核與化學損傷/電離輻射對細胞的作用
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目錄 |
一、細胞的輻射敏感性
機體各類細胞對輻射的敏感性不一致。Bergonie 和Tribondeau提出細胞的輻射敏感性同細胞的分化的程度成反比，同細胞的增殖能力成正比。Casaret按輻射敏感性由高到低，將人類和哺乳動物細胞分為4類（表3-1）。從總體上說，不斷生長、增殖、自我更新的細胞群對輻射敏感，穩定狀態的分裂後細胞對輻射有高度抗力。而多能性結締組織，包括血管內皮細胞，血竇壁細胞，成纖維細胞和各種間胚葉細胞也較敏感，介於表3-1的Ⅱ、Ⅲ類之間。
表3-1 哺乳類細胞輻射敏感性分類
| 細胞類型 | 特 性 | 舉 例 | 輻射敏感性 |
| Ⅰ增殖的分裂間期細胞（vegetative intermitosis cells） | 受控分裂 分化程度最低 |
造血幹細胞 腸隱窩細胞 表皮生長細胞 |
高 |
| Ⅱ分化的分裂間期細胞（differentiating intermitosis cells） | 受控分裂 分裂中不斷分化 |
幼稚血細胞 | |
| 結締組織細胞 （Conective tissue cells） |
|||
| Ⅲ可逆性分裂後細胞（reverting postmitotic cells） | 無受控分裂 可變分化 |
肝細胞 | |
| Ⅳ穩定性分裂後細胞（fixed postmitotic cells） | 不分裂 高度分化 |
神經細胞 肌肉細胞 |
低 |
二、細胞周期的變化
輻射可延長的細胞周期，但不同階段的輻射敏感性不同（圖3-3）。處於M期的細胞受照很敏感，可引起細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，或在下一次分裂時子代細胞夭折。C1期的早期對輻射不敏感，後期則較為敏感，RNA、蛋白質和酶合成抑制，延遲進入S期。S前期亦較為敏感，直接阻止DNA合成，而在S期的後期敏感性降低，是則於此時已完成DNA合成，即使DNA受損亦可修復之故。G2期是對輻射極敏感的階段，分裂所需特異蛋白質和RNA合成障礙，因而細胞在G2期停留下來，稱「G2阻斷」（G2block），是照射後即刻發生細胞分裂延遲主要原因。
圖3-3 細胞周期各階段的輻射敏感性
三、染色體畸變
細胞在分裂過程中染色體的數量和結構發生變化稱為染色體畸變（chromosomeaberration）。畸變可以自然發生，稱自發畸變(spontaneous aberration)。許多物理、化學因素和病毒感染可使畸變率增高。電離輻射是畸變誘發因素，其原因是電離粒子穿透染色體或其附近時，使染色體分子電離發生化學變化而斷裂。
（一）染色體數量變化
照射時染色體發生粘著，在細胞分裂時可能產生染色體不分離現象，致使兩個子細胞中染色體不是平均分配，生成非整倍體（aneuploid）細胞。
（二）染色體結構變化
1．染色體型畸變：當染色體在複製之前受照射（即細胞處於G1期或S期初期受照射），染色體發生畸變之後再進行複製，稱染色體型畸變。斷片、著絲粒環、雙著絲粒體、相互易位、倒位及缺失等畸變屬於這一類（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 （3）環
2．染色單體型畸變：當染色體複製之後受照射（即細胞處於S期後期或G2期受照射），在一個染色單體臂上發生斷裂或裂隙，稱為染色單體型畸變（chromatid aberration）。單體斷片、單體互換等屬這一類。
電離輻射誘發的畸變以染色體型畸變為主，尤以斷片，環和雙著絲粒體等畸變，在反映輻射效應的程度方面更有意義。
四、細胞死亡
（一）細胞死亡類型
1．間期死亡（intermitoticdeath）：細胞受照射後不經分裂，在幾小時內就開始死亡，稱間期死亡，又稱即刻死亡。體內發生間期死亡的細胞分為二類：一類是不分裂或分裂能力有限的細胞，如淋巴細胞和胸腺細胞，受幾百mGy照射後即發生死亡；另一類是不分裂和可逆性分裂的細胞，如成熟神經細胞、肌細胞和肝、腎細胞等，需要照射幾十至幾百Gy才發生死亡。細胞間期死亡發生率隨照射劑量增加而增加，但達到一定峰值後，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胞的破壞，其機理主要是由於DNA分子損傷和核酸、蛋白質水解酶被活化，導致染色質降解，組蛋白外溢，發生細胞核固縮、裂解。照射後膜結構的破壞、細胞能量代謝障礙，也是促成間期死亡的因素。
2．增殖死亡（reproductivedeath）：細胞受照射後經過1個或幾個分裂周期以後，喪失了繼續增殖的能力而死亡，稱增殖死亡，也稱延遲死亡。體內快速分裂的細胞，如骨髓細胞受數Gy射線照射後數小時至數天內即發生增殖死亡。分裂細胞在受到很大劑量照射後也可發生間期死亡。增殖死亡的機理主要是由於DNA分子損傷後錯誤修復和染色體畸變等原因導致有絲分裂的障礙。
（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胞死亡率之間的關係，分析受照射細胞群體輻射效應的一種模式。在培養皿上培養有增殖能力的哺乳類細胞，觀察細胞集落形成率，以每一集落代表1個存活細胞。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胞存活率與照射劑量在半對數座標紙上作圖即構成劑量存活曲線（圖3-5）。
圖3-5 哺乳類細胞典型劑量存活曲線
劑量存活曲線的形狀有兩種，圖中A線是簡單的指數曲線，生物分子的滅活、原核細胞死亡，或高LET輻射哺乳類細胞，多符合這樣的劑量存活曲線。B線是帶「肩」的指數曲線，「肩」表示在低劑量區細胞存活率降低緩慢，「肩」的大小反映了細胞對亞致死損傷的耐受力或修復能力。大多數哺乳類細胞受低LET輻射照射符合帶「肩」的劑量存活曲線。
通常用D37、D0、Dq和n等參數來表示劑量存活曲線的特徵。
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。D0的大小反映了細胞的輻射敏感性，哺乳類細胞的D0值多在1～2Gy之間。（圖中e為自然對數的底，等於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處劃一橫坐標的平行線，與B線直線部分延長線相交，其所對應的劑量即為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的交點。
Dq和n值都反映曲線「肩」部的大小，在放射生物學和放射治療學中常用D0、Dq和n等參數比較各類的細胞輻射敏感性和修復能力。
五、細胞損用力的修復
（一）亞致死損傷修復
亞致死損傷是指細胞接受輻射能量後所引起的損傷不足以使細胞致死，如果損傷積累起來，就可以引起細胞死亡。但若給予足夠的時間，則細胞有可能對這種損傷進行修復，稱亞致死損傷修復（sublethal damage repair，SLDR）。所以將一定劑量進行分次照射，每次照射中間給予一定間隔，細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
潛在致死損傷是指照射後細胞暫未死亡，但如不進行干預，細胞將會發生死亡。假如改變受照射細胞所處狀態。例如置於不利於細胞分裂的環境中，則受損傷細胞可得到修復而免於死亡，稱潛在致死損傷修復（potentially lethal damage repair，PLDR）。
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