射线对生物体的作用
射线作用于生物体后主要引起机体生物活性分子的电离与激发，其中电离辐射的生物效应主要为DNA的损伤如图3-1-1，因而引起一系列基因突变、致癌、死亡等放射生物事件发生。
图3-1-1 为电离辐射对DNA的作用
任何射线（X射线、Y射线、带电或不带电的粒子）直接与细胞的关键靶原子发生作用，靶原子本身被电离或激发从而启动一系列导致生物变化的事件，被称为辐射的直接作用。电离辐射也可以不直接作用于关键靶，而是首先作用于细胞内的其他原子或分子（尤其是水分子）产生自由基，自由基扩散到足够距离并达到关键靶使之产生损伤，这称为电离辐射的间接作用。高能LET射线以直接作用为主，低能LET射线以间接作用为主临床上应用的X射线、γ射线普遍为低LET射线。
（一）射线与生物体作用的物理与化学过程
电离辐射作用于生物体后，根据作用时间的长短，大体可经历三个阶段：物理阶段、化学阶段、生物阶段。（图3-1-2）
1．物理过程：带电粒子与组织细胞中的原子相互作用，直接对DNA造成损伤，其作用过程包括电离和激发。
电离辐射作用于生物体主要与轨道电子相互作用，细胞原子中的核外电子获得足够的能量，挣脱原子核的束缚逃离电子轨道，造成原子的电离。电离是由具有足够动能的带电粒子与原子中的电子碰撞产生的，核外电子受原子核的束缚不同，其带电粒子的能量不能小于原子核外壳层电子的束缚能量，才能使原子电离。不带电粒子、光子、中子等本身不能使原子电离，但借助与原子的壳层电子或原子核作用产生的次级带电粒子，再与原子作用，也会引起原子电离。
当带电粒子在原子核轨道电子旁飞过时，在相互静电力的作用下，轨道电子俘获能量，但不足以克服原子核的束缚成为自由电子，其能量状态只能由低能状态跃迁到高能级，使其原子处于较高的能级此过程称为激发。激发过程原子由基态跃迁到激发态，处于激发态的原子极不稳定，很短时间里就会自发地由激发态回到基态，将多余的能量以电磁波的方式释放出来，同时发射光子。
2．化学过程：是指受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的过程，电离辐射作用于生物体后，主要引起水分子和生物大分子的电离和激发，电离和激发导致化学键的断裂和自由基的形成，自由基是高度活跃的，并参与一系列的反应最后导致电荷回归平衡。化学阶段的特点是清除反应之间的竞争，使生物学上重要分子稳定化学变化的固定反应。
3．生物过程：包括物理和化学过程之后的所有过程，在此阶段，大部分的DNA损伤会被修复，极少部分不能修复最终导致细胞死亡，并在照射后很长一段时间后，在照射区域内有可能产生第二肿瘤即射线致癌。
图3-1-2 为生物系统受照射后辐射效应的时间标尺
（二）辐射对DNA及染色体的作用
研究发现辐射引起细胞死亡的敏感部位在细胞核，其中DNA是电离辐射的重要靶分子之一。辐射对DNA的影响也是多方面的，从碱基损伤到糖基的破坏引起DNA链断裂，当DNA双螺旋结构中的一条链断裂时称为单链断裂（single strand broken，SSB），两条互补链于同一处或相邻处同时断裂时，称为双链断裂（double strand broken，DSB）。
1．DNA的损伤反应：DNA是细胞生长、发育、繁殖和遗传的重要物质基础，蕴藏着丰富的遗传信息，通过转录、翻译指导着蛋白质和酶的合成，控制着细胞的各种生理功能，受到辐射损伤后，DNA的碱基损伤或者脱落改变了转录密码，引起基因的突变：
（1）点突变（point mutation），是DNA上单一碱基的变异。一个嘌呤被另一个嘌呤所取代或一个嘧啶被另一个嘧啶所取代称为转换（transition）；一个嘌呤被一个嘧啶所取代或一个嘧啶被一个嘌呤所取代称为颠换（transversion）。
（2）缺失（deletion），是DNA链上一个或一段核苷酸的消失。
（3）插入（insertion），是指一个或一段核苷酸插入DNA链中，在为蛋白质编码的序列中，会发生读框位移（在缺失或插入的核苷酸不是3的整数倍），使其后译读的氨基酸序列全部混乱，称为移码突变（frame shift mutation）。
（4）倒位或转位（transposition），是指DNA链重组使其中一段核苷酸链方向倒置，或移到另一处。
2．DNA损伤修复：辐射可造成DNA结构和功能的损伤，但根据DNA损伤的程度和DNA的修复能力又分为亚致死损伤修复（sublethal damage repair，SLDR）射线导致非致死性损伤或潜在致死损伤的细胞，在给予足够时间、能量及营养的情况下，得以修复或复活的现象；潜在致死损伤修复（potentially lethal damage repair，PLDR）某些情况下，受到潜在致死性辐射损伤的细胞随着环境改善，损伤得到修复，细胞不发生死亡的现象。DNA损伤的修复有：单链断裂的修复、双链断裂的修复、碱基损伤切除的修复和DNA修复合成。
（1）DNA单链断裂修复：单链修复是以双螺旋结构中未损伤单链作为模板来完成的，过程中由相应的酶来控制。DNA单链修复与时间为指数关系。
（2）DNA双链断裂修复：有同源重组修复（homologous recombination repair，HRR）和非同源末端连接（non-homologous end-joining，NHEJ）。同源重组修复作为核心的DNA损伤修复方式之一，它主要发生在细胞周期的S和G2期，是维持基因组完整性确保遗传信息高保真传递的DNA修复机制；非同源末端连接是真核生物细胞在不依赖DNA同源性的情况下，而为了避免DNA或染色体断裂（breaks）的滞留，避免因此造成的DNA降解或对生命力的影响，强行将两个DNA断端彼此连接在一起的特殊DNA双链断裂修复机制。
（3）DNA修复合成：这种合成不同于细胞增殖中DNA的复制，它的合成量比较低，合成在损伤后即刻开始，随着时间的延长而增加，且与细胞周期没有关系，是一种修复合成，称DNA期外合成或程序外DNA合成。(https://www.daowen.com)
（4）碱基损伤修复：碱基切除修复（base excision repair，BER）可以去除因氨基酸或碱基丢失、无氧射线或内源性物质引起的环氮类的甲基化等因素产生的DNA损伤，BER是维持DNA稳定的重要修复方式，其步骤是N-糖苷键水解，从而切除发生的碱基，碱基释放过程是由DNA糖苷酶催化的。
DNA损伤后如果未发生修复或修复不完全、修复失败等则会发生基因突变，突变会对生物体产生致死性、丧失某些功能、改变基因型或突变为有利于生物体生存的结果，使生物体得以适应。
3．辐射对染色体的作用：人类体细胞的正常核型包括46条染色体23对，其中22对为常染色体，1对性染色体，每23条染色体构成一个染色体组，人类体细胞有2个染色体组，称二倍体。在某些条件下细胞中的染色体组会发生数量或结构上的改变：自发畸变诱发畸变。
（1）染色体型畸变：当细胞处于G0期或G1受到照射时，这时染色体还未复制，单根染色体丝被击断，经S期复制后，在分裂中期得到的是两条单体在同一部位显示变化，导致染色体畸变。如图3-1-3按结构形式可分为：
①末端缺失：一条染色体的长臂或短臂的远端发生一次断裂后断片离开原位，导致一条正常染色体丢失末端区域。
②微小体：染色体臂内发生两次断裂，形成三个片段，两个断裂之间的片段离开原位，剩下的两个断端在断面直接连接，形成一条中间缺失的染色体。
③无着丝粒环：与微小体属于一种畸变类型，但断裂点之间距离较大，两断点之间重接形成空心圆。
④着丝粒环：断裂可发生在长、短臂，含着丝粒的片段两端重接成环状，两个无着丝粒片段连接成断片。
⑤倒位：一条染色体两次断裂，形成上、中、下三个片段，中断上下颠倒与上下两段连接，臂间倒位：断裂发生在着丝粒两侧；臂内倒位：断裂发生在着丝粒一侧。
⑥相互易位：两条染色体各发生一处断裂，交换无着丝粒片段，形成两个重排染色体。
（2）染色单体型畸变：染色单体断裂（chromatid break，CTB）、染色单体互换（chromatid exchange，CTE）、裂隙（gap）。
（3）辐射诱发染色体畸变的机制：①断裂—重接假说：认为畸变的形成是当一个电离粒子通过间期核染色体的结构或经过染色体附近的时候，引起染色体直接或间接断裂，然后染色体出现愈合（重新连接成原来的状态）；重接（与其他断裂连接形成新的重接产物）；游离（断裂产物以游离方式存在）。②互换假说：认为所有畸变都是通过互换过程而形成的。电离辐射引起的废事件使接近荷电粒子径迹处的染色单体丝出现不稳定状态。如果由于空间关系不能起反应就可以复原，如果同时有2个不稳定区就可互相起作用，最终彼此相互起作用形成互换。
图3-1-3 辐射对染色体的作用
（三）辐射对细胞的效应
一般放射生物学将细胞死亡分为：一是间期死亡（interphase death），细胞受到大剂量照射后发生的分裂间期死亡，在进行下一次有丝分裂前的死亡。二是有丝分裂死亡（mitotic death），染色体损伤，细胞在进行有丝分裂时的死亡。电离辐射致细胞死亡则可分为增殖死亡和细胞凋亡两类型。
1．增殖死亡：细胞的增殖死亡（reproductive death）发生于有分裂、增殖功能的细胞，又称代谢死亡或延缓死亡，即照射后细胞没有立即死亡，仍有生命活动相关的代谢过程（蛋白质与DNA合成等）并可发生细胞分裂和增殖。根据受照射剂量的不同，细胞可分裂1次至数次，然后停止分裂，这种细胞死亡的标志是最终丧失继续增殖的功能，即生殖完整性（reproductive integrity）被破坏。部分细胞只是体积增大而不分裂，因此照射后，这类细胞在体外培养体系中不能形成集落（一般细胞分裂5次以上形成肉眼可见的圆形集落）或者在注入动物体内后不能形成结节，最终死亡。
2．细胞凋亡：细胞凋亡是一种由基因主动导向的细胞消亡过程，属于一种普遍存在的生物学现象，在保持机体内稳态方面发挥了积极作用。细胞凋亡在胚胎发生时期的器官发育和退化、免疫和造血细胞的分化、选择以及正常和肿瘤细胞的更新等方面都有重要意义。在机体的生理过程中，由特定的信号启动下，凋亡相关基因有序地表达，主导着对整体无用或有害细胞的清除，因此这种生物学活动被命名为程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），亦可简称程控死亡。细胞死亡和细胞增殖相互矛盾，互相协调，彼此消长，维护着机体的正常生长、发育与健康。
细胞凋亡不同于细胞坏死，其形态特征是胞体缩小，染色质浓缩成块状，并沿核膜聚积，形成许多固缩的核碎片，而细胞器与膜系保持完整，质膜出芽（或发泡），形成凋亡小体（被细胞膜包裹染色质碎片的小体）。可被周围细胞吞噬清除或排出管腔（如肠道）。细胞坏死的特征则是细胞器肿胀，膜系破坏，整个细胞崩解。由于以上的特征性区别，细胞凋亡不会引发周围组织的炎症反应，只是静悄悄地死去，就地被清除，保持了正常组织的完整性。细胞凋亡的生化特征是染色质DNA裂解，裂解发生于核小体联接区。一个或数个核小体从DNA母链裂解形成小的片段（一般为180个碱基对或其整倍数）。这一过程受基因调控，是细胞的主动代谢反应，需要RNA和蛋白质的合成。
3．细胞组织的反射反应：正常细胞、组织、器官受到一定剂量照射后，在一段时间内会出现一定程度的放射反应，表现在临床上为不同的症状及毒副作用。一般将从放疗开始第一天到放疗结束3个月内发生的放射性反应定义为早期放射反应，放疗结束3个月后发生的放射性反应定义为晚期放射反应。早期放射反应多发生在更新快的组织，晚期放射反应多发生在更新慢的组织，如肺、肾、心脏、中枢神经系统等。根据机体器官或组织对放射反应的快慢反应程度，又可将细胞组织对照射的敏感性大体分为四类：①放射高度敏感组织：照射剂量为10～20Gy时，受照组织或器官功能就会受到影响，主要包括生殖腺（卵巢、睾丸）、发育中的乳腺、生长中的骨与软骨、骨髓等；②放射中度敏感组织：照射剂量为20～45Gy时，基本不会发生严重并发症，主要包括胃、小肠、结肠、肾、肺、肝、甲状腺、垂体、生长中的肌肉及淋巴结等；③放射低度敏感组织：照射剂量为50～70Gy时，很少发生严重并发症，主要包括皮肤、口腔黏膜、食管、直肠、唾液腺、胰腺、膀胱、成熟的骨与软骨、中枢神经系统、脊、眼、耳及肾上腺等；④放射不敏感组织：受照剂量为75Gy以上时，组织或器官基本不会发生严重并发症。这类组织主要包括输尿管、子宫、成人乳腺、肌肉、关节软骨、周围神经及胆道等。
细胞周期中处于不同时相细胞的放射敏感性也不同，不同时相敏感性从高到低依次为M期、G2期、G1期、S期，其中M期最敏感，G2期敏感性与M期的敏感性相似，S期细胞通常具有较大的放射耐受性。
（李朝达 朱俞朴）