放射生物学3.电离辐射的细胞效应

对于有增殖能力的细胞（如造血细胞、离体 培养细胞、肿瘤细胞等）凡是保留其增殖能 力，能无限产生子代的细胞，称之为存活细 胞。 凡失去增殖能力，不能产生大量子代的细胞， 称为不存活细胞，即死细胞。 在离体培养条件下，一个存活细胞可繁殖成 一个细胞群体，称之为克隆或集落。

细胞存活的剂量-效应关系
细胞存活的剂量-效应关系
细胞存活的剂量-效应关系
电离辐射在细胞水平的效应已经积累了大量 资料，研究者试图将这些资料系统化，概括 为数学模型，以便于理解细胞反应的规律。 指数“单击”曲线 “多击”或“多靶”曲线

指数单击曲线
在指数单击曲线中，细胞（或生物大分子） 的存活分数为辐射剂量的简单函数，细胞 存活率与照射剂量呈指数性反比关系。 这种情况见于病毒或酶的灭活及少数哺乳 动物细胞的射线杀伤。

不同细胞周期的放射敏感性差异




细胞种类不同，其周期时间(TC)可有很大差别，由 十数小时到数百小时不等，而差别的发生主要是G1 时相持续时间的不同。 有丝分裂相持续时间(TM)一般很短，多数细胞在1h 内即完成其分裂。 细胞合成DNA以后的G2相持续时间(TG2)亦很短， 多在2h以内。 由此可以看出，在多数细胞的周期中，对辐射最敏 感的时相(M和G2相)所占比例是较短暂的。
细胞的放射敏感性 电离辐射引起的细胞死亡 细胞存活的剂量-效应关系 细胞的放射损伤
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细胞的放射敏感性
自然界的各种生物对象在受到电离辐射
作用后都表现出一定的损伤。 但在同一剂量下引起损伤的程度有很大 的不同，或者说，引起同一水平的效应 所需要的剂量高低存在很大差异，即为 辐射敏感性差异。

S e
kD
ln S kD
S：某剂量下细胞的存活分数
D：所受剂量
k：常数，与射线性质及细胞敏感性
有关
指数单击曲线
根据靶学说的解释，上述情况属于单击
单靶模型，即在细胞或生物大分子内存 在着一个敏感的靶区，靶区被辐射击中 一次即可引起死亡或灭活。 这种曲线称为单击曲线。
间期死亡的发生机制尚未完全阐明。 以往的资料中多从照射后能量供应(ATP
合成)受抑、膜结构损伤(通透性增高)和 染色质裂解三个方面进行分析。
测定增殖死亡采用体外细胞集落培养法，
观察单个细胞在一次或数次分裂后不能 形成一个克隆，则认为死亡。 能够生长成克隆者计为存活。
间期死亡辨认最常用的是染色排斥法：
电离辐射的 细胞效应
电离辐射的细胞效应
细胞是复杂机体的功能单元，研究电离辐射对 细胞的作用持点，是了解辐射整体效应的重要 基础。 但机体由各种性质与功能不同的细胞组成，它 们对辐射的反应存在很大差别。 因此，既要了解电离辐射引起细胞效应的共性， 也要阐明各类细胞对电离辐射反应的特点。

主要内容
伊红、台盼蓝或氨基黑等染料，活细胞
不着色，死细胞可被染色。
细胞坏死（necrosis)
突然及严重损伤所造成的细胞意外死亡，
这种损伤包括电离辐射、严重的感染、 剧烈的炎症、烧伤或其他形式的创伤以 及化学损伤等。
细胞坏死（necrosis)

坏死细胞的损伤往往在细胞膜表面，使得细胞 膜失去了调节渗透压的能力，造成细胞的肿胀， 其线粒体在损伤早期即出现病理改变，功能受 到损伤，细胞的能量代谢出现障碍。 死亡的细胞破裂成碎片散布在周围组织中，往 往引起明显的炎症反应，损伤的器官或组织出 现功能障碍。
细胞存活的剂量-效应关系
细胞存活曲线主要用于研究以下诸方 面放射生物学问题： 1)各种细胞与辐射剂量的定量关系。 2)比较各种因素对细胞放射敏感性的 影响。 3)观察有氧与乏氧状态下细胞放射敏 感性的改变。
4)观察各种辐射增敏剂的效果，或放射治疗合 并化学药物治疗肿瘤的作用，或放射合并增 温治疗的作用。 5)比较不同LET射线效应。 6)研究细胞的各种放射损伤(致死性损伤，潜在 致死性损伤，亚致死性损伤)以及损伤修复的 放射生物学理论问题。 7)指导临床分次放射治疗肿瘤。

不同类型细胞的辐射敏感性

第三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，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。）
不同类型细胞的辐射敏感性
细胞凋亡（apoptosis)

细胞凋亡的概念由英国阿伯丁大学病理学教 授Kerr在1972年前首先提出，他当时主要根 据形态学持征如细胞体积缩小、核固缩、染 色质凝集等来区分与坏死截然不同的另一类 细胞死亡模式。
细胞凋亡（apoptosis)
随着研究的深入，人们逐渐认同细胞凋
亡是指维持内环境稳定，由基因控制的 细胞自主的有序的死亡。 既包括生理性的程序性死亡(programm cell dealh)，又指由外来因素(生理性或 非生理性)诱发的细胞自杀(suicide)。

不同细胞周期时相的放射敏感性
细胞处于周期不同时相的辐射敏感性
对于大多数细胞来说在G1期有一定的 抵抗，G1/S 边界上敏感性较高。进入 S 期后抗性又逐渐升高，到G2期与M期 细胞又较敏感，甚至达到高峰。
不同细胞周期的放射敏感性差异
⒈ 细胞在接近和处于有丝分裂期时最敏感； ⒉ 常是在S后期放射最抗拒； ⒊ G2期常是敏感的。可能和M期一样敏感； ⒋ 如G1期有一定长度，则可见在G1期的早 期是放射抗拒的，然而G1期的末尾又有一个 敏感时期。
大多数分裂较快的哺乳类细胞受中等剂
量（10Gy以内）照射后发生增殖死亡。 照射后发生有丝分裂的次数与辐射剂量 有关，如接受1Gy照射细胞可分裂5次， 接受10Gy者平均分裂1次或不到1次。
增殖死亡（proliferative death）
在此期间细胞的显微结构和功能可能完
全正常，接着在1次异常分裂当中或以 后发生变性。 有许多细胞并不立即变性，也不进一步 分裂，而是逐渐增大形成巨细胞。

细胞存活的剂量-效应关系
辐射剂量与生物效应的关系，简称剂量-效应 关系，是放射生物学研究的核心问题之一。 剂量-效应关系在放射生物学中是一个广义的 概念，指任何一种生物效应与剂量的关系。 其中，辐射剂量与细胞效应的关系，即细胞 存活的剂量-效应关系研究最多，积累资料也 较为丰富。

细胞存活的剂量-效应关系

间 期 死 亡（interphase death）
这些都属于放射敏感性较高的细胞，1Gy以 内的剂量即足以引起50％以上的细胞死亡。 细胞死亡的发展要经历一定时间，死亡数随 照后时间推移逐渐增加，一般在照射后24h 内达到顶点，剂量愈大，此发展过程愈快。

间 期 死 亡（interphase death）
高度敏感细胞：淋巴细胞（属于高度分
化和不增殖的细胞）、造血细胞、生殖 上皮细胞、胃肠粘膜上皮细胞等 敏感细胞：膀胱、食道等上皮。 中度敏感细胞：神经节细胞、肌肉细胞 不敏感细胞：软骨及骨
肿瘤细胞的辐射敏感性
各种肿瘤对辐射的敏感性有明显差异。 对射线高度敏感的肿瘤：恶性淋巴瘤、

辐射引起细胞死亡的类型
细胞受到电离辐射作用后诱发DNA
损伤、细胞周期调控紊乱及严重的细 胞学后果——细胞死亡。
细胞因其种类不同以及受照剂量的不同，
死亡类型也不相同。
辐射引起细胞死亡的类型
传统上，根据照射后细胞死亡发生的时
间和增殖与否将辐射所致细胞死亡分为 两种类型：增殖死亡和间期死亡。


对于那些不再增殖的已分化细胞，如神经细胞、肌 细胞、分泌细胞等，则以其是否丧失特殊功能来衡 量细胞是否存活，保留机能者为存活细胞，失去功 能者为死亡。 细胞存活曲线，则是通过测量受不同辐射剂量照射 后，有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成 能力，即存活率的变化所绘制出的剂量-效应曲线， 也称之为细胞存活曲线(cell survival curve)。
细胞增殖死亡的机制可能与染色体损伤有关。 辐射诱导的染色体畸变可使分裂后的子细胞 不能获得一套完整的染色体，因而不能进入 以后的分裂而死亡。

间 期 死 亡（interphase death）
是指细胞受到大剂量（100Gy或更大）照射 未经细胞分裂即在间隙期死亡。 又称即刻死亡或非有丝分裂死亡。 但有些细胞在中等或更低剂量照射后即可发 生间期死亡，这类细胞包括胸腺细胞、淋巴 细胞、A型精原细胞和卵细胞等。
精原细胞瘤、肾母细胞瘤等； 中度敏感：鳞状上皮癌、分化差的腺癌， 脑胶质瘤等； 辐射抗性肿瘤：恶性黑色素瘤、软骨肉 瘤等
细胞周期
增殖细胞在两次有丝分裂之间所发生的一系列 事件的总称，包括4个时相。 ① G1期：表示有丝分裂结束和S期开始之间 的时间。 ② S期（synthesis）：是DNA复制的时间。 ③ G2期：表示S期结束到下一次有丝分裂之 间的时间。DNA含量是G1期细胞的2倍。 ④ M期（mitosis）（有丝分裂或细胞分裂）
细胞凋亡（apoptosis)
细胞凋亡是一种主动的由基因导向的细胞消 亡过程，属于普遍存在的生物学现象，在保 持机体内稳态方面发挥积极作用。 在胚胎发生、器官发育与退化、免疫和造血 细胞的分化、选择以及正常和肿瘤细胞的更 新等方面都有重要意义。

细胞凋亡（apoptosis)
在机体的生理过程中，在一定的信号启动下， 凋亡相关基因有序地表达，制约着对整体无 用或有害细胞的清除。 细胞凋亡和细胞增殖为一对矛盾，互相协调， 彼此消长，维护着机体的正常生长、发育与 健康。

细胞凋亡与细胞坏死的区别
细胞凋亡不同于细胞坏死，其形态特征是胞 体缩小，染色质浓缩成块状，并沿核膜聚积， 形成许多固缩的核碎片，而细胞器与膜系保 持完整，质膜出芽(或发疱)，形成膜包被染 色质碎片的凋亡小体。 可被周围细胞吞噬清除或排出管腔(如肠道)。