第三章放射性核素內(nèi)照射作用機制、特點及影響因素放射化學(xué)與放射毒理教研室劉曉梅liuxiaom@2014.03.11§1.放射性核素內(nèi)照射作用的機制及特點放射性核素作用機制

放射性核素作用特點一、放射性核素的作用機制

對機體作用的過程生物分子的電離和激發(fā)直接作用和間接作用靶分子和靶結(jié)構(gòu)（一）對機體作用的過程放射性核素進入機體后，釋放出的α、β帶電粒子以及γ射線的光子，都會對生物體產(chǎn)生一定的作用。闡明放射性核素對生物體的作用過程，對于理解其放射生物學(xué)作用的本質(zhì)以及防治放射損傷，都有重要的意義。物理階段（10-13s）化學(xué)階段（10-4s）物理化學(xué)階段（10-10s）生物學(xué)階段(數(shù)秒至若干年)直接作用間接作用生物大分子的能量吸收水分子的能量吸收電離和激發(fā)電離和激發(fā)重排重排原發(fā)損傷擴散自由基繼發(fā)作用與生物大分子作用分子內(nèi)能量傳遞生物自由基與生物大分子作用分子變化代謝突變生化變化亞顯微損傷可見損傷細胞死亡機體死亡輻射晚期損傷圖輻射作用的時項階段使生物體中的原子和分子激發(fā)和電離，將部分能量轉(zhuǎn)化為激發(fā)能或電離能。帶電粒子在生物體的原子核電場的作用下，運動方向發(fā)生變化并得到了加速度，使一部分動能轉(zhuǎn)化為連續(xù)能量分布的韌致輻射。帶電粒子通過同生物體的原子和分子發(fā)生不斷的彈性碰撞，將帶電粒子的一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能。1.帶電粒子對生物體的作用韌致輻射2.γ射線對生物體的作用放射性核素釋放γ射線的光子通過生物體時，主要產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對生成等作用過程光電效應(yīng)(photoelectriceffect)－－低能光子康普頓效應(yīng)(comptoneffect)－－中能光子電子對生成(electronpairproduction)－－高能光子光電效應(yīng)光子與物質(zhì)原子的軌道電子（主要是內(nèi)層電子）碰撞，把能量全部交給軌道電子，使之脫離原子，光子消失，這種作用過程稱為光電效應(yīng)(photoelectriceffect)

光子與原子的核外電子碰撞，將一部分能量傳遞給電子，使之脫離原子軌道成為自由電子，

光子本身能量降低，運行方向發(fā)生改變，稱為康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)康普頓效應(yīng)

電子對生成當(dāng)

光子能量>1022keV時（1022keV相當(dāng)于兩個電子的靜質(zhì)量），其中1022keV的能量在物質(zhì)原子核電場作用下轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子，稱為電子對生成(electronpairproduction)（二）生物分子的電離與激發(fā)

(ionizationandexcitation)在電離輻射作用下，生物效應(yīng)主要起源于組成生物系統(tǒng)的各種分子的電離。電離輻射可以作用生物大分子和水分子使其電離和激發(fā)。引起生物大分子損傷和水分子活化，進而加重生物大分子損傷。生物大分子的結(jié)構(gòu)決定了它們的功能。（三）直接作用和間接作用

直接作用主要是指放射性核素所釋出的粒子或射線直接對生物活性的分子引起激發(fā)和電離，影響其正常功能和代謝障礙，繼而導(dǎo)致具有生物活性的有機化合物分子（如核酸、蛋白質(zhì)等）的變化。

對大分子直接損傷的實驗，都是在干燥狀態(tài)或含水量很少的大分子或細胞上進行的。只有當(dāng)物質(zhì)的含水份量極低時，才可以說輻射效應(yīng)的發(fā)生主要是由于直接作用。

間接作用主要是指放射性核素的輻射通過水的原發(fā)輻解產(chǎn)物．H，·OH，e水合-，H2O2等作用于生物大分子而引起損傷。機體的多數(shù)細胞的含水量很高，可達70％以上，而細胞內(nèi)生物大分子一般是存在于含大量水分子的環(huán)境之中，因此間接作用在生物大分子損傷的發(fā)生上起著重要作用。值得注意的是電離輻射的直接作用和間接作用在細胞內(nèi)是同時存在的，在放射損傷的發(fā)生發(fā)展中，是相輔相成的。（四）靶分子和靶結(jié)構(gòu)

DNA和膜是射線作用的靶，是引起細胞一系列生化、生理和病理變化的關(guān)鍵

DNA對輻射敏感，受到輻射損傷，會給機體造成嚴(yán)重后果。DNA的輻射損傷在DNA分子上是非隨機分布的，這種非隨機損傷對輻射誘發(fā)突變、癌變、細胞老化和死亡具有重要意義。膜對輻射高度敏感細胞受照射后，膜上的鞘磷脂迅速下降，導(dǎo)致其酶解產(chǎn)物神經(jīng)酰胺迅速增加。神經(jīng)酰胺是第二信使，介導(dǎo)細胞凋亡。

DNA鏈必須附著在膜上或形成DNA膜復(fù)合物時才能復(fù)制。射線一旦破壞了這種附著點，DNA復(fù)制就會停止。膜的靶面積大于DNA二、放射性核素的作用特點不同傳能線密度（LET）的輻射作用不同的相對生物效能（REB）的輻射作用持續(xù)作用輻射作用與化學(xué)作用選擇性蓄積作用（一）不同LET的輻射作用

傳能線密度(linearenergytransfer,LET):直接電離粒子在其單位長度徑跡上消耗的平均能量，其狀態(tài)取決于輻射的類型、各種帶電離子的電荷與質(zhì)量的比值以及運動速度等。

電離密度(ionizationdensity):單位路程上形成的離子對數(shù)。同帶電粒子所帶電荷數(shù)有關(guān)LET不同的輻射源所產(chǎn)生的輻射效應(yīng)不同帶電粒子電離密度不同，對機體產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同放射性核素中釋放的帶電粒子相同但能量不同時，能量高者產(chǎn)生的離子對較多，對機體的損傷效應(yīng)亦較重。如以相對均勻分布的兩種β輻射源為例，引起動物死亡的飼入量也有明顯差異。（二）不同RBE的輻射作用RBE=等生物體受到相同劑量輻照但電離輻射的類型不同時，則產(chǎn)生的相對生物效應(yīng)(relativebiologicaleffectiveness,RBE）也不等。ICRP建議以γ射線為標(biāo)準(zhǔn)射線。

RBE是比較不同的射線產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)的一個直觀指標(biāo)。通常以250keV的X射線為標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在也有以60Coγ射線作為標(biāo)準(zhǔn)的。

標(biāo)準(zhǔn)射線產(chǎn)生的生物效應(yīng)的劑量所試輻射產(chǎn)生相同生物效應(yīng)的劑量

RBE值受許多因素的影響。例如：輻射品質(zhì)、輻射劑量、分次照射的次數(shù)、劑量率和照射時有氧與否等。例如觀察生物效應(yīng)的指標(biāo)不同，相對生物效能的數(shù)值將隨之變化；給予劑量的時間和空間的分布不同，RBE值也不相同；受照射體系所處條件不同亦影響RBE值。表3.1各種電離輻射的相對生物效能輻射種類相對生物效能X，γ1β1熱中子3中能中子5～8快中子10α10重反沖核20核素射線種類能量（MeV）相對生物效應(yīng)(RBE)下限劑量（rad）239Puα5.156200238Thα5.428150226Raα4.791120090Srβ0.540.07～0.245000～17000表3.2幾種親骨性核素引起狗骨肉瘤的相對生物效應(yīng)（三）持續(xù)作用進入體內(nèi)的放射性核素，遵循其固有的衰變規(guī)律釋放出的帶電粒子或射線，對機體產(chǎn)生持續(xù)照射，直到放射性核素衰變成穩(wěn)定性核素或全部被排除體外時為止。一般認為，放射性核素的持續(xù)時間按6個有效半減期計。表3.3（四）輻射作用與化學(xué)作用絕大多數(shù)的放射性核素具有很高的比活度，因此，從質(zhì)量上說，極少量的放射性核素作用于機體，就會引起機體一定的輻射效應(yīng)。就化學(xué)毒性而言，這樣的質(zhì)量對機體不會有明顯的作用。表3.4（五）選擇性蓄積作用放射性核素進入機體后，常顯示出其在某一器官或組織中選擇性蓄積的特點。例如：131I進入機體后，甲狀腺中131I的活度約占體內(nèi)量的68.2%，肝中占0.5%，脾臟中僅占0.05%。可見131I在甲狀腺中呈高度的選擇性蓄積的作用。§2.影響放射性核素作用的因素放射性核素理化因素機體因素接觸放射性核素的因素一、放射性核素的理化性質(zhì)（一）物態(tài)不同物理狀態(tài)的放射性核素在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運和轉(zhuǎn)化過程存在著差異，因而其作用不同。如氣態(tài)的放射性核素主要經(jīng)呼吸道吸收及排除，作用的器官往往為呼吸系統(tǒng)；液態(tài)或固態(tài)的放射性核素在機體內(nèi)的吸收、分布及排除不同于氣態(tài)，因而其作用的特點亦特有差異。肺內(nèi)注入等量不同粒度大小的UO2在大鼠體內(nèi)的分布及對血中非蛋白氮含量的影響表3.5（二）水解性質(zhì)與化合物形式凡屬于鑭系和錒系的放射性核素，在生理的pH條件下，極易水解，這直接影響它們在機體內(nèi)的分布及作用的靶部位。

當(dāng)同種放射性核素的不同化合物進入體內(nèi)時，它們在體內(nèi)的轉(zhuǎn)運規(guī)律是不同的。表3.5不同钚化合物注入大白鼠體內(nèi)后96h在骨骼和肝臟內(nèi)滯留（占注入量的百分?jǐn)?shù)）的比較（三）劑量與劑量率放射性核素所致的近期及遠后效應(yīng)，均與其所致內(nèi)照射劑量有密切關(guān)系。劑量率：單位時間內(nèi)的照射劑量一般說來，對于β、γ放射性核素，當(dāng)劑量率降低時，則效應(yīng)的發(fā)生率及其嚴(yán)重性亦減低。（四）溶劑性質(zhì)不同性質(zhì)的溶劑可明顯地影響放射性核素在體內(nèi)的吸收和效應(yīng)表3.6（五）載體(carrier)放射性核素是否帶有載體，對放射性核素在體內(nèi)的分布定位有明顯的影響。表3.7載體對90Y在大白鼠體內(nèi)分布的影響載體KI用量（mg）服用KI后不同時間的131I排除量（%）24h48h72h135、4935、81-1060、75、7272、83、8385257597-5070949710099、86979820087、859899500889999對照15、19、3818、21、47、47、4055表3.8人服用載體KI對體內(nèi)131I排除量（尿131I占攝入量的百分?jǐn)?shù)）的影響二、機體因素種系差別年齡差別性別因素機體狀態(tài)（一）種系差別放射性核素在不同種系動物體內(nèi)的代謝規(guī)律是不同的。在比較毒理學(xué)研究中，可用下列表達式進行分析

Y＝αWβ

Y：與體重有關(guān)的代謝函數(shù)；W：體重；β：冪指數(shù)，取值為0.75；α：轉(zhuǎn)換系數(shù)可以通過換算得到α值，它表明放射性核素在各種系動物和人體內(nèi)代謝存在的差別表3.9（二）年齡的差別對胃腸道吸收的影響對分布的影響對代謝率的影響對損傷效應(yīng)的影響對胃腸道吸收的影響新生動物小腸的通透性較高以適應(yīng)從母乳中獲取大分子的免疫球蛋白、營養(yǎng)物質(zhì)的生理需要。新生的嚙齒動物小腸部位對進入體內(nèi)的放射性物質(zhì)的吸收要比成年動物高幾個數(shù)量級。對分布的影響表3.10對代謝速率的影響*觀察例數(shù)表3.11表3.12不同年齡的人群甲狀腺某些生物參數(shù)與單位131I活度致甲狀腺的劑量的影響*觀察例數(shù)對損傷效應(yīng)的影響圖不同年齡的患者多次注射224Ra后骨肉瘤發(fā)生率與劑量的關(guān)系（三）性別因素圖人全身137Cs含量與性別的關(guān)系137Cs含量（Bq/kg體重）男性女性（四）機體狀態(tài)妊娠與泌乳營養(yǎng)狀態(tài)病理因素機體狀況—妊娠與泌乳當(dāng)機體處于妊娠和泌乳時期，對某些放射性核素的生物轉(zhuǎn)運過程都有影響。當(dāng)放射性核素進入母體后，其向胎兒轉(zhuǎn)運的程度隨妊娠的不同時期而異。環(huán)境中的放射性核素進入母體后，觀察到其通過乳汁轉(zhuǎn)移至子體的放射性活度，遠比通過胎盤的轉(zhuǎn)移為大，要多達10倍左右。

胚胎不同發(fā)育階段，2GyX射線照射下死胎或畸形的發(fā)生率機體狀況—營養(yǎng)狀況表

缺乏Zn、VitD飼料對238Pu經(jīng)胃腸道吸收的影響機體狀況—病理因素當(dāng)機體中的一些器官或組織的正常生理功能或結(jié)構(gòu)遭受破壞，呈現(xiàn)炎癥病灶或病理性增生時，可使攝入體內(nèi)的放射性核素選擇性的濃集于病態(tài)組織中。eg

：甲狀腺機能亢進時,其攝取131I的程度就要比正常時既快又多。診斷

57Co標(biāo)記的爭光霉素被腫瘤患者攝入后，表現(xiàn)出高度濃集的親腫瘤特性，在腫瘤部位的放射性活度可比正常肌肉和血內(nèi)含量高達20~4l倍。

治療三、接觸放射性核素的因素進入體內(nèi)的方式攝入途徑放射與非放射因素的復(fù)合作用不同類輻射因子的混合照射（一）進入體內(nèi)的方式放射性核素進入體內(nèi)的總活度相同，但進入的次數(shù)不同，放射性核素由一次或分次進入機體時，對機體的損傷效應(yīng)有明顯的不同。分組注射方式（MBq）體重增長值（%）對照0100一次注射組29.663.5分六次注射組4.9322.3表3.14給大白鼠注射131I，52天時對體重增加值的影響（二）攝入途徑

放射性核素的攝入途徑對其內(nèi)照射損傷效應(yīng)有重大的影響。當(dāng)放射性核素直接進入血液并迅速分布到各器官組織時，其損傷效應(yīng)發(fā)生的快而嚴(yán)重皮下注入時，損傷效應(yīng)發(fā)生的緩慢