第十三講 _腫瘤放射生物學(xué)

.,第十四講腫瘤放射生物學(xué),余健,.,腫瘤放射生物學(xué),放射生物學(xué)中輻射的類型細(xì)胞周期和細(xì)胞死亡射線對細(xì)胞周期的影響輻射損傷的類型輻射誘導(dǎo)的DNA損傷和修復(fù)早、晚反應(yīng)組織和分次劑量及總治療時間的關(guān)系受照射細(xì)胞的9種命運分次放射治療的生物學(xué)基礎(chǔ)細(xì)胞存活曲線臨床放射治療中的非常規(guī)分割治療病案實例放射防護(hù)劑和放射增敏劑,.,引言,放射生物學(xué)是一門關(guān)注電離輻射對生物組織和生命組織及生命有機體作用的分支科學(xué)，涉及兩個范疇：放射物理學(xué)和生物學(xué)。體細(xì)胞的分類：干細(xì)胞，能自我更新并產(chǎn)生分化細(xì)胞群（如造血系統(tǒng)、表皮和小腸被覆粘膜）轉(zhuǎn)化細(xì)胞，這些細(xì)胞動態(tài)的進(jìn)入另一個細(xì)胞群（如網(wǎng)織細(xì)胞分化為紅細(xì)胞）成熟細(xì)胞，是完全分化了的失去有絲分裂活力的細(xì)胞。,.,一、放射生物學(xué)中輻射的類型,線性能量傳遞（LET）：運動的帶電粒子穿過介質(zhì)時能量的丟失。在介質(zhì)中帶電粒子的LET是dE/dL的商。在此dE是特定能量的帶電粒子在dL的傳遞距離中所給予介質(zhì)的局部平均能量。單位：KeV/um。,.,二、細(xì)胞周期和細(xì)胞死亡,有絲分裂期（M）的細(xì)胞或接近有絲分裂期的細(xì)胞是放射最敏感的細(xì)胞；DNA合成期（S），晚S期細(xì)胞通常具有較大的放射耐受性；若G1期相對較長，G1早期細(xì)胞表現(xiàn)相對更耐受，其后漸漸敏感，G1末期相對更敏感；G2期細(xì)胞通常較敏感，其敏感性與M期的細(xì)胞相似；,.,射線對細(xì)胞周期的影響,G1期抑制：一般來說，在快速分裂的細(xì)胞中，照射并不影響G1到S，在緩慢分裂的細(xì)胞中，照射可使G1到S減慢。G1抑制與細(xì)胞內(nèi)的P53有關(guān)。S期延長：輻射可引起細(xì)胞緩慢通過S期，主要是由于DNA合成受到抑制的緣故。G2期阻滯：細(xì)胞受照后有絲分裂指數(shù)立即下降，因為細(xì)胞進(jìn)入G2期后受到完全而短暫的阻滯。不同細(xì)胞周期的放射敏感性：G2/M最敏感，G1早期相對抗拒，G1末期相對敏感，S期最抗拒。,.,三、細(xì)胞的照射,電離輻射的直接作用和間接作用,直接作用是指輻射直接與細(xì)胞的關(guān)鍵靶相互作用。靶原子本身通過庫倫相互作用被電離或激發(fā)，導(dǎo)致物理和化學(xué)的連鎖事件，最后發(fā)生生物損傷。,.,間接作用是指輻射與細(xì)胞內(nèi)的其他分子或原子（主要是水，細(xì)胞成分的85%為水）相互作用，產(chǎn)生自由基，在細(xì)胞里自由基通過擴散損傷細(xì)胞內(nèi)的關(guān)鍵靶。在輻射與水的相互過程中產(chǎn)生壽命極短的活化自由基，自由基可順序引起細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵靶的損傷。,.,輻射誘導(dǎo)的DNA損傷和修復(fù),DNA是引起一系列放射生物學(xué)效應(yīng)（包括細(xì)胞死亡、突變和致癌作用）的關(guān)鍵靶。射線對DNA的損傷包括單鏈斷裂和雙鏈斷裂。細(xì)胞受X射線照射后會發(fā)生許多單鏈斷裂。然而在完整的DNA，單鏈斷裂對細(xì)胞殺滅幾乎沒有什么作用，因為它們很容易以對側(cè)的互補鏈為模板而使損傷得到修復(fù)，但如果是錯誤的修復(fù)則可能產(chǎn)生突變。DNA的兩條鏈都發(fā)生斷裂，但彼此的分開的（間隔一段距離），也很容易發(fā)生修復(fù)，因兩處斷裂的修復(fù)是分別進(jìn)行的。相反，如果兩條鏈的斷裂發(fā)生在對側(cè)互補堿基位置上，或間隔幾個堿基對，這時可能會發(fā)生雙鏈斷裂，從而導(dǎo)致染色體折成兩段。雙鏈斷裂被認(rèn)為是電離輻射在染色體上所致的最關(guān)鍵的損傷，兩個雙鏈斷裂的相互作用可以導(dǎo)致細(xì)胞的死亡、突變致癌作用。,.,直接作用是高LET粒子與生物物質(zhì)相互作用的主要過程。低LET輻射（稀疏電離輻射），如X射線或電子線約2/3的生物損傷是由間接作用所致。間接作用可被化學(xué)增敏劑或輻射防護(hù)劑修飾。間接作用過程：初級光子相互作用（光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)）產(chǎn)生高能電子；運動的高能電子穿過組織與水產(chǎn)生自由基自由基可造成DNA因化學(xué)鍵斷裂所引起的變化；化學(xué)鍵變化導(dǎo)致生物效應(yīng)；,.,/值,/值：代表了修復(fù)的能力。型損傷是致死性損傷，型損傷是亞致死性，可修復(fù)的。/值越大，說明發(fā)生的亞致死性損傷越少，即發(fā)生修復(fù)的機會和能力越小。早反應(yīng)組織修復(fù)能力低，/高，晚反應(yīng)組織修復(fù)能力強，/低。,.,早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織,早反應(yīng)組織：細(xì)胞更新快，因此照射后損傷很快會表現(xiàn)出來。這類組織/值通常比較高。損傷之后是以活躍增殖來維持組織中的細(xì)胞數(shù)量的穩(wěn)定并使損傷得到修復(fù)。早期反應(yīng)組織是機體內(nèi)分裂、增殖活躍并對放射線早期反應(yīng)強烈的組織，如上皮、粘膜、骨髓、精原細(xì)胞等晚反應(yīng)組織：細(xì)胞更新慢，照射后損傷出現(xiàn)慢。/值比較低。晚反應(yīng)組織指機體內(nèi)那些無再增殖能力，損傷后僅以修復(fù)代償其正常功能的細(xì)胞組織，如脊髓、腎、肺、肝、骨和脈管系統(tǒng)等。,.,早、晚反應(yīng)組織與分次劑量,晚反應(yīng)組織的損傷程度與分次劑量密切相關(guān)，分次劑量越大，損傷越嚴(yán)重。后期并發(fā)癥越嚴(yán)重。降低分次劑量會增加組織的放射耐受性。,.,早、晚反應(yīng)組織與總治療時間,晚反應(yīng)組織更新慢，在照射期間一般不發(fā)生代償性增殖，因此對總治療時間不敏感。總治療時間與腫瘤的控制率密切相關(guān)，因為腫瘤存在照射后的再增殖即在群體化?？s短照射時間，克服腫瘤在增殖，可以提高腫瘤的控制率。早反應(yīng)組織類似于腫瘤組織，亦存在再增殖，且在增殖有利于正常組織的修復(fù)。縮短治療時間會加重早反應(yīng)組織的損傷。,.,受照射細(xì)胞的9種命運,沒有效應(yīng)；分裂延緩：細(xì)胞的分裂進(jìn)程延緩；凋亡：細(xì)胞在分裂前死亡或破碎后形成小體被鄰近細(xì)胞所吞噬；再繁殖失敗：細(xì)胞在試圖進(jìn)行第一次或后續(xù)有絲分裂時死亡；基因組的不穩(wěn)定：輻射誘導(dǎo)的基因組不穩(wěn)定會導(dǎo)致延后的再繁殖失??；突變：細(xì)胞活著，但保留著突變；變異：細(xì)胞活著，但突變所致的變異顯形可能致癌；旁觀者效應(yīng)：受照射細(xì)胞可傳送信號給鄰近的未照射細(xì)胞，誘導(dǎo)這些細(xì)胞發(fā)生遺傳學(xué)上的損傷；適應(yīng)性反應(yīng)：受刺激的受照射細(xì)胞對后續(xù)照射的再次作用變德更耐受；,.,分次放射治療的生物學(xué)基礎(chǔ),4Rs：細(xì)胞損傷的修復(fù)（repairofradiationdamage）、細(xì)胞周期重新分布（redistributionwiththecellcycle）、氧效應(yīng)及乏氧細(xì)胞再氧化（theoxygendffectandreoxygenation）、再群體化即再增殖（repopulation，reproliferation）,.,輻射損傷的時間標(biāo)尺,.,一、細(xì)胞放射治療的修復(fù),輻射損傷的類型1.致死性損傷：受照射后細(xì)胞完全喪失了分裂增殖的能力，是一種不可能修復(fù)不可逆的損傷2.亞致死性損傷：細(xì)胞受照射后，細(xì)胞的部分靶而不是全部靶被擊中，通常指單鏈斷裂?？梢孕迯?fù)。3.潛在致死性損傷：指在正常狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)在照射后死亡的細(xì)胞，若在照射后置于適當(dāng)?shù)臈l件下由于損傷修復(fù)而又可以存活的現(xiàn)象。但若得不到適宜的環(huán)境和條件則將轉(zhuǎn)化為不可逆的損傷。,.,細(xì)胞放射損傷的修復(fù),亞致死性損傷的修復(fù)(sublethaldamagerepair,SLDR)：指將某一既定單次照射劑量分成間隔一定時間的兩次后，所觀察到的存活細(xì)胞增加的現(xiàn)象。低LET射線照射后才有亞致死性損傷及其修復(fù)。,.,衡量亞致死性損傷的修復(fù)的指標(biāo)：T1/2：亞致死損傷半修復(fù)時間，50%細(xì)胞損傷修復(fù)所需要的時間。不同組織T1/2是不同的。T1/2代表了修復(fù)的速度。如：小腸上皮細(xì)胞，屬于早反應(yīng)組織，T1/2為0.5小時左右，照射后3小時即完成損傷修復(fù)。脊髓屬于晚反應(yīng)組織，T1/2大約2.4小時，照射后大約24小時才完成修復(fù)。/值,.,潛在致死性損傷修復(fù)(protentiallethaldamagerepare,PLDR),細(xì)胞在單次劑量照射后如仍處于非增殖狀態(tài)（缺氧或生長在相互抑制的情況下），它們的存活率就較照射后處于增殖狀態(tài)的細(xì)胞高。主要原因是在照射后應(yīng)死亡的細(xì)胞，由于照射后處于非增殖狀態(tài)而使細(xì)胞有更多的時間來修復(fù)DNA損傷。PLDR的臨床意義1.可能增加非增殖性細(xì)胞群（如晚反應(yīng)組織）的耐受量。2.可能是某些增殖慢的腫瘤產(chǎn)生放射抗拒性的原因之一。,.,二、細(xì)胞周期的再分布,不同的細(xì)胞周期有不同的放射敏感性，在每次放射治療時，只能殺傷相對敏感的細(xì)胞群，而剩下相對抗拒的細(xì)胞。分次照射中，存在著處于相對放射抗拒期細(xì)胞向放射敏感時相分布的現(xiàn)象，有助于提高射線的殺傷效果。,.,三、氧效應(yīng)和乏氧細(xì)胞的再氧合,氧效應(yīng)：氧在放射線和生物體相互作用中所起的作用。氧增強比：在乏氧及空氣情況下達(dá)到相等生物效應(yīng)所需的照射劑量之比。對大多數(shù)細(xì)胞來講，單次劑量照射后，OER值為2.5-3.0。即殺滅乏氧細(xì)胞所需放射劑量是殺滅有氧細(xì)胞的2.53倍。在分次照射時，OER會相應(yīng)地降低。即分次照射可以有助于乏氧細(xì)胞的敏感性提高。機制；氧固定學(xué)說,.,乏氧細(xì)胞主要存在于腫瘤細(xì)胞組織中。乏氧細(xì)胞的存在主要有以下兩個原因：慢性乏氧：由于腫瘤細(xì)胞離開血管較遠(yuǎn)，而氧的擴散距離有限，因而使離開血管較遠(yuǎn)的腫瘤不能得到充足的營養(yǎng)物質(zhì)和氧供應(yīng)，導(dǎo)致這部分腫瘤細(xì)胞內(nèi)的氧含量下降而形成乏氧狀態(tài)。急性乏氧：由于腫瘤內(nèi)血管痙攣或細(xì)胞阻塞而導(dǎo)致血管周圍的腫瘤細(xì)胞處于乏氧狀態(tài)。乏氧細(xì)胞的再氧合：不同腫瘤細(xì)胞中存在不同比例的乏氧細(xì)胞，照射時，射線殺死全部的有氧細(xì)胞，剩下乏氧細(xì)胞。在分次照射間期，一部分乏氧細(xì)胞又重新氧合。因此，分次照射可以增加對乏氧細(xì)胞的殺傷，使OER下降,.,四、再群體化,定義：損傷之后，組織的干細(xì)胞在機體的調(diào)節(jié)機制的作用下，增殖、分化、恢復(fù)組織原來形態(tài)的過程。主要發(fā)生在早反應(yīng)組織和腫瘤組織。早反應(yīng)組織在照射開始后很快產(chǎn)生細(xì)胞的增殖。小腸上皮細(xì)胞在照射后24小時開始增殖，結(jié)腸和胃則晚一些。但后期反應(yīng)組織如腎小管，卻要在照射后很長一段時間才會產(chǎn)生細(xì)胞的增殖?？谇徽衬ぱ装Y于常規(guī)照射開始后的14-21天出現(xiàn)，可是細(xì)胞的增殖卻于10-21天開始，細(xì)胞的增殖能增加正常組織的耐受性，相當(dāng)于平均每天1Gy。,.,細(xì)胞存活曲線,細(xì)胞存活曲線（cellsurvivalcurves）:是描述放射線照射劑量和細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)之間關(guān)系的曲線。細(xì)胞存活的概念細(xì)胞存活：受照射后細(xì)胞是否保留無限增殖的能力，即具有再增殖的完整性。在離體細(xì)胞培養(yǎng)中，細(xì)胞群經(jīng)照射后，能分裂繁殖成一個大于50個細(xì)胞的細(xì)胞群的細(xì)胞稱為克隆源性細(xì)胞，即有增殖能力的細(xì)胞。,.,一、指數(shù)存活曲線,單靶單擊模型:SF=e-D或SF=e-D/D0D0=1/靶學(xué)說:認(rèn)為在細(xì)胞內(nèi)存在對輻射敏感的區(qū)域,稱之為”靶”,靶的體積小,只有細(xì)胞的若干分之一,只有當(dāng)輻射擊中敏感的靶區(qū)是才引起損傷效應(yīng).目前認(rèn)為,DNA是輻射作用的關(guān)鍵靶單擊學(xué)說:生物大分子或細(xì)胞的敏感靶區(qū)被電離粒子擊中一次,即足以引起生物大分子的失活或細(xì)胞的死亡.,.,二、非指數(shù)存活曲線,包括：多靶單擊模型線性二次模型。,.,多靶單擊模型,多靶單擊模型認(rèn)為，一個細(xì)胞有幾個靶，這些靶都是相同的，只有當(dāng)所有的靶都失活，細(xì)胞才會死亡。SF=1-(1-e-kD)NN值：外推數(shù)(extrapolationnumber).指細(xì)胞內(nèi)所含的放射敏感性的區(qū)域數(shù)，即靶數(shù)。SF2：細(xì)胞在2Gy照射后的細(xì)胞存活率。,.,靶學(xué)說的適用范圍,靶學(xué)說基本上適用于生物大分子受到電離輻射產(chǎn)生的電離粒子的直接作用所致的效應(yīng)。以下情況不適用：1）由放射間接作用引起的生物效應(yīng)2）由外來的物質(zhì)或因素，如放射防護(hù)劑、放射增敏劑或氧效應(yīng)等時，影響了射線的原初損傷3）受照得細(xì)胞是具有不同放射敏感性的幾種細(xì)胞的混合體4）照射后細(xì)胞的再修復(fù)作用，以及代謝過程繼發(fā)效應(yīng)影響生物效應(yīng)的觀察,.,線性二次模型,此模式認(rèn)為，細(xì)胞的殺滅分為兩個部分，一部分為單擊所致的細(xì)胞死亡，即不可修復(fù)的細(xì)胞死亡，此部分與照射劑量成正比；另一部分為雙擊或多擊所致的細(xì)胞死亡，即可修復(fù)的細(xì)胞損傷部分，此部分與照射劑量的平方成比例。S=e-D-D2S是照射劑量為D時的細(xì)胞存活率。是兩個常數(shù)，代表了單擊所致的細(xì)胞死亡，代表了雙擊所致的細(xì)胞損傷。/代表了細(xì)胞修復(fù)能力的大小。在此劑量點，單擊所致的細(xì)胞損傷與雙擊所致的細(xì)胞損傷的貢獻(xiàn)相等。/比值的意義在于反映了組織生物效應(yīng)受分次劑量改變的影響程度。早反應(yīng)組織和大多數(shù)腫瘤的/值大（約10Gy），晚反應(yīng)組織的/值?。s3Gy）,.,LQ模式的局限性,1）現(xiàn)有的/多數(shù)是離體細(xì)胞或動物試驗的結(jié)果，與臨床有一定的差距。2）一般僅適合單次劑量在2-10Gy的劑量范圍內(nèi)使用，特別要注意當(dāng)分次劑量2Gy時，運用這一模式估計重要組織如脊髓生物效應(yīng)有過量的危險。3）/值的動物模型限制條件是假定被照射的靶細(xì)胞的亞致死性損傷完全修復(fù)，并且沒有細(xì)胞在增殖，與臨床不符。,.,臨床放射治療中的非常規(guī)分割治療,超分割放射治療：定義：每次量低于常規(guī)分割，每天照射23次，間隔6小時，總劑量增加1520%，總治療時間接近于常規(guī)照射。特點：降低分次劑量，減輕晚期反應(yīng)。Df：轉(zhuǎn)折劑量，在總劑量不變的情況下，隨著分次劑量的下降，細(xì)胞的存活率增加，當(dāng)分次劑量下降到不再引起細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)改變時的劑量稱為Df。,.,加速治療：定義：在1/2常規(guī)照射治療的總時間內(nèi)，通過一天照射2次或多次的方式，給予與常規(guī)相同的總劑量。特點：通過縮短治療時間而抑制腫瘤細(xì)胞的加速在增殖。效果：局控率增加，急性反應(yīng)、晚期反應(yīng)均增加。少用,.,連續(xù)加速超分割特點：降低分次劑量減輕晚期反應(yīng)，縮短治療時間抑制腫瘤增殖。CHART方案：1.4-1.5Gy/次，3次/天，間隔6小時，連續(xù)12天，總量50.4-54Gy結(jié)果：1.腫瘤局控率好，2.急性反應(yīng)明顯，但發(fā)生在治療完成之后，3.大部分晚期反應(yīng)可以接受，脊髓例外,.,生物等效劑量換算的數(shù)學(xué)模型,BED（biologicallyeffectivedose）生物等效劑量?；緮?shù)學(xué)公式E=d+d2或E=nd(+d)BED