放射生物物理

研究X射线、γ射线以及微粒辐射对生物体产生激发和电离作用等原初反应的学科，称为放射生物物理学。电离辐射是高能辐射，它产生强烈而复杂的生物效应，由于射线种类、照射条件、生物种类、个体机能状态不同，效应也各异。它既能促进、也能抑制细胞分裂和生长；既能用于治疗、也能导致肿瘤；它能诱发遗传性状变异、延长食品贮存时间、消灭害虫、杀菌消毒、刺激种子发芽等，其作用遍及工、农、医、国防等多种领域。面对着如此繁多的生物效应，只有从射线对机体影响的最基本作用中去寻找共同规律，才能定向地利用射线的各种作用。因此研究射线对机体的原初作用就成为放射生物学的中心问题之一。
射线对生物分子的作用 射线对生物体的作用可以分成几个阶段，首先是生物分子对射线能量的吸收，发生在10^-13s之内。生物体是由物质组成的，因此射线作用于生物体的最初过程也必然遵循射线与一般物质相互作用的共同规律。就X及α射线而言，它是通过光电效应、康普顿一吴有训效应和电子一正电子对的产生这三种途径把能量传递给生物分子的。中子的生物学效应主要由反冲核和次级辐射这两种过程造成的。α、β等带电粒子使生物分子发生电离或激发。总之，生物分子吸收射线能量后最终都处于电离或激发状态。同时这两种状态又是以后各阶段的起点。生物分子吸收能量的部位虽然有时就是出现损伤的部位，但往往并不都是出现损伤的部位，二者可间隔一定的距离，因此继能量吸收之后随即可发生能量转移，使作用分子发生变化，以上作用是物理阶段。原初产物往往极不稳定，迅速发生次级反应及次级产物，原初的电离及激发分子相互作用，并产生自由基，这是第二阶段，或称为物理化学阶段，在10-¹⁰s内发生。第三阶段为化学阶段，生物分子的自由基反应主要在这一阶段发生，在10-6S内发生。生物分子吸收能量后，从分子水平上来说，电离辐射作用于生物分子，如DNA或一个特殊生物结构，使它电离或激发，也就是说吸收能量和出现损伤是在同一个分子或聚集态上，称直接作用。当吸收辐射能量的是一个分子，而受损伤的却是另一个分子，称间接作用。在后一场合中，辐射吸收的原初过程发生在一个损伤分子的“环境”中。这个环境物质在吸收能量后，通过分子间能量转移机理，转移到损伤分子上；或者通过自由基的释放，与损伤分子起反应；或者通过水的射解产物(如羟自由基、氢原子或水合电子)的作用使其他分子损伤。生物机体中水占70%以上，因此水的射解产物对生物体影响很重要。水射解产物中HO₂自由基的氧化能力最强，H2O₂分子的氧化能力最小，但寿命很长，仍有损伤作用。这些射解产物通过多种化学反应使溶液中的脂肪酸和氨基酸形成过氧化物； 使蛋白质和核酸等大分子降解成碎片；使许多酶的活性发生变化；使生物膜的成份、结构和功能发生明显改变。这些生物分子的变化正是射线引起细胞、遗传、病理等效应的物质基础。由此进入第四阶段，即生物阶段，历时数秒到数年之久。
影响放射生物学效应的因素
射线种类 不同射线有不同的电离密度与穿透力。把原初电离粒子在每微米径迹上所丢失的能量(KeV)称为线性能量转移(LET)。它与电离密度成正比，而与穿透力成反比。由于各种射线的LET不同，所产生的相对生物学效率(RBE)也不同。
RBE=X射线所产生效应的剂量/某射线产生相同效应所需剂量。LET大则RBE也大。例如X及γ射线的LET在0.2～2.8间，它们的RBE均为1，而α粒子的LET在20～90间，它的RBE也增大为10～20。
即使同一种射线，它的生物学效应也随照射方式、照射面积、剂量强度、照射次数等而异。
生物种类 当照射分布均匀的单细胞、细菌、病毒或酶溶液时，生物效应对应于剂量的关系为指数曲线。而在照射多细胞生物时，则呈S型曲线。对于这两种典型曲线可定量地用数学手段来描述，并能更深刻地揭示出放射生物学作用的规律，称为定量放射生物学。它是建立在靶学说基础上的，它用量子物理的概念来处理生理学问题，认为生物体中有对电离辐射敏感的结构或分子，称为靶。只有在靶受到射线击中后才发生生物学效应。不同生物的靶要求击中次数(n)不同。击中是不可逆的独立事件，因此它的发生概率是服从泊松分布的。若发生一个生物效应需要n次击中，那么接受≤n-1次击中便不出现生物效应，因此发生效应的比率为：

式中N0为照射前生物或分子总数，N为照射后未发生变化的生物或分子数。当n>1时，为S型曲线，即呈多次击中曲线。当只需一次击中(n=1)时，上式变成：

N/N₀＝e^-y^D

这就是指数曲线，即单次击中曲线。
根据这些数学运算还可以求得靶的体积、截面、靶的分子量，并且还能满意地解释LET与RBE的关系。定量放射生物学的不足之处在于它仅考虑直接作用，无视间接作用。
环境因素 (1) 温度：一般而言，许多大分子和生物机体的放射生物学效应随照射时温度的降低而减小。温度升高时，随着自由基产量的增多，酶的钝化率也增大，可见自由基在钝化中起着重要作用。水结冰时限制了自由基的扩散，减少了它与酶分子的相互作用的机会，放射生物效应也变小。冰冻效应常被用来证明间接作用的存在。
(2) 氧：一般情况下，在有氧时照射比在真空或惰性气体中照射所造成的效应大，称为氧效应。无论在致死作用、生长率、形态损伤、基因突变等多方面都有氧效应的作用，氧效应的作用机理有三：
❶改变自由基的性质，例如使H·变成HO2·，后者损伤作用更大。
❷有可能使原来处于禁戒的单线态向三线态跃迁。三线态寿命较长，与生物分子发生反应的可能性增加。
❸氧分子具有顺磁性，是带有两个不配对电子的双基，它与辐射诱发的自由基具有高度亲和力，生成过氧化物自由基。α射线不产生氧效应，因为它本身的射解产物能进一步产生氧。
(3) 水： 一般来说生物体含水量愈多，效应愈大。
(4) 化学物质： 有些化学物质能减弱放射生物学效应称为防护剂，最有代表性的是半胱胺和β-巯基乙胺。有些化学物质，如氮芥类、环氧化物类、甲磺酸酯等烷化剂，以及有机过氧化物等能产生与射线相似的生物学效应，称为拟辐射剂。还有一些化学物质能加强生物效应称为敏化剂。敏化剂分两大类，一类是高度亲电子化合物，起着拟氧效应的作用，其中最有效的是呋喃的硝基衍生物。当生物分子电离时，敏化剂俘获被击出的电子后，阻止了电子与生物分子空穴重新结合这一修复过程，或者敏化剂与损伤的生物分子反应，使损伤不可恢复。第二类是改变DNA结构的药物，如卤代尿嘧啶类，高度电负性的卤原子能消除电离时击出的电子，阻止DNA的修复。防护剂、拟辐射剂及敏化剂不但有助于探索放射生物学作用机理，而且还有实用价值，例如在肿瘤的放疗中，防护剂与敏化剂配合使用，能起到既保护正常组织又促进肿瘤组织死亡的良好效果。
放射损伤及化学防护机理 有关这方面的学说甚多，现仅就涉及放射生物物理领域的学说作一简介。
(1) 电离能量转移说： 蛋白质肽链的碳原子受射线作用发生电离，一个电子被击出后，形成一“空穴”，这时价层电子降落下来填补空穴，价层本身也产生空穴，这空穴沿肽链传递，直到双硫键外，形成自由基正离子，于是通过进一步的生化反应呈现损伤。当防护剂以双硫键与蛋白质结合时，辐射能量移向这个键，在蛋白质损伤前，把能量转移到了防护剂上，以热或光的形式释放，保护蛋白质免受损害。曾有人把这种防护机理比作避雷针。半胱胺及谷胱甘肽等具有这种作用。
(2)激发能量转移说：射线能激发蛋白质、RNA、DNA成为双自由基而处于亚稳态，双自由基进一步与氧结合成过氧化双自由基，产生损伤。三者亚稳态能量水平十分接近，水平高低依次为蛋白质、RNA、DNA，激发能量可由高到低逐个转移，这可能是DNA在机体中易遭放射损伤的主要原因。不少防护剂如半胱氨酸、组胺、5-羟色胺等比以上三种生物大分子的能量水平略低，但也十分接近，这就可能使能量从DNA转移到防护药物上，保护了激发态的生物大分子。
(3) 自由基清除说： 水射解产物——自由基在放射生物效应中起很大作用，如自由基在与生物大分子作用之前被清除掉，就可起防护作用。大多数防护药例如半胱氨酸等是极好的清除剂，但不是所有清除剂都有防护作用。
(4) 生物分子修复说： 在辐射损伤早期被氧化而失去氢的生物分子基团，可从防护剂分子上（尤其是从巯基类化合物）得到氢以修补，如半胱胺对生物大分子的修复作用。
(5) 巯基酶失活说： 射解产物使含有巯基的酶形成双硫键，酶失活造成损伤。将含有巯基的防护剂如半胱胺及β-巯基乙胺引入机体替代酶的巯基与射解产物作用，从而保护酶。
(6) 过氧化物反应说： 射线使生物分子通过自由基反应产生有毒的有机过氧化物。各种防护剂都具有抗氧化能力，例如维生素E等能降低过氧化物的生成。
可见放射生物物理在阐明射线对机体作用规律，以及寻找化学防护途径中都起着十分重要的作用。