5.2.3 辐射诱导染色体畸变的剂量-效应关系
ICRP 1990年建议书中提到，随机性效应是指正常细胞中由电离辐射事件产生的变化而引起的那些效应。一般认为随机性效应有两大类：第一类发生在体细胞内，并可能在受照者体内诱发癌症；第二类发生在生殖细胞内，并可引起那些受照者后代的遗传疾病。ICRP 2007年建议书将辐射照射的有害健康效应（组织反应）分为两大类，即发生在受照个体的癌症和发生在他们后代的遗传疾患，并拟以此来分别取代1990年建议书中提出的确定性效应和随机性效应。
5.2.3.1 确定性效应
机体多数器官和组织的功能并不因损失少量或大量细胞而受到影响，这是因为机体有强大的代偿功能。在电离辐射作用后，若某一组织中损失的细胞足够多，而且这些细胞又相当重要，将会造成可能观察到的损伤，主要表现为组织或器官功能不同程度地丧失。当照射剂量很小时，这种损害将不会发生；当剂量高于某一水平（阈值）时，这种损害百分之百会发生，且损伤的严重程度随照射剂量的增加而加重。电离辐射的这种生物学效应称为确定性效应。确定性效应的剂量阈值是0.1～0.2 Gy，每个器官和组织及每个人引起效应的阈值存在一定的差异，超过阈值时电离辐射效应的发生率和严重程度随剂量的增大而增加。确定性效应的发生基础是器官或组织的细胞死亡，确定性效应包括除了癌症、遗传和突变以外的所有躯体效应和胚胎效应及不育症等。
ICRP的103号报告建议书中提出了组织反应（tissue reaction）的概念。组织反应是从组织损伤反应的动态过程等综合因素来考虑，在组织吸收剂量不超过0.1 Gy的范围内，组织不会表现出这样的效应，它既适用于单次急性照射，又适用于长期小剂量照射（如每年反复照射）。大剂量的照射，可以引发有害的组织反应，组织反应一词有取代确定性效应的趋势。
（1）出生前照射效应及疾病
胚胎发育过程中受到电离辐射作用，称为胎儿照射或宫内照射。胎内受照精子和卵子结合后经过植入前期，在器官形成期和胎儿期任何一段时间受射线照射，辐射效应的严重程度和特点，除了取决于受照剂量、剂量率、照射方式、射线种类和能量外，与胚胎发育的阶段密切相关。妊娠初期（3周内），当胚胎细胞数很少且功能尚未分化时，这些细胞若受到损伤会导致不能着床或不易察觉的胚胎死亡；而3周后受照则会使正在发育中的器官发生各种畸形，一般认为妊娠6周内的辐射敏感性比6周后高，其中8～15周尤甚。胎内照射效应可分为致死性效应、畸形和发育障碍三类。
（2）出生后确定性效应
出生后确定性效应包括放射性白内障、血液系统疾病、放射性不育症、全身性放射损伤、皮肤放射损伤等，以及对寿命的影响。
①放射性白内障：放射性白内障指由X射线、γ射线、中子及高能β射线等辐射照射所致的晶状体混浊。发病原因一般是眼部有明确的一次或短时间（数日）内受到大剂量外照射，或者长期反复超过剂量限值的外照射史，累积剂量在2.0 Gy以上。临床过程为晶体从小的混浊点到全部混浊，再到逐渐影响到视力，最后发展成视力完全丧失。
②血液系统疾病：造血组织对辐射损伤是比较敏感的，处于分化阶段的细胞尤为敏感。多能造血干细胞是造血系统最原始的成分，并决定着辐射作用后机体造血恢复情况。辐射损伤可引起高色素性贫血、白细胞与血小板数减少和再生障碍性贫血等疾病。
③放射性不育症：放射性不育症指性腺因受到电离辐射作用而引起生育障碍。根据受照剂量大小，该病症可表现为暂时性不育症和永久性不育症。表5.3是人睾丸受照剂量与精子数量、恢复时间的关系。
表5.3 人睾丸受照剂量与精子数量、恢复时间的关系
④全身性放射损伤：胎儿出生后受电离辐射照射，照射达到一定剂量后可引起急性放射病、慢性放射性损伤等。电离辐射除可以引起上述全身损伤外，还可因局部受到外照射和放射性核素进入体内选择性地蓄积在某些器官或组织，以及进入或排出途径，引起局部放射损伤。急性放射病是机体在短时间内受到大剂量（大于1.0 Gy）电离辐射引起的全身性疾病。
⑤皮肤放射损伤：皮肤放射损伤指身体局部受到一次或短时间内（数日）多次受到大剂量（X、γ和β射线）外照射引起的急性放射性皮炎及放射性溃疡。皮肤受照后的主要临床表现因射线种类、照射剂量、剂量率、射线能量、受照部位、受照面积和身体情况等而异。皮肤受照射后最早出现的变化是红斑，可在暂时消退后反复出现；在红斑之后可以出现脱毛、干性脱屑、湿性脱屑和表皮坏死；大剂量照射后出现皮肤脱屑的时间（照射后2～3周）与从基底细胞分化到角化层所需的时间大体一致。皮肤照射的远期后果为表皮、汗腺、皮脂腺及毛囊萎缩，以及真皮纤维化、血管扩张、皮肤溃疡和皮肤癌等。
⑥其他器官的损伤效应：不论是大剂量急性全身意外照射还是大剂量局部放疗照射，都可以引起体内其他重要功能系统，如消化、呼吸、循环、泌尿、神经系统中器官的损伤，出现相应的功能障碍，这些器官的损伤进展缓慢，机制复杂，既有照射引起的实质细胞、支持细胞和成纤维细胞损伤及减少的结果，也与照射时该器官出现的血管损伤及营养障碍有关，放射治疗时有可能使单一器官或少数器官受到超过阈值的大剂量照射。2002年《ICRP指导手册》（执业医师指南）给出了产生确定性效应的近似吸收剂量阈值（表5.4）。
表5.4 产生确定性效应的近似吸收剂量阈值
图5.7给出了吸收剂量与确定性效应之间的关系：剂量低于阈值时诊断不出效应；随着剂量的增加，损伤程度会明显加重，在某种情况下是急剧加重，但当达到一定剂量时发生频率便不再增加。图5.8显示的是DNA在受到放射损伤以后，可能诱发的两类效应。
图5.7 辐射引起确定性效应（杀死细胞）的一般剂量效应关系
图5.8 DNA损伤诱发的两类效应(https://www.daowen.com)
5.2.3.2 随机性效应
当电离辐射能量作用于生物体时，一些细胞受到电离辐射的损伤发生了变异但没有发生死亡，随着时间的延长，变异的细胞有可能形成一个变异的子细胞克隆。当机体的防御机制不健全时，经过不同的潜伏期，由一个变异的但仍存活的体细胞生产的这个细胞克隆可能导致恶性病变，即发生癌症。这种效应发生概率随照射剂量的增大而增加，而严重程度与照射剂量无关，这种不存在剂量阈值的效应称为随机性效应。如果变异发生在生殖细胞（精子或卵子）中，其基因突变的信息会传给后代，产生遗传效应。决定生物体遗传性状的基本单位是基因，而基因是染色体DNA上具有一定功能的一段核苷酸序列，这个序列作为密码指导m RNA和蛋白质的合成。电离辐射是一种诱变剂，辐射遗传效应通过电离辐射对生殖细胞遗传物质DNA的损害而导致突变，并向受照者的后代传递，使受照者的后代发生遗传性异常或遗传性疾病，它是表现于受照者后代的随机性效应。
（1）电离辐射诱发肿瘤
机体接受电离辐射后发生的与所受照射具有一定程度病因学联系的恶性肿瘤，是照射后重要的远后效应之一，它包括各种实体瘤、白血病、骨肉瘤等，属于随机性效应。电离辐射致癌性是得到确认的致命性健康危害因素，致癌效应是制定放射防护标准的重要放射生物学依据之一，因此，电离辐射致癌效应的评价是辐射危害评价的核心内容。
放射性损伤可引起细胞遗传物质变化。DNA分子受损伤后，如果得到及时且有效的修复，则细胞仍能继续生存并保持正常分裂增殖能力；若修复缺陷或错误修复，则可能导致细胞死亡或发生基因突变。体细胞突变会导致细胞异常增殖，细胞恶性转化，表现为辐射致癌效应。辐射致癌效应已由体外诱发细胞恶性转化、大量动物实验研究和人群的流行病学调查所证实。
辐射诱发的肿瘤，具有以下几个特点：①与放射性损伤的部位具有一致性，即肿瘤易发部位多是放射损伤的主要部位；②与化学致瘤相比，具有多发性和广谱性，即同一机体可有几个器官或组织同时发生同类型或不同类型的肿瘤；③病理类型多是上皮组织的各种癌、间叶组织的肉瘤和造血组织的白血病；④兼有始动和促进作用，是完全致癌因子；⑤在一定照射剂量范围内，肿瘤的发生率随剂量的增大而增加，但似乎有最适致癌剂量和最低致癌剂量。总的说来，辐射诱发的癌症与一般人群发生的同种癌症的临床、病理学特征相同，无特异性，很难用一般医学检查手段予以判别。为解决辐射致癌病因的判断与赔偿裁决，我国《职业性放射性肿瘤判断规范》（GBZ 97—2017）提供计算病因概率（probability of causation，PC）的方法和参数，PC≥50%者可判断为放射性肿瘤，以便于解决一些实际问题。
大量医学实验研究和人群流行病学调查证实，辐射诱发的不同肿瘤类型因受照剂量、射线性质、照射条件和照射对象特点不同而不同，可有不同类型的剂量-效应曲线，它反映了辐射作用于机体不同组织器官的复杂过程。典型的曲线是随剂量增加，先为上升型曲线，达到顶峰后下降的图形，即在较低剂量阶段，肿瘤的诱发占优势，随着剂量的增加，杀死细胞的概率比肿瘤转化的概率大得多，所以大剂量时癌变细胞的灭活占优势，顶峰时的剂量是二者持平的剂量。
影响电离辐射诱发人类各种恶性肿瘤的因素，除了来自辐射源方面的因素外，还有关于受照机体方面的影响因素。
①器官敏感性：人体不同组织对辐射致癌的效应明显不同（表5.5），敏感性最高的组织是甲状腺和骨髓，以白血病发生率最高（特别是髓性白血病），而前列腺、睾丸和子宫颈的癌症几乎不被诱发。从组织、器官特点可见，辐射致癌敏感性与组织更新速度不一致。例如，高敏感性的甲状腺，却是细胞更新低的组织；而低敏感性的小肠，细胞增殖却很快。辐射敏感性与肿瘤自发率无密切关系，如甲状腺癌和皮肤癌自发率低，却很易于由辐射所诱发。辐射致癌发病率与癌死亡率不平行，二者不能相互代替，如甲状腺癌发病率高而死亡率低。由于随访观察期不同，各种肿瘤的危险系数也会不同，如白血病潜伏期短，相对危险系数高，但随着观察时间延长，白血病危险系数下降，实体瘤的死亡率上升。
表5.5 不同组织和器官对辐射致癌的敏感性
续表
②年龄因素：年龄是影响自发癌的重要因素，在易发年龄段受照可增加辐射致癌危险。一般表现为年龄越小，敏感性越高。
③性别因素：辐射诱发人类乳腺癌只在女性中增多，甲状腺癌的患病率女性是男性的3倍。有人认为，白血病的患病率男性略高于女性。其他类肿瘤在性别上差别不大。
④其他因素：辐射致癌还受遗传因素和环境因素的影响，如吸烟可使铀矿工肺癌的发生率增高。有研究显示，雾霾也存在类似影响。
（2）电离辐射遗传效应
电离辐射遗传效应是指电离辐射对受照者后代产生的随机性效应，它是通过损伤亲代生殖细胞（精子和卵子）的遗传物质（DNA）形成的，是遗传物质在子代中表现出来的结果，通常具有终生性。决定生物体遗传性状的基本单位是基因，基因是染色体DNA链上具有一定功能的一段核苷酸序列，这个序列作为密码指导mRNA和蛋白质的合成。
根据目前人类辐射遗传学调查的结果，图5.9给出了辐射引起随机性效应的一般剂量效应关系。由X或γ射线引起的癌症频率会随剂量的增加而增加，效应频率达到最大值后，剂量效应曲线趋于平稳，剂量再高，曲线又下降。在曲线的最低点，当剂量在100～200 m Gy时，不易测到任何潜在的效应，这是由统计学不确定度造成的，因为存在大量自发癌症和混杂因素的影响，但在低剂量区（＜200 mGy），随机性效应的概率会随剂量的增加成比例增加。对于非照射居民偶然接触到放射线照射，由于这种随机性效应也存在着自发频率（图5.9基线），辐射引起的致癌效应与未受照个体有相同的形态学、生物化学和临床等特征，所以很难把它们与电离辐射引起的效应定量地区分开来。
图5.9中阴影表示非受照人群的对照发病率；虚线部分表示向低剂量的外推，此处没有相应效应的可靠证据。
图5.9 辐射引起的随机性效应