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核、化學(xué)武器損傷:第一節(jié) 電離輻射對細(xì)胞的作用

一、細(xì)胞的輻射敏感性機(jī)體各類細(xì)胞對輻射的敏感性不一致。Bergonie 和Tribondeau提出細(xì)胞的輻射敏感性同細(xì)胞的分化的程度成反比,同細(xì)胞的增殖能力成正比。Casaret按輻射敏感性由高jfsoft.net.cn到低,將人類和哺乳動物細(xì)胞分為4類(表3-1)。從總體上說,不斷生長、增…

一、細(xì)胞的輻射敏感性

機(jī)體各類細(xì)胞對輻射的敏感性不一致。Bergonie 和Tribondeau提出細(xì)胞的輻射敏感性同細(xì)胞的分化的程度成反比,同細(xì)胞的增殖能力成正比。Casaret按輻射敏感性由高www.med126.com到低,將人類和哺乳動物細(xì)胞分為4類(表3-1)。從總體上說,不斷生長、增殖、自我更新的細(xì)胞群對輻射敏感,穩(wěn)定狀態(tài)的分裂后細(xì)胞對輻射有高度抗力。而多能性結(jié)締組織,包括血管內(nèi)皮細(xì)胞,血竇壁細(xì)胞,成纖維細(xì)胞和各種間胚葉細(xì)胞也較敏感,介于表3-1的Ⅱ、Ⅲ類之間。

表3-1 哺乳類細(xì)胞輻射敏感性分類

細(xì)胞類型特 性舉 例輻射敏感性
Ⅰ增殖的分裂間期細(xì)胞(vegetative intermitosis cells)受控分裂
分化程度最低
造血干細(xì)胞
腸隱窩細(xì)胞
表皮生長細(xì)胞
Ⅱ分化的分裂間期細(xì)胞(differentiating intermitosis cells)受控分裂
分裂中不斷分化
幼稚血細(xì)胞 
結(jié)締組織細(xì)胞
(Conective tissue cells)
   
Ⅲ可逆性分裂后細(xì)胞(reverting postmitotic cells)無受控分裂
可變分化
肝細(xì)胞 
Ⅳ穩(wěn)定性分裂后細(xì)胞(fixed postmitotic cells)不分裂
高度分化
神經(jīng)細(xì)胞
肌肉細(xì)胞

二、細(xì)胞周期的變化

輻射可延長的細(xì)胞周期,但不同階段的輻射敏感性不同(圖3-3)。處于M期的細(xì)胞受照很敏感,可引起細(xì)胞即刻死亡或染色體畸變(斷裂、粘連、碎片等);可不立刻影響分裂過程,而使下一周期推遲,或在下一次分裂時(shí)子代細(xì)胞夭折。C1期的早期對輻射不敏感,后期則較為敏感,RNA、蛋白質(zhì)和酶合成抑制,延遲進(jìn)入S期。S前期亦較為敏感,直接阻止DNA合成,而在S期的后期敏感性降低,是則于此時(shí)已完成DNA合成,即使DNA受損亦可修復(fù)之故。G2期是對輻射極敏感的階段,分裂所需特異蛋白質(zhì)和RNA合成障礙,因而細(xì)胞在G2期停留下來,稱“G2阻斷”(G2block),是照射后即刻發(fā)生細(xì)胞分裂延遲主要原因。

圖3-3 細(xì)胞周期各階段的輻射敏感性

三、染色體畸變

細(xì)胞在分裂過程中染色體的數(shù)量和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化稱為染色體畸變(chromosomeaberration);兛梢宰匀话l(fā)生,稱自發(fā)畸變(spontaneous aberration)。許多物理、化學(xué)因素和病毒感染可使畸變率增高。電離輻射是畸變誘發(fā)因素,其原因是電離粒子穿透染色體或其附近時(shí),使染色體分子電離發(fā)生化學(xué)變化而斷裂。

(一)染色體數(shù)量變化

照射時(shí)染色體發(fā)生粘著,在細(xì)胞分裂時(shí)可能產(chǎn)生染色體不分離現(xiàn)象,致使兩個(gè)子細(xì)胞中染色體不是平均分配,生成非整倍體(aneuploid)細(xì)胞。

(二)染色體結(jié)構(gòu)變化

1.染色體型畸變:當(dāng)染色體在復(fù)制之前受照射(即細(xì)胞處于G1期或S期初期受照射),染色體發(fā)生畸變之后再進(jìn)行復(fù)制,稱染色體型畸變。斷片、著絲粒環(huán)、雙著絲粒體、相互易位、倒位及缺失等畸變屬于這一類(圖3-4)。

圖3-4 某些染色體畸變形成示意圖

(1)斷片,。2)雙著絲點(diǎn)。3)環(huán)

2.染色單體型畸變:當(dāng)染色體復(fù)制之后受照射(即細(xì)胞處于S期后期或G2期受照射),在jfsoft.net.cn/kuaiji/一個(gè)染色單體臂上發(fā)生斷裂或裂隙,稱為染色單體型畸變(chromatid aberration)。單體斷片、單體互換等屬這一類。

電離輻射誘發(fā)的畸變以染色體型畸變?yōu)橹鳎纫詳嗥,環(huán)和雙著絲粒體等畸變,在反映輻射效應(yīng)的程度方面更有意義。

四、細(xì)胞死亡

(一)細(xì)胞死亡類型

1.間期死亡(intermitoticdeath):細(xì)胞受照射后不經(jīng)分裂,在幾小時(shí)內(nèi)就開始死亡,稱間期死亡,又稱即刻死亡。體內(nèi)發(fā)生間期死亡的細(xì)胞分為二類:一類是不分裂或分裂能力有限的細(xì)胞,如淋巴細(xì)胞和胸腺細(xì)胞,受幾百mGy照射后即發(fā)生死亡;另一類是不分裂和可逆性分裂的細(xì)胞,如成熟神經(jīng)細(xì)胞、肌細(xì)胞和肝、腎細(xì)胞等,需要照射幾十至幾百Gy才發(fā)生死亡。細(xì)胞間期死亡發(fā)生率隨照射劑量增加而增加,但達(dá)到一定峰值后,再增加照射劑量,死亡率也不再增加。間期死亡的原因是核細(xì)胞的破壞,其機(jī)理主要是由于DNA分子損傷和核酸、蛋白質(zhì)水解酶被活化,導(dǎo)致染色質(zhì)降解,組蛋白外溢,發(fā)生細(xì)胞核固縮、裂解。照射后膜結(jié)構(gòu)的破壞、細(xì)胞能量代謝障礙,也是促成間期死亡的因素。

2.增殖死亡(reproductivedeath):細(xì)胞受照射后經(jīng)過1個(gè)或幾個(gè)分裂周期以后,喪失了繼續(xù)增殖的能力而死亡,稱增殖死亡,也稱延遲死亡。體內(nèi)快速分裂的細(xì)胞,如骨髓細(xì)胞受數(shù)Gy射線照射后數(shù)小時(shí)至數(shù)天內(nèi)即發(fā)生增殖死亡。分裂細(xì)胞在受到很大劑量照射后也可發(fā)生間期死亡。增殖死亡的機(jī)理主要是由于DNA分子損傷后錯誤修復(fù)和染色體畸變等原因?qū)е掠薪z分裂的障礙。

(二)劑量存活曲線

劑量存活曲線(dode survival curve)是反映照射劑量與細(xì)胞死亡率之間的關(guān)系,分析受照射細(xì)胞群體輻射效應(yīng)的一種模式。在培養(yǎng)皿上培養(yǎng)有增殖能力的哺乳類細(xì)胞,觀察細(xì)胞集落形成率,以每一集落代表1個(gè)存活細(xì)胞。其集落形成率隨照射劑量增加而減少。以集落形成率代表細(xì)胞存活率與照射劑量在半對數(shù)座標(biāo)紙上作圖即構(gòu)成劑量存活曲線(圖3-5)。

圖3-5 哺乳類細(xì)胞典型劑量存活曲線

劑量存活曲線的形狀有兩種,圖中A線是簡單的指數(shù)曲線,生物分子的滅活、原核細(xì)胞死亡,或高LET輻射哺乳類細(xì)胞,多符合這樣的劑量存活曲線。B線是帶“肩”的指數(shù)曲線,“肩”表示在低劑量區(qū)細(xì)胞存活率降低緩慢,“肩”的大小反映了細(xì)胞對亞致死損傷的耐受力或修復(fù)能力。大多數(shù)哺乳類細(xì)胞受低LET輻射照射符合帶“肩”的劑量存活曲線。

通常用D37、D0、Dq和n等參數(shù)來表示劑量存活曲線的特征。

D37是指存活曲線上存活率由1降至0.37所需的劑量。

D0稱平均致死劑量(mean lethal dose),是指存活曲線指數(shù)部分,即直線部分存活率每降低至0.37所需的劑量。D0是該直線斜率的倒數(shù)。D0的大小反映了細(xì)胞的輻射敏感性,哺乳類細(xì)胞的D0值多在1~2Gy之間。(圖中e為自然對數(shù)的底,等于2.718,1/e≈0.37)。

Dq稱擬閾劑量(quasithreshold dose),是在劑量存活曲線上存活率為1處劃一橫坐標(biāo)的平行線,與B線直線部分延長線相交,其所對應(yīng)的劑量即為Dq。在A線上Dq=0,故D37=D0。

n稱外推值(extrapolationnumber)是劑量存活曲線B的直線部分的延長線與縱座標(biāo)的交點(diǎn)。

Dq和n值都反映曲線“肩”部的大小,在放射生物學(xué)和放射治療學(xué)中常用D0、Dqn等參數(shù)比較各類的細(xì)胞輻射敏感性和修復(fù)能力。

五、細(xì)胞損用力的修復(fù)

(一)亞致死損傷修復(fù)

亞致死損傷是指細(xì)胞接受輻射能量后所引起的損傷不足以使細(xì)胞致死,如果損傷積累起來,就可以引起細(xì)胞死亡。但若給予足夠的時(shí)間,則細(xì)胞有可能對這種損傷進(jìn)行修復(fù),稱亞致死損傷修復(fù)(sublethal damage repair,SLDR)。所以將一定劑量進(jìn)行分次照射,每次照射中間給予一定間隔,細(xì)胞的死亡率比同等劑量一次照射明顯減少。

(二)潛在致死損傷修復(fù)

潛在致死損傷是指照射后細(xì)胞暫未死亡,但如不進(jìn)行干預(yù),細(xì)胞將會發(fā)生死亡。假如改變受照射細(xì)胞所處狀態(tài)。例如置于不利于細(xì)胞分裂的環(huán)境中,則受損傷細(xì)胞可得到修復(fù)而免于死亡,稱潛在致死損傷修復(fù)(potentially lethal damage repair,PLDR)。

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