基本介紹
- 中文名：輻射生物物理
- 外文名：Radiation biophysics
- 隸屬：生物物理學
- 包括：電離輻射
簡史,基本內容,輻射與生物系統作用的原初過程,輻射對生物系統的原初作用,輻射作用原初過程的研究,徑跡結構的研究,自由基反應的研究,輻射能量和電荷在生物分子內遷移的研究,細胞水平輻射作用模型的研究,
簡史
fushe shengwu wuli
輻射生物物理
radiation biophysics
1895年，W.C.倫琴發現X射線後不久,人們就觀察到它引起機體組織損傷和細胞死亡的現象。還發現用它可以根除惡性腫瘤，從而誕生了放射治療。1902年後，人們認識到電離輻射還可以引起癌症。於是，輻射生物物理作為生物物理最早的一支問世了。
早期的輻射生物物理主要是純經驗的定性研究，重要的發現有：富氧組織的輻射敏感性比乏氧組織高1～2倍（“氧效應”）；細胞和組織的溫度和代謝的旺盛程度常與輻射敏感性相關；利用電離輻射的生物效應與組織吸收的能量相關的特性，建立起用測量空氣電離來推斷組織中吸收能量的第一種劑量學方法，為定量輻射生物物理研究奠定了基礎。
20年代後期,發現X射線可引起果蠅的突變，從而引起人們對輻射遺傳效應的重視和輻射在遺傳育種上的套用。30年代末，B.拉耶夫斯基和A.施勞布證明肺癌是由氡及其子體的 射線引起的。這是對環境科學的最早貢獻。
1935年,H.B.季莫費耶夫-列索夫斯基和K.G.齊默爾創立了“靶理論”，認為細胞內有一個叫做“靶”的敏感區，只要帶電粒子擊中了這個“靶”，細胞即被損傷或致死。他們用數學和統計學的方法，第一次建立了劑量-存活曲線的數學描述，雖然這個理論有很多缺陷,但它第一次把量子物理與生物過程聯繫起來。
20世紀40年代出現的核反應堆和核子彈，極大地刺激了輻射生物物理的發展。一方面，輻射致癌、致突變、致畸等遠後效應的研究大大加強；另一方面，反應堆被用來大量廉價地生產人工放射性同位素。輻射生物物理學家最早認識到放射性示蹤方法對醫學、生物學研究的巨大價值，他們用放射性同位素診斷多種疾病，用同位素標記方法研究和的和翻譯（見）。
從50年代開始，輻射生物物理學家利用加速器產生的高能電子、高能 X射線、中子和高能重帶電粒子治療癌症，從而開創了“超高壓放射治療”的新時代。對高線性能量轉移(LET)輻射的物理學和生物效應的研究,特別是相對生物學效應(RBE)的研究也隨之興起。
50年代末和60年代初,電子自旋共振(ESR)和脈衝輻射分解兩項新技術被引進輻射生物物理的實驗研究。它們能定量測量和直接觀察輻射在生命系統中產生的自由基和壽命極限（甚至短至10(秒）的瞬態產物。從而使輻射在分子水平上最初引起的物理和化學過程的研究成為可能。
70年代,M.M.埃爾金德從細胞存活率-輻射劑量關係的研究中，得到細胞在輻射損傷後可以被部分修復的證據，並進而證明這種修復過程發生在分子水平。這一發現使人們越來越深入了解了生命過程的一個基本特徵，即活細胞在某些條件下可以“修補”受損傷的大分子而不論損傷是由電離輻射、紫外線或化學致癌、致突變物質中的哪一種因素所引起的。
80年代以後，輻射生物物理研究正轉向一些更基本的問題，例如，輻射與的相互作用、基因的表達和調節控制在輻射引起的細胞轉化和 過程中所起的作用等。
基本內容
輻射與生物系統作用的原初過程
輻射作用的時間範圍從秒內快速帶電粒子或光子穿過一個原子所引起的最初的物理事件，到幾十年後才表現出的癌症和遺傳性疾病，中間經歷了一系列複雜的物理、化學、生物化學和生理學的變化過程（見表[輻射作用的時間表]）。其中，最初的物理和化學過程對最終的生物效應有深刻的影響。
輻射對生物系統的原初作用
輻射對生物系統的原初作用，主要指對各種生物大分子（核酸、蛋白質、酶和酯）的直接作用和間接作用。生物分子直接吸收輻射能而被電離和激發，進而發生結構的變化，叫做直接作用。輻射能被生物分子周圍的水分子吸收並引起水的分解，產生羥自由基(?OH)、水合電子 ()和氫原子(H)等反應性很高的自由基。它們通過擴散與生物分子發生化學反應並引起後者結構的改變；這種作用叫做間接作用。直接作用和間接作用的相對比例，取決於輻射能量損失的空間分布和生物系統的化學成分，也和生物系統的空間結構有關。
輻射作用原初過程的研究
輻射作用原初過程的研究大致可分以下3方面
徑跡結構的研究
任何電離輻射都是通過初級和次級帶電粒子把能量傳遞給生物組織的，而這種能量交換隻能沿粒子的徑跡處發生。LET 反映的是單位徑跡長度上碰撞能量損失的期望值，它是一個平均量。比能和線能雖然反映了微觀空間裡能量傳遞的統計漲落，但是經常用來估計生物效應的一次事件比能或線能平均值，仍然是對大量粒子徑跡的統計平均。然而,任何生物效應終點,都是受照生物系統內非常早期(<10(秒)發生的物理和化學兩種過程相互作用的結果，無論是 LET還是比能和線能，都反映不了這種相互作用。在含水生物系統中，沿粒子徑跡形成的激發水分子(H2O()離子(H2O()和射解產生的各種自由基(?OH、H(、、等)的空間分布和隨時間的演變與生物效應有密切的關係。這些高反應性中間產物的空間分布“圖形”又和能量損失的“空間圖形”相聯繫。因此，必須追蹤每一個帶電粒子的徑跡，弄清沿徑跡分布的所有原子和分子“事件”在空間的坐標和運動，才能最終解釋為什麼不同“質”的輻射具有不同的生物學效率。所有稱為“徑跡結構”（見圖[用掃描電子顯微鏡重現的1MeV核子的氬離子在中國倉鼠細胞內的徑][跡。在照片下方可以看到被擊中的細胞核和核仁；照片上的標尺代表10微米]）。研究徑跡結構，就是用所有已知的知識和必要的假設，描述和預測一個帶電粒子引起的所有事件的空間分布。在數學上，它相當於用一個幾率函式 (11,,…,,)描述在時間(一般<10(秒)時，沿徑跡發生的所有事件和它們的空間位置（=1,2…,），並考慮到所有事件之間的相互聯繫。徑跡結構將成為計算生物系統內所有繼發的化學反應和生物反應的起點,目前還只能通過理論計算得到,常用的是蒙特卡洛方法
自由基反應的研究
自由基是指具有一個或多個不配對電子從而能與其他具有不配對電子的原子或分子形成化學鍵的原子、分子或基團。在輻射與生物系統作用時，通過激發態分子分解、激發態分子與其他分子反應、離子自由基與中性分子的反應等多種途徑，形成大量具有高反應性的自由基。此反應是導致生物分子損傷的主要途徑。由於生物系統是一個含水系統，生物分子的損傷在很大程度上是水射解自由基作用的結果。自由基的攻擊可以導致核酸鹼基的改變、DNA 鏈的斷裂、蛋白質空間結構的破壞和胺基酸殘基的氧化，從而使蛋白質（特別是酶）鈍化。它還可以引起脂質的過氧化，從而導致生物膜系統的損傷。例如，尿嘧啶或其他嘧啶與水合電子加成，形成負離子自由基，它的質子化導致兩個新的自由基:[]胸腺嘧啶（或其他嘧啶）受羥自由基攻擊後,可能形成3種新的自由基，其中―OH加成在5位碳上的是還原型自由基,而加成在6位碳上的是氧化型自由基：[]兩個還原型嘧啶自由基可以結合形成一個二聚體：[]生物分子自由基可以互相反應，可以與氧、其他生物分子或藥物反應，經過一系列演變，最終造成生物分子的永久性化學改變。其反應過程可能很複雜，現在了解得很少
輻射能量和電荷在生物分子內遷移的研究
生物分子吸收輻射能量或局部電離後，能量和電子還會遷移，使大分子的損傷具有一定的特點。例如，在DNA分子中,按照鹼基激發態能量的高低，激發單線態的能量沿下列順序轉移：
A→U→T→G→C 而激發三線態的能量則按另一順序轉移：
C,U→G→A→T又如，DNA分子在電離輻射作用下,初始階段總是產生鳥嘌呤陽離子(G)和胸腺嘧啶陰離子(T)，這是因為輻射無論在DNA大分子的哪一個核苷酸上產生初級電離,總是發生如下的電子轉移過程[]在蛋白質中、生物膜上,也都會發生能量和電荷的遷移，研究這種遷移對了解生物系統的原初損傷規律有著重要的意義。
輻射引起生物大分子結構的改變 在 DNA的長鏈上，100萬個核苷酸中只要有一個發生改變,就會產生嚴重的生物學後果。DNA由兩條螺旋形纏繞的長鏈構成,輻射的直接作用和自由基的攻擊都可以造成一條互補鏈的斷裂，即單鏈斷裂。如果兩個斷裂點是如此之近（少於20個核苷酸）,以至它們之間的核苷酸配對不能使DNA分子保持為一個整體,就會形成雙鏈斷裂。輻射引起的DNA轉化活性的喪失,主要與單鏈斷裂有關；而噬菌體DNA轉染活性的喪失則與雙鏈斷裂有關。
輻射引起組成DNA的鹼基的改變,將會產生嚴重的生物學後果。由於鹼基的改變，意味著基因和基因表達的改變,從而直接影響DNA的複製、和轉譯。人工合成的多聚胞苷酸的實驗表明,由於電離輻射使胞嘧啶的5,6雙鍵打開並分別接上一個氫和羥基，它的配對特性變成與胸腺嘧啶相同，轉錄後mRNA的序列也發生改變，合成的蛋白質中胺基酸的序列便出現錯誤。
生物大分子的構型和構象與它的功能密切聯繫DNA的雙螺旋結構是靠鹼基配對形成的氫鍵和堆砌在一起的鹼基間垂直的相互作用力維繫的。在輻射作用下，氫鍵的破壞或鹼基間形成交聯都會改變 DNA的這種高級結構。雖然效率比紫外線低，但電離輻射仍能使空間上相鄰的兩個嘧啶鹼基之間形成一個環丁烷型的二聚體：[a 胸腺嘧啶二聚體 b 胞嘧啶-胸腺嘧啶二聚體]二聚體的形成會引起雙螺旋結構的扭曲,從而影響DNA的轉錄和複製，並可能造成細胞的死亡和癌變。但是,DNA在活細胞里總是和RNA、蛋白質或膜組成複雜的複合體,它們之間的相互作用不容忽視。大量實驗證實，輻射還會引起蛋白質與核酸的交聯，這種交聯與細胞死亡、突變和衰老有關。
DNA損傷修復 直到60年代中期，人們還認為活細胞里的DNA分子受損傷或發生改變後,該細胞要么複製出突變的子代細胞,要么不能分裂。實際上,很多細胞都能應付環境造成的某些嚴重危害,修復損傷的DNA分子（見）。DNA修複目前主要還是一個分子生物學的問題。但是，低劑量輻射為什麼能激勵 DNA修復系統？修復過程中細胞內的酶系統是如何識別損傷的？這都是輻射生物物理學的新課題。
細胞水平輻射作用模型的研究
“模型”是人們對輻射引起細胞死亡、突變作用機制的認識水平的度量；它起著指導設計新實驗和加強對實驗結果分析、判別的重要作用。人們不能要求輻射作用模型與所有活體實驗數據精確地符合，但是，它應該能給出各种放射生物學效應（如染色體畸變、基因突變、細胞死亡和輻射致癌等）中“劑量- 效應關係”的基本特徵。例如，與輻射“質”、劑量率（包括分次照射）和氧濃度等參量的關係。
大量的生物實驗得出一條基本結論:在低劑量下,對“自治的細胞”（受照後它的命運不受與它相鄰的其他細胞的輻射效應的影響）的任何“劑量-效應關係”,一定是線性的。遺傳效應和染色體畸變服從這個規律，但輻射致癌效應不服從線性規律。因為細胞之間的相互作用和體內其他因素在致癌過程中起著重要的作用。在中等和較高的劑量下，細胞輻射效應的劑量關係比較複雜，模型很多，但是公認最好的是“線性-平方模型”：
=+式中為輻射引起某種效應的頻率，為吸收劑量,、為與細胞特性和輻射“質”有關的參數。細胞死亡和服從這個模型。
從40年代 D.E.利和K.薩克斯對中子和X射線引起染色體畸變的“劑量-效應關係”的研究開始,經過G.J.尼亞里、H.H.羅西和A.M.克勒雷爾等人的努力，終於形成了一個解釋線性- 平方關係的“雙作用模型”。該模型認為,細胞內首先由能量傳遞隨機地形成許多亞損傷(可以把它們想像為DNA單鏈斷裂或染色體非穩定性變化)。一對相鄰的亞損傷，經過相互作用才能形成最終的損傷(可以把它們想像為 DNA的雙鏈斷裂或染色體畸變)。其作用幾率，隨亞損傷靠近的程度而增加。當兩個亞損傷之間的距離小於50納米時,才有較大的相互作用幾率;超過50～100納米後，作用幾率急劇下降。當距離超過1微米以上時,幾乎不發生相互作用。線性-平方模型中的線性項，對應於同一粒子徑跡上的兩個亞損傷作用的結果，平方項是兩個獨立粒子徑跡上亞損傷相互作用的結果。因此，對於電離密度高的高LET輻射,同一徑跡內亞損傷相互作用的幾率大，線性項占優勢；對於電離密度低的低LET輻射，同一徑跡上亞損傷之間的距離較大,徑跡間的亞損傷發生相互作用的幾率更大。所以在高劑量率下，平方項較為重要。顯然，在很低的劑量率下，無論是高LET還是低LET輻射，總是線性項起作用。
線性-平方公式給出某些輻射效應的頻率,它既可以是染色體畸變率、細胞突變率或癌症發生率，也可以是細胞內致死性損傷的平均產額。在最後這種情況下，套用泊松統計分布,可直接得到細胞受劑量照射後不出現致死性損傷的幾率，即細胞存活率：
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模型反映的只是相對真理，必須不斷地修正、完善和發展，它是輻射生物物理學研究的一個重要方面。
