面向物理科學家的輻射生物學/輻射相互作用 - 物理和化學事件

HPAul 提供的輻射相互作用型別

物理事件

生物材料中的能量沉積

輻射的能量需要沉積到生物材料的細胞中才能產生生物效應。帶電粒子輻射，如α粒子、電子和質子，透過庫侖相互作用直接將能量轉移到細胞中的其他帶電粒子。然而，不帶電的輻射，如 X 射線、γ射線和中子，不能直接轉移它們的能量。相反，它們間接地將全部能量（光電效應）或部分能量（康普頓效應）轉移到細胞中的帶電粒子，這些帶電粒子透過庫侖相互作用將能量轉移到生物材料。沉積能量的單位是焦耳每千克，為了紀念英國科學家路易斯·哈羅德·格雷，它有一個特殊的名稱格雷。

激發和電離

能量沉積會導致兩種不同的事件，這取決於細胞吸收的能量多少。

一種事件稱為激發，其中細胞中原子的軌道電子獲得足夠的能量，使其從基態躍遷到更高能級，而不會離開原子。這種型別的事件將不是本書的重點。第二種事件稱為電離，當細胞中一個或多個原子軌道電子具有足夠的能量離開原子，從而導致離子對。電離輻射可以根據能量來源進一步重新分類為直接電離和間接電離。

電離密度

生物材料中輻射引起的電離會導致細胞中沉積能量的隨機和不均勻分佈。線效能量轉移 (LET) 指標量化了帶電粒子傳遞的能量的空間分佈。它是傳遞的平均能量與輻射穿過的距離的商，單位為 keV/μm。

根據 LET 值，輻射可以重新分類為低 LET 輻射或高 LET 輻射。低 LET 和高 LET 之間的分界值為約 10 keV/μm。

低 LET 輻射	高 LET 輻射
X 射線	α粒子
γ射線	中子
	質子

直接作用和間接作用

細胞包含有機化合物（蛋白質、碳水化合物、核酸和脂類），以及溶解或懸浮在水中的無機化合物（礦物質）。細胞中受輻射損傷的關鍵靶點是 DNA；然而，對細胞中其他部位的損傷也可能導致細胞死亡。輻射的生物效應可以根據細胞中被輻射電離的原子或分子進行分類。輻射的直接作用是指細胞中關鍵靶點原子或分子的電離，如 DNA。間接作用是指細胞中除靶點原子和分子以外的原子或分子的電離。在生物材料中，水的電離（輻射分解）很重要，因為超過 80% 的細胞質量是水。

直接作用是高 LET 粒子相互作用的主要過程，因為它導致更密集的輻射柱，更有可能直接與 DNA 相互作用。稀疏電離輻射，如低 LET 粒子，主要透過間接作用相互作用。

化學事件

電離事件中平均耗散的能量為 33eV，這足以斷裂細胞中原子和分子的化學鍵。斷裂 DNA 鹼基中鍵所需的典型能量為 9eV。斷裂這些化學鍵會導致一系列化學事件，產生自由基，從而導致生物損傷。自由基是原子或分子，在其外殼中具有不成對的電子，這通常使它具有很高的化學反應活性。自由基是指能夠在與另一個分子相互作用之前從產生它的位置擴散的自由基。

直接作用

輻射使目標分子電離並在分子上形成帶正電的自由基。字母 R 是烴基側鏈的佔位符。

RH + 輻射 → RH•⁺ + e^-

RH•⁺ 陽離子自由基分解成糖或鹼自由基和氫陽離子。

RH•⁺ + e^- → R• + H⁺

與該自由基的化學反應會導致 DNA 雙螺旋的一條或兩條鏈斷裂。這些單鏈和雙鏈斷裂將在下一章中進一步討論。

間接作用

水的電離會導致它失去一個電子併產生一個帶正電的離子自由基 H₂O⁺• 和一個自由電子 e^-。透過一系列化學反應，H₂O⁺• 和 e^- 產生高反應活性自由基，如羥基自由基 (OH•) 和 H•

H₂O + 輻射 → H₂O⁺ + e^-

H₂O⁺ H₂O → H₃O⁺ + OH•

這些自由基可以擴散到目標分子，導致 DNA 或糖自由基，最終產生 DNA 雙螺旋的單鏈和雙鏈斷裂。

RH + OH• → R• + H₂O

高反應活性羥基自由基 (OH•) 被認為是哺乳動物細胞損傷的 2/3 以上原因。輻射防護藥物通常透過清除自由基來發揮作用。對於高 LET 輻射，這些藥物通常效果較差，因為直接作用占主導地位。

參考文獻

Hall, Eric 和 Giaccia, Amato。面向放射科醫生的輻射生物學。Lippincott Williams & Wilkins。2006