輻射生物學（物理學家用書）/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其能量轉移給細胞中的其他帶電粒子。然而，不帶電輻射，如 X 射線、γ射線和中子，不能直接傳遞其能量。相反，它們間接地將所有能量（光電效應）或部分能量（康普頓效應）傳遞給細胞中的帶電粒子，這些帶電粒子透過庫侖相互作用將其能量傳遞給生物材料。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量。

一種事件稱為激發，其中細胞中原子軌道的電子獲得足夠的能量，使其從基態躍遷到更高的能級，而不會離開原子。這種型別的事件不會成為本書的重點。第二種事件稱為電離，發生在當細胞中一個原子中的一個或多個軌道電子具有足夠的能量離開原子，從而產生離子對時。電離輻射可以根據能量來源進一步分為直接電離和間接電離。

電離密度

生物材料中輻射的電離導致細胞中沉積能量的隨機和不均勻分佈。由帶電粒子傳遞的能量的空間分佈由線效能量轉移 (LET) 指標量化。它是平均傳遞能量與輻射穿過的距離的商，單位為 keV/μm。

根據 LET 值，輻射可以分為低 LET 或高 LET 輻射。低 LET 和高 LET 之間的界限值為約 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）。細胞中輻射損傷的關鍵目標是 DNA；然而，細胞其他部位的損傷可能導致細胞死亡。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原子或分子（如 DNA）的電離。間接作用是指細胞中除靶原子和分子以外的其他原子和分子的電離。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 粒子相互作用中的主要過程，因為它會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。自由基是一個原子或分子，在其外殼中具有不成對電子，這通常使其具有很高的化學反應性。自由基是在與另一個分子相互作用之前能夠從其產生部位擴散的自由基。

直接作用

輻射電離靶分子，在分子上形成帶正電的自由基。字母 R 是一個表示烴基側鏈的佔位符。

RH + 輻射 → RH•⁺ + e^-

RH•⁺ 陽離子自由基分解成糖或鹼基自由基和氫陽離子。

RH•⁺ + e^- → R• + H⁺

與這種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^- 會產生高反應性的自由基，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靶分子，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

高反應性的羥基自由基 (OH•) 被認為是哺乳動物細胞損傷的主要原因，佔 2/3 以上。輻射防護藥物通常透過清除自由基來發揮作用。這些藥物通常對高 LET 輻射效果較差，因為直接作用占主導地位。

參考文獻

Hall, Eric 和 Giaccia, Amato。輻射生物學：放射科醫師指南。Lippincott Williams & Wilkins。2006 年