1。其中一半是白血病，1/4是神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤輻射的遺傳效應From：UNSCEAR報告輻射誘發(fā)染色體畸變的劑量－效應關系Barcinski，1975年，巴西瓜拉巴地區(qū)，年劑量640mR/a，染色體總裂變數(shù)顯著超過對照組；Pohl-Ruling，1979年，奧地利Badgastein地區(qū)，劑量率1.1～3.4mSv，染色體畸變率隨劑量增加而增加。高本底地區(qū)居民的染色體畸變醫(yī)療受照人員染色體畸變職業(yè)照射染色體畸變累積吸收劑量0.07～8.08mGy范圍內，年吸收劑量率<5mGy，染色體畸變率與累積劑量和年劑量率有相關性。結論“淋巴細胞染色體畸