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 △ = – ? ? ? ? ? ? ? dx dE ． 能量传递 > ? = 100 eV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 1.2 MeV 60Co 加马 0.3 keV/μm 250 kVp x射线 2 keV/μm 10 MeV 质子 4.7 keV/μm MeV 质子 0.5 keV/μm 14 MeV 中子 12 keV/μm 重带电粒子 100-2000 keV/μm 2.5 MeV α粒子 166 keV/μm 2 GeV Fe离子 1,000 keV/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. Radiation and Environmental Biophysics, 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 null E传递少 null 作用的次数大 ．封闭碰撞：径迹半影 null E能量传递大，高至最大值 null 作用次数少 核心半径可由此公式获得：r c = 0.0116β(μm) 这里的β= v/c，即粒子相对于光速的速度 半影半径，r p ，可由此公式获得： r p = 0.768E–1.925 E＋1.257 (μm) 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r c ，微米 0.0011 0.0023 0.0037 半影半径r p ，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：1 Gy = 1 J/kg； 1 eV = 1.6×10 -19 J 假设：1个游离= 33 eV；1原子核 = 10 -10 克或约5 μm 3 因此：1Gy ≈ 20,000个游离/10 -10 克 在越过一个5μm原子核： 1 MeV电子会在6个游离/ μm中损失200 eV 7000 个径迹 ≈ 20,000个游离 ≈ 1Gy 30 MeV电子会在30个游离/ μm中损失1 keV 140 个径迹 ≈ 20,000个游离 ≈ 1Gy 4 MeV质子会在300个游离/ μm中损失10 keV 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250 keV的X射线，现在移用 60 Co的加 马射线或> 1 MeV的X射线)作为参考标准。 ? 相对生物效能(RBE)定义为： RBE = test ref D D ，此处的 ? D ref 是X射线的剂量 ? D test 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) 影像已移除 Fig. 1-7 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 1 st ed. New York: 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 影像已移除 Fig. 7.3a in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5 th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & 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。 影像已移除 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100 keV/μm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。 影像已移除 Fig. 7.6 in [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100 keV/μm者称为「无用」剂量 影像已移除 分子理论 .. 影像已移除 Fig. 7.7 in [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。 影像已移除 氧增比(OER) 影像已移除 Fig. 7.8 in [Hall]. 在肿瘤治疗上有明显地意义。 OER vs. LET 影像已移除 Fig. 7.8, 7.9 in [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~ 40μ m 影像已移除 Fig. 3.4 in [Hall]. ?微射束有以μ m分辨率传递粒子(质子或α粒子)的能力。 影像已移除 微射束实验 影像已移除 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。 影像已移除 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 125 I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18 keV的贝他粒子，在组织中的射程小于1-2 μm。 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[ 3 H]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？ 影像已移除 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。 影像已移除 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~ 1 Gy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。 影像已移除 参见 Holley, W.R., I. S. Mian, S. J. Pa rk, B. Rydberg, and A. Chatterjee. 「A Model for Interphase Chromosomes and Evaluation of Radiation-Induced Aberrations」 Radiation Research 158 (2002) 568-580 影像已移除 故是什么杀死细胞？ 染色体变异与剂量相互关联。 影像已移除 高-LET辐射在产生变异方面比低-LET辐射有效。 影像已移除 染色体变异与细胞死亡相互关联。 影像已移除 Fig. 3.5 in [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100 keV/μm皆与LET有关。在高LET时，对存活 而言其损伤太严苛。 影像已移除 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。