第四章　辐射损伤与X线防护

第一节　电离辐射对生物体的作用原理

一、概　述

生物体的损伤来源于电离辐射，这种损伤是一种非常复杂的过程，其机制目前仍不十分清楚。但损伤的发生、发展按一定的阶段顺序进行，即机体被照射、能量吸收、分子的电离和激发，发生分子结构的变化，生理、生化代谢改变，细胞、组织、器官的损伤，机体死亡等过程。电离辐射的生物效应发生一般需要经历若干性质不同而又相互联系的主要阶段，即物理阶段（电子通过DNA生物大分子产生电离和激发过程）、化学阶段（受损伤的细胞核和分子与细胞中其他结构起快速的化学反应，形成自由基）和生物学阶段（照射后不能被修复的细胞死亡），见图4-1电离辐射损伤过程。

然而，电离辐射对人体的作用过程是“可逆转”的，人体自身具有修复功能，修复能力的大小与个体素质的差异有关，与原始损伤程度有关。放射损伤可分为原发作用和继发作用两个阶段，但两者之间没有明显的界限。原发作用是指射线作用于机体到机体出现症状与体征之前所经历的一系列变化过程，继发作用则是症状出现后的一系列变化过程。原发作用包括机体在射线作用下的能量吸收、传递、转化以及与此相应的生物分子和细胞微结构的损伤和破坏（图4-1）。

二、原发作用

机体受到射线的照射后，吸收射线的能量，其分子和原子（如蛋白质、核酸等生物大分子及水等）很快发生电离和激发。

电离：具有一定能量的射线作用于生物基质的分子和原子，将能量传递给核外电子，使之脱离该原子而形成带正电的阳离子和带负电的电子。

被击出的电子与中子的原子再结合，可形成带负电的负离子。

被击出的带有能量的电子，也可以击出其他原子的核外电子，引起次级电离。

激发：物质的核外电子吸收了射线的能量，但尚不足以使电子脱离该原子，只产生电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道（从内层轨道跳到外层轨道），此时的原子具有多余的能量，而处于“激发态”。激发态的原子处于不稳定状态，高能级的电子很容易跳回原来的低能级轨道上去，此时，多余的能量以X线形式释放出来。

生物基质的电离和激发引起生物分子结构和性质的变化，由于分子水平的损伤进一步造成细胞、器官和整体水平的损伤，从而发生一系列的生物效应。原发作用包括直接作用和间接作用。

（一）直接作用

射线的能量直接射在生物大分子上，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体蛋白质、核酸、酶等，可发生单链断裂、双链断裂及碱基损伤等，这称为直接作用。

DNA是人们公认的辐射靶，这是基于它对辐射的敏感和具有重要的生物功能的特性。细胞DNA一旦受到辐射损伤，就会给机体造成严重的后果。大量的事实支持DNA是辐射靶分子的论点，并用“靶学说”的理论来解释电离辐射的直接作用。

1.每一个细胞具有体积极小的一个或多个能被射线击中的靶子。

2.靶子只存在于细胞核中，射线只能损伤细胞核，损伤的概率符合数学上的“概率”。

3.靶子的大小不同，可以解释对各种机体细胞作用的变异性。

4.照射后细胞核空泡样变，出现的地方代表靶子的部位，靶子存在于染色体内。

5.射线作用的对象是染色体的重要组成物DNA，照射后染色体上的基因发生突变。

靶学说认为在细胞中存在着一处或几处特殊的放射敏感区，命中这些区域（发生电离和激发作用），可导致组织细胞不可逆的损伤，甚至死亡。

关于靶学说，有人做了实验证明，细胞质受损伤时，细胞也会失去分裂能力。还有人用照射过的胞质物质注射到一个未经照射的细胞质内，可使后者的胞核产生与被照相同的变化。

（二）间接作用

射线对水的直接作用引起水分子的电离和激发，被电离的水产生许多自由基，自由基再作用于生物大分子，造成正常结构的破坏，这就是电离辐射的间接作用。

水占成年人体重的70%左右，即使是含水量较少的骨、脂肪，水也占20%以上，射线作用于机体，水吸收大部分辐射能，产生自由基。电离辐射通过自由基的间接作用造成放射损伤。

水分子经射线的电离作用，将水分子中的电子击出，生成带正电荷的水分子H2O＋ 和一个热电子e-。

热电子在其运动的路径上能够击出其他水分子中的电子，产生次级电离。所有的电子在运动和引起电离过程中，逐渐消耗能量，直至不能击出电子，最后被水分子所捕获，成为带有负电荷的水分子。

以上形成的H2O＋、H2O- 是极不稳定的，在水中迅速（10～16秒）分解，形成H ＋、OH- 和OH0、H0自由基。

离子H ＋与OH-，以及自由基OH0、H0迅速互相作用而形成水分子。

自由基极不稳定，很容易与周围物质乃至本身相互作用，例如与生物大分子（以RH表示）作用：

生成的生物大分子自由基R0也是不稳定的，最终将在分子内较弱的键处断裂，或与其他分子作用，造成生物大分子的损伤或变性。

H0可与水中溶解状态的游离氧结合，产生大量的更活泼的自由基和更多H2O2，因而更增加了辐射对生物的损伤效应，称为氧效应。

机体内形成大量的强氧化性和对组织有高度毒性的自由基和过氧化物。自由基的“寿命”虽然（数千分之一秒）很短，但反应能力很强，成为各种损伤的原因。氧化物自由基还可直接将氧转给有机化合物的分子，形成有机氧化合物，引起组织分子的破坏。有机过氧化物的寿命较长，故其作用时间较长。

放射损伤起重要作用的生物大分子，如蛋白质（主要是酶）、核酸（主要是核糖核酸）。细胞内的生物大分子存在于大量的水分子环境中，所以水电解后所形成的自由氧化基对生物大分子的损伤是放射病产生的重要环节，但还不能完全解释辐射损伤的机制。

DNA 分子的辐射损伤可有以下几种：

1.碱基损伤

使碱基发生辐射分解，其中嘧啶类碱基的辐射敏感性最高，在有氧条件下可以生成氧化物，最终使化学键断裂。

2.DNA链的断裂

辐射可引起DNA分子的单链断裂或双链断裂。

3.DNA分子间的交联

两个不同的DNA分子间相互连接。

4.DNA氢链的变化

DNA分子中的氢链断裂。

5.糖基的破坏

糖基被氧化、水解而碱基释放出来。

在细胞中DNA以与蛋白质结合的形式存在，这种结合物称为脱氧核糖核蛋白（DNP），电离辐射能使DNA胶体体系凝聚，可能是细胞核固缩的物质基础。

DNA和DNP受到辐射损伤，导致细胞信息传递障碍而丧失正常功能，直至死亡。

电离辐射还导致DNA合成代谢抑制和分解代谢增强，DNA对电离辐射极为敏感，mRNA 次之，再者 rRNA及tRNA。

三、继发作用

继发作用包括原发作用进一步引起的生物化学变化、代谢紊乱、功能障碍、病理形态改变，以及临床症状的出现和发展，重者机体死亡。其产生的机制：

1.细胞膜和血管壁通透性的改变

影响血液向组织和细胞的营养供应，致使损伤发展。

2.神经体液失调

受照的局部组织神经营养障碍，通过神经冲动传递影响局部组织的呼吸、新陈代谢、血管管径的变化，局部组织产生变性坏死。

3.毒血症

射线对神经系统的直接作用，产生的化学基可引起中枢神经功能失调，植物神经紊乱，周围组织营养不良和代谢障碍，产生毒血症，毒素经体液到达全身各组织部位，引起其他病理变化，加重损伤发展。

原发作用和继发效应彼此重叠，交错进行，使辐射损伤的变化十分复杂。