放射生物效应与放射防护.ppt
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1、 第二章第二章 放射生物效应与放射防护放射生物效应与放射防护1 1 电离辐射生物效应电离辐射生物效应 电离辐射生物效应是指核射线的能量传电离辐射生物效应是指核射线的能量传递给生物机体后,发生的一系列变化和反应递给生物机体后,发生的一系列变化和反应(包括:病理、生理、生化或形态学的变化等)(包括:病理、生理、生化或形态学的变化等),同时它也为放射防护标准的制定提供依据。,同时它也为放射防护标准的制定提供依据。电离辐射生物效应的作用机制较为复杂,目前电离辐射生物效应的作用机制较为复杂,目前还没有完全搞清楚,一般认为,从机体吸收辐还没有完全搞清楚,一般认为,从机体吸收辐射能到产生生物变化射能到产生生
2、物变化(如功能的改变、细胞损如功能的改变、细胞损伤或死亡等伤或死亡等)要经历几个性质不同而又相互联要经历几个性质不同而又相互联系的阶段,即物理阶段、物理系的阶段,即物理阶段、物理-化学阶段、化化学阶段、化学阶段和生物学阶段学阶段和生物学阶段(如图如图)。一、作用机理一、作用机理四个阶段两种四个阶段两种作用作用 其中前三个阶段又称电离辐射的其中前三个阶段又称电离辐射的原发作用过程,可在极短的时间内完原发作用过程,可在极短的时间内完成。而后一阶段又称为电离辐射的继成。而后一阶段又称为电离辐射的继发作用过程,可延续至数天、数月、发作用过程,可延续至数天、数月、数年甚至更长时间。在这期间,一方数年甚至
3、更长时间。在这期间,一方面由于射线的作用引起机体的一系列面由于射线的作用引起机体的一系列损伤,另一方面,机体又在不断地进损伤,另一方面,机体又在不断地进行修复。这两种相反过程的消长和变行修复。这两种相反过程的消长和变化,决定电离辐射生物效应的转归。化,决定电离辐射生物效应的转归。1 1、直直接接作作用用(direct direct effects)effects):是是指指电电离离辐辐射射直直接接作作用用于于具具有有生生物物活活性性的的大大分分子子、如如核核酸酸、蛋蛋白白质质等等,使使其其发发生生电电离离、激激发发或或化化学学键键断断裂裂而而造造成成分分子子结结构构和性质的改变。和性质的改变。
4、2 2、间接作用、间接作用(indirect effects):indirect effects):是指是指电离辐射作用于体液中的水分子电离辐射作用于体液中的水分子(机体机体内水占体重的内水占体重的70%)70%),引起水分子的电离,引起水分子的电离和激发,形成化学性质活泼的不稳定的和激发,形成化学性质活泼的不稳定的自由基自由基(如如H HOHOH),再作用于生物大再作用于生物大分子,而发生一系列变化。分子,而发生一系列变化。直接作用直接作用和间接作用只和间接作用只是射线能量传是射线能量传递的途径不同,递的途径不同,两者所造成的两者所造成的大分子损伤在大分子损伤在本质上没有区本质上没有区别。别
5、电离辐射的能量沉积是一个随机电离辐射的能量沉积是一个随机过程。如果在细胞内的关键部位沉积过程。如果在细胞内的关键部位沉积足够的能量,就有可能损伤细胞。损足够的能量,就有可能损伤细胞。损伤的细胞若不能得到及时而充分的修伤的细胞若不能得到及时而充分的修复,就会妨碍细胞的存活或增殖,或复,就会妨碍细胞的存活或增殖,或产生一个虽能存活但业已改变的细胞。产生一个虽能存活但业已改变的细胞。这两个结果对机体的影响是完全不同这两个结果对机体的影响是完全不同的。前者可导致确定性效应的发生,的。前者可导致确定性效应的发生,而后者可导致随机效应的发生。而后者可导致随机效应的发生。电离辐射生物效应的发生机理非常复杂
6、电离辐射生物效应的发生机理非常复杂,最根本的作用是射线作用于生物大分子(核最根本的作用是射线作用于生物大分子(核酸、蛋白质、酶等)引发一系列改变(细胞酸、蛋白质、酶等)引发一系列改变(细胞改变、组织器官改变直至机体死亡),同时改变、组织器官改变直至机体死亡),同时机体各细胞、组织又是相互联系整体,会相机体各细胞、组织又是相互联系整体,会相互影响。实验研究表明,辐射损伤细胞产生互影响。实验研究表明,辐射损伤细胞产生的损伤信号可导致临近未受照细胞出现同样的损伤信号可导致临近未受照细胞出现同样的损伤效应的损伤效应 即:辐射旁效应。电离辐射旁效即:辐射旁效应。电离辐射旁效应的提出应的提出,是对某些传
7、统观念有力的挑战是对某些传统观念有力的挑战,有有助于深入理解辐射生物效应助于深入理解辐射生物效应,特别是低剂量特别是低剂量辐射生物效应的本质辐射生物效应的本质,以及对放射肿瘤临床以及对放射肿瘤临床起到重要的指导作用。起到重要的指导作用。二、放射生物效应的影响因素二、放射生物效应的影响因素影影响响电电离离辐辐射射生生物物效效应应的的因因素素比比较较复复杂杂,一一般般可可归归结结为为与与辐辐射射有有关关的的因因素素、与与受受照照机机体体放放射射敏敏感感性性有有关关的的因因素素以以及及与与环环境境有有关关的的因因素素三三个个方方面面。生生物物效效应应的的大大小小是是各各方面因素综合作用的结果。方面因
8、素综合作用的结果。(一)与辐射有关的因素(一)与辐射有关的因素1 1、照射剂量与剂量率、照射剂量与剂量率 在条件相同的情在条件相同的情况下,一般认为在一定的剂量范围内机体况下,一般认为在一定的剂量范围内机体受照剂量越大,产生的生物效应越严重。受照剂量越大,产生的生物效应越严重。吸收剂量是决定生物效应大小的基本依据。吸收剂量是决定生物效应大小的基本依据。不同剂量对人体损伤的估计不同剂量对人体损伤的估计 2 2、照射方式及射线的种类、照射方式及射线的种类 照射的方式分为内照射和外照射照射的方式分为内照射和外照射两种。内照射是指放射性核素或放射性两种。内照射是指放射性核素或放射性物质进入体内,在体内
9、发射出射线对机物质进入体内,在体内发射出射线对机体进行的照射。外照射是指放射性核素体进行的照射。外照射是指放射性核素或放射源在体外,机体受其发射出的射或放射源在体外,机体受其发射出的射线照射。由于不同的射线具有不同的电线照射。由于不同的射线具有不同的电离能力和穿透能力,因此产生的生物效离能力和穿透能力,因此产生的生物效应也不相同,就一种射线而言,在不同应也不相同,就一种射线而言,在不同的照射方式下产生的生物效应也不一样。的照射方式下产生的生物效应也不一样。3 3、照射次数与照射面积、照射次数与照射面积 在相同的剂量条件下,分次照射在相同的剂量条件下,分次照射和单次照射产生的生物效应不同,照射次
10、和单次照射产生的生物效应不同,照射次数分的越多,间隔的时间越长,引起的生数分的越多,间隔的时间越长,引起的生物效应越轻。在相同的剂量条件下,受照物效应越轻。在相同的剂量条件下,受照的面积愈大,生物效应也就愈明显;全身的面积愈大,生物效应也就愈明显;全身照射比局部照射的危害大得多,这主要是照射比局部照射的危害大得多,这主要是由于机体造血系统受到严重损害的缘故。由于机体造血系统受到严重损害的缘故。相同剂量的同种射线,分隔的次数愈多,相同剂量的同种射线,分隔的次数愈多,时间间隔愈长,生物效应就越轻,其原因时间间隔愈长,生物效应就越轻,其原因与机体的代偿和修复过程有关与机体的代偿和修复过程有关 总剂量
11、相同,照射次数不同时大白鼠的死亡率总剂量相同,照射次数不同时大白鼠的死亡率(二)与受照机体放射敏感性有关的因素(二)与受照机体放射敏感性有关的因素1 1、生生物物种种系系 不不同同种种系系的的生生物物其其放放射射敏敏感感性性不不同同,规规律律是是种种系系演演化化越越高高,机机体体结结构构越越复复杂杂,其其射射线线的的敏敏感感性性越越高高。多多细细胞胞生生物物比比单单细细胞胞生生物物敏敏感感,哺哺乳乳类类比比鸟鸟类类、鱼类、两栖类敏感性高。鱼类、两栖类敏感性高。2 2、生物个体、生物个体 在同一种系中个体敏感性在同一种系中个体敏感性不同,而个体在不同的发育阶段敏感性也不同,而个体在不同的发育阶段
12、敏感性也有差异,一般是随着个体的发育生长,其有差异,一般是随着个体的发育生长,其放射敏感性逐渐降低,如胚胎期较胎儿期放射敏感性逐渐降低,如胚胎期较胎儿期敏感,幼年、青少年比成年敏感。敏感,幼年、青少年比成年敏感。3 3、同同一一个个体体的的不不同同器器官官、组组织织和和细细胞胞放放射射敏敏感感性性各各异异 一一般般认认为为:代代谢谢旺旺盛盛的的细细胞胞较较代代谢谢不不旺旺盛盛的的细细胞胞、分分裂裂活活动动旺旺盛盛的的细细胞胞比比不不旺旺盛盛的的细细胞胞敏敏感感,胚胚胎胎及及幼幼稚稚细细胞胞较较成成熟熟细细胞胞敏敏感感。除除以以上上因因素素外外,受受照照时时机机体体状状态态对对引引起起的的生生物
13、物效效应应也有一定影响。也有一定影响。4 4、亚细胞及分子水平的辐射敏感性、亚细胞及分子水平的辐射敏感性 依次为:依次为:DNADNAmRNAmRNArRNArRNAtRNAtRNA蛋白蛋白质。质。机体组织的放射敏感性分类机体组织的放射敏感性分类(三)与环境有关的因素(介质因素)(三)与环境有关的因素(介质因素)比如温度增高,效应增大,相反比如温度增高,效应增大,相反则降低;氧气浓度增大,效应增大;则降低;氧气浓度增大,效应增大;某些激素某些激素(如雌激素如雌激素)和化学制剂(比和化学制剂(比如甘露醇)对辐射有抗辐射作用,称如甘露醇)对辐射有抗辐射作用,称为辐射保护剂;还有一些能起增强的为辐射
14、保护剂;还有一些能起增强的作用,称为辐射增敏剂。前者保护正作用,称为辐射增敏剂。前者保护正常组织,后者为提高放疗效果。常组织,后者为提高放疗效果。三、放射生物效应效应分类三、放射生物效应效应分类 国际辐射防护委员会国际辐射防护委员会(ICRP)ICRP)建议将建议将辐射生物效应按其发生机制分为随机效应辐射生物效应按其发生机制分为随机效应和确定性效应两大类。和确定性效应两大类。1 1、随机效应、随机效应(stochastic effects)stochastic effects):是是 指辐射效应的发生几率指辐射效应的发生几率(而非重严程度而非重严程度)与与剂量相关的效应。随机效应的发生几率随剂
15、量相关的效应。随机效应的发生几率随受照剂量的增加而增大,但效应的严重程受照剂量的增加而增大,但效应的严重程度与剂量大小无关。一般认为,随机效应度与剂量大小无关。一般认为,随机效应的发生没有剂量阈值,即生物效应的发生的发生没有剂量阈值,即生物效应的发生概率与受照剂量呈线性无阈关系。概率与受照剂量呈线性无阈关系。随机效应主要包括辐射诱发癌症和随机效应主要包括辐射诱发癌症和遗传效应两类。辐射对受照者本人,除遗传效应两类。辐射对受照者本人,除了诱发癌症外,并不引起其他随机性效了诱发癌症外,并不引起其他随机性效应。由于遗传与生理的差异,个体对辐应。由于遗传与生理的差异,个体对辐射诱发癌症的敏感性是不同的
16、但总的射诱发癌症的敏感性是不同的。但总的来说,辐射诱发癌症的概率是很低的。来说,辐射诱发癌症的概率是很低的。如果辐射引起生殖细胞的损伤,这个损如果辐射引起生殖细胞的损伤,这个损伤可以传递下去并表现为受照者后代的伤可以传递下去并表现为受照者后代的遗传紊乱。这种随机性效应称为遗传效遗传紊乱。这种随机性效应称为遗传效应。遗传效应只在动植物研究中出现,应。遗传效应只在动植物研究中出现,尚未被确认在人类发生。尚未被确认在人类发生。辐射诱发遗传性伤害有二种形式,辐射诱发遗传性伤害有二种形式,即基因突变和肉眼能见的染色体畸变即基因突变和肉眼能见的染色体畸变(染色体结构或数目的改变)。(染色体结构或数目的改
17、变)。2 2、确定性效应、确定性效应(deterministic deterministic effects)effects):指效应发生的严重程度与指效应发生的严重程度与受照剂量相关,有剂量阈值,阈值以受照剂量相关,有剂量阈值,阈值以下不会发生这种效应,阈值以上可能下不会发生这种效应,阈值以上可能发生这种效应。如不育、白内障、造发生这种效应。如不育、白内障、造血机能低下、寿命缩短等皆属于。血机能低下、寿命缩短等皆属于。成年人睾丸、卵巢、眼晶体及骨髓的确定性效成年人睾丸、卵巢、眼晶体及骨髓的确定性效应的估计值应的估计值组织和效应组织和效应阈值阈值在在一一单单次次短短时时照照射射中中受受 到到
18、的的 总总 剂剂 量量 当当 量量(SvSv)在在分分次次很很多多的的照照射射或或迁迁延延照照射射中中受受到到的总剂量(的总剂量(SvSv)多多年年中中每每年年以以分分次次很很多多的的分分次次照照射射或或迁迁延延照照射射接接受受剂剂量量时时的的年年剂量率(剂量率(SvSva-1a-1)睾丸睾丸暂时不育暂时不育永久不育永久不育卵巢卵巢不育不育眼晶体眼晶体可查出的混浊可查出的混浊视力障碍(白内障)视力障碍(白内障)骨髓骨髓造血机能低下造血机能低下0.150.153.5-6.03.5-6.02.5-6.02.5-6.00.5-2.00.5-2.05.05.00.50.5NANANANA6.06.05
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