Giáo trình Cơ sở Lý Sinh: Cơ sở sinh học bức xạ

Giỏo trỡnh C s Lý Sinh C s sinh hc bc x
C s sinh hc bc x
Sinh hc bc x kho sỏt tỏc dng ca bc x lờn c th sng. Cỏc kin thc sinh hc
bc x l cn thit cú th s dng bc x mt cỏch hiu qu trong cỏc ng dng y t,
c th l trong x tr v chn oỏn vi bc x ion húa, cng nh phũng trỏnh tỏc hi
ca bc x.
Trong phn ny, chỳng ta s xem xột cỏc quỏ trỡnh xy ra theo trỡnh t thi gian t lỳc
bc x i vo c th ngi. Cỏc yu t chớnh v cỏc yu t ph cú nh hng n tỏc
dng sinh hc s c trỡnh by. Cui cựng, quan h gia nh lng gia tỏc dng sinh
hc v liu hp th s c xem xột.
Đ1. Cu to t bo ca sinh vt
V cu to, t bo gm mt nhõn t bo (nucleus) gia, mt cht lng bao quanh
gi l bo tng (cytoplasma). Trong bo tng cú cỏc thnh phn ca t bo nh
protein, ribosome, v.v Bc quanh bo tng l mt mng gi l mng t bo
(membrane). Mi b phn thc hin nhng chc nng riờng r.
C th con ngi v cỏc sinh vt khỏc cu to t cỏc c quan (organ) nh tim, phi,
nóo v.v Cỏc c quan cu to t cỏc mụ (tissue) nh mụ m, mụ da, mụ xng v.v
Cỏc mụ cu to t cỏc t bo (cell). T bo l n v sng c bn. Tng tỏc gia bc x
v c th sng s gõy nờn nhng thay i trong t bo, lm cht t bo hay lm cho chỳng
hot ng bt bỡnh thng, chng hn phỏt trin nhanh chúng mt cỏch hn lon v to
nờn ung th.

nhõn ( )
bo tng ( )


1
voứng xoaộn keựp
noỏi base
Mng t bo lm nhim v trao i cht vi mụi trng ngoi. Bo tng l ni xy
ra cỏc phn ng húa hc, b góy cỏc phõn t phc tp thnh cỏc phõn t n gin v ly

nng lng nhit ta ra (d húa: catabolism), tng hp cỏc phõn t cn thit cho t bo
(anabolism). Cũn nhõn l ni iu khin quỏ trỡnh tng hp ú. Trong nhõn cú ADN
(deoxyribonucleic acid) l mt i phõn t hu
c cha cỏc thụng tin quan trng thc hin
s tng hp cỏc cht. Trong hỡnh bờn l mụ
hỡnh cu to ca phõn t ADN.
Cỏc t bo cú thi gian sng nht nh. Cỏc
t bo khỏc nhau cú thi gian sng khỏc nhau.
Cỏc t bo cng cú kh nng phõn chia to
thnh t bo mi. ú l c ch duy trỡ s
tn ti v phỏt trin ca c th ngi. ADN
Dr. rer.nat. Nguyn ụng Sn
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
chứa các thông tin cần thiết để điều khiển việc phân chia tế bào. Thông thường, những tác
dụng sinh học của bức xạ lên phân tử là do sự phá hỏng ADN của tế bào.
Sau đây chúng ta sẽ xem xét chuỗi quá trình từ lúc bức xạ bắt đầu đi vào cơ thể cho
đến khi xuất hiện những hiệu ứng quan sát được về mặt sinh học và xem xét những yếu tố
ảnh hưởng đến các hiệu ứng này.
§2. Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống
Các quá trình xảy ra sau khi bức xạ đi vào cơ thể sống là một chuỗi liên tục, bắt đầu
từ những tương tác vật lý xảy ra trong một khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi, đến những
quá trình sinh học có thể âm ỷ hàng chục năm. Các quá trình này có mối quan hệ nhân
quả, theo một qui luật vừa mang tính chặt chẽ, vừa mang tính thống kê, mà cho đến nay
vẫn chưa được nhận thức đầy đủ. Bảng dưới đây tóm tắt các quá trình đó.
Bảng 1 Tóm tắt các quá trình xảy ra
Trực tiếp Gián tiếp
Giai đoạn
vật lý
(10 s
-16

-10
-13
s)
Năng lượng được hấp thụ trong
các phân tử sinh học


kích thích / ion hóa
Năng lượng được hấp thụ trong nước
hay vùng phụ cận


kích thích / ion hóa




Giai đoạn
hóa lý
(10 s
-13
– 10
-2
s)

Các gốc tự do sơ cấp
(OH•, H•, e- tương
đương) và Peroxide
(H O )
2 2

Các gốc sinh học
(R•, RO•2)




Hồi phục
Giai đoạn
sinh hóa
(giây – giờ)

Thay đổi các phân tử sinh học (ADN, màng, v.v )
Hồi phục
Giai đoạn
sinh học
(mức dưới tế
bào)

(giờ - năm)
Biến dị ↔ biến đổi sự trao đổi chất ↔ tổn thương dưới mức tử vong/
tổn thương gây tử vong
Hồi phục
Mức tế bào
(thấy được)
Hiệu ứng
di truyền
Tổn thương cấp
tính và lâu dài
Tế bào bị chết
Cơ quan bị chết

Trong các quá trình nói trên, quá trình vật lý là được hiểu biết đầy đủ và chi tiết hơn
cả. Càng về sau, mức độ phức tạp càng tăng lên và mức độ chính xác của dự đoán càng
giảm xuống. Nguyên nhân nằm ở chỗ người ta chưa có những dữ liệu thống kê đầy đủ,
cũng như do sự khác biệt rất lớn giữa các cá thể nên không thể thực hiện những phép đo
lặp lại được như trong vật lý.
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
2
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
Sau đây chúng ta sẽ trình bày từng bước một trong chuỗi quá trình đó. Ở mỗi bước,
chúng ta sẽ nhấn mạnh các yếu tố có vai trò quan trọng trong việc gây nên tác dụng sinh
học.
1. Giai đoạn vật lý (10
-16
s – 10
-13
s)
Giai đoạn vật lý là bước đầu tiên của chuỗi quá trình xảy ra khi bức xạ đi vào vật chất.

Nhờ những tiến bộ trong sinh học phóng xạ, người ta ngày càng nhận thức rõ hơn ảnh
hưởng của giai đoạn vật lý lên các quá trình tiếp theo. Điều này đã dẫn đến những yêu
cầu nghiêm ngặt trong các phép đo lường vật lý trong xạ trị.
Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số đặc điểm chung của giai đoạn vật lý. Đặc điểm
quan trọng nhất có liên quan đến tác dụng sinh học của bức xạ là sự phân bố năng lượng
cục bộ mà bức xạ truyền cho môi trường. Điều này sẽ được xem xét trong phần tiếp
theo.
Khi đi qua môi trường vật chất, bức xạ có thể tương tác với của nguyên tử như một
toàn bộ, với một electron của nguyên tử, hoặc với hạt nhân của nguyên tử. Thông qua đó
bức xạ truyền năng lượng cho môi trường. Quá trình vật lý này xảy ra trong một khoảng
thời gian cực kỳ ngắn, từ 10
-16
s đến 10
-13
s. Đó là thời gian để bức xạ (photon, electron) đi
qua cấu trúc chịu tương tác (phân tử nước, ADN). Trong các ứng dụng y tế, năng lượng
bức xạ truyền cho môi trường chủ yếu gây nên sự ion hóa và sự kích thích. Quá trình này
đã được khảo sát chi tiết trong phần trên.
Sự ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của tế bào. Các tổn thương này
càng nhiều và càng nghiêm trọng nếu lượng năng lượng mà bức xạ bỏ ra trong tế bào
càng lớn. Do đó, tác dụng sinh học của bức xạ được đo bằng lượng năng lượng bức xạ
bỏ ra trong một đơn vị khối lượng môi trường. Đại lượng này chính là liều hấp thụ D.
Các cấu trúc chịu sự ion hóa hay kích thích có thể là ADN, ARN, các axít amin, các
protein, các enzym hay một phần của màng tế bào, và chủ yếu là các phân tử nước, vốn
chiếm một tỉ lệ khối lượng khoảng 80% trong tế bào.
Quá trình ion hóa và kích thích sẽ dẫn đến những tổn thương của các đại phân tử sinh
học trong tế bào. Hiện nay người ta tin rằng tác dụng sinh học của bức xạ chủ yếu qua
việc gây tổn thương cho ADN, phân tử mang thông tin di truyền của tế bào. Những tổn
thương gây ra trên các màng và các ống vi mô cũng có thể là những cơ chế bổ sung làm tế
bào bị nhiễm độc.

Các phân tử ADN có thể bị ion hóa trực tiếp khi bức xạ đi băng qua nó. Đó là tác
dụng trực tiếp
. Phân tử ADN cũng có thể chịu tác dụng gián tiếp, khi bức xạ làm ion hóa
các phân tử nước trong vùng lân cận nó. Khi đó, các phân tử nước sẽ bị phân ly (sự thủy
phân do bức xạ) và dẫn đến việc hình thành các gốc tự do và hydroxyl. Các gốc tự do và
hydroxyl công phá các phân tử ADN.
Khi một ADN bị tổn thương, ta không thể phân biệt được là nó chịu tác dụng trực tiếp
hay gián tiếp, nhưng do tế bào chứa khoảng 80% nước và dưới 1% ADN, nên người ta
cho rằng tác dụng gián tiếp đóng vai trò quan trọng. Các phép đo cho thấy rằng đối với
bức xạ có LET bé như electron hay photon, tác dụng trực tiếp gây nên khoảng 1/3 tổng số
các thương tổn, phần còn lại là do hiệu ứng gián tiếp. Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn quá
trình này trong giai đoạn hóa lý.
Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và
electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
3
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên
đường đi của mình
*)
.

Tác dụng gián tiếp
Tác dụng trực tiếp
Như vậy, trong sự hấp thụ năng lượng từ bức xạ ion hóa, viên gạch nhỏ nhất của vật
chất là nguyên tử đã bị phá vỡ. Sự ion hóa và kích thích (chủ yếu trên các phân tử nước)
là những bước đầu tiên dẫn đến quá trình công phá các phân tử sinh học, đặc biệt là ADN.
Năng lượng hấp thụ từ những tác nhân vật lý không ion hóa khác có thể gây nên sự kích
thích phân tử, nhưng nguyên tử vẫn còn nguyên vẹn. Chính sự khác biệt này sẽ giải thích
tại sao một lượng nhỏ năng lượng được hấp thụ bởi bức xạ ion hóa lại có thể gây nên một

tác hại lớn hơn nhiều so với các tác nhân khác.
2. Giai đoạn hóa lý (10
-13
s đến 10
-2
s)
Giai đoạn hóa lý mở đầu bằng việc hình thành các gốc tự do và kết thúc bằng những
thay đổi cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học có trong tế bào. Như đã nói trên,
bức xạ có thể tương tác trực tiếp với ADN hay gián tiếp, thông qua việc ion hóa hay kích
thích phân tử nước. Trong cả hai trường hợp, năng lượng của bức xạ được hấp thụ trong
các phân tử hữu cơ cũng như vô cơ.
Tiếp sau quá trình tương tác đó là quá trình phân tán năng lượng đã hấp thụ từ bức xạ
cho vùng chung quanh, do sự khuếch tán nhiệt, thông qua sự truyền năng lượng nội phân
tử (xảy ra bên trong một phân tử ) hay từ phân tử này sang phân tử khác. Quá trình trao
đổi nội phân tử có thể làm thay đổi cấu trúc hay phá hủy phân tử sinh học, do việc tách

*)
Chẳng hạn, có thể ước lượng được rằng một electron có năng lượng 1 MeV có khả năng ion
hóa 3,3.10
4
nguyên tử và kích thích khoảng 10
6
nguyên tử. Một electron có thể gây nên hàng chục
cặp ion khi băng qua tế bào. Một hạt α có thể gây nên hàng chục ngàn cặp ion khi băng qua tế
bào. Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào. Một liều toàn
thân 2,4 mGy (= 2,4 mJ/kg) gây ra trong cơ thể một người nặng 70 kg khoảng 3,5.10
16
cặp ion.
Giá trị được chọn trong ví dụ trên là liều trung bình một người nhận được hàng năm do bức xạ tự
nhiên. Con số rất lớn cặp ion xuất hiện ở trên cho thấy rằng trong cơ thể người có một cơ chế tự

sửa chữa tác hại của bức xạ.

Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
4
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
các nhóm chức năng hay làm đứt vỡ những phân tử có dạng chuỗi. Quá trình trao đổi
năng lượng giữa các phân tử xảy ra chủ yếu là sự tương tác giữa phân tử nước. Đó là quá
trình hình thành và khuếch tán của các gốc tự do. Các gốc tự do này được hình thành do
sự thủy phân của nước dưới tác dụng của bức xạ. Các gốc tự do công phá các phân tử sinh
học. Chúng sẽ xem xét quá trình này kỹ hơn dưới đây.
a. Sự hình thành các gốc tự do
Các gốc tự do được hình thành do sự thủy phân do bức xạ. Quá trình này xảy ra sau
khi phân tử nước hấp thụ năng lượng từ bức xạ. Đầu tiên là sự ion hóa:
HOH
+
+ e
-
: một cặp ion H
2
O + γ →
Sau quá trình này, một số phản ứng có thể xảy ra. Một là, cặp ion có thể tái hợp lại để
trở thành một phân tử bình thường. Khi đó không có tổn hại nào xảy ra. Hai là, electron
có thể gắn vào một phân tử nước trung hòa và tạo ra một loại ion thứ ba
H
2
O + e

HOH

→

Ba là, e
-
có thể được bao quanh bởi 5 đến 7 phân tử nước và hình thành nên e
-
eq
(gọi
là tương đương electron).
Các ion HOH
+
và HOH

không bền vững lắm và có thể bị tách thành các phần tử nhỏ
hơn
HOH
+
H
+
+ OH
•
→
HOH

OH

+ H
•
→
• •
được gọi là các gốc tự do (free radicals)OH và H . Thời gian hình thành các gốc tự
do là vào khoảng 1 μs. Vậy kết quả của sự xạ phân do bức xạ là sự hình thành các ion

H
+
, OH

và các gốc tự do OH
• •
và H và e
-
eq
. Tương đương electron e
-
eq
cũng có tác
dụng như một gốc tự do. Do đó OH
• •
và H và e
-
eq
được gọi chung là các gốc tự do sơ
cấp.
Các ion H
+
và OH

có thể tái hợp mà không gây tổn hại sinh học nào. Các loại ion
này cũng thường xuất hiện trong nước. Ví dụ Na
+
và Cl

khi hòa muối vào nước. Ngay cả

khi không bị chiếu xạ, trong nước cũng có các ion H
+
và OH

.
Các gốc tự do là những phân tử trung hòa có một electron không ghép cặp ở vỏ ngoài
cùng. Do đó chúng có hoạt tính hóa học rất mạnh. Chúng cũng không bền, thời gian sống
vào khoảng 1
μs. Tuy nhiên trong khoảng thời gian ấy, nó có thể khuếch tán và gây tương
tác tại một vị trí cách nơi hình thành khoảng một vài nanomnet. Các gốc tự do tương tác
với các phân tử khác theo phản ứng oxy hóa-khử. Chúng có thể công phá phân tử ADN,
bẻ gãy các liên kết của phân tử đó và do đó gây ra một tổn thương điểm ở một nơi xa
điểm hình thành gốc tự do.
Các gốc tự do cũng có thể tạo ra hydrogen peroxide, H
2
O
2
, rất độc đối với tế bào.
Hydrogen peroxide có thể được hình thành bằng nhiều cách. Với bức xạ có LET cao, do
mật độ gốc tự do cao, hai gốc tự do OH
•
có thể kết hợp lại để hình thành H
2
O
2
.
• •
OH + OH H
2
O

2
→
Hay trong trường hợp có nhiều oxy, hydrogen peroxide được hình thành theo chuỗi
sau
• •
H + O
2
HO
2
→
• •
Các gốc tự do Hydroperoxyl HO
2
không bền, có thể kết hợp với nhau hay với H để
tạo thành hydrogen peroxide:
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
5
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
2 HO
•
2
→ H
2
O
2
+ O
2

HO
•

2
+ H
•
→ H
2
O
2
H
2
O
2
, OH
•
, H
•
và e
-
eq
được xem là sản phẩm gây hại chính của quá trình xạ phân,
nó là chất độc của tế bào.
Hai loại gốc tự do khác cũng có thể hình thành. Một số phân tử hữu cơ khác, ký hiệu
RH, có thể trở thành các gốc tự do:
RH + γ → RH
•
→ H
•
+ R
•
Khi có oxy, một loại gốc tự do khác cũng hình thành như sau:
R

•

+ O
2
→ RO
2
.
Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và hoạt động của các gốc tự do:
* Hiệu ứng oxy: càng nhiều oxy thì khả năng hình thành gốc tự do càng cao, đặc biệt
việc hình thành các gốc peroxide H
2
O
2
, do đó

tác dụng sinh học càng lớn (2-3 lần đối với
bức xạ có LET bé).
* Sự phụ thuộc vào LET: LET càng cao thì mật độ OH
•
cao, càng nhiều H
2
O
2
hình
thành theo OH
•
+ OH
•
→ H
2

O
2
, do đó tác hại càng mạnh. Thực nghiệm cho thấy với LET
cao, sự hình thành H
2
O
2
không phụ thuộc vào lượng Oxy, do đó hiệu ứng oxy mất tác
dụng. Khi LET cao, lượng gốc tự do H
•

cũng nhiều, làm cho

sự tái hợp H
•
+ H
•
→ H
2

cũng mạnh theo, do đó hiệu suất hình thành gốc tự do giảm.
* Hiệu ứng nhiệt độ: nhiệt độ càng thấp, phạm vi khuếch tán của các gốc tự do càng
bé, do đó tác dụng gián tiếp càng bé.
* Tác dụng của một số chất hóa học: Một số chất có thể làm tăng hay giảm hoạt động
của các gốc tự do (chất bảo vệ phóng xạ và tăng cường phóng xạ). Để có thể phát huy tác
dụng, các chất này phải có mặt ngay khi chiếu bức xạ
c. Tác dụng của các gốc tự do lên ADN
Các gốc tự do sẽ khuếch tán ra chung quanh vùng chúng hình thành, tập trung quanh
những phân tử nước hay tương tác với các phân tử sinh học và làm thay đổi cấu trúc hóa
học của chúng. Thường thì các gốc tự do lấy đi các nguyên tử hidro của các phân tử sinh

học, chẳng hạn lấy hidro của cầu nối hidro trong ADN.
Các gốc tự do này có thời gian sống chỉ khoảng vài micro giây nên không thể đi xa
được. Do đó chúng chỉ có thể phá hoại ADN trong phạm vi bán kính khoảng 10 nm,
khoảng bằng ½ đường kính của thớ của nhiễm sắc thể (Chromatin fibrillar). Thời gian
sống của các gốc hydroxyl có thể được kéo dài khi có mặt oxy hay các phân tử ái
electron. Ngược lại, một số phân tử khác có thể thu hút các gốc này và làm giảm tác dụng
sinh học của chúng. Những bức xạ có khả năng ion hóa mạnh như neutron hay hạt nặng
mang điện tạo ra trên đường đi của chúng một vệt ion hóa đậm, do đó nếu nó đi băng qua
một ADN thì có thể gây nên hiệu ứng trực tiếp, ngay cả khi không có oxy. Chúng cũng có
nhiều khả năng gây nên những đứt gãy không hồi phục được trên chuỗi xoắn kép của
ADN.
Do tác dụng của trực tiếp hay gián tiếp, ADN có thể chịu các tổn thương sau:
– Đứt một nhánh
– Đứt hai nhánh
Đối với bức xạ có LET bé, tỉ lệ giữa tổn thương 1 nhánh và hai nhánh là 20:1.
Số lượng đứt một nhánh tăng tỉ lệ bình phương liều hấp thụ: ~ D
2
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
6
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
Số lượng đứt hai nhánh tăng tỉ lệ liều hấp thụ: ~ D.
Cho đến nay người ta thấy việc đứt một nhánh và hai nhánh chỉ do bức xạ ion hóa
gây nên, còn tia tử ngoại chỉ có khả năng gây nên sự sai hỏng base, do chỉ được
hấp thụ trong các base Thymin và Cytosin.
− Tổn thương base: làm thay đổi base hay thay đổi liên kết giữa các base.
Sự tổn thương của base có thể dẫn tới việc đứt mối liên kết hidro giữa hai base,
hay làm biến đổi cấu trúc hoá học của base, làm mất một base, làm ghép vào một
base không đúng hay nối hai base nằm đối diện và chéo nhau chéo (cross linking).
Một dạng đặc biệt của sai hỏng base là sự nhị trùng hóa hai base (base
dimerization): hai base cùng phía nối nhau. Điều này chỉ xảy ra đối với base loại

Thymin (T) hay Cytosin (C). Sự nhị trùng hóa này xảy ra chủ yếu khi ADN bị
chiếu bởi tia tử ngoại.
− Nối giữa các phân tử trong ADN
− Nối giữa ADN và protein
− Tổn thương bội (bulky lession). Thuộc loại tổn thương gây tử vong (lethal
damage). Không sửa chữa được.

Loại tổn thương Số tổn thương trên mỗi tế bào ứng với 1 Gy (LET bé)
Đứt nhánh đơn 1 000
Tổn thương base 500
Đứt nhánh đôi 40
Nối giữa DNA và protein 150
Một liều khoảng 3 Gy có thể gây nên hàng trăm ngàn cặp ion trong mỗi tế bào bị chiếu. Khi
đó mỗi tế bào sẽ có nhiều ngàn chỗ đứt gãy trên chuỗi xoắn đơn và có khoảng 100 chỗ đứt trên
chuỗi xoắn kép, dẫn đến cái chết của khoảng 90% tế bào bị chiếu, nghĩa là trong 10% còn lại có
sự sửa chữa hư hại hay những tổn thương đó đối với một số ADN không có ảnh hưởng đến việc
sinh ra những thế hệ sau có thể tồn tại được.
3. Giai đoạn hóa sinh – Quá trình sửa chữa tổn thương của ADN
Quá trình hóa sinh kéo dài từ 10
-2
s đến nhiều giờ. Ở đầu giai đoạn này ta có ADN bị
tổn thương, ở giữa giai đoạn là quá trình sửa chữa tổn thương và ở cuối giai đoạn là
những tổn thương không hồi phục được.
a. Cơ chế sửa chữa
Trong quá trình tiến hóa của loài người, do thường xuyên bị bức xạ chiếu và do sự
biến dị tự phát, trong các tế bào đã hình thành nên một cơ chế sửa chữa rất hiệu quả. Cơ
chế này nhận biết những biến đổi phân tử của ADN và trong phần lớn trường hợp có thể
sửa chữa lại chúng bằng những quá trình điều khiển bởi enzym. Trong bào tương cũng có
những chất có thể trung hòa các gốc tự do trước khi chúng kịp công phá ADN hay các
bào quan.

Hiệu quả hoạt động của các cơ chế sửa chữa và bảo vệ này phụ thuộc vào pha của tế
bào trong chu kỳ, vào hàm lượng năng lượng của tế bào, vào mật độ của các enzym sửa
chữa cũng như của các chất bảo vệ có mặt trong bào tương cũng như vào nhiệt độ. Các cơ
chế này chịu trách nhiệm việc tiêu diệt những thay đổi về cấu trúc và thông tin của tế bào
gây bởi bức xạ hay bởi các tác nhân hoá học khác, để cho tế bào sau khi bị chiếu bởi một
liều không cao lắm, có thể hồi phục trở lại.
b. Quá trình sửa chữa
Một số công việc sửa chữa được điều khiển bởi enzym có thể được tiến hành ngay sau
khi xuất hiện các tổn thương và có thể kết thúc trong vòng vài phút hay vài giờ. Nếu nó
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
7
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
xảy ra trước khi nhân đôi ADN và trước khi phân bào, thì người ta gọi là sự sửa chữa
trước nhân đôi. Quá trình diễn tiến của các sửa chữa trước nhân đôi là khác nhau, tùy
theo nguyên nhân và loại tổn thương ADN. Nếu tổn thương của ADN xảy ra ngay trước
hay trong khi nhân đôi ADN và không kịp sửa chữa trước phase mitose, thì quá trình sửa
chữa sau nhân đôi sẽ vào cuộc.
Một số sửa chữa cần có năng lượng ánh sáng, được gọi là sửa chữa quang
(photorepair). Các loại sửa chữa còn lại sử dụng năng lượng dự trữ trong tế bào và không
cần ánh sáng. Nếu quá trình phân bào xảy ra càng nhanh, thì về trung bình, thời gian để
sửa chữa trước nhân đôi càng bé, khi đó sự sửa chữa càng kém hiệu quả. Điều này giải
thích tại sao các tế bào có tốc độ phân bào càng cao thì càng nhạy đối với bức xạ. Trong
tế bào ung thư, bên cạnh tốc độ phân bào cao, bộ máy sửa chữa và các enzym sửa chữa
của chúng cũng bị những sai sót, do đó chúng nhạy với bức xạ hơn tế bào lành.
c. Phân loại các tổn thương do bức xạ
Các tổn thương do bức xạ lên tế bào có thể được chia thành 3 loại:
− Tổn thương gây chết (lethal damage): không hồi phục được, sẽ dẫn đết chết tế
bào. Các tổn thương bội thuộc loại này.
− Tổn thương dưới mức chế (sublethal damage): có thể sửa chữa trong vài giờ, trừ
khi bị thêm những tổn thương dưới mức chết khác, dẫn đến tổn thương gây chết.

− Tổn thương có khả năng gây chết (potentially lethal damage): có thể sửa chữa nếu
tế bào được duy trì trong trạng thái không phân bào.
4. Quá trình sinh học – Từ vài giờ đến nhiều năm – Từ mức tế bào đến mức mô
Bắt đầu: các ADN bị tổn thương không hồi phục được; kết thúc: tế bào chết, xảy ra
đột biến, ung thư, các hiệu ứng sớm và muộn.
a. Ảnh hưởng đến nhiễm sắc thể (NST)
Nếu tổn thương do bức xạ gây nên trên ADN là đủ lớn, thì có thể quan sát thấy những
rối loạn của nhiễm sắc thể (chromosome aberration), như hình vẽ dưới. Rối loạn nhiễm
sắc thể xảy ra khi một đoạn dài của ADN bị thay đổi, nó bao gồm: nhân đôi (duplication),
bị cắt bỏ (deletion), thêm vào một đoạn gen (inversion), chuyển đoạn gen sang nhiễm sắc
thể khác (translocation).
Rối loạn nhiễm sắc thể xuất hiện ở hai giai đoạn, ở giai đoạn đầu, xuất hiện một đứt
nhánh đôi không hồi phục được hoặc một sự mất ổn định hoá học trong nhiễm sắc thể có
thể dẫn đến sự phân rã của nhiễm sắc thể, ở giai đoạn sau, là sự nối lại các nhánh bị đứt.
Người ta phân biệt sự rối loạn nội nhiễm sắc thể (xảy ra bên trong một NST và rối loạn
giữa các NST (do sự trao đổi các nhánh của các NST khác nhau). Những rối loạn NST rất
tiêu biểu do tác dụng của bức xạ là sự hình thành NST hai tâm (dicentric) và NST vòng.
b. Các tác dụng của bức xạ lên tế bào
Ở cấp tế bào, ba hiệu ứng chính có thể quan sát được từ sự chiếu xạ ADN là sự chết
của tế bào (cell death), và sự đột biến dẫn đến bệnh ung thư ác tính (malignant disease)
hay tổn thương di truyền (genetic damage).
c. Sự chết của tế bào
Sự chết của tế bào có thể chia làm hai loại: chết giữa phase (interphase death) và chết
khả năng sinh sản (reproductive cell death). Một liều rất cao (vài trăm Gy) có thể hủy
hoại mọi hoạt động của tế bào và làm tế bào chết giữa pha. Một liều thấp hơn (vài Gy) sẽ
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
8
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ

a b c d e







f g h i
a) NST bình thường. b) trái: đứt ở cuối; phải: đứt một khe. c) rối loạn NST, trái: mất một
khoảng ở giữa; phải mất ở cuối. d) hai đoạn của nhánh này bị cắt và nối sang nhánh
khác. e) NST bị nối thành vòng. f) hai nhánh bị cắt nối thành vòng. g) một cặp NST bình
thường. h) Hai NST dính lại thành một NST hai tâm + hai đoạn đứt hỗn hợp. i) Hai NST
trao đổi các đoạn cho nhau. Từ b-f: nội NST. Trường hợp h + i: giữa các NST.
d. Sự đột biến
Những thay đổi không được phục hồi của thông tin di truyền được gọi là sự đột biến
(mutation). Nếu sự đột biến đó chỉ gặp ở tế bào thân, thì người ta gọi đây là đột biến cá
thể (somatic mutation). Nó không di truyền cho thế hệ con cháu. Nó có thể dẫn đến những
thay đổi có tính chất ác tính của tế bào, phá hủy hoạt động của enzym hay thay đổi sự trao
đổi chất của tế bào.
Nếu đột biến xảy ra ở tế bào sinh dục thì nó có thể di truyền cho thế hệ sau. Người ta
gọi đây là đột biến gen (genetic mutation). Đa phần các đột biến loại này có tính lặn
(recessive), nghĩa là nó thường tác dụng tới kiểu di truyền (genotype) mà không tác động
tới kiểu hình (phenotype) của các thể bị biến dị đó.
Đột biến điểm: nếu sự biến đổi chỉ xảy ra trên một gen. Khi đó sự tổng hợp một
protein bị thay đổi. Sự thay đổi này chỉ ảnh hưởng đến tế bào và cơ quan, nếu đoạn gen

này của ADN là hoạt động (active).
e. Sự hồi phục ở mức toàn thân
Ở mức độ toàn thân (whole-body level), sự hồi phục khỏi những tổn thương do bức
xạ được hỗ trợ thông qua sự tái tạo dân số (repopulation) của những tế bào sống sót. Nếu
một mô nhận một liều đủ lớn, nó sẽ đáp ứng bằng cách co kích thước lại. Đây được gọi là
sự thu nhỏ (atropy). Nguyên nhân là vì một số tế bào bị chết, bị loại ra (disintegrated) và
bị mang đi nơi khác như những chất thải. Nếu có một số tế bào đủ lớn sống sót do chỉ
nhận những liều dưới mức tử vong, thì những tế bào này có thể tăng trưởng và tái tạo số
tế bào của cơ quan bị chiếu xạ.
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
9
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
Các quá trình tổ hợp của sự sửa chữa và sự tái tạo đóng góp vào sự hồi phục khỏi các
tổn thương do bức xạ.
Sự hồi phục = các sửa chữa bên trong tế bào + sự tái tạo tế bào
5. Các yếu tố sinh học ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ lên tế bào
Mức độ tác dụng sinh học của bức xạ được quyết định chủ yếu bởi liều hấp thụ. Bên
cạnh đó, còn có những yếu tố khác có thể có ảnh hưởng đến tác dụng sinh học của bức xạ.
Các yếu tố này có thể được phân làm 2 loại: các yếu tố vật lý và các yếu tố sinh học. Các
yếu tố vật lý là LET, lượng Oxy, nhiệt độ (đã nói ở trên) hay suất liều, sự phân liều (sẽ
nói sau). Còn sau đây chúng ta sẽ xét đến các yếu tố sinh học.
a. Độ nhạy bức xạ của các tế bào khác nhau - Các định luật Bergonie & Tribondeau
Vào năm 1906, hai nhà khoa học người Pháp là Bergonie và Tribondeau lần đầu tiên
đã thiết lập được mối quan hệ giữa độ nhạy bức xạ và mức độ trưởng thành và mức độ
trao đổi chất của tế bào. Các quan hệ này được phát biểu thành các định luật Bergonie và
Tribondeau như sau:
1. Các tế bào mầm (stem cell) rất nhạy đối với phóng xạ. Tế bào càng trưởng thành,
độ kháng tia càng cao.
2. Các mô và cơ quan càng trẻ thì càng nhạy bức xạ.
3. Mức độ trao đổi chất càng cao thì độ nhạy càng cao

4. Khi tốc độ tăng trưởng (proliferation rate) của các tế bào và tốc độ phát triển
(growth rate) của các mô càng cao thì độ nhạy phóng xạ càng cao.
b. Sự phụ thuộc của độ nhạy bức xạ vào chu kỳ tế bào
Đối với những tế bào thuộc cùng một loại, kỹ thuật in vitro cũng cho phép khảo sát
độ nhạy bức xạ vào các giai đoạn khác nhau của chúng. Một chu kỳ tiến hoá của tế bào có
khả năng sinh sản có thể được chia làm 4 giai đoạn, căn cứ vào cấu trúc của nhiễm sắc thể
(chromosome) chứa DNA.
− M (phân chia tế bào: mitosis)
− G
1
(chuẩn bị tổng hợp: 1
st
growth)
− S (tổng hợp: synthetic)
− G
2
(tăng trưởng: 2
nd
growth)
Độ nhạy của tế bào đối với bức xạ trong các giai đoạn này
là không như nhau. Thực nghiệm cho thấy tế bào nhạy nhất đối
với bức xạ khi nó đang ở giai đoạn G2, kém nhạy hơn khi đang
ở giai đoạn S, kém hơn nữa khi ở giai đoạn G1 và ít nhạy bức
xạ nhất khi ở giai đoạn M (hình bên).
(giữa pha:
interphase)
§3. Phân loại các tác dụng của bức xạ ở mức lâm sàng
1. Tác dụng cá thể (somatic) và tác dụng di truyền (genetic)
Các tác dụng sinh học của bức xạ có thể được phân loại theo cách thể hiện tác dụng
đó. Những hiệu ứng chỉ xảy ra trong một cá thể được gọi là tác dụng

somatic, còn những
tác dụng xảy ra ở các thế hệ sau được gọi là tác dụng
genetic (di truyền).
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
10
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
2. Tác dụng ngẫu nhiên (stochastic) và tác dụng tất nhiên (deterministic)
Các tác dụng sinh học của bức xạ cũng có thể được phân loại theo quan hệ giữa liều
và đáp ứng. Người ta gọi những tác dụng xảy ra một cách ngẫu nhiên là tác dụng
stochastic. Tính chất ngẫu nhiên thể hiện ở chỗ là khi một cá thể bị chiếu xạ thì cá thể đó
có thể bị hoặc không bị tác dụng đang xét (ví dụ ung thư). Nhưng khi xét một số lớn cá
thể cùng chịu chiếu xạ như nhau, thì sẽ có một tỉ lệ nhất định cá thể chịu tác dụng. Tỉ lệ
này được gọi là xác suất xảy ra tác dụng. Các tác dụng stochastic có xác suất xảy ra tăng
theo liều hấp thụ, và dù liều hấp thụ thấp bao nhiêu đi nữa, tác dụng vẫn có thể xảy ra với
một xác suất nhất định (không có ngưỡng). Mức độ trầm trọng của tác dụng loại này trên
mỗi cá thể là không phụ thuộc liều, và khi nó xảy ra, các hậu quả là như nhau.
Còn tất định (non-stochastic, còn được gọi là deterministic) là các tác dụng chỉ xảy ra
và chắc chắn xảy ra khi liều vượt quá một mức ngưỡng nào đó, và mức độ trầm trọng
càng tăng khi liều càng lớn. Ví dụ phản ứng của da là thuộc hiệu ứng non-stochastic.
Trong biểu diễn RDRR, các tác dụng stochastic là loại tuyến tính không có ngưỡng,
còn loại non-stochastic là loại S-type (xem phần sau).
Dựa trên hai cách phân loại này, ta có thể xếp loại các đáp ứng của cơ thể đối với bức
xạ. Ví dụ ung thư là thuộc loại tác dụng stochastic và somatic. Còn bệnh đục nhân mắt là
một tác dụng non-stochastic và somatic. Tất cả các hiệu ứng genetic đều là stochastic.
3. Hiệu ứng sớm và hiệu ứng muộn
Các tác dụng somatic do bức xạ lại có thể được phân loại theo khoảng thời gian từ lúc
bị chiếu đến khi chúng xuất hiện. Các tác dụng sớm (early) hay cấp tính (acute) là những
tác dụng xảy ra hầu như ngay sau khi bị chiếu và tất cả đều là non-stochastic. Các tác
dụng muộn (late) hay còn được gọi là tác dụng mãn tính (chronic) là những tác dụng chỉ
có thể quan sát sau nhiều năm, chúng có thể thuộc loại stochastic hay non-stochastic. Do

đó, một người khi bị chiếu xạ có thể bị những tác dụng cấp tính hay không (tùy theo liều),
nhưng luôn luôn có nguy cơ bị các tác dụng muộn stochastic. Bảng dưới tóm tắt các tác
dụng của bức xạ trên cơ thể người.
Tóm tắt các hiệu ứng của bức xạ trên cơ thể người
Tác dụng sớm Tác dụng muộn
+ Hội chứng cấp tính:
huyết học
dạ dày và ruột
thần kinh trung ương
+ Tổn thương mô cục bộ:
da
tuyến sinh dục
tứ chi
+ Suy giảm huyết học
+ Tổn thương tế bào di truyền

+ Bệnh bạch cầu
+ Các bệnh ác tính khác:
ung thư xương
ung thư phổi
ung thư tuyến giáp
ung thư ngực
+ Tổn thương mô cục bộ:
da; tuyến sinh dục
mắt
+ Giảm tuổi thọ
+ Tổn thương di truyền
Tổn thương tế bào di truyền
Giảm liều gấp đôi
Giảm liều có ý nghĩa về di truyền

+ Hiệu ứng đối với bào thai
Chết trước khi sinh
Chết trong khi sinh
Bị bệnh bẩm sinh
Bị u ác tính lúc còn trẻ
Chậm lớn, chậm phát triển
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
11
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
( ) §4. Quan hệ liều-đáp ứng Radiation Dose-Response Relationship, RDRR
Mức độ xảy ra một tác dụng sinh học cụ thể là một hàm của liều hấp thụ. Trong biểu
diễn toán học, quan hệ này được gọi là quan hệ liều-đáp ứng
(Radiation Dose-Response
Relationship, viết tắt là RDRR). Mục đích của hầu hết các nghiên cứu sinh học bức xạ là
thiết lập các quan hệ này. Đó là một hàm toán học mô tả quan hệ giữa liều bức xạ với các
mức độ của các tác dụng quan sát được.
RDRR có hai ứng dụng quan trọng: Để lập qui trình điều trị cho bệnh nhân và để
cung cấp cơ sở cho việc phòng chống bức xạ, đặc biệt cho ngành X quang chẩn đoán.
Người ta dùng nhiều khái niệm khác nhau để chỉ tác dụng của bức xạ lên cơ thể sống,
như “đáp ứng” (response), “tác dụng” hay “hiệu ứng” (effect). Khái niệm “tác dụng” của
bức xạ có thể được hiểu theo một nghĩa rất rộng, bao gồm những rối loạn của nhiễm sắc
thể, sự chết của tế bào hay sự những thay đổi vĩ mô quan sát được về mặt lâm sàng như
sự co lại của khối u, hay tác dụng phụ lên các tế bào lành ở lân cận khối u trong xạ trị.
Tùy theo mục đích nghiên cứu, người ta thiết lập những quan hệ cho từng loại tác dụng cụ
thể. Ở đây chúng ta xem xét dáng điệu chung của quan hệ liều-tác dụng này. Quan hệ
liều-tác dụng của các tác dụng tất định và ngẫu nhiên là khác nhau.
1. Đáp ứng của tác dụng tất định
Hình a) ở dưới mô tả đáp ứng đối với bức xạ của một tác dụng tất định tiêu biểu. N là
số đơn vị của tác dụng xảy ra, ví dụ số tế bào bị tổn thương. Ta thấy khi liều ở dưới một
mức ngưỡng S, không có hiệu ứng nào xảy ra. Ở giữa vùng S và điểm uốn, đáp ứng tăng

nhanh, sau đó tăng chậm và đạt bão hòa. Đáp ứng loại này được gọi là sigmoid-type, hay
S-type. Vị trí của S, độ dốc và dạng của đường cong phụ thuộc vào loại tế bào hay loại
mô, pha của tế bào trong chu kỳ lúc bị chiếu, lượng oxy trong mô, LET, v.v Liều D
50
là
liều cần thiết để xảy ra hiệu ứng đang quan sát. Ví dụ liều để có 50% trường hợp tử vong
sau 30 ngày bị chiếu toàn thân bởi bức xạ có LET thấp là D
50
4,5 Gy. ≅
Chú ý: sự chết do bức xạ và các hiệu ứng da do bị chiếu liều cao tuân theo S-type.

N
N



0,5

liều
ấ
S D
50
liều hấp thụ
a) Đáp ứng của tác dụng tất định b) Đáp ứng của tác dụng ngẫu nhiên
liều hấp thụ
Chú ý: Bệnh ung thư do bức xạ và các hiệu ứng di truyền do bức xạ được giả thiết là
thuộc loại tác dụng ngẫu nhiên.
2. Đáp ứng của tác dụng ngẫu nhiên
Khi liều hấp thụ là thấp, các tác dụng tất định không xảy ra. Nhưng khi đó vẫn có thể
xảy ra những tác dụng ngẫu nhiên. Việc quan sát các tác dụng ngẫu nhiên gây bởi liều

thấp là rất khó. Do đó người ta thường xác định các tác dụng này ứng với liều cao, rồi
ngoại suy cho trường hợp liều nhỏ. Phương pháp ngoại suy thông dụng nhất là ngoại suy
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
12
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
§5. Quan hệ giữa liều hấp thụ và số lượng tế bào sống sót
Các đường cong đáp ứng ở trên mô tả xác suất xảy ra một hiệu ứng sinh học quan sát
được khi liều hấp thụ thay đổi. Trong xạ trị người ta cũng thường diễn tả số lượng tế bào
có khả năng sống sót theo liều hấp thụ bằng những đường cong có tên là đường cong liều-
sống sót (dose-survival curve). Nói chung khi liều hấp thụ tăng lên, số lượng tế bào có
khả năng sống sót bị giảm đi. Nhưng qui luật này khác nhau đối với các loại tế bào và loại
mô khác nhau. Để ứng dụng việc chiếu xạ một cách hiệu quả, người ta cần biết rõ qui luật
này với từng loại tế bào.
1. Đường cong diễn tả quan hệ giữa liều hấp thụ và số lượng tế bào sống sót
a. Đường cong sống sót của vi khuẩn
Những hiểu biết đầu tiên về đường cong liều-sống sót đối với bức xạ ion hóa có được
từ việc nghiên cứu vi khuẩn. Các nghiên cứu này cho thấy khả năng sống sót của vi khuẩn
giảm theo hàm e khi liều tăng. Điều này làm đường cong liều-sống sót trong biểu diễn
trên giản đồ bán logarit (trục hoành tuyến tính theo D, trục tung theo logarit của tỉ số
N/N ) là một đường thẳng với độ dốc âm (hình dưới).
-x
o
N
/N
o
D
o
2D
o
3D

o
liều hấp thụ
th
ụ

100%
37%
13,5%
4,9%
Đ
ường cong sống sót của vi khuẩn theo liều hấp thụ

Khi tăng liều hấp thụ thêm một lượng xác định, thì một tỉ lệ không đổi vi khuẩn sẽ bị
chết. Người ta gọi liều hấp thụ có khả năng làm giảm số vi khuẩn sống sót xuống còn
37% ( = 1/e, với e là hằng số mũ Euler) làm tham số đặc trưng cho đường cong liều-sống
sót, ký hiệu là D . Giả sử ban đầu ta có N tế bào lành, sau khi bị chiếu một liều D thì số
lượng vi khuẩn sẽ giảm xuống còn N = N /e, hay N/N = 37%. Nếu nhận được một liều
2D , thì số vi khuẩn sống sót sẽ còn (0,37) = 13,5% của N ,…. Nói chung, với một liều
nD , thì tỉ lệ vi khuẩn sống sót sẽ là (N/No) = 1/e . D càng bé thì đường thẳng trên hình
càng dốc và tế bào càng nhạy với bức xạ. Do đó D là một tham số đặc trưng của đường
cong liều-sống sót.
o o o
o o
50
2
o
o
n
o
o

b. Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú
Sự phát triển các kỹ thuật nuôi cấy tế bào trong ống nghiệm (in vitro) đã cho phép đo
đạc quan hệ liều-sống sót của tế bào người và của các động vật có vú nói chung. Các phép
đo này cho thấy nói chung đường cong sống sót của động vật có vú có một vùng “vai”
(shoulder) trước khi giảm theo hàm mũ (hình dưới).
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
13
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ



vùng “vai“
vùng hàm mũ giảm
Liều, đơn vị tính cGy

Đường cong sống sót của tế bào động vật có vú theo liều hấp thụ
Đường cong sống sót dạng này có thể được đặc trưng bởi 3 tham số, đó là liều
ngưỡng D
q
, liều D
o
và số ngoại suy n.
Liều ngưỡng D
q
đặc trưng cho độ rộng của vùng “vai”. Vùng “vai” này thể hiện khả
năng tự sửa chữa những tổn thương dưới mức tử vong do bức xạ liều thấp gây nên, làm
cho tỉ lệ sống sót giảm chậm theo liều hấp thụ. Nhưng khi tiếp tục tăng liều hấp thụ, tỉ lệ
sống sót giảm nhanh và sau đó tuân theo qui luật hàm mũ e
-x
như trong trường hợp vi

khuẩn ở trên. Điều này cho thấy những tổn thương dưới mức tử vong này có thể sẽ biến
thành tổn thương tử vong khi tăng liều hấp thụ, nghĩa là có sự tích lũy các tổn thương
nhẹ. D
q
càng lớn thì khả năng hồi phục của tế bào khi bị chiếu bởi liều thấp càng cao.
Trong phần giảm theo hàm mũ (phần đường thẳng trong đồ thị), khi liều hấp thụ tăng
thêm một lượng không đổi thì tỉ lệ tế bào sống sót sẽ giảm đi một lượng không đổi. Độ
dốc của vùng này cũng được đặc trưng bởi D
o
, giống như của các vi khuẩn.
Số ngoại suy n là giao điểm của đường kéo dài của phần giảm theo hàm mũ và trục
tung. Ý nghĩa của n có thể được giải thích theo lý thuyết bia. Theo đó số n được hiểu như
là số “bia” (nghĩa là các phân tử có vai trò trong sự sống còn của tế bào) cần phải bị làm
mất tác dụng để có thể làm chết tế bào, hay số tổn thương mà một bia duy nhất phải chịu
đựng để có thể làm chết tế bào. Đối với tế bào của người, n nằm trong khoảng từ 2 đến
10.
Dạng chung của đường cong sống sót là giống nhau cho mọi tế bào. Tuy nhiên, các
các tế bào lành của tủy xương, da và ruột, cũng như các tế bào của nhiều mô ung thư khác
nhau có độ dốc hay có độ rộng của vùng “vai” khác nhau.
Để giải thích các đường cong sống sót trên, nhiều lý thuyết khác nhau đã được đề
xuất. Có thể phân loại hai nhóm lý thuyết: lý thuyết bia (target theory) và mô hình nhiều
thành phần. Trong những năm gần đây, mô hình nhiều thành phần, mà chủ yếu là mô
hình tuyến tính-bậc hai đã được áp dụng rộng rãi. Chúng ta sẽ xem xét qua các lý thuyết
này.
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
14
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
c. Lý thuyết bia
Theo lý thuyết bia, tế bào chứa nhiều phân tử có chức năng khác nhau trong việc duy
trì sự tồn tại bình thường của nó. Trong đó, hầu hết các chức năng được thực hiện bởi

nhiều phân tử cùng loại đồng thời. Các tổn thương do bức xạ gây trên các phân tử này có
thể sẽ không gây nên tổn thương đáng kể của tế bào, do những phân tử cùng loại không bị
tổn thương có thể tiếp tục duy trì hoạt động của tế bào. Mặt khác, một số phân tử khác
được xem là có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì hoạt động bình thường của tế
bào. Các phân tử này tồn tại trong tế bào với số lượng không nhiều, và thực tế có thể chỉ
có một phân tử, như trường hợp ADN. Sự tổn thương bức xạ gây nên trên các phân tử này
có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tế bào, vì không có phân tử khác cùng loại có thể thay
thế vai trò của nó để duy trì hoạt động bình thường của tế bào. Phân tử này được gọi là
phân tử bia (target molecule).
Để tế bào có thể chết do bức xạ, phân tử bia phải bị làm tê liệt hoạt động. Sự tương
tác giữa bức xạ và các thành phần của tế bào là ngẫu nhiên, do đó sự tương tác giữa bức
xạ và bia là ngẫu nhiên. Bức xạ không đi tìm bia. Các phân tử bia sở dĩ nhạy bức xạ là do
vai trò sống còn của nó ở trong tế bào.
Khi một bia bị làm tê liệt hoạt động (inactivated) do sự tương tác (trực tiếp hay gián
tiếp) với bức xạ, người ta nói rằng đã xảy ra một hit (trúng đích).
Lý thuyết bia được mở rộng để giải thích các dạng đường cong sống sót khác nhau.
Có thể kể ra ba loại mô hình của lý thuyết, bao gồm: một bia-một lần trúng đích (single-
target, single-hit model), nhiều bia-một lần trúng đích (multi-target, sigle-hit model) và
nhiều bia-nhiều lần trúng đích (multi-target, multi-hit model).
d. Mô hình tuyến tính-bậc hai
Một mô hình rất đáng chú ý là mô hình tuyến tính-bậc hai (linear-quadratic), được sử
dụng rộng rãi trong những năm gần đây. Mô hình này dựa trên những quan sát thực
nghiệm là các tổn thương đứt nhánh đôi không hồi phục được có thể gây nên sự chết của
tế bào. Các tổn thương đứt nhánh đôi có thể xảy ra khi có hai vệt bức xạ LET thấp đi qua
gần nhau (một bia-hai lần trúng đích), hay một vệt bức xạ có LET cao đi băng qua (một
bia- một lần trúng đích). Khi đó tỉ lệ (xác suất) sống sót sẽ là tích của hai trường hợp này

(
)
22

D.D.D.D.
o
ee.e
N
)D(N
β+α−β−α−
==
Do sự phụ bậc một (tuyến tính) và bậc hai vào D của số mũ, mô hình này được gọi là
mô hình tuyến tính-bậc hai. Theo đó, đường cong sống sót nói trên có thể được mô tả bởi
hai tham số α và β. Đại lượng cần xác định về mặt thực nghiệm là tỉ số α/β. Nó xác định
phần đóng góp của mỗi cơ chế gây nên đứt nhánh đôi ứng với một liều hấp thụ xác định.
Khi (α/β) lớn, nghĩa là khi phần đóng góp của β là nhỏ, thì đường cong sống sót có một
phần vai hẹp, tiếp theo là một hàm mũ giảm. Với (α/β) nhỏ, nghĩa là khi phần đóng góp
của β là lớn, thì đường cong sống sót có một phần vai rộng và sau đó là một hàm mũ
giảm. Phần vai này có tiếp tuyến tại D = 0 khác không.
Về mặt sinh học phóng xạ, tỉ số α/β cho biết khả năng sửa chữa của tế bào đối với
những tổn thương bé. Tỉ số này bé nghĩa là tế bào khả năng sửa chữa tốt hơn.
Nhiều kết quả thí nghiệm chiếu phân liều trong lâm sàng và trong các nghiên cứu cơ
bản cho thấy, với bức xạ có LET thấp, sự phụ thuộc bậc hai vào D chiếm ưu thế, và với
bức xạ có LET cao, sự phụ thuộc bậc một vào D chiếm ưu thế. Điều đó có nghĩa là sự sửa
chữa của tế bào chỉ có hiệu quả với bức xạ có khả năng ion hóa bé /Sauer/.
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
15
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
0 5
10
15 20
0,01
0,1
1

Tỉ lệ
sống
sót
Liều hấp thụ (Gy)
α/β lớn
α
/
β
bé




Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
16
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
e. Các mô đáp ứng sớm và muộn
Về mặt thời gian, đáp ứng của các mô đối với bức xạ có thể chia làm hai loại: sớm và
muộn. Nói chung các mô ung thư có tốc độ đáp ứng sớm đối với bức xạ. Một số loại mô
lành có đáp ứng sớm và một số có đáp ứng muộn. Đối với các mô lành, khoảng thời gian
từ lúc bị chiếu đến khi có những biểu hiện lâm sàng ngắn (sớm) hay dài (muộn) là phụ
thuộc vào tốc độ thay đổi của các tế bào trưởng thành trong mô. Các mô đáp ứng nhanh
có tốc độ thay đổi này nhanh (ngày, tuần) hơn các mô đáp ứng chậm(tháng, năm).
Người ta thấy rằng
các mô đáp ứng sớm có tỉ số α/β lớn (nằm trong khoảng từ 7
đến 20 Gy) và
các mô đáp ứng muộn có tỉ số α/β bé (trong khoảng từ 1 đến 5 Gy). Điều
này được giải thích là đối với các mô đáp ứng chậm, các tế bào có thời gian để sửa chữa
các tổn thương dưới mức tử vong tốt hơn.
2. Ảnh hưởng của một số yếu tố khác đến đường cong sống sót của tế bào

Sau đây chúng ta sẽ dùng các đường cong sống sót tế bào để xem xét một vài ví dụ về
ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng của bức xạ, đã được giới thiệu trong mục
trước.
a. Ảnh hưởng của LET và của Oxy đến đường cong sống sót của tế bào
Như đã biết, các bức xạ có LET cao có tác dụng sinh học lớn hơn các bức xạ có LET
thấp. Điều này cũng đúng cho tác dụng giết chết tế bào. Điều này được thể hiện trên
đường cong liều sống sót như trong hình dưới. Trong hình (a), để tỉ lệ tế bào sống sót là
10%, khi chiếu bằng neutron, chỉ cần 2 Gy; còn khi chiếu bằng tia X, cần 6 Gy.
Lượng Oxy trong tế bào cũng ảnh hưởng đến xác suất giết tế bào. Trong hình (b), khi
chiếu các tế bào bằng tia X, để tỉ lệ tế bào sống sót là 10%, khi các tế bào ở trong điều
kiện giàu Oxy, chỉ cần 2 Gy; còn khi các tế bào ở trong điều kiện giàu Oxy, cần một liều
hấp thụ 6 Gy để đạt được mục đích. Tỉ số tăng cường Oxy (Oxygen Enhancement Ratio,
OER) khi đó là bằng 3.
giàu oxy
nghèo oxy
OER = 3,0
2 4 6 8 Gy
(a)
2 4 6 8 Gy
(b)
LET cao
neutron
LET thấp
tia X

b. Ảnh hưởng của sự hạ thấp suất liều và sự phân liều vào sự sống sót của tế bào
Các đường cong sống sót nói trên được áp dụng cho trường hợp các tế bào được
chiếu một lần duy nhất, với các liều hấp thụ khác nhau. Kinh nghiệm lâm sàng cho thấy
với cùng một liều hấp thụ, tác dụng sinh học của bức xạ còn phụ thuộc vào phương thức
chiếu. Có 3 phương thức chiếu được áp dụng trong xạ trị là chiếu một lần duy nhất trong

một thời gian ngắn (suất liều cao), chiếu lần duy nhất trong một thời gian dài (suất liều
thấp) và chiếu nhiều lần với các phân liều nhỏ.
Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
17
Giáo trình Cơ sở Lý Sinh Cơ sở sinh học bức xạ
Chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các phương thức chiếu này lên tác dụng sinh học
của bức xạ dựa trên đường cong sống sót và trên khả năng sửa chữa của tế bào đối với các
tổn thương nhẹ.
Hình (a) ở dưới diễn tả đường cong sống sót trong trường hợp các tế bào được chiếu
với các suất liều khác nhau: 1 - suất liều cao, 2 – suất liều trung bình, 3 – suất liều thấp.
Ta thấy với cùng một liều tổng, nếu suất liều càng thấp thì số tế bào sống sót càng cao.
Hình (b) diễn tả đường cong sống sót trong trường hợp các tế bào được chiếu bằng một
lần duy nhất (1+2) và bằng ba phân liều (1+3+4) cách nhau một khoảng thời gian. Ta thấy
đường cong (3) là một sự lặp lại của đường cong (1). Với cùng một liều tổng, trường hợp
chiếu bằng nhiều phân liều cho tỉ số tế bào sống sót lớn hơn.
Đối với các mô đáp ứng chậm, người ta thấy rằng việc phân liều làm giảm tác dụng
của bức xạ: với cùng một liều tổng cộng, nếu được chiếu nhiều lần với các phân liều càng
bé thì tác dụng sinh học càng bé. Do đó, để đạt được cùng hiệu quả, trong trường hợp
phân liều, cần phải nâng liều tổng lên cao hơn.

(a) Liều hấp thụ (Gy)
3

2

1
1
2
3
(b) Liều hấp thụ (Gy)

3

2

1
4


Tài liệu tham khảo:
1. Frank R. Hendrickson, H. Rodney Withers: Principles of Radiation Oncology, from
American Cancer Society Textbook of Clinical Oncology, Arthur I. Holleb et. al.
(Ed.), 1991.
2.
Gunderson, LL and Tepper, JE (eds): Clinical Radiation Oncology. Churchill
Livingstone, Harcourt Health Sciences, Philadelphia, 2000.
3.
Krieger Hanno: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz, Band 1, B.G.
Teubner, 4. Auflage, Stuttgart, 1998.
4. Josef Lissner und Ulrich Fink (Hrsg.): Radiologie I, 4. Auflage, Stuttgart 1992.
5. Sauer Rolf: Strahlentherapie und Onkologie fr MTA, Urban & Schwarzenberg, 3.
Auflage, 1998.
6.
Carlos A. Perez, Luther W. Brady: Principles and Practice of Radiation Oncology, 3
rd

Ed., 1998.
7.
Stewart C. Bushong: Radiologic Science for Technologists, 7
th
Ed., 2001.

8.
IAEA-TECDOC-896: Radiation dose in radiotherapy from prescription to delivery,
Vienne, 1996.
9.
Ervin B. Podgorsak (Ed.): Review of Radiation Oncology Physics: A handbook for
Teachers and Students
, IAEA, 2003.

Dr. rer.nat. Nguyễn Đông Sơn
18