放射生物学第一节.ppt
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1、放射生物学第一节现在学习的是第1页,共57页放射生物学发展简史 现在学习的是第2页,共57页第一节 放射生物在放射治疗中的意义一、放射治疗在癌症治疗中的作用放射治疗是两种最有效的癌症治疗方法之一。外科在癌症治疗中有悠久的历史,并对早期无转移的原发肿瘤病灶有很好的疗效。同时,放射治疗已在头颈、子宫颈、膀胱、睾丸和皮肤等部位癌症的治疗中以其高的长期控制率,良好的治疗和整容效果,取代了外科治疗。霍奇金病和非霍奇金病所取得的治愈率,以及在很大范围的各种肿瘤病人从放射治疗中所获得的有效的姑息治疗作用,使放射治疗的应用范围和重要性日益增加。在45%可治愈的恶性肿瘤中,其中手术治愈率22%,放射治疗治愈率1
2、8%,化学药物治疗治愈率5%。癌症患者在治疗过程中65%75%接受过放射治疗。现在学习的是第3页,共57页但至今放射治疗肿瘤的效果仍亟待继续提高。在改进放射治疗效果方面有三个主要方面:现在学习的是第4页,共57页(1)改变放射治疗分次剂量及治疗方案的改进。(2)改善放射剂量在体内的分布,用光子射线的适型治疗技术或质子线进行治疗。(3)在放射生物学的基础上,探索个种创造性的措施。现在学习的是第5页,共57页二、放射生物在放射治疗中的作用放射生物试验性和理论性的探索从最一般的到较为特异的,分三个层次对放射治疗的发展作出贡献:现在学习的是第6页,共57页(1)概念 为放射治疗提供理论基础,确认射线对
3、肿瘤和正常组织的作用机制及其受照射后构成反应过程的基础。例如,对乏氧、再氧合、肿瘤细胞再群体化或DNA损伤修复的机制等。现在学习的是第7页,共57页(2)治疗策略 发展新的、特异性的放射治疗方法。例如,乏氧细胞增敏剂、高LET放射治疗、加速放射治疗、超分割放射治疗等。现在学习的是第8页,共57页(3)治疗方案 毫无疑问,放射生物在产生新的观念和确认潜在的可探索的机制方面有非常丰富的收获,曾经产生了一系列新的治疗策略。不幸的是,至今只有极少数被证实已有临床受益。至于在上述的第三层次的内容方面,较新的立足于线性二次方程的转换公式比较成功,并有一些迹象显示其可能在放射治疗的个案化中能有一定的作用。除
4、此之外,由于缺乏理论和试验模型,限制了用实验室的研究发现或结果在放射治疗学家选择针对性的治疗方案中的作用,因而仍需要临床试验对治疗方案作出最后的选择。现在学习的是第9页,共57页三、放射生物在未来放射治疗 发展中的重要性 现在学习的是第10页,共57页许多放射治疗的发展是新技术的结果或医生的临床经验;然也有一些是源自放射生物试验,并已达到能明显改进病人生存的程度。氧的作用就是一个正面的例子,并已为放射治疗带来一些好处;加速分次放射治疗和超分割放射治疗也同样取得有希望的结果。现在学习的是第11页,共57页和化学治疗相比较,放射治疗现在是人们已对它有很好了解的细胞毒物质。它对肿瘤细胞的作用仅是一个
5、剂量的问题,与进入人体内的机制无关,然而这一问题却对决定化学物质的效价有决定性的作用。在将要提到的电离辐射与生物作用的时间表虽然主要是与放射线的关系,但其中有些和组织对细胞毒药物治疗的反应也同样有关。因此,放射生物的研究对其他肿瘤治疗的研究领域也有用处。现在学习的是第12页,共57页放射生物未来的研究对基础研究的依靠将愈来愈多。过去的经验性的东西极大部分已被开发出来。毫无疑问,关于辐射效应的细胞和分子性质的研究将领导未来的发展。现在学习的是第13页,共57页第一章电离辐射生物效应的基本过程 现在学习的是第14页,共57页各种不同质的电离辐射在生物体内能产生次级电子,引起电离,从电离辐射被吸收至
6、观察到细胞微细结构损伤和破坏等生物效应之前的这段过程称为原初作用过程。现在学习的是第15页,共57页在此过程中放射能量的吸收和传递、分子的激发和电离、自由基的产生、化学键的断裂等分子水平的变化又引起细胞、组织器官和系统的变化,最终引起整体功能变化直至发生病变。电离辐射的一个重要特点是能够在被作用物质的局部释放能量,引起被作用物质的电离和激发,而电离和激发又是电离辐射原初作用的重要环节。现在学习的是第16页,共57页第一节 电离辐射种类及其与物 质的相互作用现在学习的是第17页,共57页电离辐射是指能引起被作用物质电离的放射线。电离辐射可分为电磁辐射和粒子辐射两大类。电磁辐射实质上是电磁波,仅有
7、能量没有静止质量。粒子辐射既有运动能量,又有静止质量,是一些高速运动的粒子。现在学习的是第18页,共57页 电磁辐射是可以在相垂直的电场和磁场,随时间变化而交变振荡,形成向前运动的电磁波。X射线和射线都是电磁辐射,均由光子组成,它们在电磁辐射能谱中所占的范围基本相同。X射线是从核外产生的,而射线是从核内产生的。它们主要通过光电效应、康普顿效应和电子对产生等三种方式将能量转移给被碰撞的物质。光电效应为主的射线能量范围,保证所摄取的x线片对骨组织、软组织有较高的分辨率,而在放射治疗中则选用康普顿效应占绝对优势的高能量范围021OMeV,保证骨组织、软组织的吸收剂量相近,组织内剂量分布均匀。现在学习
8、的是第19页,共57页二、粒子辐射 粒子辐射(particulate radiation)是一些组成物质的基本粒子,或者由这些基本粒子构成的原子核,这些粒子具有运动能量和静止质量。它们通过消耗自己的功能把能量传递给其他物质。主要的粒子辐射有粒子、粒子(或电子)、质子、中子、负介子和带电重离子等。现在学习的是第20页,共57页1粒子 即氦原子核,由两个质子和两个中子组成,带正电荷,质量较大,比电子重500倍。铀、镭、氡和钚等辐射核素裂变可产生粒子。粒子质量较大,运动较慢,短距离内引起较多电离。2。粒子或电子 是带有一个最小单位负电荷的粒子,其质量很小。辐射性碘、锶和氚等均可以释放粒子。直线加速器
9、也可以产生能量为几至十几MeV的电子流。电子的质量小,带负电荷,故在介质中容易被介质原子的轨道电子所偏转,形成曲折的径迹,其实际穿透的深度(射程)小于其径迹的长度。在其径迹的末端,由于能量逐渐降低,速度减慢,与介质原子作用概率加大,电离密度增高。高能电子主要在组织深部产生电离作用。现在学习的是第21页,共57页3中子 是质量为1009原子质量单位不带电的粒子,属高传能线密度(1inear energy)射线,以其优良的生物学特性在放射治疗中显示出优越性。中子穿透力较大,与介质原子核碰撞时,将其能量传递出来。中子与物质的相互作用可分为散射和核反应两大类。(1)散射:中子与被照射物质原子核的性质不
10、变。此过程有三种方式:1)弹性散射:中子一部分能量转变为介质原子核的动能,该原子核即称为反冲核,中子本身改变运动方向,弹性散射前后,中子与原子核两者的总动能保持不变。原子核越轻,中子转移给它的能量越多,故反冲质子(氢核)得到的能量最多。2)非弹性散射:中子一部分能量用于激发原子核,而后它离开相互作用点,被激活的原子核放出光子后又回到基态,因此中子的部分能量变成了辐射能。3)去弹性散射:中子与原子核作用后,可出现多个中子,如氮核受中子轰击时能放出两个中子,而原子核的性质仍保持不变。现在学习的是第22页,共57页(2)核反应:此过程发生后,中子与介质原子核的性质都发生了变化。1)俘获:中子被原子核
11、俘获,该原子核随即释放出多余的能量,即发出带电粒子或光子。例如氢原子核俘获中子后变成氚核,同时放出一个光子,氮原子核俘获一个中子后,放出一个质子,其本身变成了碳原子核。2)散裂:能量极高的中子能引起原子核的散裂,吸收了高能中子的原子核会辐射出2个或3个以上的粒子,如碳原子受到能量大于20MeV中子作用后,其核散裂成一个中子和3个粒子。现在学习的是第23页,共57页4负介子 介子的大小介于电子和质子之间,故称之介子。介子可以带正电、负电或不带电。与辐射生物学关系密切的是负介子,它的质量为电子质量的276倍,是质子质量的l6。它是由高能质子轰击金属靶原子核的中子所产生。能量40 90MeV的负介子
12、在组织中的射程达613cm,沿其穿行径迹靠电离和激发释放其能量。调节负介子的入射能量,可控制其入射深度,以适合肿瘤的治疗。由于负介子具有特定的吸收方式,对正常组织损伤效应小,给放射治疗肿瘤提供最大治疗增益。美国加州大学医学院已将回旋加速器产生的负介子用于临床肿瘤治疗。现在学习的是第24页,共57页 5重离子带电重离子是指某些原子被剥去外围电子后,形成带正电荷的原子核。如氮、碳、硼、氖、氩等重离子。它们都是带电离子而且是直接电离离子。在深度剂量曲线上,重离子入射坪区其吸收剂量保持相对恒定,坪区的长度决定于入射离子的能量,靠近射程的末端,吸收剂量急剧升高,形成布喇格峰,随着重离子原子序数的增加,布
13、喇格峰变得愈来愈窄,同时峰的高度也增加,峰对坪(深部剂量与入口剂量)剂量比增加。这样有利于放射治疗时将肿瘤设定在剂量高的布喇格峰区内,达到对肿瘤的最大杀伤效果,而对正常组织产生较小的损害。现在学习的是第25页,共57页一、电离作用 电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的原初过程。生物组织中的分子被粒子或光子流撞击时,其轨道电子被击出,产生自由电子和带正电的离子,即形成离子对,这一过程称为电离作用。二、激发作用 当电离辐射与组织分子相互作用,其能量不足以将分子的轨道电子击出时,可使电子跃迁到较高级的轨道上,使分子处于激发态,这一过程称为激发作用。被激发的分子很不稳定
14、,容易向邻近分子或原子释放其能量,在辐射生物效应的发生中其作用较弱,通常可以忽略不计。现在学习的是第26页,共57页三、水的电离和激发 生物体是由各种物质的分子所组成,除生物大分子(核酸、蛋白质)和无机分子外,水占生物体重的70左右。电离辐射作用于机体生物大分子的同时,也作用于机体的水分子。电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又可进一步影响生物大分子。现在学习的是第27页,共57页水分子受电离辐射作用时,将水分子中的轨道电子击出,发生电离作用,产生带正电的水离子(H20+)和自由电子(e)。H2O+为不稳定离子,在水中迅即解离为氢离子(H+)和羟自由基(OH),自由电子在其运动中又不断和水分子
15、碰撞,击出其他水分子中的轨道电子,引起次级电离。这些电子在其运动和引起电离的过程中逐渐丧失其能量,直至不能再击出其他分子的电子,它们就被水分子捕获,形成带负电的水离子H2O-,后者亦极不稳定,在水中解离成氢氧离子(OH-)和氢自由基(H)。部分电子可与H+反应形成H。电子在碰撞过程中丧失其大部分能量,如其能量水平降至100eV以下而未被捕获时,可吸收若干水分子而形成水合电子(e水合)。现在学习的是第28页,共57页 水合电子比自由电子稳定,在中性水中其生存时间为23104秒。过去认为是H引起的辐射化学反应,现在已知多数是e水合所致。近年来还注意到水合电子可以与氧结合成超氧化物阴离子(O2)。它
16、在间接作用中的重要性已逐渐被肯定。水分子受电离辐射作用时,若水分子所获能量尚不足以使电子击出,亦即不能发生电离作用,而只能使水分子的电子跃迁到高能级的轨道上,使分子处于激发态,即称为水分子的激发。一般认为辐射生物学中激发分子的作用较电离产物的作用小得多,可以忽略不计。现在学习的是第29页,共57页水的原初辐射分解反应并非平均分布于空间,一般是在小的体积内成簇发生的,这种小的反应体积称之为刺团(spur),其平均半径为15mm,每一个刺团内约含6个自由基。反应发生很快,在辐射作用的10-14 10-10秒内。由于刺团的体积很小,自由基相互作用的机会较多,可发生再结合而产生H2、H202。其反应式
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