CN114842917B - 一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于辐射生物学领域。其特征在于它包含如下步骤：⑴、自由基守恒原理表达式建立；⑵、生物介质中生物大分子自由基产额的测量与计算；⑶、水辐解自由基间接作用比率的计算；⑷、生物大分子离子对复合反应概率的近似计算方法；⑸、自由基复合率的计算方法；⑹、辐射效应的预测和等效生物剂量的计算；⑺、放射治疗过程中疗效的预测与计算；⑻、放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算。本发明创建了自由基模型，开启了自由基理论并奠定了发展基础；发明了生物大分子自由基产额的测量与计算方法，离子对、自由基复合反应的测量与计算方法，辐射育种和辐射灭害过程中辐射生物效应、等效生物剂量的测量与计算方法，放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算方法。

Description

一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法
技术领域
本发明属于辐射生物学领域，具体涉及：1)、自由基守恒原理及数学模型建立过程中，相关参数的测量与计算；2)、辐射生物效应产生机理研究中的相关测量与计算方法；3)、生物及微生物辐射育种过程中，辐射生物效应、等效生物剂量及相关参数的测量与计算；4)、物品、食品辐射保藏过程中，有害生物的杀灭效果、等效生物剂量及相关技术参数的测量与计算；5)、放射治疗过程中，一次性辐照和分次辐照的辐射生物效应、等效生物剂量及相关参数的测量与计算。
背景技术
1、辐射生物学的理论研究和应用中存在的主要问题
1.1、靶学说击中理论基本点及主要模型
在辐射生物学中，表征辐射生物效应产生机理的主导理论是靶学说击中理论，靶学说击中理论认为：⑴、在细胞或机体中内存在一种被称作靶的，对辐射敏感的区域或结构，只有靶子被击中，才能引起生物学损伤；若未被击中，则细胞仍然存活；⑵、辐射与介质的相互作用是随机的，击中是彼此无关的独立事件，击中几率服从泊松分布；⑶、不同生物的靶有不同的损伤击中次数。为定量地表征吸收剂量与辐射生物效应的响应关系，辐射生物学领域建立了众多的辐射生物学模型，其中应用最多的是：①、单靶单击模型，即：
S＝e-VD-------------1)
式中：S---照射后生物介质(生物介质，或称：生物体，以下相同)的存活率；
V---生物介质的靶体积，单位cm3；
D----以吸收剂量表示的击中次数，单位Gy；
e----是指数函数中方便计算的1个特定值，约为2.718；
②、单靶多击或多靶单击模型，即：
S＝1-(1-e-VD)n---------2)
式中：n----靶数或所需击中次数；
③、LQ模型，即：
S＝e^(-(αd+βd^2))----------3)
式中：α---1次击中的概率；
β---2次击中的概率；
1.2、存在的主要问题
在靶学说击中理论中，1次击中指的是电离辐射使辐射介质发生1次电离，产生1个离子对，余下类推；但是：⑴、电离辐射击中次数的概率不服从泊松分布；⑵、击中次数与生物效应没有确定的函数关系；⑶、应用上述模型计算出的存活率与实测结果严重不符。
1.3、主要原因
⑴、辐射生物效应产生的机理不服从击中理论；⑵、并非所有离子对都参与辐射化学反应，产生辐射损伤，大部分离子对发生了复合反应，没有产生辐射效应；⑶、没有计算离子对复合反应几率的方法，物理和化学中只能计算原子的离子对产额；⑷、没有关注含水量对生物介质辐射效应的影响；⑸、没有发现生物介质的辐射效应是自由基作用的结果，没有办法计算有机化合物或混合物的自由基产额；⑹、没有直接作用和间接作用的概念，也没有直接和间接作用大小的计算方法，靶学说击中理论之外有直接作用和间接作用的定义，也采用过干燥、冷冻和添加自由基清除剂的方法进行直接和间接作用的测量；但是，由于多数生物介质不能干燥，冷冻时陷落自由基在解冻测量存活率时，又会与生物介质发生反应，严重影响测量结果；而添加自由基清除剂时，不仅清除了间接作用的自由基，同时也清除了直接作用的自由基，从而使检测误差增大。这三种方法失败后，至今未见新的测量方法的报道。
2、辐射育种及辐射灭害过程中存在的主要问题
2.1、辐射育种和辐射灭害的主要技术现状
⑴、辐射育种的主要技术现状：①、实验发现：生物种子含水量越高，死亡率和畸变率越高，诱变效率越低；②、在含水量低于15％，死亡率在60％-70％(约1个D37值)时，诱变效率较高；③、由于影响诱变效率的因素太多，要得出实验参数与诱变率响应关系的准确结果，需要庞大的样本量，因而数十年来一直没有得到期望的结果。⑵、辐射灭害的主要技术现状：①、行业内技术交流资料基本用不上，靶学说模型也不能用；②、吸收剂量的确定完全凭实际经验。
2.2、技术上存在的主要问题
⑴、辐射育种中存在的技术问题：影响因素多，工作量大，辐射育种技术中存在的共性问题难以解决；⑵、辐射灭害过程中存在的技术问题：①、分离培养测定的D37值与产品中的实际值差别很大，实验结果不能指导大生产，达不到灭害要求；②、过度照射(食品辐照结果，含菌量为零)。
2.3、主要原因
缺乏可供辐射育种和辐射灭害过程中适用的数学模型，以减少辐射育种的工作量，提高辐射育种和辐射灭害过程中，辐射生物效应预测和等效生物剂量计算的精确度。
3、放射治疗过程中存在的主要问题
3.1、放射治疗疗效和等效生物剂量计算的现状
疗效的预测和等效生物剂量的大小都采用LQ模型进行计算。
3.2、存在的主要问题
⑴、在LQ模型的误导下，分次照射多采用低剂量分割治疗的方法，导致治疗周期延长，治疗总剂量增大，肿瘤局控率下降；⑵、分次照射的疗效预测误差太大，对肿瘤治疗的局部控制率存在严重影响；⑶、等效生物剂量的计算不能正确表征乏氧细胞含量、剂量率、细胞增殖和细胞周期再分布等对辐射效应的影响。
3.3、主要原因
⑴、电离辐射与生物介质的作用过程中，不存在LQ模型和泊松分布所描述的单击和双击作用，更不存在单击有利于杀灭肿瘤细胞，减少晚反应组织损伤和双击对晚反应组织损伤较大的结论；⑵、LQ模型表征的是2次曲线，分割照射的生物效应与吸收剂量的响应关系是直线关系，用曲线方程计算直线上分布的点，在逻辑上是错误的，数学上是不可行的，计算结果的误差是巨大的；⑶、LQ模型不能进行不同乏氧细胞含量、不同剂量率、不同增殖细胞含量的细胞之间的等效生物剂量的计算。
发明内容
为解决辐射生物学理论研究和实际应用中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，该方法可以用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于它包含如下步骤：
⑴、自由基守恒原理表达式建立：
Di[wi Dg干+(1-wi)Dg水]＝Dn[wnDg干+(1-wn)Dg水]-------------4)
式中：Di---生物介质在含水量为(1-wi)时的D37值，单位Gy；
Dn---生物介质在含水量为(1-wn)时的D37值，单位Gy；
Dg干---生物大分子的自由基产额，单位mol/J；
Dg水---生物介质中水分子的自由基产额，单位mol/J；
wi、wn---生物介质不同状态时的含固量(注，是不同的量，数学和物理、化学中都是这样表示)；
⑵、生物介质中生物大分子自由基产额的测量与计算
①、测定生物介质的含水量；②、对生物介质进行辐照梯度实验，测定不同吸收剂量时相应的存活率(存活率的测量与计算是辐射生物学最基础的内容)；③、计算生物介质不同含水量时的D37值；④、由相关文献(相关文献：辐射生物物理学，邱冠英、冯胜彦编著，武汉大学出版社1990p58)查找水分子的自由基产额；将已知参数代入式4)，可计算得生物大分子的自由基产额；
⑶、水辐解自由基间接作用比率的计算
①、由方程4)和自由基作用百分率的定义，得水辐解自由基的间接作用百分率(间接作用的比率)η为：
η＝(1-w)Dg水÷[wDg干+(1-w)Dg水]×100-------------5)
式中，w---生物介质的含固量；
②、将相关参数代入式5)，即可计算出间接作用的比率(即，间接作用百分率η)，而直接作用的比率(即，直接作用的百分率)则为：1-η；
⑷、生物大分子离子对复合反应概率的近似计算方法
①、离子对复合率的计算式
根据自由基守恒原理，辐射过程中的离子对也是守恒的，辐照无水生物介质时产生的离子对数，等于辐照含水介质产生的离子对与发生复合反应的离子对之和；即：
D37干×D干×F＝D37含水×[W×D干+(1-W)×D水]×F+Q--------6)
式中：D37干-----为生物介质干燥状态时的D37值，单位Gy；
D37含水-----为生物介质含水时的D37值，单位Gy；
D干-----为生物介质中生物大分子对辐射能的吸收率，
D水-----为生物介质中水分子对辐射能的吸收率，
F------为离子对的产额，单位mol/J；
Q------为发生复合反应的离子对数，单位mol；
W------为生物介质的含固量；
当不计生物介质与水分子对辐射能吸收率的差异时，D干＝D水，方程两边同时约去D，则式6)可改为：Q＝(D37干-D37含水)×F------------7)；
根据百分比的定义，离子对的复合率σ可由下式进行计算：
σ＝[(D37干-D37含水)÷D37干]×100----------8)；
⑸、自由基复合率的计算方法
根据生物介质中自由基的直接作用和间接作用与辐射生物效应的数理关系，生物介质的含固量为W的生物介质所需要的自由基数M可由下式计算：
M＝W(D37干-D37含水)×Dg干---------9)；
辐照过程中水分子产生的自由基数N可由下式进行计算：
N＝(1-W)×D37含水×Dg水--------------10)；
水辐解自由基的利用率δ可由下式进行计算：
δ＝M÷N×100----------------11)；
水辐解自由基的复合率y可由下式进行计算：
y＝[1-W(D37干-D37含水)×Dg干÷(1-W)×D37含水×Dg水]×100-------12)；
⑹、辐射效应的预测和等效生物剂量的计算
将自由基模型的式4)转变成指数形式，方便于辐射生物效应存活率S的预测计算，即：
S＝e-{Di[wi Dg干+(1-wi)Dg水]/Dn[wn Dg干+(1-wn)Dg水]}-------------13)
应用⑵中的相关步骤，测量和计算出式13)中的相关参数，可计算得不同含水量的生物介质在不同吸收剂量时的存活率；也可按式4)计算出不同含水量的生物介质在相同生物效应时所需的吸收剂量；
⑺、放射治疗过程中疗效的预测与计算
当放射治疗过程中肿瘤细胞的含水量相同，即wi＝wn时，自由基模型的式13)转化为：
S＝e-[D/D37]-------------14)；
式中：D---以吸收剂量表示的自由基数，单位Gy；
D37---以平均致死剂量表示的自由基数，单位Gy；
通过肿瘤细胞不同吸收剂量的辐照实验，测定不同吸收剂量时的存活率，计算出该肿瘤细胞的平均致死剂量，即可应用式13)计算不同吸收剂量时肿瘤细胞的存活率，达到预测放疗效果的目的；
⑻、放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算
在分次放射治疗的过程中，由于肿瘤细胞的辐射杀灭效果与其平均致死剂量密切相关，而且与吸收剂量呈直线关系，(参见图1)因此，只要能确切测量肿瘤细胞在不同剂量率、不同乏氧细胞含量、不同间隔时间时的D37值，就能通过式14)计算各种分割剂量照射时的等效生物剂量；其具体步骤是：①、制定不同的治疗方案，确定照射次数n1、n2和分割剂量d1、d2的值和间隔时间；②、将培养增殖的肿瘤细胞进行定量分装；③、将分装好的肿瘤细胞按设计的分割剂量进行辐照；④、将辐照好的样品置于细胞培养箱中进行培养；⑤、按照不完全修复、完全修复、细胞增殖所设定的时间取样进行存活率的测量(“不完全修复、完全修复、细胞增殖”由设定的时间来决定)；⑥、乏氧细胞可直接照射荷瘤动物的肿瘤部位，然后取出测量含乏氧细胞的D37值，也可以在体外进行培养，照射后按⑤中的方法测定存活率，最后按乏氧细胞的比例计算混合细胞D37值；⑦、将测定和计算好的D37(1)、D37(n)值及d1、dn值代入式14)，结合设定的总照射剂量，可计算得多种不同治疗方案的等效生物剂量。
按照上述技术方案，步骤⑵中生物介质中生物大分子自由基产额的测量与计算，其步骤为：⑴、将含有2个或2个以上不同水分的生物介质进行含水量的准确测定；⑵、将每个含水量相同的生物介质分成5至7组，每组3至5个重复的相同样品；⑶、将各组样品分别置于辐射场中等剂量面上按设定的剂量梯度进行辐照；⑷、辐照完毕取出样品进行存活率的测量并计算其D37值；将2个不同含水量及对应的D37值及水的自由基产额Dg水＝6.02×10- 7mol/J代入式4)，计算生物大分子的自由基产额Dg干，进而计算生物介质任意含水量时的D37值。
按照上述技术方案，步骤⑶中水辐解自由基间接作用比率的计算(辐射生物效应产生机理研究中相关参数的测量与计算)，不同含水量时，间接作用所占比率；其步骤为：生物介质的含水量(1-W)、生物大分子的自由基产额Dg干和水的自由基产额Dg水，将上述3种参数的值代入式5)，可计算出不同含水量时，水辐解自由基的间接作用的比率。
按照上述技术方案，步骤⑷中生物大分子离子对复合反应概率的近似计算方法，其步骤是：不同含水量时，D37干和D37含水的值，并将其代入式8)，可计算出生物大分子离子对复合反应的几率。
按照上述技术方案，步骤⑸中自由基复合率的计算方法，其步骤为：不同含水量时，生物介质的D37干、D37含水、Dg干和Dg水，并将其代入式12)，可计算出不同含水量时，水辐解自由基偶合和歧化反应的复合率。
按照上述技术方案，步骤⑻中还包括辐射育种和辐射灭害过程中，辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算(辐射灭害和辐射育种过程中等效生物剂量的计算)，其步骤是：①准确测量3个样品的含固量w1、w2和w3，同时测量样品1和样品2的D37(1)和D37(2)的值，②、将w1、w2和D37(1)、D37(2)及Dg水的值代入式4)计算出Dg干；③、将w1、w3、Dg干、Dg水及D37(1)代入式4)，可计算出等效生物剂量D37(3)。⑵、辐射育种和灭活过程中相关参数的计算，其步骤是：①、准确测量样品的含固量w1和w2以及等效生物剂量D37(1)、D37(2)和D37(3)以及Dg干的值；②、将相关测得值及Dg水代入式4)，可计算出样品3的含水量(1-w3)。
按照上述技术方案，还包括放射治疗过程中，治疗效果、等效生物剂量及相关参数的测量与计算。
按照上述技术方案，步骤⑻中还包括对治疗效果、等效生物剂量及相关参数的测量与计算(放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算)，其步骤为：⑴、剂量率不同时，肿瘤细胞在不同分割剂量照射下的等效生物剂量的计算，具体步骤是：①、将分散好的单细胞悬液分为2组，每组分5个剂量梯度，每梯度3-5个重复接种于培养皿中；②、将2组样品分别置于2个不同剂量率的等剂量面上，按设定的剂量梯度进行辐照；③、将辐照好的样品置于细胞培养箱中，培养14天后取出，进行克隆计数分析，并按式14)计算不同剂量率、不同分割剂量照射时的D37值；④、以任意1个分割剂量和设定的总剂量为参比，应用式14)计算不同分割剂量时的等效生物剂量。⑵、含乏氧细胞的肿瘤细胞等效生物剂量的测量与计算；其具体步骤是：①、取肿瘤细胞的单细胞悬液，按5个剂量梯度，每梯度3-5个重复接种于培养皿中；②、将样品置于剂量场中等剂量平面上，按设定的梯度剂量进行辐照；③、将辐照好的样品置于细胞培养箱中进行培养，14天后取出进行克隆计数分析，计算不同分割剂量照射时肿瘤细胞的存活率，并按式14)计算肿瘤细胞在富氧条件下对应的D37值；④、将富氧条件下的D37富氧乘以3，得氧效应为3时乏氧细胞的D37乏氧值，并以此按式14)计算不同分割剂量照射下肿瘤细胞的存活率；⑤、将富氧细胞和乏氧细胞的含量，分别乘以对应的存活率，得混合细胞的存活率S混合，将S混合和分割剂量分别代入式14)，计算出混合细胞的D37混合值；⑥、以设定的照射总剂量和某分割剂量为参比，按式14)计算不同分割剂量照射时，含乏氧细胞的肿瘤细胞的等效生物剂量；⑶、含凋亡和增殖因子的肿瘤细胞辐射生物效应的测量与计算，其具体步骤是：①、将培养增殖的肿瘤细胞用胰酶消化液制成单细胞悬液，按5个剂量梯度，每个梯度3-5个重复定量分装在培养瓶中；②、将样品置于等剂量平面上，按设计的梯度剂量进行辐照；③、将辐照好的样品中的胰酶消化液用含10％小牛血清的RPMI-1640培养液置换后，置于细胞培养箱中培养24小时后取出，按MTT(噻唑蓝)比色法或克隆计数法测量并计算肿瘤细胞的存活率和对应的D37值；④、将设定的吸收剂量总量及不同分割剂量对应的D37值代入式14)，计算不同分割剂量照射时的辐射生物效应。
本发明重点解决了如下问题(主要创新点)：⑴、生物介质中生物大分子自由基产额的定量计算方法；⑵、生物介质辐射过程中直接作用和间接作用的定量计算方法；⑶、辐照过程中，生物介质中生物大分子离子对复合反应概率的计算方法；⑷、生物介质辐照过程中，水辐解自由基偶合和歧化反应概率的测量与计算方法；⑸、生物介质辐照过程中，辐射生物效应的预测及等效生物剂量的计算；⑹、放射治疗过程中，不同乏氧细胞含量、不同剂量率、不同增殖细胞含量的肿瘤细胞之间，辐射生物效应的预测和等效生物剂量的计算。
本发明的有益效果是：
⑴、本发明首次提出了：辐射生物效应是自由基作用的结果；“在含水生物系统的辐照过程中，当辐射生物效应相同时，吸收剂量可能因含水量的不同而差别较大，但由电离辐射产生的自由基的量却是恒定的”的自由基守恒原理；创建了自由基模型，发明了生物大分子自由基产额和直接、间接作用的计算方法，为辐射生物学中自由基理论的建立和发展奠定了基础；⑵发明了离子对复合反应、自由基偶合和歧化反应概率的计算方法，将电离辐射与生物效应响应关系的定量由吸收剂量的宏观量推进到自由基的微观量的计算，使辐射生物学和辐射化学的研究通过自由基的定量而紧密结合起来；⑶、自由基模型的建立，开启了辐射生物效应产生机理研究的新途径，为辐射育种、辐射灭害和放射治疗过程中辐射效应的预测和等效生物剂量的计算提供了有效的方法；⑷、通过本发明的测量和计算方法证明了：①、低剂量辐照时，电离辐射的击中概率不服从泊松分布；②、击中理论不能正确表征电离辐射与生物效应的响应关系；③、LQ模型不能用来对1次性照射的剂量-生物效应响应关系进行计算，也不能对分次照射的生物效应进行计算，只能在无再修复、再分布、再增殖、再氧合，分割剂量2-8Gy，等条件下进行等效生物剂量的计算，但具备这种条件的时候少之又少。⑸、本发明的推广应用将结束LQ模型误导世界放射医学领域数十年的历史，使放射医学理论研究和治疗技术的应用重新回到正确的轨道上来。
本发明化繁为简，易于应用和推广。
附图说明
图1为本发明正常组织细胞分次辐照的存活曲线，肿瘤细胞分次照射时有类似的存活曲线图(图1是中国仓鼠正常组织细胞的一次性照射和分次照射的存活曲线图，证明分次照射的存活率成直线状态)；
由此证明：⑴、分次照射过程中，电离辐射与生物效应的响应关系不能用曲线模型进行计算，只能应用自由基模型来表征；⑵、分次照射的存活曲线是由分次照射时对应的D37值决定的，剂量率的改变，乏氧细胞含量的变化，细胞的增殖及细胞周期的再分布，亚致死损伤和潜在致死性损伤的修复，间隔时间等对辐射效应的影响，都能在D37值的变化中反应出来，都可以用D37值进行表达，而无需使用不切实际的LQ衍生模型。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施示例。
实施例1：核糖核酸酶辐射灭活过程中的相关测量与计算
⑴、核糖核酸酶自由基产额的测量与计算
①、将核糖核酸酶按含水量0.00和0.995配制成实验样品，每种样品15个；②、将配制好的无水样品按100.0、50.0、25.0、10.0和5.0kGy，5个梯度；含水样品按10.0、5.0、2.5、1.0和0.5Gy，共8个梯度，每梯度3个重复进行辐照；③、将辐照后的样品进行酶活检测；④、将检测结果进行线性拟合，并计算得：D37(0.00)＝420.0kGy；D37(0.995)＝4.0kGy；⑤、由文献查得水辐解自由基的产额Dg水＝6.02×10-7mol/J；⑥、将相关参数代入式4)，解得：Dg干＝5.70×10-9mol/J；
⑵、核糖核酸酶在不同含水量时的等效生物剂量的测量与计算
①、设核糖核酸酶的含固量分别为：1.00、0.90、0.80、0.70、0.60和0.50；②、将实验测得的D37(0.00)、Dg干和Dg水的值及设定的含固量分别代入式4)，可计算得不同含水量时，核糖核酸酶的等效生物剂量。结果见表1.
表1.不同含水量时核糖核酸酶的等效生物剂量，单位kGy
含固量 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50
等效剂量 420.00 36.82 19.26 13.00 9.85 7.92
⑶、核糖核酸酶在不同含水量时间接作用比率的测量与计算
①、将测量和计算所得Dg干和Dg水的值代入式5)得：
η＝(1–w)×6.02×10-7÷[5.70×10-9+(1-w)×6.02×10-7]×100
②、将设定的含水量代入上式，可计算得不同含固量时间接作用的比率，结果见表2。
表2.核糖核酸酶在不同含水量时的间接作用比率
含固量 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50
间接作用％ 0.00 92.11 96.33 97.83 98.39 99.06
⑷、不同含水量时核糖核酸酶离子对复合反应概率的测量与计算
将测量和计算得到的核糖核酸酶在不同含水量时的等效生物剂量分别代入式8)，可计算得核糖核酸酶的离子对复合率，结果见表3.
表3.核糖核酸酶在不同含水量时的离子对复合率
含固量 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50
复合率％ 99.05 89.14 79.23 69.03 59.39 49.49
⑸、核糖核酸酶中水辐解自由基复合几率的测量与计算
①、将实验测量与计算出的D37干、D37含水及Dg干和Dg水代入式12)得：
η＝[1-2.37×10-6w/2.41×10-6(1-w)]×100
②、将设定的含水量代入上式，可计算得不同含水量时，核糖核酸酶中水辐解自由基的偶合和歧化反应的几率，结果见表4。
表4.不同含水量时水辐解自由基偶合和歧化反应的几率
含固量 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50
复合率％ 0.00 1 0.85 20.78 30.69 40.55 50.48
实施例2：辐射育种过程中等效生物剂量的测量与计算
①、将风干种子复晒后测其含水量，得w1＝0.1378；②、将稻种分为5组，每组3个重复，在剂量率为3.0Gy/min的等剂量曲线上，按吸收剂量1000.0、500.0、250.0、125.0、100.0Gy5个剂量梯度进行辐照；③、将辐照后的种子经过浸泡、崔芽后按梯度播种在区试大田中，以着床10天的活苗数计算不同梯度的存活率，并按14)计算不同处理的D37值，得D37(1)＝504.56Gy；④、用同样的方法，测得w2＝0.1004，w3＝0.0691，D37(2)＝557.27Gy；⑤、将w1、w2、D37(1)、D37(2)和Dg水代入式4)，计算得：Dg干＝1.19×10-7mol/J；⑥、将w1、w3、D37(1)、Dg干和Dg水的值代入式4)，计算得含水量为6.91％时的等效生物剂量D37(3)＝614.33Gy。
实施例3：辐射灭菌时酵母粉中酵母菌含水量的测量与计算
①、将从酵母膏中分离出的酵母菌扩繁后在冻干机中冻干至恒重，即含水量w1＝0.00；②、按重量法将干燥酵母菌中的1部分配制成w2＝0.80的含水样品；③、将2种不同含水量的酵母菌及含菌酵母粉按5个剂量梯度，每个梯度3个重复，分装在5ml的离心管中；④、将样品分别置于剂量率为20.0Gy/min的等剂量线上按10.0、50.0、100.0、500.0、1000.0Gy的吸收剂量进行辐照；⑤、将辐照过的样品接种于含琼脂凝胶的培养皿中培养72小时后，取出进行菌落计数，并按式14)计算对应的D37值，得：D37(1)＝848.0Gy，D37(2)＝193.0Gy，D37(3)＝505.1Gy；⑥、将w1、w2、D37(1)、D37(2)及Dg水＝6.02×10-7mol/J代入式4)，计算得：Dg干＝1.148×10-7mol/J；⑦、将w1、D37(1)、D37(3)、Dg干和Dg水代入式4)，计算得在酵母粉含水量为12.0％时，酵母菌菌体的含水量为16.0％。
实施例4：含剂量率效应的黑色素瘤HX118细胞等效生物剂量的计算
①、将分散好的HX118单细胞悬液按2组，每组5个梯度3个重复接种于培养皿中；②、将接种好的样品中的1组置于60CO剂量场中，在剂量率1.5Gy/min等剂量面上按设定的吸收剂量梯度进行辐照；③、将照射好的样品置于细胞培养箱中培养14天后，取出进行克隆计数，测得细胞存活率，并按式14)计算对应的D37值；④、将余下样品置于剂量率为0.076Gy/min的等剂量面上，照射后进行培养，(在培养前期的6小时内，亚致死性损伤被完全修复，后面实例相同)用克隆计数法计算其对应的D37值；⑤、设总治疗剂量为48.0Gy，以剂量率为0.076Gy，分割剂量8.0Gy的样品为参比，应用式14)计算各梯度样品的等效生物剂量，结果见表5。
表5.不同剂量率不同分割剂量时的等效生物剂量，单位Gy
分割剂量 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0
D37(0.076Gy/min) 3.923 3.536 3.142 2.685 2.386
等效剂量 79.52 71.67 63.69 54.43 48.00
D37(1.5Gy/min) 2.821 2.188 2.109 1.727 1.510
等效剂量 57.18 44.35 42.75 35.01 30.61
实施例5：含乏氧细胞肿瘤细胞等效生物剂量的测量与计算
⑴、含乏氧细胞的肿瘤细胞存活率的体外测量与计算
①、取培养好的鼻咽鳞癌CNE1单细胞悬液按一定量接种于培养皿中；②、按1.0、2.0、4.0、6.0和8.0Gy 5个吸收剂量梯度，每梯度5个重复，在剂量率为0.5Gy/min的等剂量面上进行辐照；③、辐照完毕将样品置于细胞培养箱中培养14天后，进行克隆计数分析，得不同吸收剂量时，鼻咽鳞癌CNE1细胞的存活率；④、按所得存活率由式14)计算CNE1细胞在富氧条件下的D37值；⑤、将富氧细胞的D37乘以3，得乏氧细胞的D37值，并以此计算乏氧细胞在不同吸收剂量时的存活率；结果见表6。
表6.不同吸收剂量时鼻咽鳞癌CNE1细胞乏氧状态的存活率
乏氧和富氧表示的是肿瘤细胞含氧量的不同，但吸收剂量、D37值与存活率的关系仍然符合式14)、只需要应用式14)便能计算；
⑵、不同分割剂量照射时等效生物剂量的测量与计算
①、当乏氧细胞含量为20.0％时，按表5中的富氧、乏氧细胞的存活率计算不同吸收剂量时，混合细胞的D37值；②、以分割剂量8.0Gy，总吸收剂量48.0Gy为参比，由式14)计算不同分割剂量照射时的等效生物剂量；结果见表7.
表7.不同分割剂量照射时的等效生物剂量，单位Gy
分割剂量 8.0 6.0 4.0 2.0 1.0
D37混合 2.291 2.151 2.083 2.656 5.659
等效剂量 48.00 45.07 43.64 55.65 118.56
实施例6：不含增殖因子和凋亡因子的鼻咽鳞癌CNE2细胞辐射生物效应的测量与计算
①、按实验设计的要求，将培养好的CNE2细胞按5个梯度，每个梯度3个重复接种于培养皿中，在0.5Gy/min的等剂量面上按5个梯度进行辐照；②、照后置于细胞培养箱中培养14天后，取出进行克隆计数，计算其存活率及对应的D37值；③、设照射总剂量为48.0Gy，将对应的D37值代入式14)，可计算得不同分割剂量照射时的辐射生物效应。结果见表8.
表8.照射48.0Gy时鼻咽鳞癌CNE2细胞的辐射生物效应
分割剂量Gy 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0
D37 Gy 1.779 1.006 0.782 0.704 无集落
辐射效应 1.915×10-12 1.897×10-21 2.201×10-27 2.449×10-30
实施例7：含凋亡和增殖因素的人肝癌BEL-7402细胞辐射生物效应的测量与计算
①、将培养增殖的肝癌细胞用胰酶消化制成单细胞悬液，按5个分割剂量梯度，每个梯度3个重复定量地分装在培养瓶中；②、将样品分组置于0.5Gy/min的等剂量面上，按设定剂量进行辐照；③、辐照完毕用含10％小牛血清的RPMI-1640培养液置换样品中的胰酶消化液，于细胞培养箱中培养；④、当样品培养至24小时后(此时亚致死性损伤已完全修复，细胞凋亡和增殖并存)，取出样品按MTT(噻唑蓝)比色法或克隆计数法测量并计算BEL-7402细胞的存活率和对应的D37值；⑤、将总剂量48.0Gy及各分割剂量对应的D37值代入式14)，计算含凋亡和增殖因子的肝癌细胞的辐射生物效应。结果见表9.
表9.含凋亡和增殖因子的肝癌细胞不同分割照射时的辐射生物效应
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Claims (8)

1.一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于它包含如下步骤：
⑴、自由基守恒原理表达式建立：
Di[wi Dg干+(1-wi)Dg水]＝Dn[wnDg干+(1-wn)Dg水]-------------4)
式中：Di---生物介质在含水量为(1-wi)时的D37值，单位Gy；
Dn---生物介质在含水量为(1-wn)时的D37值，单位Gy；
Dg干---生物大分子的自由基产额，单位mol/J；
Dg水---生物介质中水分子的自由基产额，单位mol/J；
wi、wn---生物介质不同状态时的含固量；
⑵、生物介质中生物大分子自由基产额的测量与计算
①、测定生物介质的含水量；②、对生物介质进行辐照梯度实验，测定不同吸收剂量时相应的存活率；③、计算生物介质不同含水量时的D37值；④、由《辐射生物物理学》，邱冠英、冯胜彦编著，武汉大学出版社1990p58，查找水分子的自由基产额；将已知参数代入式4)，可计算得生物大分子的自由基产额；
⑶、水辐解自由基间接作用比率的计算
①、由方程4)和自由基作用百分率的定义，得水辐解自由基的间接作用百分率η为：
η＝(1-w)Dg水÷[wDg干+(1-w)Dg水]×100-------------5)
式中，w---生物介质的含固量；
②、将相关参数代入式5)，即可计算出间接作用的比率，而直接作用的比率则为：1-η；
⑷、生物大分子离子对复合反应概率的近似计算方法
①、离子对复合率的计算式
根据自由基守恒原理，辐射过程中的离子对也是守恒的，辐照无水生物介质时产生的离子对数，等于辐照含水介质产生的离子对与发生复合反应的离子对之和；即：
D37干×D干×F＝D37含水×[W×D干+(1-W)×D水]×F+Q--------6)
式中：D37干-----为生物介质干燥状态时的D37值，单位Gy；
D37含水-----为生物介质含水时的D37值，单位Gy；
D干-----为生物介质中生物大分子对辐射能的吸收率，
D水-----为生物介质中水分子对辐射能的吸收率，
F------为离子对的产额，单位mol/J；
Q------为发生复合反应的离子对数，单位mol；
W------为生物介质的含固量；
当不计生物介质与水分子对辐射能吸收率的差异时，D干＝D水，方程两边同时约去D，则式6)可改为：Q＝(D37干-D37含水)×F------------7)；
根据百分比的定义，离子对的复合率σ可由下式进行计算：
σ＝[(D37干-D37含水)÷D37干]×100----------8)；
⑸、自由基复合率的计算方法
根据生物介质中自由基的直接作用和间接作用与辐射生物效应的数理关系，生物介质的含固量为W的生物介质所需要的自由基数M可由下式计算：
M＝W(D37干-D37含水)×Dg干---------9)；
辐照过程中水分子产生的自由基数N可由下式进行计算：
N＝(1-W)×D37含水×Dg水--------------10)；
水辐解自由基的利用率δ可由下式进行计算：
δ＝M÷N×100----------------11)；
水辐解自由基的复合率y可由下式进行计算：
y＝[1-W(D37干-D37含水)×Dg干÷(1-W)×D37含水×Dg水]×100-------12)；
⑹、辐射效应的预测和等效生物剂量的计算
将自由基模型的式4)转变成指数形式，方便于辐射生物效应存活率S的预测计算，即：
S＝e-{Di[wi Dg干+(1-wi)Dg水]/Dn[wn Dg干+(1-wn)Dg水]}-------------13)
应用⑵中的相关步骤，测量和计算出式13)中的相关参数，可计算得不同含水量的生物介质在不同吸收剂量时的存活率；也可按式4)计算出不同含水量的生物介质在相同生物效应时所需的吸收剂量；
⑺、放射治疗过程中疗效的预测与计算
当放射治疗过程中肿瘤细胞的含水量相同，即wi＝wn时，自由基模型的式13)转化为：
S＝e-[D/D37]-------------14)；
式中：D---以吸收剂量表示的自由基数，单位Gy；
D37---以平均致死剂量表示的自由基数，单位Gy；
通过肿瘤细胞不同吸收剂量的辐照实验，测定不同吸收剂量时的存活率，计算出该肿瘤细胞的平均致死剂量，即可应用式13)计算不同吸收剂量时肿瘤细胞的存活率，达到预测放疗效果的目的；
⑻、放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算
在分次放射治疗的过程中，由于肿瘤细胞的辐射杀灭效果与其平均致死剂量密切相关，而且与吸收剂量呈直线关系，因此，只要能确切测量肿瘤细胞在不同剂量率、不同乏氧细胞含量、不同间隔时间时的D37值，就能通过式14)计算各种分割剂量照射时的等效生物剂量。
2.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：步骤⑻中的放射治疗过程中等效生物剂量的测量与计算，其具体步骤是：①、制定不同的治疗方案，确定照射次数n1、n2和分割剂量d1、d2的值和间隔时间；②、将培养增殖的肿瘤细胞进行定量分装；③、将分装好的肿瘤细胞按设计的分割剂量进行辐照；④、将辐照好的样品置于细胞培养箱中进行培养；⑤、按照不完全修复、完全修复、细胞增殖所设定的时间取样进行存活率的测量；⑥、乏氧细胞可直接照射荷瘤动物的肿瘤部位，然后取出测量含乏氧细胞的D37值，在体外进行培养，照射后按⑤中的方法测定存活率，最后按乏氧细胞的比例计算混合细胞D37值；⑦、将测定和计算好的D37(1)、D37(n)值及d1、dn值代入式14)，结合设定的总照射剂量，可计算得多种不同治疗方案的等效生物剂量。
3.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：步骤⑵中生物介质中生物大分子自由基产额的测量与计算，其步骤为：⑴、将含有2个或2个以上不同水分的生物介质进行含水量的准确测定；⑵、将每个含水量相同的生物介质分成5至7组，每组3至5个重复的相同样品；⑶、将各组样品分别置于辐射场中等剂量面上按设定的剂量梯度进行辐照；⑷、辐照完毕取出样品进行存活率的测量并计算其D37值；将2个不同含水量及对应的D37值及水的自由基产额Dg水＝6.02×10-7mol/J代入式4)，计算生物大分子的自由基产额Dg干，进而计算生物介质任意含水量时的D37值。
4.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：步骤⑶中水辐解自由基间接作用比率的计算，不同含水量时，间接作用所占比率；其步骤为：生物介质的含水量(1–W)、生物大分子的自由基产额Dg干和水的自由基产额Dg水，并代入式5)，可计算出不同含水量时，水辐解自由基的间接作用的比率。
5.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：步骤⑷中生物大分子离子对复合反应概率的近似计算方法，其步骤是：不同含水量时，D37干和D37含水的值，并将其代入式8)，可计算出生物大分子离子对复合反应的几率。
6.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：步骤⑸中自由基复合率的计算方法，其步骤为：不同含水量时，生物介质的D37干、D37含水、Dg干和Dg水，并将其代入式12)，可计算出不同含水量时，水辐解自由基偶合和歧化反应的复合率。
7.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：还包括辐射育种和辐射灭害过程中，辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算，其步骤是：①测量3个样品的含固量w1、w2和w3，同时测量样品1和样品2的D37(1)和D37(2)的值，②、将w1、w2和D37(1)、D37(2)及Dg水的值代入式4)计算出Dg干；③、将w1、w3、Dg干、Dg水及D37(1)代入式4)，可计算出等效生物剂量D37(3)；⑵、辐射育种和灭活过程中相关参数的计算，其步骤是：①、测量样品的含固量w1和w2以及等效生物剂量D37(1)、D37(2)和D37(3)以及Dg干的值；②、将相关测得值及Dg水代入式4)，可计算出样品3的含水量(1-w3)。
8.根据权利要求1所述的一种用于辐射生物效应及等效生物剂量的测量与计算方法，其特征在于：还包括对治疗效果、等效生物剂量及相关参数的测量与计算，其步骤为：⑴、剂量率不同时，肿瘤细胞在不同分割剂量照射下的等效生物剂量的计算，具体步骤是：①、将分散好的单细胞悬液分为2组，每组分5个剂量梯度，每梯度3-5个重复接种于培养皿中；②、将2组样品分别置于2个不同剂量率的等剂量面上，按设定的剂量梯度进行辐照；③、将辐照好的样品置于细胞培养箱中，培养14天后取出，进行克隆计数分析，并按式14)计算不同剂量率、不同分割剂量照射时的D37值；④、以任意1个分割剂量和设定的总剂量为参比，应用式14)计算不同分割剂量时的等效生物剂量；⑵、含乏氧细胞的肿瘤细胞等效生物剂量的测量与计算；其具体步骤是：①、取肿瘤细胞的单细胞悬液，按5个剂量梯度，每梯度3-5个重复接种于培养皿中；②、将样品置于剂量场中等剂量平面上，按设定的梯度剂量进行辐照；③、将辐照好的样品置于细胞培养箱中进行培养，14天后取出进行克隆计数分析，计算不同分割剂量照射时肿瘤细胞的存活率，并按式14)计算肿瘤细胞在富氧条件下对应的D37值；④、将富氧条件下的D37富氧乘以3，得氧效应为3时乏氧细胞的D37乏氧值，并以此按式14)计算不同分割剂量照射下肿瘤细胞的存活率；⑤、将富氧细胞和乏氧细胞的含量，分别乘以对应的存活率，得混合细胞的存活率S混合，将S混合和分割剂量分别代入式14)，计算出混合细胞的D37混合值；⑥、以设定的照射总剂量和某分割剂量为参比，按式14)计算不同分割剂量照射时，含乏氧细胞的肿瘤细胞的等效生物剂量；⑶、含凋亡和增殖因子的肿瘤细胞辐射生物效应的测量与计算，其具体步骤是：①、将培养增殖的肿瘤细胞用胰酶消化液制成单细胞悬液，按5个剂量梯度，每个梯度3-5个重复定量分装在培养瓶中；②、将样品置于等剂量平面上，按设计的梯度剂量进行辐照；③、将辐照好的样品中的胰酶消化液用含10％小牛血清的RPMI-1640培养液置换后，置于细胞培养箱中培养24小时后取出，按MTT(噻唑蓝)比色法或克隆计数法测量并计算肿瘤细胞的存活率和对应的D37值；④、将设定的吸收剂量总量及不同分割剂量对应的D37值代入式14)，计算不同分割剂量照射时的辐射生物效应。
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