放射生物学--电离辐射的细胞效应ppt课件.ppt
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1、电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应细胞是复杂机体的功能单元细胞是复杂机体的功能单元,研究电离辐射对,研究电离辐射对细胞的作用持点,是了解辐射整体效应的重要细胞的作用持点,是了解辐射整体效应的重要基础。基础。但机体由各种性质与功能不同的细胞组成,它但机体由各种性质与功能不同的细胞组成,它们对辐射的反应存在很大差别。们对辐射的反应存在很大差别。因此,既要了解电离辐射引起细胞效应的共性,因此,既要了解电离辐射引起细胞效应的共性,也要阐明各类细胞对电离辐射反应的特点。也要阐明各类细胞对电离辐射反应的特点。主要内容主要内容细胞的放射敏感性细胞的放射敏感性电离辐射引起
2、的电离辐射引起的细胞死亡细胞死亡细胞存活的剂量细胞存活的剂量-效应关系效应关系细胞的放射损伤细胞的放射损伤Thank you!细胞的放射敏感性细胞的放射敏感性自然界的各种生物对象在受到电离辐射作用后都表现出一定的损伤。但在同一剂量下引起损伤的程度有很大的不同,或者说,引起同一水平的效应所需要的剂量高低存在很大差异,即为辐射敏感性差异。细胞的放射敏感性细胞的放射敏感性哺乳动物细胞辐射敏感性的差异(一)不同类型细胞的辐射敏感性(二)二)肿瘤细胞的辐射敏感性不同细胞周期时相的放射敏感性不同细胞周期时相的放射敏感性不同类型细胞的辐射敏感性不同类型细胞的辐射敏感性体内的细胞群体依据其更新速率不同可分为三
3、体内的细胞群体依据其更新速率不同可分为三大类。大类。第一类是第一类是不断分裂、更新的细胞群体不断分裂、更新的细胞群体,对电离,对电离辐射的敏感性较高。辐射的敏感性较高。第二类是第二类是不分裂的细胞群体不分裂的细胞群体,对电离辐射有相,对电离辐射有相对的抗性对的抗性(从从形态损伤形态损伤的角度衡量的角度衡量)。不同类型细胞的辐射敏感性不同类型细胞的辐射敏感性第三类细胞在一般状态下基本不分裂或分裂的第三类细胞在一般状态下基本不分裂或分裂的速率很低、因而对辐射相对地不敏感,但在速率很低、因而对辐射相对地不敏感,但在受受到刺激后可以迅速分裂到刺激后可以迅速分裂,其放射敏感性随之增,其放射敏感性随之增高
4、。(典型的例子是高。(典型的例子是再生肝,再生肝,当肝脏部分切除当肝脏部分切除或受化学损伤而使残留肝细胞分裂活跃时,其或受化学损伤而使残留肝细胞分裂活跃时,其放射敏感性高于正常状态下的肝细胞。)放射敏感性高于正常状态下的肝细胞。)不同类型细胞的辐射敏感性不同类型细胞的辐射敏感性高度敏感细胞:淋巴细胞(属于高度分化和不增殖的细胞)、造血细胞、生殖上皮细胞、胃肠粘膜上皮细胞等敏感细胞:膀胱、食道等上皮。中度敏感细胞:神经节细胞、肌肉细胞不敏感细胞:软骨及骨肿瘤细胞的辐射敏感性肿瘤细胞的辐射敏感性各种肿瘤对辐射的敏感性有明显差异。对射线高度敏感的肿瘤:恶性淋巴瘤、精原细胞瘤、肾母细胞瘤等;中度敏感:
5、鳞状上皮癌、分化差的腺癌,脑胶质瘤等;辐射抗性肿瘤:恶性黑色素瘤、软骨肉瘤等细胞周期细胞周期增殖细胞在两次有丝分裂之间所发生的一系列增殖细胞在两次有丝分裂之间所发生的一系列事件的总称,包括事件的总称,包括4个时相。个时相。G1期期:表示有丝分裂结束和:表示有丝分裂结束和S期开始之间的期开始之间的时间。时间。S期期(synthesis):是):是DNA复制的时间。复制的时间。G2期期:表示:表示S期结束到下一次有丝分裂之间期结束到下一次有丝分裂之间的时间。的时间。DNA含量是含量是G1期细胞的期细胞的2倍。倍。M期期(mitosis)(有丝分裂或细胞分裂)(有丝分裂或细胞分裂)不同细胞周期时相的
6、放射敏感性不同细胞周期时相的放射敏感性细胞处于周期不同时相的辐射敏感性 对于大多数细胞来说在G1期有一定的抵抗,G1/S 边界上敏感性较高。进入S 期后抗性又逐渐升高,到G2期与M期细胞又较敏感,甚至达到高峰。不同细胞周期的放射敏感性差异不同细胞周期的放射敏感性差异 细胞在接近和处于有丝分裂期时最敏感;常是在S后期放射最抗拒;G2期常是敏感的。可能和M期一样敏感;如G1期有一定长度,则可见在G1期的早期是放射抗拒的,然而G1期的末尾又有一个敏感时期。不同细胞周期的放射敏感性差异不同细胞周期的放射敏感性差异细胞种类不同,其周期时间细胞种类不同,其周期时间细胞种类不同,其周期时间细胞种类不同,其周
7、期时间(T(TC C)可有很大差别,由可有很大差别,由可有很大差别,由可有很大差别,由十数小时到数百小时不等,而差别的发生主要是十数小时到数百小时不等,而差别的发生主要是十数小时到数百小时不等,而差别的发生主要是十数小时到数百小时不等,而差别的发生主要是GG1 1时相持续时间的不同。时相持续时间的不同。时相持续时间的不同。时相持续时间的不同。有丝分裂相持续时间有丝分裂相持续时间有丝分裂相持续时间有丝分裂相持续时间(T(TMM)一般很短,多数细胞在一般很短,多数细胞在一般很短,多数细胞在一般很短,多数细胞在1h1h内即完成其分裂。内即完成其分裂。内即完成其分裂。内即完成其分裂。细胞合成细胞合成细
8、胞合成细胞合成DNADNA以后的以后的以后的以后的GG2 2相持续时间相持续时间相持续时间相持续时间(T(TG2G2)亦很短,多亦很短,多亦很短,多亦很短,多在在在在2h2h以内。以内。以内。以内。由此可以看出,在多数细胞的周期中,由此可以看出,在多数细胞的周期中,由此可以看出,在多数细胞的周期中,由此可以看出,在多数细胞的周期中,对辐射最敏对辐射最敏对辐射最敏对辐射最敏感的时相感的时相感的时相感的时相(M(M和和和和GG2 2相相相相)所占比例是较短暂的所占比例是较短暂的所占比例是较短暂的所占比例是较短暂的。与敏感性有关的其它问题与敏感性有关的其它问题(一)辐射能否引起细胞抗性增强?实验表明
9、:长时间照射可增加细胞的辐射抗性。(二)低剂量照射下的细胞辐射敏感性?实验结果发现:在低剂量区域内具有高敏感性,接着出现抗性。电离辐射引起细胞死亡电离辐射引起细胞死亡电离辐射引起细胞死亡,是辐射整体效应发生电离辐射引起细胞死亡,是辐射整体效应发生的重要基础。的重要基础。在急性放射综合征的发生机制中,淋巴造血细在急性放射综合征的发生机制中,淋巴造血细胞和小肠粘膜上皮细胞的死亡分别是造血型和胞和小肠粘膜上皮细胞的死亡分别是造血型和胃肠型急性放射病的重要细胞学基础。胃肠型急性放射病的重要细胞学基础。电离辐射诱发的电离辐射诱发的不育症不育症取决于生殖细胞的杀伤。取决于生殖细胞的杀伤。电离辐射引起的电离
10、辐射引起的脱发脱发起源于毛囊上皮细胞的破起源于毛囊上皮细胞的破坏。坏。辐射引起细胞死亡的类型辐射引起细胞死亡的类型细胞受到电离辐射作用后诱发细胞受到电离辐射作用后诱发DNA损损伤、细胞周期调控紊乱及严重的细胞伤、细胞周期调控紊乱及严重的细胞学后果学后果细胞死亡细胞死亡。细胞因其种类不同以及受照剂量的不同,细胞因其种类不同以及受照剂量的不同,死亡类型也不相同。死亡类型也不相同。辐射引起细胞死亡的类型辐射引起细胞死亡的类型传统上,根据照射后细胞死亡发生的时传统上,根据照射后细胞死亡发生的时间和增殖与否将辐射所致细胞死亡分为间和增殖与否将辐射所致细胞死亡分为两种类型:两种类型:增殖死亡和间期死亡增殖
11、死亡和间期死亡。而从其形态学上特征性改变及发生的分而从其形态学上特征性改变及发生的分子机理上看,则又可区分为子机理上看,则又可区分为细胞凋亡和细胞凋亡和坏死坏死。增殖死亡(增殖死亡(proliferative death)是指是指增殖细胞增殖细胞受照丧失了持续增殖受照丧失了持续增殖的能力,在经过一个或几个有丝分的能力,在经过一个或几个有丝分裂周期后丧失代谢活动和细胞功能裂周期后丧失代谢活动和细胞功能而死亡。而死亡。又称代谢死亡或延缓死亡、有又称代谢死亡或延缓死亡、有丝分裂死亡。丝分裂死亡。增殖死亡(增殖死亡(proliferative death)大多数分裂较快的哺乳类细胞受中等剂量(10Gy
12、以内)照射后发生增殖死亡。照射后发生有丝分裂的次数与辐射剂量有关,如接受1Gy照射细胞可分裂5次,接受10Gy者平均分裂1次或不到1次。增殖死亡(增殖死亡(proliferative death)在此期间细胞的显微结构和功能可能完全正常,接着在1次异常分裂当中或以后发生变性。有许多细胞并不立即变性,也不进一步分裂,而是逐渐增大形成巨细胞。增殖死亡(增殖死亡(proliferative death)这种巨细胞的DNA、RNA和蛋白质含量与细胞大小相称,其密度与正常细胞相似,可以继续合成DNA、核酸和蛋白质。如用50Gy照射后形成的巨细胞可以存活2个月突然变性,在此期间细胞仍有积极代谢活动,直径可
13、增大到25-50倍。增殖死亡(增殖死亡(proliferative death)细胞增殖死亡的机制可能与染色体损伤有关。辐射诱导的染色体畸变可使分裂后的子细胞不能获得一套完整的染色体,因而不能进入以后的分裂而死亡。间间 期期 死死 亡(亡(interphase death)是指细胞受到大剂量(是指细胞受到大剂量(100Gy或更大)照射或更大)照射未经细胞分裂即在间隙期死亡。未经细胞分裂即在间隙期死亡。又称又称即刻死亡或非有丝分裂死亡即刻死亡或非有丝分裂死亡。但有些细胞在中等或更低剂量照射后即可发但有些细胞在中等或更低剂量照射后即可发生间期死亡,这类细胞包括胸腺细胞、淋巴生间期死亡,这类细胞包括
14、胸腺细胞、淋巴细胞、细胞、A型精原细胞和卵细胞等。型精原细胞和卵细胞等。间间 期期 死死 亡(亡(interphase death)这些都属于放射敏感性较高的细胞,这些都属于放射敏感性较高的细胞,1Gy以以内的剂量即足以引起内的剂量即足以引起50以上的细胞死亡。以上的细胞死亡。细胞死亡的发展要经历一定时间,死亡数随细胞死亡的发展要经历一定时间,死亡数随照后时间推移逐渐增加,一般在照射后照后时间推移逐渐增加,一般在照射后24h内达到顶点,剂量愈大,此发展过程愈快。内达到顶点,剂量愈大,此发展过程愈快。间间 期期 死死 亡(亡(interphase death)间期死亡的发生机制尚未完全阐明。间期
15、死亡的发生机制尚未完全阐明。以往的资料中多从照射后能量供应以往的资料中多从照射后能量供应(ATP合成合成)受抑、膜结构损伤受抑、膜结构损伤(通透性增高通透性增高)和和染色质裂解三个方面进行分析。染色质裂解三个方面进行分析。测定测定增殖死亡增殖死亡采用体外细胞采用体外细胞集落培养集落培养法,法,观察单个细胞在一次或数次分裂后不能观察单个细胞在一次或数次分裂后不能形成一个克隆,则认为死亡。形成一个克隆,则认为死亡。能够生长成克隆者计为存活。能够生长成克隆者计为存活。间期死亡间期死亡辨认最常用的是辨认最常用的是染色排斥法染色排斥法:伊红、台盼蓝或氨基黑等染料,活细胞伊红、台盼蓝或氨基黑等染料,活细胞
16、不着色,死细胞可被染色。不着色,死细胞可被染色。细胞坏死(细胞坏死(necrosis)突然及严重损伤所造成的细胞意外死突然及严重损伤所造成的细胞意外死亡,这种损伤包括电离辐射、严重的亡,这种损伤包括电离辐射、严重的感染、剧烈的炎症、烧伤或其他形式感染、剧烈的炎症、烧伤或其他形式的创伤以及化学损伤等。的创伤以及化学损伤等。细胞坏死(细胞坏死(necrosis)坏死细胞的损伤往往在细胞膜表面,使得细胞坏死细胞的损伤往往在细胞膜表面,使得细胞膜失去了调节渗透压的能力,造成细胞的肿胀,膜失去了调节渗透压的能力,造成细胞的肿胀,其线粒体在损伤早期即出现病理改变,功能受其线粒体在损伤早期即出现病理改变,功
17、能受到损伤,细胞的能量代谢出现障碍。到损伤,细胞的能量代谢出现障碍。死亡的细胞破裂成碎片散布在周围组织中,往死亡的细胞破裂成碎片散布在周围组织中,往往引起明显的炎症反应,损伤的器官或组织出往引起明显的炎症反应,损伤的器官或组织出现功能障碍。现功能障碍。细胞凋亡(细胞凋亡(apoptosis)细胞凋亡的概念由英国阿伯丁大学病理学细胞凋亡的概念由英国阿伯丁大学病理学教授教授Kerr在在1972年前首先提出,他当时主年前首先提出,他当时主要根据形态学持征如细胞体积缩小、核固要根据形态学持征如细胞体积缩小、核固缩、染色质凝集等来区分与坏死截然不同缩、染色质凝集等来区分与坏死截然不同的另一类细胞死亡模式
18、。的另一类细胞死亡模式。细胞凋亡(细胞凋亡(apoptosis)随着研究的深入,人们逐渐认同随着研究的深入,人们逐渐认同细胞凋细胞凋亡亡是指维持内环境稳定,由基因控制的是指维持内环境稳定,由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞自主的有序的死亡。既包括生理性的程序性死亡既包括生理性的程序性死亡(programm cell dealh),又指由外来因素,又指由外来因素(生理性或生理性或非生理性非生理性)诱发的细胞自杀诱发的细胞自杀(suicide)。细胞凋亡(细胞凋亡(apoptosis)细胞凋亡是一种主动的由基因导向的细胞消细胞凋亡是一种主动的由基因导向的细胞消亡过程,属于普遍存在的生物学现象,
19、在保亡过程,属于普遍存在的生物学现象,在保持机体内稳态方面发挥积极作用。持机体内稳态方面发挥积极作用。在胚胎发生、器官发育与退化、免疫和造血在胚胎发生、器官发育与退化、免疫和造血细胞的分化、选择以及正常和肿瘤细胞的更细胞的分化、选择以及正常和肿瘤细胞的更新等方面都有重要意义。新等方面都有重要意义。细胞凋亡(细胞凋亡(apoptosis)在机体的生理过程中,在一定的信号启动下,在机体的生理过程中,在一定的信号启动下,凋亡相关基因有序地表达,制约着对整体无凋亡相关基因有序地表达,制约着对整体无用或有害细胞的清除。用或有害细胞的清除。细胞凋亡和细胞增殖为一对矛盾,互相协调,细胞凋亡和细胞增殖为一对矛
20、盾,互相协调,彼此消长,维护着机体的正常生长、发育与彼此消长,维护着机体的正常生长、发育与健康。健康。细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞凋亡不同于细胞坏死,其形态特征是胞细胞凋亡不同于细胞坏死,其形态特征是胞体缩小,染色质浓缩成块状,并沿核膜聚积,体缩小,染色质浓缩成块状,并沿核膜聚积,形成许多固缩的核碎片,而细胞器与膜系保形成许多固缩的核碎片,而细胞器与膜系保持完整,质膜出芽持完整,质膜出芽(或发疱或发疱),形成膜包被染色,形成膜包被染色质碎片的凋亡小体。质碎片的凋亡小体。可被周围细胞吞噬清除或排出管腔可被周围细胞吞噬清除或排出管腔(如肠道如肠道)。细胞凋亡与细胞坏死的区别
21、细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞坏死的特征则是细胞器肿胀,膜系破细胞坏死的特征则是细胞器肿胀,膜系破坏,整个细胞崩解。坏,整个细胞崩解。由于以上的特征性区别,细胞凋亡不引发由于以上的特征性区别,细胞凋亡不引发周围组织的炎症反应,而是静悄悄地死去,周围组织的炎症反应,而是静悄悄地死去,就地清除,保持组织的完整性。就地清除,保持组织的完整性。细胞存活的剂量细胞存活的剂量-效应关系效应关系辐射剂量与生物效应的关系,简称剂量辐射剂量与生物效应的关系,简称剂量-效应效应关系,是放射生物学研究的核心问题之一。关系,是放射生物学研究的核心问题之一。剂量剂量-效应关系在放射生物学中是一个广义的效应关系在放射生物学
22、中是一个广义的概念,指任何一种生物效应与剂量的关系。概念,指任何一种生物效应与剂量的关系。其中,辐射剂量与细胞效应的关系,即细胞其中,辐射剂量与细胞效应的关系,即细胞存活的剂量存活的剂量-效应关系研究最多,积累资料也效应关系研究最多,积累资料也较为丰富。较为丰富。细胞存活的剂量细胞存活的剂量-效应关系效应关系对于有增殖能力的细胞(如造血细胞、离体对于有增殖能力的细胞(如造血细胞、离体培养细胞、肿瘤细胞等)凡是保留其增殖能培养细胞、肿瘤细胞等)凡是保留其增殖能力,能无限产生子代的细胞,称之为力,能无限产生子代的细胞,称之为存活细存活细胞胞。凡失去增殖能力,不能产生大量子代的细胞,凡失去增殖能力,
23、不能产生大量子代的细胞,称为不存活细胞,即称为不存活细胞,即死细胞死细胞。在离体培养条件下,一个存活细胞可繁殖成在离体培养条件下,一个存活细胞可繁殖成一个细胞群体,称之为克隆或集落。一个细胞群体,称之为克隆或集落。细胞存活的剂量细胞存活的剂量-效应关系效应关系对于那些不再增殖的已分化细胞,如神经细胞、肌对于那些不再增殖的已分化细胞,如神经细胞、肌对于那些不再增殖的已分化细胞,如神经细胞、肌对于那些不再增殖的已分化细胞,如神经细胞、肌细胞、分泌细胞等,则以其是否丧失特殊功能来衡细胞、分泌细胞等,则以其是否丧失特殊功能来衡细胞、分泌细胞等,则以其是否丧失特殊功能来衡细胞、分泌细胞等,则以其是否丧失
24、特殊功能来衡量细胞是否存活,保留机能者为存活细胞,失去功量细胞是否存活,保留机能者为存活细胞,失去功量细胞是否存活,保留机能者为存活细胞,失去功量细胞是否存活,保留机能者为存活细胞,失去功能者为死亡。能者为死亡。能者为死亡。能者为死亡。细胞存活曲线,则是通过测量受不同辐射剂量照射细胞存活曲线,则是通过测量受不同辐射剂量照射细胞存活曲线,则是通过测量受不同辐射剂量照射细胞存活曲线,则是通过测量受不同辐射剂量照射后,有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成后,有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成后,有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成后,有增殖能力的细胞在体内、外克隆或集落形成能力,即存活
25、率的变化所绘制出的剂量能力,即存活率的变化所绘制出的剂量能力,即存活率的变化所绘制出的剂量能力,即存活率的变化所绘制出的剂量-效应曲线,效应曲线,效应曲线,效应曲线,也称之为细胞存活曲线也称之为细胞存活曲线也称之为细胞存活曲线也称之为细胞存活曲线(cell survival curve)(cell survival curve)。细胞存活的剂量细胞存活的剂量-效应关系效应关系细胞存活曲线主要用于研究以下诸方细胞存活曲线主要用于研究以下诸方面放射生物学问题:面放射生物学问题:1)各种细胞与辐射剂量的定量关系。各种细胞与辐射剂量的定量关系。2)比较各种因素对细胞放射敏感性的比较各种因素对细胞放射敏
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