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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
修复成功 生 物 效 应
直接作用：各种带电或不 恢复正常 死亡 癌变 带电的粒子或光子被物质吸 收后直接与细胞的关键靶 DNA 发生作用，靶原子本
修复失败
身的原子可以被电离或激发，
从而启动一系列的生物变化 事件。
电离辐射的直接作用和间接作用
电离辐射作用的靶是DNA
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
二、辐射的种类及其与物质作用的特点 射线
按本质分
电磁辐射: 本质是电磁波，只有能量而无静质量 粒子辐射: 本质是高速运动的粒子流，有能量 也有静质量
（一）电磁辐射：X射线和γ射线的特点
都属于电磁波，但来源不同，X射线由原子核外的物理过程
产生，γ射线是由原子核内的物理过程产生。
分为
简单的初始斜率为零的模型
改良的初始斜率非零的模型
两种
简单的多靶单击模型的细胞存活分数(SF) ：
照射量 曲线指数区存活率每下降63%所需的照射量
SF = 1- (1- e
- D D0 n
)
外推数或靶数
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放射物理与防护学 这条曲线的初始斜率为0， 其余部分为指数型直线，这个 模型对受高LET照射的哺乳动 物细胞比较适用(如右图) 改良的多靶单击模型是在 上式基础上乘以一个带有指数 失活特点的校正系数后，得到 下列方程式：
高LET射线主要是直接作用。
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第四章 电离辐射生物学作用原理
修复成功 生 物 效 应
恢复正常 死亡 癌变
间接作用：指辐射与 细胞内的其他分子或原子 （特别是水）相互作用， 产生自由基，这些自由基 可以扩散到足够远，到达 并损伤靶DNA。
修复失败
电离辐射的直接作用和间接作用 电离辐射作用的靶是DNA
第四章 电离辐射生物学作用原理
是原子核成分之一，质量为1.672623×10-27kg是电子的
1836倍。质子是稳定粒子，平均寿命大于1032年。宇宙射线中
质子成分占83.3%~89%。
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第四章 电离辐射生物学作用原理
放射物理与防护学 靶学说的理论要点：
第四章 电离辐射生物学作用原理
(1)活细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作“靶” (target)，射线辐照在靶上即引起某种生物效应。 (2)射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立
事件，“击中”几率服从Poisson分布(泊松分布)。
(3)射线在靶区内的能量沉积超过一定值便发生效应，不同 的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数。
以后Blackwood在1931年根据他的辐射实验，计算了基因的大 小。20世纪40年代，几乎同时出版了两部靶学说的经典著作：
① 英国放射生物学家
Lea的《辐射对活细胞的作
②德国物理学家 Timofe¢ eff-Ressovsky
和Zimmer合著的《生物学中的击
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用》把靶概念进一步完善。 中原理》把靶概念进一步完善。
度，引起严重的损伤，
因而α粒子的辐射效应以内照射效应为主，其外照射效应 可忽略。放射治疗时使用>20MeV的特快中子和负π介子照射组
织，在组织中产生α粒子，对杀伤肿瘤细胞起着重要作用。
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
2.β粒子或电子（β particle or electron）
平均致死剂量
假设：受照生物体仅
有一个对射线敏感的结 构，即单靶；
应 用 于
在此单靶中仅发生一次电
离事件或仅一个电离粒子穿 过，即单击。
生物大分子、某些小病毒和细菌，在少数情况下，也适用于描 述高LET辐射（如α粒子）所致的哺乳动物细胞恶化性转化。
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
左图，靶的一次击中数与射线剂
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
（三）靶数学模型 最初是从靶学说的概念中提出描述辐射剂量-细胞存活率
曲线的数学模型。 随着细胞生物学的发展，针对不同生物体对不同品质的射
线、不同照射方式、不同修复条件，拟合了多种数学模型。具
有代表性的模型有以下几种： 1.单靶单击模型(one target and one-hit model)
β：双击所致的细胞损伤(可修复)
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
其方程是由二元辐射作用理论
(theory of dual radiation)提出的，认为
单击和多击效应同时存在，总辐射效 应由αD和βD2的相对重要性决定。
系数α和β值取决于DNA修复能
力和细胞环境中的其他因素。α/β代 表了细胞修复能力的大小。当 αD=βD2或D=α/β时，单击所致的细 胞损伤与双击所致的细胞损伤的贡 献相等。
（四）靶学说的意义和局限性 靶学说和数学模型意义：
对照射后生物大分子的失活规律、辐射敏感体积的估计、
靶相对分子质量的估算，以及在分子水平上评价不同品质射线 对相对生物效能(relative biological effect，RBE)的影响方面有着 重要的指导意义。
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放射物理与防护学 靶学说的局限性：
若将存活部分改为对数坐标，
则可得如右图所示的直线。
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
2.多靶单击模型(more target and one-hit model) 在一些辐射生物实验中，推测有两个或多个靶存在，这时
显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的
多细胞系统，哺乳动物细胞都属于多个靶模型。 多靶单击模型
有关影响细胞辐射效应的因素。
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放射物理与防护学 （一）靶学说概念 历史
第四章 电离辐射生物学作用原理
1924年，Crowther提出了靶学说的概念。认为照射后细胞 有丝分裂的抑制，是由于染色体中有着丝点那样大小的体积中 发生了一次电离的结果,并证明细胞分裂的抑制与照射剂量之
间存在着定量的关系——靶学说的最初形式.
辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了一次电离作
用或“能量沉积事件”的结果，会引起生物大分子失活、基因 突变和染色体断裂等，这种效应决定于辐射的性质和靶的辐射 敏感性。
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放射物理与防护学
第四章 电离辐射生物学作用原理
按照这个学说可以由受到一定照射剂量的生物体比例来计 算靶分子或靶结构的大小。还可以进一步预测产生相同生物效 应的不同射线的电离效率。 现在学者研究认为，主要的靶分子是脱氧核糖核酸(DNA), 此外还有细胞膜。
①有外来的物质或因素，如辐射防护剂、辐射增敏剂或氧
效应等，影响了射线所致的原初损伤。 ②被照射的细胞不是均匀的，而是具有不同辐射敏感性的 几种细胞的混合体。 ③照射后的代谢过程如修复作用或继发效应影响着所观察 的生物效应大小。 ④在观察的生物效应出现以前，由于射线直接作用形成的 靶分子自由基已经被“化学修复”
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第四章 电离辐射生物学作用原理
3.线性-平方模型（liner quadratic model，简称LQ模型）
模型方程为：
SF = e
- (a D+ βD2 )
该模型的曲线不断向外弯曲， 故又称连续弯曲曲线模型。曲线的
初始斜率也不等于0。曲线弯曲程度
是α和β的函数(右图)。
α：单击所致的细胞死亡(不可修复)
第四章 电离辐射生物学作用原理
第1节 电离辐射与生物靶学说
电离辐射与生物靶学说
放射性物质可以诱发各类相关疾病和癌症，为解决生物学
作用机制，科学家提出了靶学说(target theory)的概念 一、靶学说和靶数学模型 靶概念 靶数学模型 发展 细胞放射生物学
所以了解靶学说有利于理解辐射致细胞死亡的机制和探讨
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放射物理与防护学 (二)电离辐射的作用阶段 物理阶段：极短：10 -14 秒
第四章 电离辐射生物学作用原理
化学阶段：很短：10 -10 秒
生物阶段：数分钟自几十年
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第四章 电离辐射生物学作用原理
物理阶段
主要指带电粒子和构成组 织细胞的原子之间的作用。 包括电离作用和激发作用。
化学阶段
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第四章 电离辐射生物学作用原理
（二）粒子辐射的特点
1.α粒子（α particle）
பைடு நூலகம்
氦原子核
获取途径：可由一些放射性核素衰变出α粒子
行为特点：其质量大，运动缓慢，有足够时间在短距离内引
起较多电离。当α粒子入射介质时，随着深度增加和更多电离事 件的发生，能量逐渐被消耗，粒子变慢，慢速粒子又引起更多的 电离事件，在其径迹末端，电离密度明显增大，形成布拉格峰
第四章 电离辐射生物学作用原理
SF =e
-D D1
[1- (1- e
- D D2 n
) ]
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第四章 电离辐射生物学作用原理
SF =e-D D1 [1- (1- e- D D2 )n ]
D1和D2指曲线开始和终止时
候的2个斜率所对应的剂量值，
对大多数细胞和较宽能量范围 都适用。 我们可以类推，进一步排列 组合，可得到单靶单击、单靶多 击、多靶单击和多靶多击等多种 可能性，并可计算出相应的模型。
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第四章 电离辐射生物学作用原理
LQ模型是近20多年来放射生物学研究的重大发展，现已
广泛应用于放射生物学研究和临床放射治疗。
根据正常组织与肿瘤之间α/β值的不同，改进治疗方案，可