輻射致癌

輻射在物理學上指的是能量以波或是次原子粒子移動的型態，在真空或介質中傳送。包含:

● 電磁波: 微波、可見光、X射線、γ射線(γ)

● 粒子輻射: α射線（α）、β射線（β）、中子輻射

● 聲輻射: 超聲波、聲波、地震波

● 引力波

輻射之能量會從輻射源往外向所有方向直線放射。一般依其能量的高低及電離物質的能力分類為電離輻射和非電離輻射。電離輻射所攜帶的能量大於10電子伏特(eV)，可以將原子或分子電離、打斷化學鍵，非電離輻射則否。主要電離輻射來源為放射性物質，放射出α、β或γ射線，分別帶有氦核、電子、正電子、光子。其他電離輻射來源有醫學影像造影使用的X射線、渺子、介子、正電子、中子，以及宇宙射線與地球大氣作用所產生的其他粒子。

電離輻射是常見的物理致癌因素之一，輻射致癌是電離輻射的遠後效應，其致癌的發生是一個非常複雜的過程。輻射致癌是輻射因素與機體交互作用的結果, 是一個漸進式的發展過程, 發生機理上包括基因組不穩定性和與細胞增殖相關的多個信號轉導通路機制的異常

擁有足夠高能量的輻射可以把原子電離。一般而言，電離是指電子被電離輻射從電子殼層中擊出，使原子帶正電。由於細胞由原子組成，電離作用可以引致癌症。一個細胞大約由數萬億個原子組成。電離輻射引致癌症的幾率取決於輻射劑量率及接受輻射生物之感應性。α、β、γ輻射及中子輻射均可以加速至足夠高能量電離原子。

α粒子（阿爾法粒子）

α粒子是氦-4的核（兩個質子與兩個中子），這些核會與其他物質產生強烈作用，在正常情況的速度下它們只能在大氣中前進數厘米，在一些低密度的介質中只能前進數毫米。例如，在蓋革管（Geiger counter tubes）中，α射線只能穿透薄雲母片。這表示，在大氣中的α粒子因其低下的穿透力（迅速衰竭的特性），是無法穿透人體皮膚的，故不會對皮下的組織造成傷害。宇宙中廣泛存在的射線流中，約有10%是α射線。理論上α射線能夠穿透一定深度的人體或者金屬層，但這隻會對進入太空的宇航員們造成一定的危害，對地表卻沒有顯著影響。因為地球的磁場會使得這些α粒子偏向，而大氣層也會隔離絕大多數的α粒子。雖然宇宙中的α粒子被隔離開，但靠近能釋放出α粒子的放射性同位素時依舊是非常危險的，一旦距離足夠近，放射性同位素釋放出的α粒子就足以穿透皮膚從而殺死皮下的重要組織的細胞。相比γ射線和x光對細胞造成毀傷的能力，α射線對細胞所造成的損壞程度超過其二十倍以上，像鐳、氡、釙就是具高毒性α射線的同位素。

β粒子（倍塔粒子） （+/−）

負β粒子由高能電子組成。此高能電子可穿透數厘米厚金屬。負β粒子由β衰變產生，原子核中的一粒中子衰變成為一粒質子，過程當中釋放出一粒負β粒子及一粒反電中微子。

正β粒子由正電子組成。由於正電子是反粒子，正β粒子可與負β粒子湮滅，生成伽瑪射線。

中子

中子可根據其速度而被分類。高能（高速）中子具電離能力，深入穿透物質。中子是唯一一種能使其他物質帶放射性之電離輻射。此過程被稱為“中子激發”。“中子激發”被醫療界，學術界及工業廣泛應用於生產放射性物質。

高能中子可以在空氣中行進極長距離。中子輻射需要以富有氫核之物質掩蔽，例如混凝土和水。核反應堆是常見之中子放射源，以水作為有效之中子掩蔽物。

X射線是波長範圍在0.01納米到10納米之間（對應頻率範圍30 PHz到30EHz）的電磁波，具有波粒二象性。電磁波的能量以光子（波包）的形式傳遞。當X射線光子與原子撞擊，原子可以吸收其能量，原子中電子可躍遷至較高電子軌態，單一光子能量足夠高（大於其電子之電離能）時可以電離此原子。一般來說，較大之原子有較大機會吸收X射線光子。人體軟組織由較細之原子組成而骨頭含較多鈣原子，所以骨頭較軟組織吸引較多X射線。故此，X射線可以用作檢查人體結構。

伽馬射線

伽馬射線是頻率高於10赫茲的電磁波光子。伽馬射線不具有電荷及靜質量，故具有較α粒子及β粒子弱之電離能力。伽馬射線具有極強之穿透能力及帶有高能量。伽馬射線可被高原子序之原子核阻停，例如鉛或貧鈾。

非電離輻射之能量較電離輻射弱。非電離輻射不會電離物質，而會改變分子或原子之旋轉，振動或價層電子軌態。非電離輻射對生物活組織的影響近年才開始被研究。不同的非電離輻射可產生不同之生物學作用。

中子輻射

中子輻射由自由中子所組成，可由自發或感應產生的核裂變，核聚變或其他核反應產生。中子非電離輻射不會電離原子，但可與不同元素之原子核撞擊，進行“中子激發”，產生不穩定同位素，使物質具放射性。

電磁光譜

電磁輻射（有時簡稱EMR）的形式為在真空中或物質中的自傳播波。電磁輻射有一個電場和磁場分量的振蕩，分別在兩個相互垂直的方向傳播能量。電磁輻射可按波的頻率或波長分為不同類型，這些類型包括（按序增加頻率）：無線電波，微波，太赫茲輻射，紅外輻射，可見光，紫外線，X射線和伽瑪射線。其中，無線電波的波長最長而伽馬射線的波長最短。除X射線和伽瑪射線外之電磁輻射都具有較弱電離能力，是非電離輻射。

黑體輻射

黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。同時，黑體是可以吸收所有入射輻射的物體，不會反射任何輻射，故黑體是絕對黑色的。理論上黑體會放射頻譜上所有波長之電磁波。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度關係的定律。

威廉·倫琴發現及命名了X射線。1895年他完成了初步的實驗報告“一種新的射線”及把這項成果發布在維爾茨堡的Physical-Medical Society雜誌上。1901年倫琴因發現X射線獲得諾貝爾物理學獎。亨利·貝克勒發現天然放射性；皮埃爾·居里及其妻子瑪麗·居里對亨利·貝克勒教授所發現的放射性現象共同研究及發現了放射性元素鐳，三人於1903年因對放射性的研究獲頒諾貝爾物理學獎。

α粒子，β粒子是由歐內斯特·盧瑟福通過簡單的實驗區分。

1895年倫琴發現X射線，不久人們就意識到了電離輻射具有致癌性。1902 年第一例與輻射相關的癌症，即在輻射造成的皮膚潰瘍部位發生皮膚癌被報道后，同樣的病例不斷地被發現。1911年，首次報道了放射性工作人員患白血病的病例。二戰以後，研究人員開展了大量的輻射致癌的動物實驗，隨後的對日本原子彈爆炸倖存者長期流行病學調查，進一步驗證了電離輻射的致癌作用。

電離輻射是一種天然存在的基因毒劑，它能直接穿透組織、細胞，並將能量以隨機的方式沉積在細胞中，因此對機體的基因毒性作用又不同於化學基因毒劑。機體的任何組織、細胞都可受到電離輻射的攻擊，其造成損傷的嚴重程度和引發的生物學後果除與受照射劑量大小有關外，與輻射源的物理參數也密切相關。輻射致癌效應可以是由 X 射線、γ射線、中子等的外照射作用的結果，也可以是發生放射性內污染後由放射性核素發射α粒子等內照射作用的結果。

輻射致癌效應的出現具有一定的潛伏期。人體受到照射后，發生白血病的潛伏期為3～5 a，甲狀腺癌/瘤為10～15 a, 肺癌、乳腺癌等為15～20 a，甚至更長。至今為止，已有數個輻射致癌人群被揭示。

DNA是電離輻射作用靶分子，電離輻射可誘發多種類型DNA分子損傷，包括有核苷鹼基損傷、交聯、DNA單鏈和雙鏈斷裂，其中的雙鏈斷裂是導致各種生物效應的關鍵基因毒性損傷，鹼基損傷和DNA雙鏈斷裂的錯誤修復是細胞基因突變和染色體畸變的原由。近年的研究顯示，電離輻射特別是高LET輻射能導致DNA分子集簇性損傷，加上自由基或二級電子的作用，產生繼發DNA損傷，其修復難度大、錯誤修復率高，產生的生物學效應深遠。

輻射通過損傷DNA分子啟動細胞癌變，並非單一基因或輻射特異基因的作用，似乎是多途徑作用，並有隨機性。輻射產生的基因突變，有些並非是發生在受照射細胞之中，而是受照細胞的子代細胞，甚至是幾十代以後，這種突變不是電離輻射直接作用的結果，這一現象就是基因組不穩定性。

DNA修復、細胞周期阻滯和細胞凋亡三大機制，在細胞層次上共同構築了機體防禦輻射細胞惡性轉化的自我保護系統。這三大機制之間相互交叉，首先細胞 DNA分子損傷將激活細胞內一系列生化反應網路，其中的一個關鍵問題是DNA 分子損傷信號在細胞中是被何種物質或分子識別並引發出下游的生化級聯反應，這類關鍵物質就是損傷感應器和早期信號轉導子。損傷感應器是直接接觸和識別 DNA損傷信號、啟動細胞信號轉導反應的物質。信號轉導子是損傷感應器的功能伴侶，兩者往往並存，難以嚴格區分，轉導子多具有激酶活性，將DNA損傷化學信號轉變為生物化學修飾反應，激活下游的效應分子。

細胞DNA修復機制是一個高度進化保守的DNA代謝機制，哺乳動物細胞的 DNA修復系統複雜又近乎完美，正常細胞幾乎具備修復各種類型DNA損傷的能力。針對電離輻射的關鍵性損傷DNA雙鏈斷裂就至少有兩條修復途徑，即同源重組修復和非同源末端連接修復。

細胞周期檢測點機制，即一旦有DNA損傷出現，細胞就暫時停止周期進程，即發生周期阻滯，以便於DNA修復或啟動細胞凋亡。細胞增殖分裂過程中，由細胞周期的一個時相進入另一個時相，不斷循環往複有序進行，其中最關鍵的生化調節反應是周期素依賴蛋白激酶(Cdks)的磷酸化和去磷酸化作用，也就是說細胞周期檢測點機制主要是通過調控Cdks激酶活性來實現的。輻射引起細胞周期阻滯主要發生在兩個時相之間的交界點G1/S和G2/M，很顯然是阻止細胞由G1 期進S期，或由G2期進入M期。此外，還有S期檢測點和M期的紡錘體檢測點，目前認為前者是因複製叉處DNA合成複合體受阻而引發的，後者是紡錘體裝配異常或結構受損如微管蛋白被破壞而引發。細胞如果發生不可恢復的周期阻滯，就可能啟動細胞凋亡，從而剔除潛在突變和具有癌變潛力的細胞。

正常生理狀態下，細胞凋亡是機體在系統發育過程中維持細胞增殖和細胞死亡穩態平衡的重要途徑。當細胞受到外環境DNA損傷因子作用下，也會啟動凋亡機制去除損傷嚴重細胞，只要凋亡細胞的量還達不到影響組織器官正常生理功能的程度，在一定意義上來說對整個機體會起到積極的影響，因為這樣可去除潛在基因組不穩定細胞，降低機體患癌症的風險性