精品课程 《核子工程》 LETRBE与对DNA的损伤.docx
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精品课程《核子工程》LETRBE与对DNA的损伤
LET、RBE与对DNA的损伤
线性能量转移（LET）
当阻挡本领不等于LET？
阻挡本领（-dE/dx）为在介质中的带电粒子之能量损失。
LET为在靶中的能量吸收。
二次δ-电子会传递一部份的能量至靶体积之外。
ｏ若靶相较于二次电子的射程为小，则对重荷电粒子而言特别为真。
ｏ在生物分度上，靶的尺寸在微米（细胞）、奈米（染色质）或埃（DNA）之程度。
限制阻挡本领LET△=–
．能量传递>=100eV可视为给予δ-电子。
．符号LET∞意指未限制阻挡本领。
．LET一般在生物学相关文章里没有下标．是假设为未限制阻挡本领。
[这只在HZE粒子与径迹的相关议题]
例：
辐射一般LET值
1.2MeV60Co加马0.3keV/µm
250kVpx射线2keV/µm
10MeV质子4.7keV/µm
MeV质子0.5keV/µm
14MeV中子12keV/µm
重带电粒子100-2000keV/µm
2.5MeVα粒子166keV/µm
2GeVFe离子1,000keV/µm
「在组织中重离子径迹的微剂量量测上的结构」
Chatterjee,A.与Schaefer,H.J.
RadiationandEnvironmentalBiophysics,13,215-227,1976.
两个不同Z且不同E（速度）的粒子但有可能有相同的LET。
在径迹上的能量微观分布是不相同的。
．闪逝碰撞：
径迹核心
▪E传递少
▪作用的次数大
．封闭碰撞：
径迹半影
▪E能量传递大，高至最大值
▪作用次数少
核心半径可由此公式获得：
rc=0.0116β（m）
这里的β=v/c，即粒子相对于光速的速度
半影半径，rp，可由此公式获得：
rp=0.768E–1.925
＋1.257（m）
这里的E拭粒子的动能，单位MeV/核子。
不同Z值与能量而有相同LET∞的三种核种的数据
元素
Ne
Ar
Fe
Z值
10
18
26
速度，β=v/c
0.096
0.20
0.32
能量，MeV/核子
4.4
20.0
51.0
核心半径rc，微米
0.0011
0.0023
0.0037
半影半径rp，微米
0.6
7.7
27.0
LET∞，keV/微米T
800
800
800
核心LET，keV/微米T
430
423
420
（来自Chatterjee与Schaefer,1976的表3）
「HZE粒子的辐射效应无法以惯用的剂量量测单位来测量」
「核心在辐射生物学上必须视为一完整饱和与破坏的次显微区域」！
！
！
相对生物效能（RBE）
影像已移除
已知：
1Gy=1J/kg；1eV=1.6×10-19J
假设：
1个游离=33eV；1原子核=10-10克或约5m3
因此：
1Gy20,000个游离/10-10克
在越过一个5m原子核：
1MeV电子会在6个游离/m中损失200eV
7000个径迹20,000个游离1Gy
30MeV电子会在30个游离/m中损失1keV
140个径迹20,000个游离1Gy
4MeV质子会在300个游离/m中损失10keV
14个径迹20,000个游离1Gy
对原子核的剂量是相同的。
生物效应是非常不同的。
在比较不同辐射种类时，习惯上使用X射线（早年用250keV的X射线，现在移用60Co的加马射线或>1MeV的X射线）作为参考标准。
‧相对生物效能（RBE）定义为：
RBE=
，此处的
‧Dref是X射线的剂量
‧Dtest是要产生相同生物效应的试验辐射之剂量。
这里需要一个生物系统来量化辐射的效应。
有许多不同的技术指标可能可用（活体试验、试管内试验、正常组织、肿瘤）
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Fig.1-7inTurnerJ.E.Atoms,Radiation,andRadiationProtection,1sted.NewYork:
Pergamon,1986.
RBE与吸收剂量之间的关系
低-LET与高-LET存活曲线的形状不同导致RBE为技术指标（存活）之函数有所不同。
RBE与所显则之技术指标的损伤程度有关。
RBE随剂量而变化。
‧大剂量：
RBE正比于最后的斜率
‧中等剂量：
有肩部区域，因参考曲线的肩部而使RBE随着剂量减低而增加。
‧低剂量：
RBE趋近初始切线的斜率
影响RBE的因素
‧辐射品质（LET）
‧辐射剂量
‧剂量分次的次数
‧剂量率
‧生物系统或技术指针
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Fig.7.3ainHall,EricJ.RadiobiologyfortheRadiologist,5thed.PhiladephiaPA:
LippincottWilliams&Wilkins,2000.
RBE与LET之间的关系
‧RBE强烈地受特定辐射之LET所影响。
‧当LET增加，斜率变得更陡，而外插数值，n，趋近1。
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最佳化的「LET」？
‧对广泛地各种类型哺乳类细胞与不同技术指标（突变、细胞被杀）而言似乎100keV/m就是最大值。
‧曾有人提出这结果反应出「靶」的大小与其DNA结构有关，对所有哺乳类细胞而言其大小是相近的。
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Fig.7.6in[Hall].
「多余（overkill）」效应
‧根据靶理论。
‧杀死细胞需要两个不活跃的地方
‧致密的游离辐射在产生杀死细胞的最大数量上并非有效。
‧低-LET辐射产生松散的游离径迹。
‧这两类径迹上只有极少数事件会在相同细胞中沈积能量。
‧LET值大于100keV/m者称为「无用」剂量
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分子理论..
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Fig.7.7in[Hall].
这效应也与修复有关。
‧低LET的损伤对细胞而言较容易修复。
‧高LET损伤中有部份较为困难或不可能修复。
‧整体结果是类似的。
‧在相同点的剂量是浪费无用的。
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氧增比（OER）
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Fig.7.8in[Hall].
在肿瘤治疗上有明显地意义。
OERvs.LET
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Fig.7.8,7.9in[Hall].
DNA就是靶的证据是什么？
选择性地照射细胞核或细胞质。
结果显示细胞核比细胞质还要敏感。
‧钋针：
α粒子射程~40m
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Fig.3.4in[Hall].
‧微射束有以m分辨率传递粒子（质子或α粒子）的能力。
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微射束实验
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放射性同位素的植入
‧将一个卤素化的碱基类似物植入DNA使细胞变得敏感。
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植入使得DNA对损伤更敏感，包括辐射伤害。
‧放射性同位素植入DNA杀死细胞比放射性同会素在RNA或在蛋白质中更有效果。
在DNA中的125I比起在细胞质或在细胞膜中的125I效果强了200-300倍。
‧氚特别有用：
会发出18keV的贝他粒子，在组织中的射程小于1-2m。
ｏ氚化的胸腺嘧啶标定上DNA
ｏ氚化的尿嘧啶标定上RNA
ｏ穿化的氨酸来标定上蛋白质
ｏ氚化水（均匀分布）比氚化的胸腺嘧啶（DNA所在处）效果差了1000倍。
ｏ[3H]胸腺嘧啶的植入造成染色体断裂，与在自动放射显像上可看见的附着点有相互关联。
‧在DNA修复酵素中的细胞缺陷一般使之更放射敏感。
‧能抑制DNA修复的药物即是增敏剂。
DNA损伤的类型
辐射可造成DNA不同的病灶
‧单股断裂
‧双股断裂
‧碱基改变
‧五碳糖的损毁
‧交叉联结与二聚物的形成
但每天发生源自「天然」辐射源的DNA损伤的背景水平为何，主要是氧与具反应性的氧合物种吗？
我们已发展复杂的DNA损伤侦测与损伤的修复机制细节。
辐射会产生独一无二的损伤吗？
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DNA股断裂
单股断裂：
‧会发生在磷酸结合键或在碱基与五碳糖之间的结合键。
‧单股断裂有大部分是由于氢氧游离基（OH．）造成。
游离基清除试验已证实这点。
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单股断裂容易被修复。
双股断裂修复较慢且错误较多。
量测每Gray之下每个细胞发生损伤处的数目
种类
发生数目
参考
单股断裂
8-氢氧化腺嘌呤
T*（胸腺嘧啶损伤）
双股断裂
DNA-蛋白质交互联结
1000
700
250
40
50
17
18
19
17
20
‧一x射线剂量~1Gy在一个哺乳类细胞中会产生约1000个单股断裂与约40个双股断裂。
‧这个剂量会造成约50%细胞死亡。
‧DSBs还不必然会致死。
双股断裂
‧涉及两股断裂之点至少有出现三个分离的核苷酸。
‧双股断裂显示直接正比于辐射剂量
‧但并未与LET有正比关系。
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参见Holley,W.R.,I.S.Mian,S.J.Park,B.Rydberg,andA.Chatterjee.「AModelforInterphaseChromosomesandEvaluationofRadiation-InducedAberrations」RadiationResearch158（2002）568-580
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故是什么杀死细胞？
染色体变异与剂量相互关联。
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高-LET辐射在产生变异方面比低-LET辐射有效。
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染色体变异与细胞死亡相互关联。
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Fig.3.5in[Hall].
‧观察照射后的个别细胞：
若有核仁出现在子代细胞中，则无菌落形成。
‧注意，在有丝分裂时出现变异，可能是初始损伤所造成的。
‧在染色质结构中的修复、细胞周期、改变全都会影响这些结果。
‧染色体变异也显示最大至约100keV/m皆与LET有关。
在高LET时，对存活而言其损伤太严苛。
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染色体变异需要一个dsb（双股断裂）。
事实上ssbs（单股断裂）与dsbs（双股断裂）就如其它技术指标所无法解释一样并未有相同的LET依存性。
最近的研究显示涉及到群集损伤。
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