持續(xù)低劑量率照射對血管損傷的研究進展

1、持續(xù)低劑量率照射對血管損傷的研究進展    【摘要】  全文從持續(xù)低劑量率放療的物理學特點、生物學特點以及對血管的損傷等方面對其生物學效應作了初步闡述。與傳統(tǒng)的外照射相比近距離照射具有局部劑量高，達到邊緣后劑量突然下降；照射范圍內劑量分布不均勻，近源處最高；照射時間短，采取一次連續(xù)照射或數(shù)次照射完成治療等特點。持續(xù)降低照射劑量率，許多細胞系中細胞的死亡率并不是隨劑量率的降低平行下降。而是當劑量率下降到某一個臨界值時，繼續(xù)降低劑量率，細胞的死亡率反而明顯的增加，產(chǎn)生所謂的“反劑量率效應（inverse dose rate effect ）”。持續(xù)

2、低劑量率照射對血管的損傷是照射區(qū)域炎癥反應；血管內皮細胞以及血管平滑肌細胞增殖抑制、凋亡增加綜合作用的結果。 【關鍵詞】  血管損傷    近距離放療應用于臨床治療雖已有100多年的歷史，但應用之初由于對其放射生物學效應知之甚少，加之防護困難、有限的治療效果和較重的組織損傷，使這種治療方法在之后很長的一段時間內處于停滯的狀態(tài)。20世紀80年代，新型的放射性核素125I和103Pa進入臨床。由于這兩種核素與以往所使用的226Ra、222Rn以及192Ir相比具有低劑量率以及低能、射程短等獨特的物理學優(yōu)勢，臨床上防護簡單；利用計算機三維治療計劃系統(tǒng)制定治療計

3、劃，在影像系統(tǒng)的引導下布源，從而使得靶區(qū)劑量分布均勻，周圍正常組織損傷很??；與以往常規(guī)放療相比在比較短的時間內就能完成整個治療計劃。目前，在臨床上某些腫瘤如前列腺癌等的治療中取得了很好的治療效果，顯示了廣闊的應用前景1。    1   持續(xù)低劑量率放療的物理學特點    “近距離治療”（brachytherapy）一詞來源于希臘文brachy，是“近”的意思。它與希臘文tele“遠”一詞相對。與傳統(tǒng)的外照射相比近距離照射具有局部劑量高，達到邊緣后劑量突然下降；照射范圍內劑量分布不均勻，近源處最高；照射時間短；采取一

4、次連續(xù)照射或數(shù)次照射完成治療這些特點。近距離治療的模式根據(jù)參考點劑量率的不同劃分為以下幾個區(qū)段和類別：低劑量率(low dose rate，LDR<2Gy/h4Gy/h）；中劑量率（middle dose rate，MDR，4Gy/h12Gy/h）；高劑量率（high dose rate，HDR，>12Gy/h）；脈沖劑量率（pulse dose rate，PDR，指劑量率在1Gy/h3Gy/h，照射間隔1次/h，每次治療10min左右的模式）1，2。    2   持續(xù)低劑量率放療的生物學特點   

5、臨床上之所以將近距離治療的模式根據(jù)參考點劑量率的不同劃分為幾個區(qū)段和類別是因為在不同的劑量率下對應的生物效應各不相同。    HDR是指劑量率>12Gy/h，即劑量率高到足以在很短時間內（短于亞致死性損傷的修復，即<1h）完成照射，從而使在1min或5min內所實施的照射劑量效應差別不大，當照射時間長于15min20min時生物效應下降。而LDR具有三個主要特點：照射的實施是在腫瘤內或腫瘤附近，因此通?？梢赃_到理想的劑量分布；它是在一段時間以內持續(xù)進行照射，因此在治療期間可發(fā)生亞致死性損傷的修復；通常在較短的時間內完成治療，總治療時間大大短于外照射3。

6、    2.1   持續(xù)低劑量率放療時的劑量率效應    通常所說的劑量率效應是指：實施放射治療時，每單位劑量生物效應隨劑量率降低而下降，這是由于在較長的照射期間發(fā)生了亞致死損傷的修復。當劑量率>2Gy/min時，在多數(shù)真核細胞系統(tǒng)中有生物學意義的照射劑量將在數(shù)分鐘內完成，在照射過程中極少發(fā)生或不發(fā)生DNA單鏈斷裂的修復，也觀察不到劑量率效應。當劑量率<2×10-3Gy/min時，在多數(shù)真核細胞系統(tǒng)中有生物學意義的照射劑量將在數(shù)小時內才能完成，DNA單鏈的修復大致是完全的。當劑量率低于2Gy/

7、min高于2×10-3Gy/min時，有生物學意義的照射劑量的給出時間和DNA單鏈斷裂的修復速率常數(shù)差不多，可以觀察到劑量率效應，表現(xiàn)為劑量率變化時生物效應關系也隨之變化。這種變化可以用“4R”來描述，所謂“4R”是指：亞致死損傷的修復（repair of sublethal damage）：細胞受照射發(fā)生亞致死損傷的修復，它的速率一般為30min到數(shù)小時當劑量率從1Gy/min下降到0.1Gy/min時，修復將會修飾放射效應。在LDR治療時，由于總治療時間的關系，亞致死性損傷的修復是最重要的因素。周期內細胞的再分布（redistribution within the cell cy

8、cle）：快增殖組織在幾天內發(fā)生周期細胞的再分布，再分布的影響相對次要。再分布可能只與用相對長的半衰期的放射性核素（如125I半衰期59.6天）的植入有關。再群體化（repopulation）：再群體化是一個很慢的過程，人體腫瘤或正常組織的再群體化不會低于一天，可能是幾天到幾周。當劑量率在很低的范圍（低于2cGy/min），照射時間將持續(xù)幾周時，單次照射會發(fā)生有意義的再群體化從而影響放射效應。乏氧細胞的再氧合（reoxygenation）：它對于腫瘤細胞而言是一個很重要的生物學因素。再氧合在LDR比HDR更有效，特別是那些只進行近距離治療的病人，這是由于LDR與HDR相比，用LDR乏氧細胞所受

9、的損傷大于分次HDR治療；而用HDR氧合的腫瘤細胞所受的損傷大于氧合的正常細胞1，2。    2.2   持續(xù)低劑量率放療時的反劑量率效應    在LDR放射治療中，每單位劑量生物效應隨劑量率降低而下降，但臨床經(jīng)驗和大量的研究都顯示，持續(xù)降低照射劑量率，許多細胞系中細胞的死亡率并不是隨劑量率的降低平行下降。而是當劑量率下降到某一個臨界值時，繼續(xù)降低劑量率，細胞的死亡率反而明顯增加，產(chǎn)生所謂的“反劑量率效應”（inverse dose rate effect ）。Mitchell CR等4報道，當給予一個低于30cG

10、y/h的持續(xù)低劑量率照射時可以觀察到明顯的反劑量率效應，他以T98G人類膠質細胞作為研究材料進一步研究了當給予一個LDR預照射是否會消除通常觀察到的反劑量率效應。結果是當給予一個30cGy/h60cGy/h，總量5Gy（使用60Co）的預照射后，馬上用240-KVpX-射線給予持續(xù)低劑量率照射時反劑量率效應沒有出現(xiàn)，但間隔4h后重新出現(xiàn)；當給予5cGy/h10cGy/h，總量2Gy的預照射時，反劑量率效應不受影響。當預照射總量從5Gy逐漸下降到2Gy時，反劑量率效應也在逐漸增強。關于反劑量率效應的產(chǎn)生，目前有如下幾種假說：“G2期阻滯”，有些細胞系如Hela細胞系，在1.54Gy/h的照射后，

11、細胞被阻滯在周期的不同時相而停止分裂。當劑量率降至0.37Gy/h時，細胞在周期內前進并被阻滯于輻射敏感的G2期，因此在持續(xù)低劑量率照射時，一個本來非同步化的細胞群體變成了一個G2的細胞群體5。但Mitchell CR等6觀察以前已被證實對低劑量敏感的前列腺癌細胞PC-3，膠質母細胞瘤T98G和AT細胞系，用60Co-線照射，發(fā)現(xiàn)在劑量率0.02Gy/h1Gy/h表現(xiàn)出反劑量率效應，分析細胞周期，未發(fā)現(xiàn)反劑量率效應與G2/M期積累或其他周期阻滯呈相關性。DNA損傷傳感器失活。Collis SJ等7通過研究認為，細胞內存在一種對細胞損傷的探測機制，當輻射引起的DNA DSB（輻射可以引起多種類型

12、的細胞DNA損傷：包括單鏈斷裂（single strand breaks，SSB），雙鏈斷裂（double strand breaks，DSB），堿基損傷和蛋白交聯(lián)等）的數(shù)量達到一定閾值時，DNA損傷傳感器激活，啟動細胞的修復機制，使部分細胞損傷得以修復，從而降低細胞的損傷。在LDR放療時，隨著劑量率的降低，DNA DSB的數(shù)量減少。當劑量率下降到某一個閾值時，他所導致的DNA DSB的數(shù)量已不足以激活DNA損傷傳感器，沒有DNA損傷修復，最終結果是細胞損傷的數(shù)量反而超過劑量率高于該閾值時的數(shù)量，產(chǎn)生所謂的反劑量率效應。    3   持續(xù)低劑

13、量率放療對血管的損傷    Fajardo LF8總結了電離輻射導致血管損傷的形態(tài)和病理改變：電離輻射主要導致內皮細胞致死性和亞致死性損傷，造成微血管（毛細血管和血管竇）的破裂及血栓形成；中等直徑的血管主要表現(xiàn)為新內膜增生、纖維素樣壞死、血栓形成以及急性動脈炎；射線對大血管的損傷比較少見，而且靜脈損傷多于動脈，主要有新內膜增生、動脈瘤、血栓形成以及管壁破裂。    血管的最初形成是由內皮細胞(vescular endothelial cell，VEC)的激活、遷徙以及增殖來完成的。正常的VEC和毛細血管的特點在許多病理狀態(tài)下都發(fā)生了明

14、顯的變化。Mao9定量研究了電離輻射對VEC和毛細血管網(wǎng)形成的作用。通過體外試驗模型，他評估了VEC在不同的照射劑量下（2Gy6Gy）功能和動力學方面的變化。與對照組相比，在受照24h后 VEC出現(xiàn)了呈時間和劑量依賴的丟失；高劑量時血管的生成明顯受阻；受照的VEC群停留在G1期的細胞比例增加；一個呈劑量依賴的DNA鏈損傷亦出現(xiàn)。這些結果表明：輻射誘導的VEC損傷破壞了血管的結構，而凋亡增加可能是VEC損傷的分子機制。    3.1   電離輻射對內皮細胞凋亡的影響    治療性照射被廣泛地應用于腫瘤治療，放射治療的

15、成功不僅取決于腫瘤細胞的放射敏感性，同時也取決于腫瘤組織血管內皮細胞的放射敏感性。Kumar P等10發(fā)現(xiàn)p38 MAPK介導輻射引起的內皮細胞（VEC）的凋亡，而血管內皮生長因子（VEGF）通過磷酸肌醇-3激酶（PI3K）-AKt-Bcl-2途徑來保護血管內皮細胞。他們在研究中發(fā)現(xiàn)p38 MAPK的抑制劑（PD169316）或拮抗劑可以顯著提高VEC對射線的耐受，而PI3K-AKt-Bcl-2途徑的抑制可以明顯增加射線介導的p38 MAPK的活性，導致VEC凋亡增加。Bcl-2的表達在受照后的VEC內顯著降低，而經(jīng)VEGF處理后的受照VEC內Bcl-2表達維持在一個更高的水平。    抑癌基因p53主要調控DNA損傷后細胞的生長抑制和凋亡程序。Scott S等11研究發(fā)現(xiàn)p53在輻射致血管平滑肌細胞（VSMCs）DNA損傷時具有活性，而在其他原因如血管球囊擴張術等引起的VSMCs的損傷中沒有活性。進一步的研究發(fā)現(xiàn)在上述兩種損傷中p53表達是一致的，但對兩類損傷卻產(chǎn)生了完全不同的生物效應：只在受照后的VSMCs中導致了細胞生長抑制和凋亡增加。同時在受照后的VSMCs中由于DNA的損傷而引起的細胞周期蛋白D降解增加。因此，他們認為：在受照后的VSMCs中p53表達和功能是正?；蛟黾?，p53引起受照后的VSMCs的生長抑制和凋亡增加主要是由于