試論骨科輻射效應的線性與非線性關系

1、試論骨科輻射效應的線性與非線性關系摘要： 放射界對于輻射效應一直沿用線性無閾理論， 但近年來， 低劑量輻射效應卻讓其表現(xiàn)出非線性特征。而且對于骨折以及骨科其他疾病來說不同劑量輻射所產(chǎn)生的效應是不同的， 即其在骨科中也存在線性與非線性的對立統(tǒng)一， 只有認清這兩者的辯證關系， 才能抓住其本質(zhì)， 最終產(chǎn)生深遠的意義和臨床應用。關鍵詞： 輻射效應， 線性， 非線性， 辯證關系。輻射效應作為一種生命現(xiàn)象受機體、劑量、機制多種因素的影響， 同時這些因素具有不確定性、隨機性和非平衡性等特性，所以我們要用！ 復雜性？ 1 的眼光和理性思維， 辯證地去對待線性與非線性的關系。1 輻射效應的線性與非線性理論及現(xiàn)象

2、。1. 1 輻射效應的！ 線性無閾理論？及其在骨科中的體現(xiàn)。長期以來， 有關輻射對人體的影響一直沿用！ 線性無閾理論？ , 該理論認為任何劑量的輻射都是有害的， 其危險性隨著劑量的增加而呈線性增加。即該理論的突出特點是輻射效應是一直有害的且呈線性關系并無臨界點（ 閾值） 的存在。在骨科研究中， 中高劑量的輻射對骨骼生長和骨折愈合等方面是有害的， 主要表現(xiàn)在骨壞死 2- 3 、骨折延遲愈合和骨不連等4 。1. 2 低劑量輻射的定義、效應及其在骨科中的體現(xiàn)。1986 年， 聯(lián)合國原子輻射效應科學委員會報告： 低劑量輻射是指0. 2Gy 以內(nèi)的低LET（ 傳能線密度） 輻射或0. 05Gy 以內(nèi)的高

3、LET 輻射 5 。低劑量輻射可以刺激動物的生長發(fā)育、延長動物壽命、提高生育能力， 增強動物和人體的免疫功能， 降低腫瘤發(fā)生率等， 即興奮效應（ Ho rmesis ） 6 。且經(jīng)微小劑量（ 如50mGy 75mGy） 輻射預處理的細胞、臟器或整體動物， 當它相繼接受較大劑量輻射時， 能夠?qū)p傷產(chǎn)生抗性， 即適應性反應（Adaptive Response） 7 。在骨科研究中，低劑量輻射離體成骨母細胞，發(fā)現(xiàn)可增加堿性磷酸酶（ALP）的數(shù)量，促進單個細胞分泌血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial g rowth factor , VEGF） 8 , 增強成骨細胞的礦化能力等9

4、 , 而且低劑量輻射還可促進骨折愈合10 。1. 3 輻射效應在骨科中的整合及其特征。在骨科中，當輻射劑量低于低劑量時，其效應幾乎沒有；當輻射為低劑量時其效應則為有益作用，且這種效應受多種因素的影響和制約并非單純地隨著劑量的增加（此時劑量仍處于低劑量范圍內(nèi)）而增加，但也不是當處于某個劑量點時其效應表現(xiàn)出同一性和均一性，它會因各種因素的影響而表現(xiàn)的有差別；當輻射為中高劑量時其效應則為損害作用，且損害作用會隨著劑量的增加而增加。2 輻射效應在骨科中存在非線性特征的原因探討。2. 1 機體因素。一般認為，若一個系統(tǒng)具有非線性（不可疊加性）和動態(tài)性、非周期性和開放性以及積累效應（初值敏感性）、奇怪吸引

5、子和結構自相似性（分形性）這幾種基本性質(zhì)時可作為復雜系統(tǒng)。生物體就是一復雜系統(tǒng)11,當某因素作用于機體時，會因內(nèi)外環(huán)境、正負反饋作用、各種調(diào)節(jié)機制的復合效應、各種細胞因子的參與以及狀態(tài)和修復機理等方面的不同而會產(chǎn)生不同的效應。猶如低劑量輻射和中高劑量輻射作用同一機體時，前者為有益作用，后者卻為損害作用。2. 2 機制因素。中高劑量輻射可以直接損傷甚至殺死細胞，導致DNA 的不可逆性損傷，從而表現(xiàn)出損害作用，并且這種不可逆性損傷在某種程度上形成一特定的條件，反映出來的現(xiàn)象就是效應與劑量存在線性關系。但與中高劑量相反，低劑量輻射非但不殺死細胞，還能讓DNA 對再次損傷產(chǎn)生抗性，并且還可以促進有利于

6、血管新生的基因表達而加速例如VEGF 等的分泌11-13,可以動員前體細胞增殖分化14。這些有益因素可進一步促進骨折愈合和骨科其他疾病的恢復。正因為機制的異同和復雜性， 也使輻射效應在骨科中表現(xiàn)得非線性和非均一性且錯綜復雜。2. 3 劑量因素。自然界存在多樣性和差異性，輻射的劑量不同，所造成的效應也會千差萬別。機體本身就有一定的抗輻射能力，微小的劑量可能不會產(chǎn)生效應， 隨著劑量的增加，效應也隨之產(chǎn)生，但因機體的復雜性11、各種不確定性以及隨機性， 劑量的微小改變猶如蝴蝶效應一樣，會帶來效應上巨大的改變，當?shù)陀诨蚋哂趧┝康呐R界點（閾值）時，所帶來的效應也會迥然相反，例如1Gy輻射骨折模型和成骨細

7、胞分別可以促進骨折愈合10 和刺激成骨細胞礦化結節(jié)數(shù)的增加9,當2Gy輻射成骨細胞時卻造成礦化結節(jié)數(shù)的降低，接近對照組水平9; 所以綜合這些事實，線性理論顯然無法完美地來表現(xiàn)這些效應的差別。2. 4 時間因素。輻射的時間長短、間隔時間的多少、反應作用的時間以及隨著時間的遷移對機體的影響或者反應都是不確定的，也是非線性的。例如：1Gy照射大鼠的骨折模型，會在時間上表現(xiàn)出先抑后揚的效應或狀態(tài)即在骨折初期可造成骨痂內(nèi)纖維軟骨組織較多、礦化骨少、白細胞和血小板的下降， 而隨著時間的遷移，在第2、3 周時白細胞和血小板迅速回升， 甚至超越對照組， 在第3 周時骨痂礦化也明顯加速10。3 輻射效應在骨科中

8、線性與非線性特征的對立統(tǒng)一?，F(xiàn)代辯證自然觀認為：非線性系統(tǒng)是客觀世界的常規(guī)現(xiàn)象和正常狀態(tài)，非線性現(xiàn)象具有普遍性，非線性是其基本特征和本質(zhì)。而線性系統(tǒng)是一部分簡單的非線性系統(tǒng)在一定條件下的現(xiàn)象和狀態(tài)，線性特征是細枝末節(jié)，是非本質(zhì)的存在和次要方面。但線性與非線性是相互聯(lián)系、相互依存的。輻射效應的線性無閾理論是在一定條件下即基于輻射的有害作用所提出來的，只是整個輻射效應的一小部分或者特殊表現(xiàn)，具有局限性和特質(zhì)性。近年來，隨著低劑量輻射在骨科中各項研究的增多， 發(fā)現(xiàn)低劑量輻射具有和中高劑量相反的效應， 可促進成骨細胞的礦化能力9 及骨折愈合10, 正是這些研究，讓我們對輻射效應在骨科中的認識進一步加深

9、，其并非如線性無閾理論所描述得單純的線性特征，而是具有復雜性和非均一性，整體表現(xiàn)出來的是非線性特征且存在臨界點（閾值）。4 輻射效應在骨科中非線性特征的作用和意義。長期以來，線性無閾理論一直占主導地位，在骨科中也是應用此理論，認為輻射對骨細胞和骨組織是絕對有害的，并在臨床中盡量避免輻射，但隨著低劑量輻射概念的提出以及研究的深入，越來越多的證據(jù)表明線性無閾理論的局限性，甚至曲解了輻射效應，掩蓋了輻射效應的非線性特征且存在臨界點（閾值）的本質(zhì)。整體上說，在骨科中輻射效應猶如一把雙刃劍，即中高劑量的輻射效應表現(xiàn)出延遲骨折愈合甚至造成骨不連等有害作用，而低劑量的輻射效應卻表現(xiàn)出促進骨折愈合和促進骨細胞生長等有益作用， 事實上很多問題均是如此，關鍵看我們?nèi)绾握_引導它、發(fā)展它15。對其損害作用在臨床上要避免，而對其有益作用應加以應用來發(fā)揮其價值。關于輻射效應在骨科中的非線性特征且有臨界點（ 閾值）存在？ 的認識， 將對骨科學的發(fā)展有重大意義并產(chǎn)生巨大的科研價值。將促進其在骨科學方面的進一步深入研究， 豐富和完善輻射在骨科學中的理論如低劑量輻射在骨質(zhì)疏松、四肢缺血以及骨折等方面的研究和臨界點（ 閾值） 的探討， 且促使骨科學與輻射學相結合而產(chǎn)生甚至發(fā)展一門新的邊緣學科， 并且也為骨科治療學提供一新的途徑。輻射效應在骨科中的非線