5.4.3 电离辐射对生殖系统的作用
电离辐射对生殖系统的作用主要在于其对性腺器官的影响。睾丸和卵巢分别是雄性和雌性的重要性腺器官（主性器官），对放射敏感性较高；而生殖系统的其他附属性器官对电离辐射有相对的抗性。
5.4.3.1 性腺的结构和功能特点
（1）睾丸的结构和功能特点
雄性生殖器（图5.15）由生殖腺（睾丸，testis）、输精管道（附睾、输精管、射精管和尿道）、附属腺（精囊、前列腺和尿道球腺）和外生殖器（阴茎和阴囊）组成。睾丸被膜有3层，其中的白膜在睾丸后缘凸入睾丸内形成纵隔，并由此发出许多小隔呈扇形伸入睾丸实质，将其分成许多睾丸小叶。每个小叶含有1～4条弯曲细长的生精小管（seminiferous tubule），在近纵隔处变为短而直的直精小管，并相互吻合为睾丸网。生精小管主要由生精上皮（spermatogenic epithelium）构成，生精上皮由5～8层生精细胞（spermatogenic cell）和支持细胞（sertoli cell）组成，前者包括精原细胞（spermatogonium）、精母细胞（spermatocyte，包括初级精母细胞和次级精母细胞）、精子细胞（spermatid）和精子（spermatozoon）。
图5.15 雄性生殖器解剖示意图
从精原细胞发育为精子，人需要（64±4.5）d，牛54 d，兔47～51.8 d，大鼠48 d，小鼠34.5 d。1个精原细胞增殖分化或各级生精细胞，细胞质并未完全分开，细胞间始终有细胞质桥相连，形成一个同步发育的细胞群。生精细胞在生精上皮中的排列是严格有序的。在生精小管的不同阶段，精子的发生是不同步的，这种处于不同发生阶段的生精细胞形成特定的细胞组合。从生精小管某一局部来看，从某一特定的细胞组合开始到下一次出现同一细胞组合所经历的时程，称为生精上皮周期。从空间上来看，相邻的同一细胞组合沿生精小管的空间距离，称为生精波（spermatogenic wave）。1个周期经历不同细胞组合，称为期（stage，用罗马数字表示）。人有6期，大鼠14期，小鼠12期。
在精子发生过程中，有半数以上的生精细胞自发凋亡，明显受年龄、生精细胞种类及生精上皮周期不同阶段等方面的影响，存在一定的规律。其凋亡自胚胎期开始，在原始生殖细胞迁移性阶段凋亡最高。人出生后，自精子发生第1个波开始至存在有功能活性的精原细胞增生时，出现第2个凋亡高峰；以后，随着性的逐渐成熟，生精细胞凋亡也逐渐减少。凋亡的生精细胞主要是精原细胞和精母细胞，而且前者的凋亡数大于后者，很少累及精子细胞。性激素、物理和化学等因素均对生精细胞凋亡发生影响，并受多基因的调控。
支持细胞（sertoli cell）有多种功能，主要对生精细胞起到支持和营养作用，参与形成血-生精小管屏障（blood-seminiferous tubule barrier），创建稳定的生精内环境，能够合成和分泌抑制素（inhibin）、雄激素结合蛋白（androgen binding protein，ABP）生长因子和其他物质。生精小管之间的睾丸间质有成群分布的间质细胞（leydig cell），主要分泌雄激素（androgen）。
（2）卵巢的结构和功能特点
雌性生殖器（图5.16）由生殖腺（卵巢，ovary）、生殖管道（输卵管、子宫和阴道）、附属腺（前庭大腺）和外生殖器（外阴）组成。卵巢实质分为皮质和髓质，但两者界限不清。皮质含有不同发育阶段的卵泡（follicle）。卵泡是由一个卵母细胞（oocyte）和包绕其周围的多个卵泡细胞（follicular cell）组成，后者又称为颗粒细胞（granulosa cell），分为原始卵泡、生长卵泡（初级卵泡和次级卵泡）和成熟卵泡三个阶段。卵泡细胞具有支持和营养卵母细胞的作用。原始卵泡处于静止状态，不随年龄的增长而变化，在其中间有一个初级卵母细胞（primary oocyte）。次级卵泡和成熟卵泡具有内分泌功能，主要分泌雌激素（estrogen）。成熟的卵泡经卵巢表面以破溃的方式将卵细胞（卵子，ovum）排至腹膜腔。排除卵细胞后的卵泡形成黄体，分泌孕酮（progesterone）。如未受孕，2周后黄体开始退化，形成白体。
图5.16 雌性生殖器解剖示意图
5.4.3.2 生殖细胞的放射敏感性
睾丸的生殖部分（包括生精小管中的精原细胞、精母细胞及精子细胞、精子）的放射敏感性非常高，而间质部分的睾丸间质细胞有一定的辐射抗性，放射敏感性较低。放射敏感性高的生殖细胞在各个发育阶段的敏感性也有差异，随着生殖细胞的发育分化，放射敏感性随之下降。雄性生殖细胞的放射敏感性从高到低依次为：精原细胞＞精母细胞＞精子细胞＞精子。在不同的发育阶段，精原细胞的放射敏感性也存在差异，分裂越旺盛的细胞放射敏感性越高。各种属精原细胞的放射敏感性也存在差异，人类精原细胞的放射敏感性最高。精子细胞和精子的放射敏感性在雄性生殖细胞中较低，各种属精子细胞的放射敏感性也存在差异，人类精子细胞的放射敏感性最高。
卵巢（ovary）的放射敏感性低于睾丸，卵巢中生殖细胞和卵泡细胞的放射敏感性高，而卵巢黄体和间质具有一定辐射抗性。卵原细胞在有丝分裂活跃时，放射敏感性也最高。卵母细胞的放射敏感性随卵泡发育阶段的不同有明显差异。卵原细胞和卵母细胞的放射敏感性存在种属差异。
5.4.3.3 电离辐射的生殖效应
电离辐射可致生殖损伤，引起动物或人暂时不育或永久不育。造成这种后果取决于照射剂量、剂量率、射线种类、照射方式及动物种系、年龄等许多因素，其中照射剂量和动物种系两方面因素尤为重要。
（1）辐射雄性生殖效应
中等剂量照射后生精上皮受损，引起不育，通常其病理改变可分为三个阶段。
①生精细胞变性坏死期：照射后各类生精细胞即停止分裂，继之变性坏死；照射后2.5 h，核分裂相减少，精原细胞核浓缩、固缩和破裂；照射后4.5 h，累及精母细胞；照射后36 h，各类生精细胞损伤加剧，出现“影子”核，并逐渐出现多核巨细胞，持续1～3周。
②生精细胞“空虚”期：照射后3～4周，生精小管萎缩变细，相互间隔加大，间质细胞轻度变性，管内各级生精细胞和精子极度减少或几近消失，仅残留支持细胞；睾丸重量减轻。
③再生恢复期：照后5周，出现新生的生精细胞，精原细胞恢复最早，依次是精母细胞和精子细胞，最后是精子；间质细胞无明显变化。照射极期时，多见间质出血。
一般电离辐射引起各种雄性动物生殖上皮损伤，造成暂时不育的最小急性剂量是1.0 Gy。雄性动物受照射后初期仍保持生育力，因为受照射的精子和精子细胞（可能还包括精母细胞）仍继续发育，然后由于精原细胞的杀伤而出现暂时不育期，其持续时间取决于辐射剂量和动物种系。引起哺乳动物精子缺乏的剂量可能相差2～3倍以上，引起人精子缺乏的剂量不到1.0 Gy，而小鼠和其他啮齿类动物则为3.0 Gy左右。精子减少或精子缺乏开始的时间也不同。啮齿类动物在因辐射（1.0～3.0 Gy）导致精原细胞严重损伤和死亡后也可再育，因为其生精上皮再生很快；而人则不同，其生精上皮再生缓慢。小剂量分次照射后，精子消失比单次照射更快，其原因可能是分次照射使具有一定辐射抗性的A型精原细胞转变为辐射敏感的B型精原细胞。(https://www.daowen.com)
已证实较低照射剂量即可影响精子的生成，表5.8列出男性暂时或永久不育的剂量资料，低至0.1～0.15 Gy的照射可引起暂时不育，2 Gy以上剂量（一般需要6 Gy）会引起永久不育。
表5.8 男性暂时或永久不育的剂量
（2）辐射雌性生殖效应
卵巢的放射敏感性低于睾丸，3.0 Gy照射后各级卵泡细胞变性坏死、萎缩，其中成熟卵泡最敏感，依次是生长卵泡和原始卵泡。照后数小时，卵母细胞核固缩、碎裂；极期时，卵泡数量减少，甚至见不到卵母细胞，恢复也较晚、较慢，一般需数月或更长时间。间质细胞仅于极期发生变性。如增加照射剂量，生殖功能不易恢复，导致暂时或永久不孕。电离辐射所致雌性动物或人生殖功能障碍也与剂量和种属等因素有关。照射剂量较小的卵泡（随同卵母细胞）未完全被破坏，生殖能力一时丧失后可以恢复；照射剂量较大时卵泡完全被破坏，则可发生永久不孕。
人接受一次照射1.7～6.4 Gy（或更小的剂量0.6 Gy）可引起暂时不孕，3.2～10.0 Gy（或更小的剂量2.5 Gy）则可引起永久不孕，分次照射要达到相同效应需要更高的总剂量。详见表5.9。卵巢的放射敏感性取决于其成熟程度，永久不孕的阈值随年龄的增长而下降，年轻女性的卵巢对辐射有较大耐受性。这是由于出生后卵巢内无卵原干细胞，卵母细胞无法再补充，随时间推移而减少。
表5.9 女性暂时或永久不孕的剂量
（3）电离辐射的内分泌
睾丸和卵巢都具有双重功能，即生殖功能和内分泌功能，两种功能彼此密切联系，相互作用。因此，电离辐射作用于性腺组织，除了要关注辐射生殖效应，还应关注辐射内分泌效应。
①辐射睾丸内分泌效应。
下丘脑分泌促性腺激素释放激素（gonadotropin-releasing hormone，Gn RH）刺激腺垂体分泌促卵泡刺激素（follicle stimulating hormone，FSH）和黄体生成素（luteinizing hormone，LH）调节睾丸的内分泌机能。腺垂体分泌的FSH主要促进生精上皮细胞的发育和精子形成，LH则主要刺激睾丸间质细胞的发育与分泌睾酮。而睾酮又对下丘脑和垂体的Gn RH和LH的释放起负反馈作用。睾丸曲细精管上皮支持细胞受FSH调节分泌抑制素_，抑制素对腺垂体的FSH分泌有很强大的负反馈作用。抑制素对青春期前的下丘脑-垂体睾丸轴调控作用不大，随着性成熟调节作用逐渐增强。研究发现下丘脑、垂体和睾丸对电离辐射的敏感性不同，下丘脑比较敏感，垂体抗性较强，而睾丸中不同细胞敏感性不同。受照后，上皮支持细胞具有一定辐射抗性，仍能保持基础水平的抑制素分泌，并通过负反馈引起FSH水平升高；间质细胞的辐射抗性更高，睾酮水平无明显变化，对LH的负反馈也弱，LH变化不明显。
②辐射卵巢内分泌效应。
卵巢分泌的雌激素主要为雌二醇，孕激素主要为黄体酮。雌二醇是C-18类固醇激素，由卵泡的颗粒细胞、内膜细胞和黄体细胞合成和分泌；黄体酮是C-21类固醇激素，主要由黄体细胞分泌。雌激素可通过正反馈造成LH分泌高峰，引起排卵和促进黄体的生成；还可通过负反馈调节抑制FSH和LH的分泌，引起黄体的退化和新周期的开始。此外，雌激素可协调FSH直接作用于卵泡，促进卵泡的发育。60 d大鼠的卵泡受8～20 Gy照射后，出现的排卵不规则、阴道涂片有上皮角化现象，均与雌激素分泌变化有关；全身或骨盆、下腹部接受放疗的女性，可出现卵巢早衰、FSH和LH水平增高、闭经和第二性征不发育等症状。
（4）辐射对胚胎发育的影响
胚胎发育是指从受精卵起到胚胎出离卵膜的一段过程，主要包括卵裂、植入、胎盘形成、器官发生及分化等阶段。电离辐射对胚胎发育产生的有害影响，称为电离辐射的发育毒性效应（radiation-produced developmental toxic effects）。电离辐射的发育毒性主要表现为致死效应、畸形、生长迟缓等结构和功能障碍。其严重程度和特点主要与受照剂量、剂量率和胚胎发育阶段有关。通常胚胎发育分为植入前期、器官发生期、胎儿期三个阶段。
①植入前期。
动物实验表明，植入前期的胚胎对辐射最敏感，产前死亡发生率高，而经照射存活的胚胎其后续发育生长均正常，表现为全或无的现象。
②器官发生期。
此期胚胎细胞处于囊胚或分化阶段，对射线也非常敏感。胚胎于该期受照，主要出现先天性畸形，但产前死亡少见。人类受照引起畸形最多的时期为胚胎25～37 d，以中枢神经系统畸形为主，其他畸形少见。
③胎儿期。
胎儿期胚胎细胞辐射敏感性较低，引起结构和功能异常需要更大剂量，主要异常表现为发育障碍，可能发生智力低下。
辐射对人类胚胎发育影响的资料较少，主要来自广岛、长崎核爆幸存者的资料，根据现有人群资料，研究者总结了2.5 Gy以上剂量照对胚胎发育的影响：①在妊娠2～3周受照可引起较大比例的胚胎吸收和流产，如继续妊娠则婴儿基本正常；②妊娠4～11周受照可引起婴儿的多器官严重畸形；③妊娠11～16周受照引起少数器官畸形（如眼、骨骼和生殖器官畸形），生长障碍、小头症及智力低下；④妊娠16～20周受照可引起轻度小头症、生长和智力发育障碍；⑤妊娠30周后受照可引起功能障碍，而少见结构畸形。