面向物理科学家的辐射生物学/辐射相互作用 - 物理和化学事件

HPAul 提供的辐射相互作用类型

物理事件

生物材料中的能量沉积

辐射的能量需要沉积到生物材料的细胞中才能产生生物效应。带电粒子辐射，如α粒子、电子和质子，通过库仑相互作用直接将能量转移到细胞中的其他带电粒子。然而，不带电的辐射，如 X 射线、γ射线和中子，不能直接转移它们的能量。相反，它们间接地将全部能量（光电效应）或部分能量（康普顿效应）转移到细胞中的带电粒子，这些带电粒子通过库仑相互作用将能量转移到生物材料。沉积能量的单位是焦耳每千克，为了纪念英国科学家路易斯·哈罗德·格雷，它有一个特殊的名称格雷。

激发和电离

能量沉积会导致两种不同的事件，这取决于细胞吸收的能量多少。

一种事件称为激发，其中细胞中原子的轨道电子获得足够的能量，使其从基态跃迁到更高能级，而不会离开原子。这种类型的事件将不是本书的重点。第二种事件称为电离，当细胞中一个或多个原子轨道电子具有足够的能量离开原子，从而导致离子对。电离辐射可以根据能量来源进一步重新分类为直接电离和间接电离。

电离密度

生物材料中辐射引起的电离会导致细胞中沉积能量的随机和不均匀分布。线性能量转移 (LET) 指标量化了带电粒子传递的能量的空间分布。它是传递的平均能量与辐射穿过的距离的商，单位为 keV/μm。

根据 LET 值，辐射可以重新分类为低 LET 辐射或高 LET 辐射。低 LET 和高 LET 之间的分界值为约 10 keV/μm。

低 LET 辐射	高 LET 辐射
X 射线	α粒子
γ射线	中子
	质子

直接作用和间接作用

细胞包含有机化合物（蛋白质、碳水化合物、核酸和脂类），以及溶解或悬浮在水中的无机化合物（矿物质）。细胞中受辐射损伤的关键靶点是 DNA；然而，对细胞中其他部位的损伤也可能导致细胞死亡。辐射的生物效应可以根据细胞中被辐射电离的原子或分子进行分类。辐射的直接作用是指细胞中关键靶点原子或分子的电离，如 DNA。间接作用是指细胞中除靶点原子和分子以外的原子或分子的电离。在生物材料中，水的电离（辐射分解）很重要，因为超过 80% 的细胞质量是水。

直接作用是高 LET 粒子相互作用的主要过程，因为它导致更密集的辐射柱，更有可能直接与 DNA 相互作用。稀疏电离辐射，如低 LET 粒子，主要通过间接作用相互作用。

化学事件

电离事件中平均耗散的能量为 33eV，这足以断裂细胞中原子和分子的化学键。断裂 DNA 碱基中键所需的典型能量为 9eV。断裂这些化学键会导致一系列化学事件，产生自由基，从而导致生物损伤。自由基是原子或分子，在其外壳中具有不成对的电子，这通常使它具有很高的化学反应活性。自由基是指能够在与另一个分子相互作用之前从产生它的位置扩散的自由基。

直接作用

辐射使目标分子电离并在分子上形成带正电的自由基。字母 R 是烃基侧链的占位符。

RH + 辐射 → RH•⁺ + e^-

RH•⁺ 阳离子自由基分解成糖或碱自由基和氢阳离子。

RH•⁺ + e^- → R• + H⁺

与该自由基的化学反应会导致 DNA 双螺旋的一条或两条链断裂。这些单链和双链断裂将在下一章中进一步讨论。

间接作用

水的电离会导致它失去一个电子并产生一个带正电的离子自由基 H₂O⁺• 和一个自由电子 e^-。通过一系列化学反应，H₂O⁺• 和 e^- 产生高反应活性自由基，如羟基自由基 (OH•) 和 H•

H₂O + 辐射 → H₂O⁺ + e^-

H₂O⁺ H₂O → H₃O⁺ + OH•

这些自由基可以扩散到目标分子，导致 DNA 或糖自由基，最终产生 DNA 双螺旋的单链和双链断裂。

RH + OH• → R• + H₂O

高反应活性羟基自由基 (OH•) 被认为是哺乳动物细胞损伤的 2/3 以上原因。辐射防护药物通常通过清除自由基来发挥作用。对于高 LET 辐射，这些药物通常效果较差，因为直接作用占主导地位。

参考文献

Hall, Eric 和 Giaccia, Amato。面向放射科医生的辐射生物学。Lippincott Williams & Wilkins。2006