医学放射生物学_刘芬菊_放射生物学(精选)
3放射生物学 (3)
电离辐射诱导的细胞死亡大家好，本节课我们将介绍电离辐射的细胞学效应之细胞死亡。
致细胞死亡是电离辐射确定性效应发生的根本。
在急性放射损伤的发生机制中，造血细胞和小肠粘膜上皮细胞的死亡分别是骨髓型和肠型急性放射病的重要细胞学基础。
电离辐射诱发的不育症取决于生殖细胞的死亡。
电离辐射引起的脱发起源于毛囊上皮细胞的死亡。
这些将在以后的章节中进一步分析。
死亡细胞v 坏死（necrosis ）v 凋亡（apoptosis ），又叫程序性细胞死亡v 细胞自噬（autophagy ）v 有丝分裂灾变（mitotic catastrophe ）电离辐射诱导的细胞死亡类型正常细胞不同来源组织细胞、不同剂量照射，细胞死亡的方式和发生机制会有所不同。
电离辐射诱发哺乳动物细胞死亡的方式有多种，包括坏死、凋亡、细胞自吞噬死亡和有丝分裂灾变等。
虽然各种死亡方式的发生机制不尽相同，但也会有共同的调节分子、效应分子或者信号通路的交叉。
对于多种死亡的发生机制，研究最为透彻的是细胞凋亡。
Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston2002年诺贝尔生理学与医学奖细胞凋亡：指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主性、程序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用，具有生理性和选择性。
细胞凋亡典型的形态学特征：核固缩、染色质凝集、凋亡小体形成等。
细胞凋亡细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主性、程序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用，具有生理性和选择性。
细胞凋亡具有典型的细胞形态学特征，如核固缩、染色质凝集、凋亡小体形成等。
早在1842年，德国科学家Carl 在研究蟾蜍蝌蚪的发育中，就观察到并首次描述了细胞凋亡的概念，他将其命名为程序性细胞死亡。
直到2002年，诺贝尔生理学与医学奖授予英国科学家悉尼·布雷内、美国科学家罗伯特·霍维茨和英国科学家约翰·苏尔斯顿，以表彰他们为研究细胞凋亡过程中的基因调节作用所作出的重大贡献。
《放射生物学》(含实验内容)教学大纲.
《放射生物学》（含实验内容）教学大纲课程编码：10272060课程名称：放射生物学英文名称：Medical Radiobiology开课学期：8学时/学分：80学时/5 （其中实验学时：36学时）课程类型：专业必修课开课专业：放射医学选用教材：医学放射生物学（第二版）主要参考书：《生物化学》，顾天爵主编《生理学》，张镜如主编《医学免疫学》，龙振洲主编《医学遗传学基础》，杜传书主编《医学细胞生物学》，宋今丹主编《医学分子生物学》，伍欣星、聂广主编《辐射剂量学》，田志恒编《实用放射放射治疗物理学》，冯宁远、谢虎臣、史荣等主编《肿瘤放射治疗学》，谷铣之、殷蔚伯、刘泰福等主编《放射毒理学》，朱寿彭、李章主编《放射损伤和防护》，刘克良、姜德智编《医学放射生物学》，刘树铮主编《低水平辐射兴奋效应》刘树铮著《辐射免疫学》，刘树铮编著《辐射血液学》，刘及主编Radiobiology for the radiologist, Hall EJ eds执笔人：金顺子、龚守良、吕喆一、课程性质、目的与任务医学放射生物学是放射医学的一门重要的基础学科。
通过医学放射生物学的学习，使放射医学专业本科生重点掌握电离辐射对动物机体，特别是人体的影响，为进一步学习放射防护，放射损伤和放射治疗提供生物学理论基础。
二、教学基本要求理论课教学要求使用多媒体和板书结合起来，讲授放射生物学的理论知识；实验课教学要求教师提前进行预实验，保证实验结果的可行性和准确性，让学生掌握实验技能，培养学生的科研思维和创新能力。
三、各章节内容及学时分配第一章电离辐射生物学作用的物理和化学基础[目的]1.了解医学放射生物学研究的基本知识2.系统掌握电离辐射生物学作用的基本规律及其原理3.掌握影响电离辐射生物效应的主要因素[讲授内容]1.电离辐射的种类与物质的相互作用（1）电磁辐射（2）粒子辐射2.电离和激发（1）电离作用（2）激发作用（3）水的电离和激发3.传能线密度与相对生物效能（1）传能线密度（2）相对生物效应4.自由基（1）自由基的概念（2）自由基与活性氧（3）自由基对生物分子的作用（4）抗氧化防御功能5.直接作用与间接作用（1）直接作用（2）间接作用6.氧效应与氧增强比（1）氧效应（2）氧增强比（3）氧浓度对氧效应的影响（4）照射时间对氧效应的影响（5）氧效应的发生机制7.靶学说与靶分子（1）概述（2）单击模型（3）多击模型（4）单击与多靶模型（5）DNA双链断裂模型（6）靶分子8.影响电离辐射生物效应的主要因素（1）与辐射有关的因素（2）与机体有关的因素[授课时数] 6学时[自学内容]1.辐射增敏及辐射防护[教学手段]课堂讲授，采用挂图或多媒体教学设备等第二章电离辐射的分子生物学效应[目的]1.掌握DNA损伤、修复及其生物学意义2.掌握染色质的辐射生物效应3.掌握辐射对细胞膜结构与功能的影响及辐射致癌的分子基础4.了解辐射所致RNA、蛋白质细胞与功能变化以及辐射所致的能量代谢障碍[讲授内容]1.辐射甩致DNA损伤及其生物学意义（1）DNA链断裂（2）DNA交联（3）DNA损伤的生物学意义2.辐射引起的DNA功能与代谢变化（1）辐射对噬菌体、DNA感染性的灭活作用（2）辐射对DNA转化活力的影响（3）辐射对DNA生物合成的抑制作用与机制（4）辐射对DNA降解过程的作用3.染色质的辐射生物效应（1）染色质的辐射敏感效应（2）染色质的辐射降解（3）染色质蛋白的辐射效应4.DNA辐射损伤的修复及其遗传学控制（1）不同类型DNA损伤的修复（2）DNA的损伤修复机制（3）基因组内修复的不均一性（4）DNA修复基因5.辐射对细胞膜结构与功能的影响（1）辐射对膜组分的影响（2）辐射对膜转运功能的影响（3）辐射对膜结合酶活性的影响（4）辐射对膜受体功能的影响（5）辐射对DNA-膜复合物的作用6.辐射致癌的分子基础（1）体细胞突变（2）癌基因和肿瘤抑制基因[授课时数] 6学时[自学内容]1.辐射所致RNA结构与功能的变化2.蛋白质和酶的辐射生物效应3.辐射所致的能量代谢障碍[教学手段]板书、挂图或多媒体课件第四章电离辐射的细胞效应[目的]1.掌握电离辐射对细胞作用的特点，为学习辐射整体效应打下基础2.学习辐射细胞生物学的基本规律，指导肿瘤放射治疗的临床实践[授课内容]1.细胞的放射敏感性（1）不同细胞群体的放射敏感性（2）不同时相细胞的放射敏感性（3）环境因素对细胞放射敏感性的影响2.电离辐射对细胞周期进程的影响（1）电离辐射对细胞周期进程的影响（2）电离辐射影响细胞周期进程的机制①G1期阻滞及基因调控②G2期阻滞及基因调控③电离辐射影响细胞周期进程的生物学意义3.电离辐射引起细胞死亡及机制（1）辐射引起细胞死亡的类型（2）细胞凋亡①细胞凋亡的概念②细胞凋亡的的特征③细胞凋亡的基因调控④细胞凋亡的辐射效应4.细胞存活的剂量效应（1）细胞存活的概念（2）细胞存活的体内、外测量（3）细胞存活的剂量效应曲线①指数单击曲线②多击或多靶曲线5.辐射诱导的细胞损伤及其修复（1）细胞放射损伤的分类（2）细胞放射损伤的修复（3）影响细胞放射损伤及修复的因素[授课时数] 6学时[自学内容]1.辐射对细胞功能的影响（本章第六节）2.诱导的细胞突变及恶性转化（本章第七节）[教学手段]部分多媒体教学第五章电离辐射对调节系统的作用[目的]学习电离辐射对调节系统作用的基本规律，解释辐射效应整体调节机制。
放射生物学
②对放射敏感的富氧细胞选择性杀灭，远离血管的乏氧细胞和血管的距离缩短。
在临床工作中我们可观察到这么一个现象，如肺癌放疗过程中大约2周时，病人出现进食吞咽痛的症状，经过 一段时间后，大约4周，尽管放射的剂量还继续累加，但病人的吞咽同明显减轻，其原因就是食道黏膜上皮的加速 再增殖，使食道黏膜的放射损伤有不同程度的恢复。这种在放疗过程中，细胞的增殖速率不一，在某一阶段内出 现加速增殖的现象，称之为加速再增殖。在放疗区内发生增殖的细胞有两种，一是从放射区外游走进入放射治疗 区进行克隆，例如皮肤、口腔黏膜、消化道黏膜放射损伤后就是通过此方式修复。另外就是照射体积内的细胞进 行克隆，肿瘤细胞就是通过这样的方式产生更多的肿瘤细胞，因而就需要额外的剂量来杀灭加速增殖产生的细胞。
放射后肿瘤内部分细胞获得放射阻抗也和一些因激活而致细胞修复能力改变相关。放射后的胞膜和胞浆可启 动不同传导路径，通过诱导一些转此之外， 放射也可改变酪氨酸激酶传导路径。
许多体内外实验显示，在放疗前或放疗后，由于肿瘤细胞生长环境不同于周围正常组织，细胞常处于基因不 稳定状态，大多分子靶向治疗都是针对肿瘤内异常表达的基因，通过抑制其活性来关闭该基因的传导路径。
临床意义：
预测剂量分割方式的生物效应。
不同剂量分割方式的等效转换。
4R
放射损伤的修 复
放射过程中的 细胞增殖
当细胞受到非致死放射剂量照射后，细胞通过自身的修复机制修复放射损伤，这种非致死放射性损伤包括： 潜在性致死性放射损伤；亚致死性放射损伤。在20世纪60年代Elkind发现受到PLD损伤的细胞，如果处于一个抑 制细胞分裂的环境，这个环境有助于细胞的修复。体外培养试验也证实在放疗后2-4小时内细胞已修复了大部分 SLD，然而不同的细胞的修复动力学也不一样，组织的修复动力学的研究表明SLD的修与照射后的时间呈指数关系， 常用半修复时间1/2T表示。分割剂量和细胞修复动力学的关系目前还不十分清楚，但有资料表明分割剂量大，细 胞的修复能力弱。
苏州大学888医学放射生物学-刘芬菊-放射生物学
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
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O2-和O-,以及HO2. 和.OH;
2.氧的双电子还原物H2O2; 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H2O2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
(Gy)
0.1mol/L NaCl(对照) SOD(35μg/g)
4.0
7.8 ±0.67
8.56 ±0.96
5.5
4.99±0.46
8.29 ±0.53**
6.75
3.34±1.04
7.39 ±0.77**
0
10.57± 0.20 10.53±1.26
6.5Gy辐照后小鼠死亡率(n=48)
二、相对生物效能（Relative biological effectiveness,RBE）
放射生物学基本概
放射生物学基本概念
• 放射生物学：研究放射线对生物体的作用。（作用的原初反应及其后一 系列的物理/化学改变）
• 辐射的种类：
• ㈠电离辐射：能引起被作用物质电离的射线，可分为电磁辐射和粒子辐 射。
• 电磁辐射是以互相垂直的电场和磁场、随时间变化而交变振荡、形成向 前运动的电磁波。有能量没有静止质量。X射线和γ射线都是电磁辐射。 无线电波、微波、红外线、可见光和紫外线也都属于电磁辐射。但只有 X射线和γ射线能引起物质分子电离，为电离辐射。其他为非电磁辐射， 不能引起物质分子的电离，只能引起分子振动、转动或电子能级状态的 改变。具有相同的波速，波长越短，频率愈大者，其能量越高，穿过物 质的能力愈大。
组织器官和系统的变化，最终引起整体功能变化直至发生病变。）
• 电离辐射的一个重要特点：能在被作用物质的局部释放很大的能 量，引起被作用物质的电离和激发。电离和激发又是电离物学基本概念
• 传能线密度（LET）是指电离粒子直接在其单位长度 径迹上消耗的平均能量。辐射生物效应的大小与LET 值有重要关系，射线LET值越大，在相同吸收剂量下 其生物效应越大。电离密度是指单位长度径迹上形成 的离子数，LET与电离密度成正比。
靶分子：基因组DNA和生物膜
• 基因组DNA是细胞功能活动的调节枢纽，是射线作用的靶分子， 并非随机作用于分子的任何部位，而是分子中的某些要害部位易 受损伤，这些要害部位是射线损伤的脆弱点，引起染色体断裂， 分析研究发现在浅G带中畸变率较高，而浅带中存在c-fra部位或 原癌基因或两者共存，是诱发染色体断裂发生率增高的重要因素。 这些研究提示DNA中存在要害部位，对射线敏感性较高。
• 生物膜：细胞膜系具有重要生物功能，对电离较敏感。N型损伤 （DNA分子的电离原初事件，受氧浓度影响较小）和O型损伤 （主要部位为膜系，发生膜的脂质过氧化作用，受氧浓度影响较 大，具有明显的氧增强效应）
放射生物学全篇
（一）物理阶段 包括带电粒子和组成组织原子之间的相互作用。 当电子通过时仅作用于轨道电子，将一些电子打出原子（电离）并使其他在原子或分子内的电子进入较高能量水平（激发）。 一个10m体积的细胞，每吸收1Gy的剂量将发生超10的5次幂的电离。 （二）阶段化学 电离和激发化学键的断裂和形成被破坏的分子（自由基），非常活跃，参与一系列的反应，最后电子负荷平衡的重建。自由基反应在射线照射后约1毫秒内就全部完成。 （三）生物阶段 包括其后的所有过程。占多数的损伤如DNA内的损伤都可以成功修复。仅有较少的一些损伤不能修复，这些未修复的损伤最后导致细胞死亡。 干细胞被杀灭、丢失 早反应 正常组织和肿瘤内存在细胞杀灭的继发效应，即代偿性细胞增殖。 晚反应、辐射致癌
治疗次数
损伤程度
放射损伤示意图
１ ２ ３ ４
５ ６ ７ ８
损伤超过此水平，组织便不能修复
正常组织
肿瘤组织
９ １０
１１
１２１３１４１５１６１７
损伤程度
治疗次数
肿瘤复发示意图
１ ２ ３ ４
５ ６ ７ ８
损伤超过此水平，组织便不能修复
正常组织
肿瘤组织
９ １０
１１
１２１３１４１５１６１７
损伤程度
（二）细胞放射损伤的修复
1.亚致死损伤的修复：指一定单一剂量分成间隔一定时间两次， 所观察到的存活细胞增加的现象。
1959年发现细胞能在3小时内完成这种修复 一般为30分到几小时 亚致死损伤半修复时间 （T 1/2）表示不同组织特性 小肠=0.5小时 脊髓=1.5小时 啮齿动物皮肤湿性脱皮=1.3小时 非常规分割中，两次间隔大于6小时
放射生物在放射治疗中的意义
临床放射生物学PPT课件
2）细胞周期内的放射敏感性 不同时相放射敏感性不同。处于M期的细胞受照射很敏感,可引起细胞即刻死亡或染色体畸变.G1期早期对辐射不敏感,后期则较敏感,周期较长的细胞在G1期受照射可能发生G1抑制,延迟进入S期.S前期也较敏感,受照可使DNA合成速度变慢,细胞延迟进入G2期.G2期是对辐射极敏感的阶段,处于此期即使较低剂量也会由于所需特异蛋白质和RNA合成障碍引起长时间分裂延迟,也称“G2阻断”。可能的原因是细胞在分裂前没有充分时间修复放射损伤，细胞存活曲线上G2M期细胞没有肩区，而S期肩区最大。
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细胞存活曲线是用来定量描述照射剂量与存活细胞数量相关性的一种方法。以剂量为横坐标，存活率为纵坐标。细胞存活曲线在研究放射效应规律及影响因素的相互比较中有重要意义。在不同类型射线照射后效应差异，放射增敏剂与保护剂的效果，乏氧对放射效应的影响等研究中，它是一个必不可少的重要参数。
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直接作用（direct action of radiation） 是任何射线(X线、带电或不带电粒子）在被生物物质吸收时，直接和细胞关键的靶起作用，靶的原子被电离或激发，从而启动一系列的事件导致生物改变。高LET射线主要是直接作用。间接作用（indirect action of radiation） 射线在细胞内和另一个原子或分子相互作用产生自由基，它们可以扩散一定距离达到一个关键的靶并造成损伤，称之为间接作用。即射线先作用于关键靶的周围结构，其分解产物再作用于关键靶。
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第四章：肿瘤的放射生物学概念
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肿瘤的增殖动力学层次（cell kinetic compartments of tumor）第一层次：增殖细胞 第二层次：静止细胞第三层次：终末细胞（不具有分裂能力）第四层次：死亡细胞肿瘤倍增时间（tumor volume doubling time，Td）由细胞周期时间，生长比，细胞丢失率决定潜在倍增时间（potential doubling time，Tpot）为理论参数，假设在没有细胞丢失情况下肿瘤细胞群体增加1倍所需要的时间。
临床放射生物学
高LET射线，如中子或α粒子
间接作用 Indirect action
电离辐射作用于一 个原子和分子的同时 又直接作用于水，使 水分子产生一系列原 发辐射分解产物，然 后通过这些辐射分解 产物再作用于生物大 分子，引起后者的物 理和化学变化
本质：通过水电离。
(三)水的电离和激发
生物体是由各种物质的分子所组成，除 生物大分子和无机分子外，水占生物体重的70 ％左右。
电离辐射作用于机体生物大分子的同时， 也作用于机体的水分子。
电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又 可进一步影响生物大分子
水分子受电离辐射作用时，发生电离和激发
作用。
使水分子产生羟自由基(·OH)
15、一年之计，莫如树谷；十年之计 ，莫如 树木； 终身之 计，莫 如树人 。202 1年7月 上午1 2时8分 21.7.1 300:0 8July 13, 2021
16、提出一个问题往往比解决一个更 重要。 因为解 决问题 也许仅 是一个 数学上 或实验 上的技 能而已 ，而提 出新的 问题， 却需要 有创造 性的想 像力， 而且标 志着科 学的真 正进步 。202 1年7月 13日 星期二1 2时8分 32秒0 0:08: 3213
17、儿童是中心，教育的措施便围绕 他们而 组织起 来。上 午12时 8分32 秒上午 12时8 分00: 08:32 21.7.1 3
July 2021
2、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年六月十七日2021年6月17日星期四