第二节　影响电离辐射致生物效应的因素

一、电离辐射致生物效应的分类

（一）按效应出现的个体

1.躯体效应

躯体效应发生于体细胞，产生的机体生物效应显示在受照者本人机体上。可以是确定效应，也可以是随机效应。

2.遗传效应

遗传效应发生于胚胎细胞，影响受照者的后代，诱发各种遗传疾病。此类胚胎细胞的功能是将遗传信息传递给新的个体，使遗传信息在受照者的第一代或更晚的后代中显现出来。遗传效应属随机效应。

（二）按效应出现时间

1.早期效应

发生在大剂量的 X射线、γ射线全身照射（一般2Gy以上）后，受照者3个月内出现全身躯体效应，如一般造血系统、消化系统、及中枢神经系统的效应等。可分为急性效应和慢性效应。

2.迟发效应

在一次大剂量照射后引起急性损伤未恢复，或照射后一段时间才出现效应为迟发效应。

3.晚期效应

辐射造成的潜伏性损伤经过几年或数十年才显露出辐射的损伤。如白内障、永久绝育、青少年生长发育迟缓以及诱发恶性肿瘤和白血病等。

迟发效应和晚期效应统称远后效应。

（三）按照射剂量与效应关系

从放射卫生防护的需要考虑，根据国际放射防护委员会（International Commission of Radiation Protection，ICRP）26号出版物按剂量—效应关系把辐射生物效应分为：

1.确定性效应

机体多数器官和组织的功能并不因损失少量或大量的细胞而受到影响，这是因为机体有强大的代偿功能。在电离辐射作用后，若某一组织中损失的细胞数足够多，而且这些细胞又相当重要，将会造成可能观察到的损伤，主要表现为组织和器官功能不同程度的丧失。当照射剂量很小，产生这种损害的概率为零；若剂量高于某一水平（阈值）时，产生概率很快趋于100%。在超过阈值以后，损伤的严重程度会随剂量的增加而加重，这种效应称为确定效应。概言之，辐射损伤的严重程度与所受剂量有关，有明显的阈值，剂量未超过阈值不会发生有害效应。一旦达到阈值，这种效应就一定会发生。

由于不同组织的辐射敏感性不同，辐射发生的确定效应的阈值也明显差异，如骨髓、甲状腺、肺、眼睛晶体、皮肤及性腺反应的阈值都不一样。一般超过阈值剂量越大，确定效应的发生率越高且越严重。确定性效应是躯体效应，如辐射所致白内障、皮肤放射损伤和辐射致不孕症等（表4-1）。

2.随机性效应

研究的对象是群体，当机体受到辐射照射后，一些细胞受损而死亡，另一些细胞发生了变异而不死亡，有可能形成一个变异了的子细胞克隆。当机体防御机制不健全时，经过不同的潜伏期，由一个变异的但仍存活的体细胞生成的这个细胞克隆可能导致恶性病变。这种效应发生概率（不是严重程度）随照射剂量增加而增大，辐射损伤的严重程度与照射剂量无关，这种不存在具体的阈剂量的效应称为随机效应。任何小的电离辐射都可产生这种效应，只不过是概率低而已。随机性效应可以是躯体效应（辐射致癌）也可是遗传效应（损伤发生在后代）（表4-2）。

二、影响辐射致生物效应的因素

（一）电离辐射相关因素

1.辐射类型在相同照射剂量情况下，不同类型的射线，机体产生的生物效应有所不同，同种类型的辐射，射线剂量不同，产生的生物效应也不同。在放射生物学中常用“相对生物效应”（RBE）这一概念表示这种差别（表4-3）。

相对生物效应（RBE）的确定以X线或60Co的γ线为基础。X线或γ射线引起某种生物效应所需要的吸收剂量，与所研究射线类型引起相同生物效应所需吸收剂量的比值（倍数），即相对生物效应。

同一吸收剂量生物效应的大小，很大程度上取决于不同类型射线在介质中的传能线密度（LET）。LET是带电粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量，它以每微米若干千电子伏（keV/μ m）来度量。一般LET值越大的，生物效应越显著。X射线、γ射线属于低LET，相对生物效应为1，而α粒子属于高LET辐射，它的相对生物效应是X射线、γ射线的20倍。

同一类型的辐射，由于射线能量不同，产生的生物效应也不同。例如：低能X线造成的皮肤红斑的照射量小于高能X线，这是因为低能X线主要被皮肤吸收所致。

射线的穿透力大小顺序是：X射线>γ射线>β射线>α射线。α射线对机体以内照射损伤为主，而X、γ射线则以外照射损伤为主，中子具有很强的杀伤能力。

2.剂量率　剂量率是单位时间内机体所受的吸收量。一般总剂量相同时，高的剂量率比低的剂量率损伤效应明显。其机制可能是低剂量率辐射在累积剂量足够引起细胞损伤直至死亡前，机体对损伤的修复作用能够表现出来，而高剂量辐射在短时间内给予一定剂量，机体没有修复的机会。但剂量率增加到一定范围时，生物效应与剂量率之间失去比例关系。例如，剂量率为0.2～1.0Gy/min，在总剂量相等的情况下可以产生程度相同的放射病。剂量率对生物效应的影响也随所观察的具体效应不同而异，从辐射产生的急性放射病，以及远期的白血病就可验证剂量率对机体的影响（表4-4）。

品质因素Q，Sv=Gy·Q，在核医学日常用的γ射线、X射线、β射线、正电子的Q=1，即1Sv=1Gy。中子Q=10，α射线Q=20。

3.分次照射　在照射总剂量相同的条件下，一次照射与分次照射以及分次照射间隔时间不同产生的效应也有差别，一次照射的损伤大于分次照射。分次越多，各照射的间隔越长其生物效应越小，这与机体的代偿和修复过程有关（表4-5）。

4.照射部位　由于身体各部位对射线的敏感性不同，即使吸收剂量和剂量率相同，被照部位不同，发生的生物效应也不同。以5.16×10-1C/Kg相同剂量率分别照射动物的不同部位，结果腹部照射的动物全部在3～5天内死亡，盆腔受照射的动物部分死亡，头或胸部受照射的不发生死亡。实验证明，照射量和剂量率相同情况下，全身损伤以腹部最严重，其次盆腔、头部、胸部和四肢。

5.照射面积　同样的剂量，受照面积越大，损伤越严重。相同剂量照射全身会引起全身急性放射病，而照射局部则一般不会出现症状。如600cGy的辐射作用于几平方厘米的皮肤时，只引起暂时发红，一般不会伴有全身症状；若同样的剂量照射在几十平方厘米的面积上，就会出现恶心、头痛等症状；若照射到全身三分之一时，则会引起急性放射病。局部照射时造成放射病的剂量是全身照射引起同样程度放射病剂量的4～5倍。肿瘤治疗就是利用这一特点，将照射野缩小至尽可能小的范围，分次照射达到最小的剂量，既能杀死更多的癌细胞，又降低了正常组织的损伤效应。

6.照射方式　照射方式分为内照射和外照射。内照射是放射性核素由体外进入体内，作用于机体不同部位。外照射指辐射来源于体外，射线由体外（食入、吸入、接触皮肤破口、注射等）作用于机体的不同部位或全身。内照射、外照射和两者皆有的混合照射时所产生的效应各不相同，外照射的单向和多向照射其后果不一。例如，狗在多向照射时绝对致死剂量为5Gy，而单向照射为8Gy，可见多向照射的生物效应大于单向照射，均匀照射大于不均匀照射。内照射出现生物效应的严重程度与放射物质在体内的吸收、分布、代谢、物理和生物的半衰期及核素的射线类型、能量等多种因素有关，进入机体放射物质少、排除快、物理半衰期短，分布于不重要的器官则伤害轻，反之则反。

综上所述，一般来说，辐射剂量越大，剂量率越高，照射面积越大则生物效应越明显。而在照射剂量相同时，单次照射比多次间隔照射的生物效应要强。体内照射（近距离）大于体外照射（远距离）。

（二）机体相关因素

1.生物种系的敏感性

放射敏感性即当一次照射条件完全相同一致时，机体或其组织、器官对辐射作用反应强弱或速度快慢不同，若反应强、速度快，其敏感性高，反之则低。不同种系的成年动物对射线的敏感程度是不一样的，同样的照射条件下，不同种系动物的致死量、半致死量有很大的差别。

在许多放射生物学工作中则往往将半致死剂量（LD5O）作为衡量机体放射敏感性的参数。所谓半致死量就是引起照射机体死亡50%的剂量，LD5O愈小，机体敏感性愈高。

总的趋势是随着种系演化越高，机体组织结构越复杂，则放射敏感性越高。生物敏感性的顺序是：动物比植物、微生物敏感；温血动物比冷血动物敏感；高等动物比低等动物敏感。

2.个体的敏感性

个体的放射敏感性变动范围很大，如同种系的小白鼠有的受4.0Gy照射即死亡，而另一些却在8.0Gy照射后尚存活，人类也有类似情况。个体的放射敏感差异与以下因素有关：

（1）照射条件：

照射前剂量测定或照后剂量估算的准确度，射线在机体内的分布均匀情况等。

（2）生理特点：

受照机体本身的年龄、性别、生理状况、遗传特征等。哺乳动物的敏感性因个体发育所处的阶段不同而有很大差别，一般情况下放射敏感性随发育过程而逐渐降低。胚胎最为敏感，幼年、少年、青年至成年敏感性依次降低，老年人由于各种功能衰退，其放射敏感性又高于成年。

（3）营养和健康：

受照前后机体的营养补充和健康状况。营养状况好、身体健康抵御放射线能力强。

（4）新陈代谢：

胎儿及幼年较成年者敏感，老年较中青年敏感，雄性较雌性敏感。

个体敏感也不是一成不变的，机体的内部环境与外界因素也可能改变其敏感性。缺氧、高空锻炼、注射雌性激素、低温环境可使耐受性增高；而营养不良、蛋白质和维生素缺乏、饥饿、剧烈运动、过劳、噪声、妊娠或月经期可使机体对射线的耐受性降低。此外，机体的身体免疫力、医疗措施等亦能影响放射的敏感性。

3.不同组织器官与细胞的敏感性

构成身体组织的细胞形态和功能上的不同，对辐射的反应也不一样。凡自身繁殖较活跃的细胞、代谢率高的细胞以及要求更多营养的细胞，对辐射更为敏感。而且对某种细胞，在不同的生长阶段也有不同的敏感性，处在某种分裂周期的细胞对辐射较为敏感；没有完全成熟的细胞比成熟细胞更容易产生辐射损伤。由于细胞具有不同的放射敏感性，不同的组织也有不同的敏感性，而成年动物机体的各种细胞的放射敏感性与其功能状态有密切关系。一般规律是：多细胞生物中分裂旺盛的细胞敏感，代谢旺盛的细胞较不旺盛的细胞敏感，胚胎的及幼稚的细胞较成熟的细胞敏感。人体各组织对射线的敏感性顺序如下：

（1）高敏感组织：

淋巴组织（淋巴细胞）、胸腺组织（胸腺细胞）、骨髓组织（幼稚的红、粒和巨核细胞）、胃肠上皮尤其小肠隐窝上皮细胞、性腺（精原细胞、卵细胞）、胚胎组织。

（2）中度敏感组织：

感觉器官（角膜、晶状体、结膜）、内皮细胞（血管、血窦和淋巴管内皮细胞）、皮肤上皮（包括毛囊上皮细胞）、唾液腺和肾、肝、肺组织上皮细胞。

（3）低敏感组织：

中枢神经系统、内分泌腺（包括性腺）、心脏。

（4）不敏感组织：

肌肉组织、软骨和骨组织、结缔组织。

4.亚细胞和分子水平的放射敏感性

同一细胞的不同亚细胞结构的放射敏感性存在着很大差别，细胞核的放射敏感大于细胞质。实验发现，细胞内不同分子的相对放射敏感性顺序为：DNA> mRNA> rRNA和tRNA>蛋白质，一般认为细胞内DNA损伤是细胞致死的主要原因。

（三）环境因素

1.温度

溶液系统或机体受照射时，降低温度或处于冰冻状态可使辐射损伤减轻，称温度效应和冰冻效应。在进行放射治疗前，先提高肿瘤组织局部温度，其疗效可明显提高。原因可能是：

（1）造成体内含氧量的改变。

（2）新陈代谢水平的变化。

（3）低温和冰冻状况下溶液中自由基的扩散受阻。

2.氧

受照射组织、细胞或溶液系统其辐射效应随周围介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称氧效应。为提高肿瘤组织对辐射的敏感性，在肿瘤局部注射血管扩张剂或给患者吸入3～4个大气压的氧气，以消除肿瘤组织中的“缺氧中心”，就是利用辐射“氧效应”这一特性提高放射治疗效果。相反，减低氧含量可以保护正常组织，这也是一些放射防护剂的作用机制。

3.化学物质

在受照射溶液体系中，由于其他物质的存在，而使一定剂量的辐射对溶质损伤效应降低，称为防护效应。其他物质对该溶质起保护作用亦称自由基的清除剂。也可通过药物作用减少血液供应或化学药物与氧结合，使组织氧浓度减低，达到降低人体组织和生物分子对射线的敏感性。另一些化学物质它们与射线合并应用能增加细胞的致死效应，称为放射增敏剂。