持續(xù)低劑量率照射對血管損傷的研究進展(一)

1、持續(xù)低劑量率照射對血管損傷的研究進展(一)【摘要】 全文從持續(xù)低劑量率放療的物理學(xué)特點、生物學(xué)特點以及對血管的損傷等方面對其生物學(xué)效應(yīng)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(nèi)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(yīng)（inverse dose rate effect ）”。持續(xù)低劑量率照射對血管的損傷是照射區(qū)域炎癥反應(yīng)；血管內(nèi)皮細

2、胞以及血管平滑肌細胞增殖抑制、凋亡增加綜合作用的結(jié)果。 【關(guān)鍵詞】 血管損傷近距離放療應(yīng)用于臨床治療雖已有100多年的歷史，但應(yīng)用之初由于對其放射生物學(xué)效應(yīng)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(nèi)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(xué)優(yōu)勢，臨床上防護簡單；利用計算機三維治療計劃系統(tǒng)制定治療計劃，在影像系統(tǒng)的引導(dǎo)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小；與以往常規(guī)放療相比在比較短的

3、時間內(nèi)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(yīng)用前景1。1 持續(xù)低劑量率放療的物理學(xué)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(nèi)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，LDR2Gy/h4Gy/h）；中劑量率（middle dose

4、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(xué)特點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(yīng)的生物效應(yīng)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(nèi)（短于亞致死性損傷的修復(fù)，即1h）完成照射，從而使在1min或5min內(nèi)所實施的照射劑量效應(yīng)差別不大，當照射時間長于15min20min時生物效

5、應(yīng)下降。而LDR具有三個主要特點：照射的實施是在腫瘤內(nèi)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(nèi)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(fù)；通常在較短的時間內(nèi)完成治療，總治療時間大大短于外照射3。2.1 持續(xù)低劑量率放療時的劑量率效應(yīng)通常所說的劑量率效應(yīng)是指：實施放射治療時，每單位劑量生物效應(yīng)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(fù)。當劑量率2Gy/min時，在多數(shù)真核細胞系統(tǒng)中有生物學(xué)意義的照射劑量將在數(shù)分鐘內(nèi)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(fù)，也觀察不到劑量率效應(yīng)。當劑量率210-3Gy/min時，在多數(shù)真核細胞系

6、統(tǒng)中有生物學(xué)意義的照射劑量將在數(shù)小時內(nèi)才能完成，DNA單鏈的修復(fù)大致是完全的。當劑量率低于2Gy/min高于210-3Gy/min時，有生物學(xué)意義的照射劑量的給出時間和DNA單鏈斷裂的修復(fù)速率常數(shù)差不多，可以觀察到劑量率效應(yīng)，表現(xiàn)為劑量率變化時生物效應(yīng)關(guān)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(fù)（repair of sublethal damage）：細胞受照射發(fā)生亞致死損傷的修復(fù)，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(fù)將會修飾放射效應(yīng)。在LDR治療時，由于總治療時間的關(guān)系，亞致死性損傷的修復(fù)是最重要的因素。

7、周期內(nèi)細胞的再分布（redistribution within the cell cycle）：快增殖組織在幾天內(nèi)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(guān)。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(yīng)。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(xué)因素。再氧合在LDR比HDR更有

8、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(yīng)在LDR放射治療中，每單位劑量生物效應(yīng)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(yīng)”（inverse dose rate effect ）。Mitchell CR等4報道，當給予一個低于30cGy/h的持續(xù)低

9、劑量率照射時可以觀察到明顯的反劑量率效應(yīng)，他以T98G人類膠質(zhì)細胞作為研究材料進一步研究了當給予一個LDR預(yù)照射是否會消除通常觀察到的反劑量率效應(yīng)。結(jié)果是當給予一個30cGy/h60cGy/h，總量5Gy（使用60Co）的預(yù)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(yīng)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(yù)照射時，反劑量率效應(yīng)不受影響。當預(yù)照射總量從5Gy逐漸下降到2Gy時，反劑量率效應(yīng)也在逐漸增強。關(guān)于反劑量率效應(yīng)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，細胞被阻滯在周

10、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(nèi)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(zhì)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(yīng)，分析細胞周期，未發(fā)現(xiàn)反劑量率效應(yīng)與G2/M期積累或其他周期阻滯呈相關(guān)性。DNA損傷傳感器失活。Collis SJ等7通過研究認為，細胞內(nèi)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的細胞DNA損

11、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(fù)機制，使部分細胞損傷得以修復(fù)，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(dǎo)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(fù)，最終結(jié)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(yīng)。3 持續(xù)低劑量率放療對血管的損傷Fajardo LF8總結(jié)了電離輻射導(dǎo)致血管損傷的形態(tài)和

12、病理改變：電離輻射主要導(dǎo)致內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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?zāi)Ｐ?，他評估了VEC在不同的照射劑量下（2Gy6Gy）功能和動力學(xué)方面的

13、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(jié)果表明：輻射誘導(dǎo)的VEC損傷破壞了血管的結(jié)構(gòu)，而凋亡增加可能是VEC損傷的分子機制。3.1 電離輻射對內(nèi)皮細胞凋亡的影響治療性照射被廣泛地應(yīng)用于腫瘤治療，放射治療的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(nèi)皮細胞的放射敏感性。Kumar P等10發(fā)現(xiàn)p38 MAPK介導(dǎo)輻射引起的內(nèi)皮細胞（VEC）的凋亡，而血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）通過磷酸肌醇-3激酶（PI3K）-AKt-Bcl-2途徑來保

14、護血管內(nèi)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(dǎo)的p38 MAPK的活性，導(dǎo)致VEC凋亡增加。Bcl-2的表達在受照后的VEC內(nèi)顯著降低，而經(jīng)VEGF處理后的受照VEC內(nèi)Bcl-2表達維持在一個更高的水平。抑癌基因p53主要調(diào)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(shù)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

15、，但對兩類損傷卻產(chǎn)生了完全不同的生物效應(yīng)：只在受照后的VSMCs中導(dǎo)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表達和功能是正常或增加，p53引起受照后的VSMCs的生長抑制和凋亡增加主要是由于細胞周期蛋白D這一關(guān)鍵的生長介質(zhì)降解增加反作用于p53的結(jié)果。最近，Kaliski A等12的研究表明，當射線照射黑色素瘤細胞系B16 時，可以上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）的表達，進而促使其下游效應(yīng)分子VEGF的分泌 ，結(jié)果導(dǎo)致瘤體內(nèi)人微血管

16、內(nèi)皮細胞（human microvascular endothelial cell，HMEC）增殖和侵襲力增加，瘤體內(nèi)血管生成。3.2 電離輻射對內(nèi)皮細胞增殖的影響Fareh J等13報道，線照射抑制血管平滑肌細胞增殖，且呈劑量依賴。血管內(nèi)皮細胞的ED50（半數(shù)有效劑量）為2.150.10Gy, 血管平滑肌細胞ED50為1.080.12Gy。血管平滑肌細胞與內(nèi)皮細胞的ED50比較顯示；在一定輻射劑量條件下，輻射對血管平滑肌細胞增殖的抑制更大，對血管內(nèi)皮細胞抑制較小。Henning E等14研究了188Re所釋放的和線對于人血管壁細胞增殖抑制的劑量特點，照射對血管內(nèi)皮細胞（endothelial

17、 cells，EC）和人主動脈平滑肌細胞（human aortic smooth muscle cell，haSMC）的生長和克隆形成能力均有明顯的抑制，而且呈劑量依賴關(guān)系：受照8Gy時haSMC的生長被完全抑制，而EC在受照16Gy時仍有部分增殖能力。Scott NA等15觀察了低壓X射線對血管平滑肌細胞和外膜細胞的抑制作用：和射線一樣，低壓X射線對這兩種細胞的增殖也產(chǎn)生了明顯的劑量依賴的抑制作用，與對照組相比受照射后24h96h內(nèi)，停留在細胞周期S期的細胞上升了65%，同時p53和p21（細胞周期抑制因子）的表達明顯增加。因此，他們認為持續(xù)低劑量率照射能有效抑制血管平滑肌細胞和外膜細胞的增

18、殖。這種抑制作用主要是對細胞分裂周期阻滯的結(jié)果，其分子機制是照射導(dǎo)致了細胞分裂周期抑制因子的表達增加。3.3 電離輻射對內(nèi)皮細胞與白細胞黏附的影響輻射導(dǎo)致血管通透性增加，產(chǎn)生血管周圍水腫和血管萎縮，微循環(huán)障礙影響血流和能量供應(yīng)，從而導(dǎo)致缺血和代謝障礙、區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的破壞。研究表明：電離輻射在體內(nèi)外均可引起白細胞與受照血管內(nèi)皮細胞的黏附增加，而這正是上述病理改變的分子基礎(chǔ)，細胞間黏附分子（ICAM-1）及E-選擇素等表達上調(diào)可能是其重要機制。黏附分子（adhesion molecule，AM）是一類介導(dǎo)細胞與細胞，細胞與細胞外基質(zhì)間粘附作用的膜表面糖蛋白，目前主要分五大類：選擇素家族，免疫球蛋白超

19、家族，整合素家族，黏蛋白樣家族，鈣離子依賴的細胞黏附素家族。目前研究表明，與照射后白細胞和受照血管內(nèi)皮細胞之間粘附增加有關(guān)的黏附分子有三類：選擇素家族；免疫球蛋白超家族和整合素家族。轉(zhuǎn)錄因子NF-B可調(diào)節(jié)這些黏附分子的表達，正常情況下NF-B與拮抗劑B（I-B）結(jié)合滯留在細胞質(zhì)中，在電離輻射或其他炎癥介質(zhì)的刺激下，I-B磷酸化而失活，允許NF-B進入細胞核而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，造成照射區(qū)域強烈的炎癥反應(yīng)。最近的研究表明NF-B的激活提高了細胞存活、對抗外部刺激（如電離輻射）的能力16。4 小 結(jié)血管內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞是構(gòu)成血管的主要結(jié)構(gòu)，其中血管內(nèi)皮細胞通過單層排列以及細胞間的連接形成血管內(nèi)表

20、面，其不僅是構(gòu)成血管與組織間屏障的主要成分，而且具有多種重要的生理調(diào)節(jié)功能，在維持機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。電離輻射對血管的損傷從細胞角度看主要是對血管內(nèi)皮細胞和血管平滑肌細胞的損傷，具體表現(xiàn)在這兩種細胞的凋亡增加，增殖抑制以及各種細胞因子炎癥介質(zhì)和炎性細胞引起組織受照區(qū)的炎性反應(yīng)?！緟⒖嘉墨I】1 王俊杰, 修典榮, 冉維強, 等. 放射性粒子組織間近距離治療腫瘤M. 第2版. 北京: 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社, 2004. 20-25.2 殷蔚伯,谷銑之. 腫瘤放射治療學(xué)M. 第3版. 北京:中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社, 2002. 71-78,321-326.3 Ragde H, Korb IJ

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