造血器官是辐射敏感组织，电离辐射主要是破坏或抑制造血细胞的增殖能力，所以损伤主要发生在有增殖能力的造血干细胞、祖细胞和幼稚血细胞。对成熟血细胞的直接杀伤效应并不十分明显。
（一）造血干细胞损伤
造血干细胞（hematopoieticstem cell），有很高的辐射敏感性。常以脾结节生成单位（colony formingunit-spleen，CFU-S）作为造血干细胞的代名词。
根据测得的CFU-S的D值可估算出照射后体内残存造血干细胞的数量。小鼠全身约有1.5～2×106个造血干细胞，以D值0.9Gy计，照射2Gy，体内残留的造血干细胞约为10-1，照射4Gy约为10-２，照射6Gy则为10-3。一般认为，小鼠体内残留10-3CFU-S时，要恢复到原先的造血水平约需2周。在此期间动物可能死于感染或其它并发症。故把6Gy作为小鼠死亡的临界值。当受到＞8Gy照射后，则需要输入外源性造血干细胞以重建造血。
（二）造血祖细胞损伤
了解人的造血细胞损伤只能测定造血干细胞的后代造血祖细胞（hematipoietic progenitor cell），造血祖细胞是造血干细胞分化为形态上可辨认的幼稚血细胞之前的中间阶段。照射后造血细胞随照射剂量增加而成指数下降。根据小鼠实验，CFU-S和CFU-GM的剂量存活曲线有很好的一致性。故可用骨髓细胞体外培养法来估价其它动物乃致人类造血干细胞的损伤程度。不同种系动物所测得的CFU-GM的D值不同，人、犬和小鼠CFU-GM（粒单系集落形成单位）的D值分别为1.27～1.37，0.59和1.9Gy。这与它们辐射致死的敏感程度是一致的。
（三）对造血调控的影响
正常情况下，血细胞生成有赖于造血微环境和体液因子的支持和调控。照射后造血微环境受到明显的损伤。
造血微环境（hemaopoieticmicroenvironment）由微血管系统、基质细胞和神经成分等构成。微血管系统对辐射比较敏感，照射后血管通透性增加，血流缓慢甚至完全中断，影响物质运输，产生活性代谢产物，加重造血损伤。血管系统的变化与造血细胞退变坏死几乎同步发生，且与照射剂量密切相关。
造血基质细胞是造血微环境的重要的构成成分，它包括纤维细胞、巨噬细胞、网状细胞、脂肪细胞和上皮样细胞。造血基质细胞通过释放体液因子和细胞间短距离调控参与血细胞生成，基质细胞的数量，类型和比例改变，都可影响造血过程。成纤维细胞被认为是基质细胞祖细胞（fibroblast colony forming unit，CFU-F），对辐射有较高的敏感性。小鼠CFU-F的D值为1.4～2.5Gy γ线，小鼠全身照射6Gy以后，股骨内CFU-F立即减少且难以恢复。造血微环境的破坏显然可加重造血损伤，延缓恢复，既不利于内源性干细胞的生长增殖，也不利于外源性造血干细胞的植入和生长。
集落刺激因子（colonyforming stimulator，CFS）是调节血细胞增殖分化的一种体液因子。照射后血清CFS含量增加，可能是一种反馈调节。在有完善的造血干细胞和造血微环境下，CFS可促进造血的恢复。目前已将CFS试用于放射损伤的临床治疗。
