宇宙中辐射的生物效应。 ? 早在太空时代，任务计划人员已体认到在太空的环境中航天员会遇到一连串的 健康与福祉的威胁。 ?早期气球试验与卫星航行已经界定的辐射种类： 电磁辐射(x与加马射线) 电子 质子 元素原子核之Z > 2 ? 质子与高Z元素的元素代表未知的生物风险。其能量变化大，穿透能力亦是。平 原区与布拉格尖峰剂量之间的差异造成RBEs之表现非常不同。 ? 由质子治疗的有限资料指出质子的RBE约为1。 ? NASA目标：更精确的生物效应评估，而能确认屏蔽之需求。 USAF/NASA质子生物效应项目 在1960年代早期一个大型的质子生物效应项目，起初目标在测定质子能量与生物反 应的关系。 这里选择几个在宇宙中会遭遇到的质子能量类别： 质子能量 组织中射程 32 MeV 1 cm 55 MeV 2.5 cm 138 MeV ~ 15 cm 250 MeV ~ 40 cm 400 MeV ~ 80 cm 2300 MeV ~ 1000 cm 最后，约近2000只恒河猴与5000只老鼠被用于实验中。 1 影像已移除 ? 技术指标包括临床发现、生理变化、血液学变化、组织病理与致死率。 ? 约有400只猴(急性曝露下存活者)进行寿命追踪。(有些至今仍存活！) ? 质子与光子辐射的深度-剂量分布有差异。 ? 较低能量质子有限的穿透力病在高剂量时造成严重表面伤害(「类似三度灼 伤」) 。 整体而言，质子的RBE约为1。 2 影像已移除 [Leavitt, D.D., Radiation Research, 126, 127-131, 1991] ? 长期间的存活者发展出脑瘤。 ? 这张图片显示头部以质子射束照射的剂量评估细节(回顾)部份。 ? 数目代表用来作参考剂量的百分比，范围达10 Gy的全身曝露(比造成表面烧伤 的还更高)。 ? 根据寿命追踪显示寿命的缩短与剂量有关联，而与质子的能量无关。 白内障 影像已移除 ? 一技术指标确实显示质子照射的差异在于白内障形成。 ? 在经过20-24年的潜伏期之后会观察到白内障的情形。(恒河猴的寿命期中值是 ~24年)。 ? 这里显示剂量反应差异类似在不同能量质子的剂量。 3 在老鼠哈达氏腺的肿瘤发生率。 见Alpen, E. L, P. Powers-Risius, S. B. Curtis, R. DeGuzman and R J. M. Fry. “Fluence- Based Relative Biological Effectiveness for Charged Particle Carcinogenesis in Mouse Harderian Gland.” Advances in Space Research 14 no. 10 (1994): 573-581. ? 目的：探讨在低剂量下的剂量-反应关系。 ? 获得初始斜率；初始斜率比产生最大RBE。 ?风险分析的新研究方法：基本的RBE评估以例子通量作为剂量的参数。 ? 只有可能用「径迹分段」实验让LET在所经过的靶范围中皆为恒定值。 影像已移除 表 1 模式系统： ? 母鼠以在布拉格曲线的平原区照射。 ? 在72小时内，2为捐赠者的脑下垂腺被移植入脾脏中。 ?荷尔蒙的产生促进了哈达氏腺肿瘤的表现。 ?牺牲的老鼠在16个月后；对哈达氏线进行组织与巨观的检验。 影像已移除 剂量(Gy) vs. 肿瘤罹患率之图 首要数据： 剂量 = 通量 × LET [初始斜率的估计会非常主观。] 4 影像已移除 图 2 作用截面由下面重绘制图的初始斜率导出。 影像已移除 Fig. 14.7 in Alpen, E. L. Radiation Biophysics, 2nd ed. San Diego, CA: Academic Press, 1998. 作用截面由通量的低剂量区域斜率 vs. 上图的肿瘤发生率所导出。 作用截面 = 带有肿瘤的动物每单位通量的增加比例。 ***此图在与许多其它的技术指标一起观察时并未显示出在高LET的作用截面有减 少。 影像已移除 图 3 ? 由哈达氏腺数据估计的RBE产生如同任何曝露在高LET辐射之试验系统的最高 值。 ? RBE值在高LET值时维持在高值。 ? 哈达氏腺资料并未显示出在非常高LETs时(例：见下)会如其它系统的RBE迅速 地落到低值。 ?这些结果可引出许多的关注事项。 ?这让NASA非常困扰。 5 Alpen也试着统计重带电粒子穿过细胞的结果。 ? 通量/单位面积已知与剂量有关。 ? 在哈达氏腺中的靶细胞大小(平均作用截面)是已知的。 ? 计算穿过的数目与剂量关系。 影像已移除 表 3 影像已移除 表 4 在相同的低剂量下，质子穿越过的数目非常大。 影像已移除 图 4 ? HZE铁粒子的一个或多个穿过机率反应出肿瘤诱发的机率。 ? Alpen所用于计算穿过机率的细胞面积显示如上。 ?若以细胞核面积来取代，观察到的肿瘤发生率会与一个或多个穿过机率的曲线吻 合甚至更佳。 这些数据认为被一个高LET铁粒子只要击中一次就足以造成变异与诱发肿瘤。 6 老鼠受高LET辐射照射后诱发的皮肤癌。 影像已移除 图 6 ? 在低剂量时，部份来自低-LET辐射的皮肤细胞损害可被修复。 ? 高-LET辐射显示一个每单位剂量的肿瘤诱发之线性反应。 辐射诱发的白内障 白内障是一个晚期出现的确定性观察指标。. 影像已移除 图 7 ? 对X射线(左)与600 MeV/amu铁粒子的最高剂量皆较早在开始时间出现。 ?铁粒子在剂量比x射线低5倍的下仍与有相同效应。 影像已移除 图 8 ? 铁粒子在白内障诱发方面显得比x-射线更有效。 ? 人类的白内障第二期是手术移除的底限。 7 影像已移除 图 9 ? 在老鼠中较高的剂量率产生较高的白内障发生率。 在SPEs期间会产生较高的剂量率。 影像已移除 图 10 来自经历放射治疗的人体资料。 骨髓移植病患以光子作全身照射。 单次或多分次给予低剂量(651 cGy)相对于高剂量(1150 cGy)。 分次治疗可减低水晶体的伤害。 8 参考： Shukitt-Hale, Barbara, Gemma Casadeusus, John J. McEwen, Bernard M. Rabin and James A. Joseph. “Spatial Learning and Memory Deficits Induced by Exposure to Iron-56- Particle Radiation.” Radiation Research 154 (2000): 28-33. 先前的研究： ?受全身低剂量(0.1Gy)的 56 Fe粒子曝露会改变神经传导物质生化与功能相关的行 为：运动能力、味觉厌恶性条件反射。 ? 在照射后12小时、3天、8天、14天，在一个金属丝悬吊测试的运动能力降低。 ? 多巴胺受器的数目受到影响。 味觉厌恶性条件反射 ?一个新奇舒适的测试(如蔗糖)与毒性刺激同时应用。 ? 老鼠发生对味觉的厌恶且将不会在接下来测试中有表现。 [这句意思是说这测 试造成老鼠认为 如蔗糖=毒性刺激，产生味觉厌恶后，再测试老鼠就不敢尝试] ? 56 Fe粒子所用剂量在比其它种类的辐射剂量还低时就会造成厌恶感。 结论： ? 受 56 Fe粒子的曝露会干扰多巴胺系统的传导行为。 ? 这变化在上了年纪的老鼠中也有类似情形。 目前研究专注在认知功能上：空间记忆力与学习；这些已知受年龄影响的区域。 老鼠经过1GeV/n 56Fe照射全身曝露1.5 Gy后一个月受测试。 9 水迷宫动物行为检测分析 ?要求老鼠利用空间学习能力找出在水池表面下隐藏的平台并由先前训练来记忆 位置。 ?连续4天/每天6次训练的测试。 。第一天：训练1-6；将老鼠放入水池，量测找出平台与逃离的时间。 。第2与3天：训练6﹔移走平台，量测至平台原先位置所花的时间。量测记忆 力。 。第4天 ? 改变平台位置 ? 训练1-5﹔量测早出平台与脱离的时间 ? 训练6﹔移走平台，量测找到正确位置所花的时间。量测学习力。 影像已移除 图 1 不同于前四天，「逆转日」： ?训练1：控制组老鼠，利用空间策略，花较多时间搜寻旧的位置。 ?训练2-5：控制组的老鼠学习新策略较快。 影像已移除 图 2 ?脱逃平台已被移走。 ?量测找到正确位置(平台曾放在那里)所花的时间。 ?控制组的老鼠有利用空间的策略。 ?受照射过的老鼠没有空间的策略? 10 影像已移除 图 4 ? 老鼠首次通过先前位置所花的时间。 ? 控制组老鼠有较佳的记忆力并会利用方向的空间线索。 结论： ?经过全身曝露1.5 Gy的1GeV/n 56 Fe 1000MeV/amu照射后会扰乱空间记忆与学习 力。 ?受照射后的老鼠须花较长的时间学习新事物，且在逆转训练中会忘记旧的。 ?受照射组不会使用空间策略来找寻隐藏的平台。随意的绕着游泳。 ?这些情形在上年纪的老鼠身上也有类似现象。 X-射线可产生类似效果，但季量须高至20-30 Gy且在照射后200-280天才出现。 11