臨床放射生物學(xué)基礎(chǔ)

1、 臨床放射生物學(xué)基礎(chǔ)臨床放射生物學(xué)是研究電離輻射對(duì)腫瘤組織和正常組織的效應(yīng)以及研究這兩類組織被射線作用后所引起的生物反應(yīng)的一門學(xué)科。它是放射腫瘤學(xué)的四大支柱（腫瘤學(xué)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)和放射治療學(xué)）之一，因此從事腫瘤放射治療的醫(yī)生必須掌握這門學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)。第一章  物理和化學(xué)基礎(chǔ) 第一節(jié)   線性能量傳遞一、概念線性能量傳遞(linear energy transfer, LET)是指射線在行徑軌跡上，單位長(zhǎng)度的能量轉(zhuǎn)換。單位是KeV/um。注意，LET有兩層含義，其物理學(xué)含義為帶電粒子穿

2、行介質(zhì)時(shí)能量的損失即阻止本領(lǐng)，而LET的生物學(xué)含義則強(qiáng)調(diào)帶電粒子穿行介質(zhì)時(shí)能量被介質(zhì)吸收的線性比率。例如，射線在穿過細(xì)胞核時(shí)，以孤立單個(gè)的電離或激發(fā)形式將大部分能量沉積在細(xì)胞核中，引起DNA損傷，其中大部分損傷又能夠被細(xì)胞核中的酶修復(fù)，1Gy的吸收劑量相當(dāng)于產(chǎn)生1000個(gè)射線軌跡，故射線屬于低LET；粒子在穿過細(xì)胞核時(shí)產(chǎn)生的軌跡少，但每條軌跡的電離強(qiáng)度大，因而產(chǎn)生的損傷大，這種損傷常常累及鄰近的多個(gè)堿基對(duì)，于是損傷難以修復(fù)，1Gy的吸收劑量相當(dāng)于產(chǎn)生4個(gè)粒子軌跡，故粒子屬于高LET。一般認(rèn)為10KeV/um是高LET和低LET的分界值，LET值10KeV/um時(shí)稱低LET射線，如X 

3、、射線， LET值10KeV/um時(shí)稱高LET射線，如中子、質(zhì)子、粒子。二、 高LET射線特性1.物理學(xué)特點(diǎn)：高LET存在Bragg峰，即射線進(jìn)入人體后最初的階段能量釋放（沉積）不明顯，到達(dá)一定深度后能量突然大量釋放形成Bragg峰（即射線在射程前端劑量相對(duì)較小,而到射程末端劑量達(dá)到最大值），隨后深部劑量又迅速跌落。                      

4、;     2.高LET生物效應(yīng)特點(diǎn)：(1) 相對(duì)生物效應(yīng)（RBE） 高，致死效應(yīng)強(qiáng)，細(xì)胞生存曲線的陡度加大；(2) 氧增強(qiáng)比(OER)小，對(duì)乏氧細(xì)胞的殺傷力較大；(3) 亞致死性損傷的修復(fù)能力小，細(xì)胞生存曲線無肩部；(4)細(xì)胞周期依賴性小，高LET能夠殺傷常規(guī)放療欠敏感的G0 期和S 期細(xì)胞。 圖01 不同LET的細(xì)胞存活曲線如圖01所示，1.相等照射劑量的情況下，隨著LET值的增加，細(xì)胞殺傷作用增強(qiáng)，2. 隨著LET值的增加，細(xì)胞存活曲線變得越來越陡峭

5、，曲線肩部越來越小。 表   不同類型和不同能量的電離輻射的傳能線密度輻射類型粒子動(dòng)能（MeV）傳能線密度（keV/m）輻射類型粒子動(dòng)能（MeV）傳能線密度（keV/m）線1.171.330.3中子41780.21412X線250kVp2質(zhì)子0.954530.32.017粒子0.00555.57.0120.014.03400.30.10.7粒子3.41301.00.255.0902.00.212725  第二節(jié)   相對(duì)生物效應(yīng)產(chǎn)生同樣的生物效應(yīng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)射線的劑量與測(cè)試射線的劑量的比值稱為相對(duì)生物效應(yīng)（r

6、elative biological effect，RBE）。公式為：                                         式中，Dref是標(biāo)

7、準(zhǔn)射線的劑量，Dtest是產(chǎn)生同樣的生物效應(yīng)的測(cè)試射線的劑量。標(biāo)準(zhǔn)的光子線是250keV的X射線或60Co射線，從放療的角度來說，以60Co射線作為標(biāo)準(zhǔn)射線更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹笳邭⑺兰?xì)胞的效應(yīng)比前者低15%。250keV的X射線或60Co射線的RBE1。一般用RBE來比較高LET與低LET的輻射效應(yīng)，目前RBE更多地被用來比較高劑量率X線與低劑量率X線的輻射效應(yīng)。注意，1.不同類型的射線，即使照射劑量相等，也不會(huì)產(chǎn)生相同的輻射效應(yīng)，2.RBE的增加本身并不能使治療獲益，除非能夠使得正常組織的RBE小于腫瘤。影響RBE的因素有： 輻射類型（LET大?。?，輻射劑量，分次劑量及照射次數(shù)，劑量

8、率。LET與RBE關(guān)系： RBE起初隨LET的增加而增加，當(dāng)LET100 keV/m時(shí)，RBE達(dá)到最大值，當(dāng)LET100 keV/m時(shí)，由于過度殺傷作用（overkill effect）或者能量的損失（wasted energy），RBE下降。圖00是LET與RBE關(guān)系示意圖，表00是各種電離輻射的相對(duì)生物效應(yīng)數(shù)值。圖00  LET與RBE關(guān)系   表00  各種電離輻射的相對(duì)生物效應(yīng)輻射種類相對(duì)生物效應(yīng)X，11熱中子3中能中子58快中子1010重反沖核20 第三節(jié)

9、    自由基正常的細(xì)胞活動(dòng)可以有自由基（free radicals）的生成與清除，少量并且控制得宜的自由基對(duì)人體是有益的，過多活性的自由基則導(dǎo)致人體正常細(xì)胞和組織的損傷。放射線對(duì)生物分子的損傷主要與自由基的生成密切相關(guān)。自由基是指能獨(dú)立存在的，核外帶有一個(gè)或一個(gè)以上未配對(duì)電子的任何原子、分子、離子或原子團(tuán)。未配對(duì)電子即為單獨(dú)占據(jù)原子或分子軌道的電子。簡(jiǎn)單地說，只要有兩個(gè)以上的原子組合在一起，它的外圍電子就一定要配對(duì)，如果不配對(duì)，它們就要去尋找另一個(gè)電子，使自己變成穩(wěn)定的元素，這種不成對(duì)電子的原子或分子叫做自由基。自由基的主要特性是化學(xué)不穩(wěn)定性

10、和高反應(yīng)性，其對(duì)生物分子的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即對(duì)DNA的損傷和對(duì)生物膜的損傷。第四節(jié)  氧效應(yīng)與氧增強(qiáng)比一、氧效應(yīng): 1909年，Gottwald Schwarz首次發(fā)現(xiàn)了一種放射生物現(xiàn)象，試驗(yàn)顯示鐳敷料器放在動(dòng)物前臂上產(chǎn)生了皮膚放射反應(yīng)，但如果把鐳敷料器緊壓皮膚使局部血流減少的話，則皮膚放射反應(yīng)可以減輕，他當(dāng)時(shí)不知道這一現(xiàn)象是由于缺氧所致。1910年，Muller發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用熱療法增加局部組織血流時(shí)，局部組織（氧合充分）更易受輻射損害。20世紀(jì)50年代初，Gray提出乏氧是放射抗拒的主要原因。1951年，Read的研究證實(shí)分子氧通過放射化學(xué)機(jī)理的方

11、式能夠使細(xì)胞增敏。氧效應(yīng)（Oxygen effect）指細(xì)胞受到X、射線照射時(shí)，由于氧分子的存在與否而出現(xiàn)生物學(xué)效應(yīng)的增減現(xiàn)象。電離輻射被生物體吸收產(chǎn)生了自由基，自由基打斷了靶分子（如DNA）的化學(xué)鍵，從而啟動(dòng)了一系列引起生物損傷的事件。X線所致的生物效應(yīng)有三分之二是通過自由基介導(dǎo)的間接作用產(chǎn)生的，如乏氧，DNA上的自由基引起的損傷可以得到修復(fù)，如果有分子氧的存在，DNA與自由基發(fā)生反應(yīng)，那么，這種放射損傷就被固定下來或者放射損傷無法修復(fù)，稱之為“氧固定假說” (oxygen fixation hypothesis)，其過程如圖所示。氧固定假說的確切作用

12、機(jī)理尚不完全了解，但氧作用于自由基這一觀點(diǎn)被公認(rèn)。氧固定假說的過程                     腫瘤細(xì)胞的乏氧一、 氧增強(qiáng)比氧增強(qiáng)比（Oxygen Enhancement Ratio, OER）：指缺氧條件下引起一定效應(yīng)所需輻射劑量與有氧條件下引起同樣效應(yīng)所需輻射劑量的比值。高劑量的低LET（、）射線的OER=3.0，當(dāng)劑量3Gy時(shí)，O

13、ER減少。注意，這一劑量范圍正好是臨床分次照射的劑量范圍。氧增強(qiáng)比（OER）與LET的關(guān)系：OER隨著LET增加而下降，當(dāng)LET = 150 keV/m時(shí)，OER=1.0。圖00為低LET和高LET與OER之間的關(guān)系，圖00為不同LET的氧效應(yīng)比較，用細(xì)胞存活曲線表示，虛線代表氧合充分的細(xì)胞，實(shí)線代表乏氧細(xì)胞。圖00低LET、高LET與OER之間的關(guān)系圖000 X 線、中子和粒子的氧效應(yīng)比較             

14、               第五節(jié)   治療增益放射治療的目的在于腫瘤組織受到足夠的照射劑量以殺死腫瘤細(xì)胞，而正常組織受到盡量低的照射劑量以免引起并發(fā)癥。治療增益（Therapeutic Ratio ，TR)是指腫瘤控制概率（tumour control probability ， TCP）與正常組織并發(fā)癥概率（normal tissue

15、0;complication probability， NTCP）的比值。顯然，只有當(dāng)TCPNTCP時(shí)才能達(dá)到放射治療的目的，通常TCP  0.5 ，而NTCP0.05。TR主要與以下因素有關(guān)：劑量率，射線LET，是否使用了放射增敏劑或放射保護(hù)劑等。下圖是表示TCP、 NTCP與劑量關(guān)系曲線，左側(cè)曲線表示TCP，右側(cè)曲線表示NTCP，兩條曲線的距離（即治療窗）反映了治療的獲益。如果曲線左移，意味著獲得了較高的腫瘤控制概率而正常組織并發(fā)癥概率較低；如果曲線右移，意味著正常組織能夠耐受較高的照射劑量而并發(fā)癥較少，放射治療應(yīng)該盡量拉開兩條曲

16、線的距離。               圖00 治療增益原則              第二章 電離輻射生物學(xué)效應(yīng) 電離輻射將能量傳遞給生物體引起的任何改變，統(tǒng)稱為電離輻射生物學(xué)效應(yīng)。放射線可分為帶電粒子(,粒子及質(zhì)子)和不帶電粒子(X,射線及中子等)，它們的生物機(jī)體作用原理是相

17、同的, 但由于不同射線的電離能力不同, 對(duì)組織損傷的程度有所不同。中子,和粒子電離能力強(qiáng), 在組織中電離密度大, 故產(chǎn)生的生物效應(yīng)較相同物理當(dāng)量的X射線或光子大得多。第一節(jié)  細(xì)胞輻射損傷作用的方式生物體或細(xì)胞的主要分子成份為生物大分子及其周圍的大量水分子，射線作用于這些主要分子，引起生物活性分子的電離和激發(fā)，從而產(chǎn)生包括細(xì)胞放射損傷在內(nèi)的生物效應(yīng)。直接作用和間接作用主要是對(duì)重要大分子的損傷而言。一、直接作用直接作用（Direct action）指電離輻射直接和細(xì)胞的關(guān)鍵靶起作用，引起靶原子電離和激發(fā)，從而啟動(dòng)一系列的物理化

18、學(xué)事件，最終破壞機(jī)體的核酸、蛋白質(zhì)、酶等具有生命功能的物質(zhì)。DNA是射線作用的最終靶點(diǎn)，高LET射線的吸收主要以直接電離的方式進(jìn)行。二、 間接作用人體細(xì)胞中80%是水，因此一個(gè)細(xì)胞可以理解為水溶液。電離輻射首先直接作用于水，使水分子產(chǎn)生一系列原發(fā)輻射分解產(chǎn)物，輻射分解產(chǎn)物再作用于生物大分子，引起生物大分子的物理和化學(xué)變化。間接作用產(chǎn)生如下幾個(gè)效應(yīng)：1.稀釋效應(yīng)，一定數(shù)量的電離輻射產(chǎn)生固定數(shù)量的自由基,如果是間接作用,失活溶質(zhì)分子數(shù)與固定數(shù)量的自由基有關(guān)，與溶液濃度無關(guān)。2.氧效應(yīng)， 3.保護(hù)效應(yīng)，受照射生物體系中由于有其它物質(zhì)的存在，使輻射對(duì)溶質(zhì)的操作效應(yīng)減輕。4.

19、0;溫度效應(yīng)，機(jī)體處于低溫或置于冰凍狀態(tài)可使放射損傷減輕。注意，間接作用可以通過化學(xué)增敏劑和放射保護(hù)劑修飾。X、射線等低LET射線的吸收主要以這種間接電離的方式進(jìn)行。 細(xì)胞放射反應(yīng)可以分如下三個(gè)步驟或者三個(gè)過程來理解：1.光子與組織的分子或原子相互作用（光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對(duì)效應(yīng)）產(chǎn)生高能電子。此過程發(fā)生在物理學(xué)范疇中，生物效應(yīng)的時(shí)標(biāo)（Time-scale）約10-15秒。2. 高能電子穿過組織時(shí)使水產(chǎn)生自由基。此過程發(fā)生在化學(xué)范疇中，生物效應(yīng)的時(shí)標(biāo)約10-10秒。3. 自由基破壞DNA化學(xué)鍵，使DNA結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起生物效應(yīng)。此過程發(fā)生在生物學(xué)范疇中，生

20、物效應(yīng)的時(shí)標(biāo)在幾小時(shí)、幾天或幾年。DNA損傷的直接作用和間接作用DNA分子中誘發(fā)雙鏈斷裂的能量沉積的兩種可能方式第二節(jié)   細(xì)胞放射損傷形式1亞致死損傷（sublethal damage），是指細(xì)胞受到照射以后出現(xiàn)DNA的單鏈斷裂，這種損傷是一種完全可以修復(fù)的放射損傷，對(duì)細(xì)胞死亡的影響不大。2潛在致死損傷(potential lethal damage) ， 細(xì)胞在照射后置于適當(dāng)條件下，損傷可以修復(fù)、細(xì)胞又可存活的現(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，使細(xì)胞最終喪失分裂能力。3致死損傷(letha

21、l damage)， 用任何方法都不能使細(xì)胞得到修復(fù)的損傷，細(xì)胞完全喪失了分裂、增殖能力，是一種不可修復(fù)的、不可逆和不能彌補(bǔ)的損傷。第三節(jié)  電離輻射對(duì)DNA的損傷DNA損傷是指在生物體的生命過程中，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生的任何改變。據(jù)估計(jì)，每天人體的一個(gè)細(xì)胞中有104個(gè)DNA損傷，但絕大部分是內(nèi)源性損傷。引起DNA損傷的因素主要是一些物理和化學(xué)因素，如紫外線照射，電離輻射，化學(xué)誘變劑等。DNA損傷大體上可以分為兩類：?jiǎn)蝹€(gè)堿基改變和結(jié)構(gòu)扭曲。DNA損傷的形式有：1.堿基和糖基的破壞，2.插入或缺失，3.DNA鏈斷裂：包括單鏈斷裂，雙鏈斷裂，是輻射損傷的主要

22、形式，4.DNA交聯(lián)：有DNA鏈間交聯(lián)，DNA鏈內(nèi)交聯(lián)，DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)等。5.DNA重排：即DNA分子中較大片斷的交換。DNA輻射損傷主要有DNA的堿基損傷、DNA鏈斷裂以及DNA的交聯(lián)等形式，主要通過直接效應(yīng)和間接效應(yīng)兩種途徑實(shí)現(xiàn)。   第四節(jié)   DNA損傷的修復(fù)當(dāng)損傷造成了機(jī)體的部分細(xì)胞和組織喪失后，機(jī)體對(duì)所缺損的細(xì)胞和組織進(jìn)行修補(bǔ)、恢復(fù)的過程，稱為醫(yī)學(xué)意義上的修復(fù)。放射生物學(xué)中的修復(fù)是指大分子功能恢復(fù)的過程。一、DNA損傷的修復(fù)方式（一）光修復(fù)（光復(fù)活，光逆轉(zhuǎn)）通過光修復(fù)酶催化完成的，可使嘧啶二聚體分解為原來的非聚合狀態(tài)，

23、DNA完全恢復(fù)正常。這種修復(fù)功能在生物界普遍存在，但主要是低等生物的一種修復(fù)方式，對(duì)于高等生物細(xì)胞及人的組織細(xì)胞則不是主要途徑。（二）切除修復(fù)通過識(shí)別切除（堿基切除和核苷酸切除）修補(bǔ)再連接的方式，其特點(diǎn)為準(zhǔn)確、無誤、正確修復(fù)。切除修復(fù)功能是人類的DNA損傷的主要修復(fù)方式。如圖 切除修復(fù)（三）重組修復(fù)DNA復(fù)制重組再合成。損傷部位因無模板指引，復(fù)制出來的新子鏈會(huì)出現(xiàn)缺口，通過核酸酶將另一股健康的母鏈與缺口部分進(jìn)行交換，重組修復(fù)也是嚙齒動(dòng)物主要的修復(fù)方式。（四）SOS修復(fù)SOS原本是指國(guó)際海難信號(hào)，SOS修復(fù)是細(xì)胞處于危急狀態(tài)下發(fā)生的一種修復(fù)，是由于DNA損傷或脫氧核糖核酸的復(fù)制受阻以至

24、于難以繼續(xù)復(fù)制，由此而出現(xiàn)一系列復(fù)雜的誘導(dǎo)反應(yīng)。 二、不同組織放射損傷的修復(fù)不同組織放射損傷的修復(fù) 腫瘤組織早反應(yīng)組織晚反應(yīng)組織修復(fù)能力低低強(qiáng)修復(fù)速度T 1/2快0.5h快0.5h慢1.5-2.5h二、細(xì)胞輻射后的結(jié)局電離輻射對(duì)細(xì)胞作用的最終結(jié)局有以下幾種：1.細(xì)胞完好無損(沒有效應(yīng))，2. 細(xì)胞分裂延遲 ，3. 凋亡 ，4.增殖性失?。≧eproductive failure），5.基因組不穩(wěn)性（Genomic instability），6.突變（Mutation），7. 轉(zhuǎn)換（Transfo

25、rmation），8.旁觀者效應(yīng)（Bystander effects），9.適應(yīng)性反應(yīng)（Adaptive responses）。第五節(jié)   細(xì)胞存活曲線放射生物學(xué)認(rèn)為，一個(gè)細(xì)胞受照射后，如果形態(tài)完整、具有生理功能、甚至還能進(jìn)行一次或幾次有絲分裂，若此時(shí)細(xì)胞已失去無限增殖能力的話，這個(gè)細(xì)胞稱之為增殖性死亡（reproductive death），這是最常見的細(xì)胞死亡形式；反之，細(xì)胞受照射后，如果保留了完整的增殖能力，能無限分裂產(chǎn)生大量的子代細(xì)胞，形成集落或克隆，這些細(xì)胞稱為存活細(xì)胞或克隆源性細(xì)胞。大多數(shù)細(xì)胞經(jīng)過射線照射后死亡，只有少部分

26、細(xì)胞存活，一般用細(xì)胞存活曲線（ survival curve）來反映細(xì)胞照射后吸收劑量與細(xì)胞存活率之間的關(guān)系。Puck 和 Marcus于1956年將細(xì)胞培養(yǎng)方法及微生物的菌落形成方法應(yīng)用到放射生物學(xué)研究中，首次描述了著名的哺乳類動(dòng)物細(xì)胞存活曲線。通常用數(shù)學(xué)模型來描述細(xì)胞存活曲線的形狀，在橫坐標(biāo)上找出照射劑量，在縱坐標(biāo)上找出存活率相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，將所有的點(diǎn)連接起來形成一條曲線即細(xì)胞存活曲線。此曲線反映了照射劑量與細(xì)胞存活率之間的關(guān)系。細(xì)胞存活曲線的臨床意義：1研究各種細(xì)胞與放射劑量的定量關(guān)系。2比較各種因素對(duì)放射敏感性的影響。3觀察有氧與乏氧狀態(tài)下細(xì)胞放射敏

27、感性的變化。4比較不同分割照射方案的放射生物學(xué)效應(yīng)，并為其提供理論依據(jù)。5考查各種放射增敏劑的效果。6比較單純放療或放療加化療或/和加溫療法的作用。7比較不同LET射線的生物學(xué)效應(yīng)。8研究細(xì)胞的各種放射損傷以及損傷修復(fù)的放射生物學(xué)理論問題。下圖是不同LET的劑量存活曲線，注意線（a）、中子（b）和粒子（c）的曲線形狀差異。圖00不同LET的劑量存活曲線第六節(jié)   電離輻射靶學(xué)說  靶學(xué)說（target theory）是揭示射線與生物體相互作用本質(zhì)的基礎(chǔ)理論之一。輻射所致的生物效應(yīng)是由于在靶細(xì)胞內(nèi)發(fā)生了一次電離作用或“能量沉積事件”的結(jié)

28、果，這種效應(yīng)的強(qiáng)度取決于輻射的性質(zhì)和靶的輻射敏感性。一、靶學(xué)說（target theory）的要點(diǎn)     1.細(xì)胞內(nèi)存在著對(duì)射線特別敏感的區(qū)域，稱作靶（target），射線照射在靶上即引起某種生物效應(yīng)。2. 射線與靶區(qū)的作用是一種隨機(jī)過程，是彼此無關(guān)的獨(dú)立事件，擊中的概率遵循泊松分布（Poisson  distribution）規(guī)律； 3. 射線在靶區(qū)內(nèi)的能量沉積超過一定值便會(huì)發(fā)生效應(yīng)，不同的靶分子或靶細(xì)胞具有不同的“擊中”數(shù)二、靶學(xué)說的數(shù)學(xué)模型早在1924年，Crowther用一種

29、數(shù)學(xué)模型力圖解釋X射線對(duì)細(xì)胞的影響，此后學(xué)者們提出了多個(gè)數(shù)學(xué)模型，包括：1.單擊單靶模型（Single hit single  target model），2.單擊多靶模型（Single hit multi  target model），3.兩擊單靶模型（Tow hit single  target model），4.單擊單靶+單擊多靶模型，5.線性二次模型（Linear quadratic formula，L-Q），其中，L

30、-Q模型廣泛應(yīng)用于臨床放射生物學(xué)中。下面僅介紹其中的三種。（一）單擊單靶模型細(xì)胞內(nèi)一個(gè)敏感靶區(qū)被電離粒子擊中一次，引起細(xì)胞死亡，稱為單靶單擊失活（single hit single - target inactivation）。如果用線性坐標(biāo)作圖，則哺乳動(dòng)物受到高LET輻射后的細(xì)胞存活曲線是一條S形的線；如果用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)作圖，則曲線是一條直線，為了便于理解，一般用半對(duì)數(shù)坐標(biāo)作圖反映照射劑量與細(xì)胞存活率之間的關(guān)系。細(xì)胞存活率（份數(shù)）S與照射劑量D之間的關(guān)系可用下列公式表示： S = e D （此為

31、單靶單擊模型）,e為自然對(duì)數(shù)的底，約等于2.7，此公式可改為S = e D/D0 , D01/。此模型表示細(xì)胞存活率S隨照射劑量D的增加呈指數(shù)性下降，細(xì)胞群受到劑量D0（對(duì)數(shù)斜率）照射后，如果平均每靶被擊中一次即D01, 則S  e D0  e 10.37,即細(xì)胞存活率（份數(shù)）為37%，也就是說有63%的靶細(xì)胞受到了致死性擊中而死亡。此模型適用于：1.能夠描述某些非常敏感的人體正常組織和腫瘤組織的輻射生物效應(yīng)，2.能夠描述高LET輻射生物效應(yīng)和在低劑量率情況下的輻射生物效應(yīng)。

32、（二）單擊多靶模型單擊多靶模型指細(xì)胞內(nèi)有n個(gè)敏感靶區(qū)，但只要1次電離事件即可引起細(xì)胞死亡。細(xì)胞存活曲線有如下特點(diǎn)：起始部分呈凸形彎曲，叫肩區(qū)，之后是直線下斜，肩區(qū)末端、直線起始部分的對(duì)數(shù)斜率為D1，表示把存活細(xì)胞比例降低到0.37所需要的劑量，直線部分的對(duì)數(shù)斜率為D0，表示把存活率從0.1降低至0.037所需的劑量。D1值反映細(xì)胞在低劑量區(qū)的放射敏感性，D0值反映細(xì)胞在高劑量區(qū)的放射敏感性，D0值越小，意味著細(xì)胞對(duì)放射線越敏感。直線向上延伸與縱坐標(biāo)相交的點(diǎn)稱為N值（外推值）。Dq表示擬閾劑量（quasithreshold dose，Dq），是劑量存活曲線上在存活率1處、劃一條與橫坐標(biāo)

33、的平行線，與直線部分延長(zhǎng)線相交，其所對(duì)應(yīng)的劑量即為Dq。單擊多靶模型的數(shù)學(xué)表達(dá)公式為：S 1-（1- e D/D0）N或DqD0eN。單擊多靶模型能夠描述在高劑量情況下哺乳動(dòng)物細(xì)胞的輻射生物效應(yīng)，但不能很好地表述在低劑量（如臨床上常用的分次劑量）情況下哺乳動(dòng)物細(xì)胞的輻射生物效應(yīng)。由于迄今沒有直接證據(jù)確定哺乳動(dòng)物細(xì)胞的輻射靶，因此，單擊單靶模型和單擊多靶模型的靶學(xué)說都不具備現(xiàn)代放射生物學(xué)基礎(chǔ)，已被線性二次模型（Linear-quadratic，L-Q）的理論取代。靶學(xué)說的兩種數(shù)學(xué)模型A.單擊單靶模型，B.單擊多靶模型（三）線性二次模型目前最常用線性二次模型來擬合細(xì)胞

34、存活曲線，解釋現(xiàn)代放射生物學(xué)中分次放療放射生物效應(yīng)(尤其低LET 射線照射時(shí))。1973年，Chadwick 和Leenhouts提出了線性二次模型，其理論基礎(chǔ)為假設(shè)細(xì)胞的死亡（即DNA雙鏈斷裂）有兩種方式：一種方式是由射線一次擊中二條鏈，造成兩個(gè)鏈同時(shí)斷裂（單擊）, 其生物效應(yīng)( E)與吸收劑量D成正比， 以D 表示；另一種方式是射線分別擊中二條鏈而引起細(xì)胞死亡（多擊）, 其生物效應(yīng)( E)與吸收劑量D的平方成正比， 以D2 表示。任何輻射效應(yīng)造成的細(xì)胞殺滅都是單擊致死性殺滅與亞致死性損傷累計(jì)

35、殺滅的總和。如圖線性二次模型可用下列數(shù)學(xué)公式表達(dá)細(xì)胞存活曲線：S  e -（D+D2）。其中,S 表示細(xì)胞存活率，D表示單次吸收劑量, 為單擊所產(chǎn)生的細(xì)胞死亡，即細(xì)胞存活曲線的初斜率常數(shù)，表示由于損傷累積而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，即細(xì)胞殺滅平方項(xiàng)的常數(shù)。當(dāng)DD2或者說上述兩種效應(yīng)相等時(shí)，/值即為兩種效應(yīng)相等時(shí)的劑量亦即D。方程S e -（D+D2）)兩邊取自然對(duì)數(shù)后，則- lnS D +D2。劑量D的生物效應(yīng)( E)可以看成是由D和D2兩部分組成。如照射n 次,上述方程式又可改寫成:&

36、#160;- lnSn n (D +D2 )。假設(shè):放射損傷所產(chǎn)生的生物效應(yīng)( E) 與靶細(xì)胞的死亡有關(guān)，在每次分割照射之間細(xì)胞能完全修復(fù)損傷，每次同等分割劑量所產(chǎn)生的生物效應(yīng)相同，分次照射之間,細(xì)胞增殖忽略不計(jì),那么： - lnSn  n (D +D2 )，E  n (D +D2)。從上述L - Q 模型可變換為：E.n. D.n. D2  &#

37、160;                                                 &#

38、160;    (1)方程(1)兩邊除以可得：E（）.n.Dn.D 2nD() D                                (2)方程(2)又稱為Thames模式，其中E/稱為總生物效應(yīng)( 

39、;TE) ,單位是Gy2 。如果放療總劑量n1D1一種治療方案與放療總劑量n2D2另一種治療方案有相同的生物效應(yīng)（即兩者E/值相等），且n1， n2分別表示兩種治療方案的分次數(shù)， D1 ，D2分別表示兩種治療方案的分次照射劑量，那么代入方程(2)后，則有：n1D1() D1n2D2() D2                   (3)因此

40、，n2D2n1D1() D1/() D2                     (4)                方程(1)中，在等式兩邊除以可得： E/nD1 +D/ (/

41、)                                       （5）方程(5)又稱為Fowler模式， E/稱作生物效應(yīng)劑量 (Biologically effe

42、ctive dose，BED)，單位為Gy，臨床醫(yī)師更習(xí)慣用此方程進(jìn)行生物效應(yīng)劑量的換算。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，只要知道值，就可計(jì)算出生物有效劑量。切記，F(xiàn)owler模式和Thames模式的應(yīng)用方法和原則是等效的；盡量避免使用生物等效劑量（Biologically equivalent dose）這一術(shù)語。1L - Q 模型的理論意義與經(jīng)典靶學(xué)說（如單擊單靶模型和單擊多靶模型）相比,L-Q 模型的優(yōu)越性表現(xiàn)在：（1）此模型適用于直接作用和間接作用，（2）模型充分考慮到損傷的修復(fù)問題，（3） 此模型中沒有電離粒子擊中的重疊問題

43、。2.LQ模型的局限性（1）沒有考慮細(xì)胞增殖因素，（2） 模型假設(shè)在分次照射間期，細(xì)胞必須完全修復(fù)亞致死性損傷，與實(shí)際情況有差距，（3） 絕大部分值是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，人體組織值還沒有確切的的數(shù)據(jù)。大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明在1-10Gy分割劑量范圍內(nèi)，L-Q模型能較好地反應(yīng)分割方案的等效關(guān)系，不過在分次劑量<2Gy時(shí)，估計(jì)生物效應(yīng)時(shí)有過量的危險(xiǎn)，臨床應(yīng)用時(shí)必須謹(jǐn)慎。3.L - Q 模型的臨床應(yīng)用。臨床放療科醫(yī)師經(jīng)常遇到非標(biāo)準(zhǔn)放療方案，由于非標(biāo)準(zhǔn)放療的分次劑量、總劑量與標(biāo)準(zhǔn)放療的分次劑量、總劑量各自具有不同的生物劑量（物理劑量有可能相等），因此，兩

44、種方案的比較不能簡(jiǎn)單地采用物理劑量的加減法，而只能采用生物劑量等效換算的方法。以下舉例說明BED的換算方法，假定脊髓和神經(jīng)組織的值為1，其它晚期反應(yīng)組織的值為3，腫瘤組織和急性反應(yīng)組織值為10 。 例（1）：75歲患者，前列腺癌伴胸段脊髓轉(zhuǎn)移，脊髓病灶外照射放療30 Gy /10次。問：2Gy分割的生物效應(yīng)等效劑量為多少?(神經(jīng)組織值取1)。已知d30 Gy/10次3 Gy/次，n10次，則BED 10×3 1 +3/ 1  40 Gy,即 2G

45、y分割的生物等效劑量為40 Gy。例（2）：頭頸腫瘤患者加速超分割放療，每天2次,1.5 Gy/次，2次間隔時(shí)間大于6小時(shí)，允許晚期反應(yīng)組織的完全修復(fù)，2 Gy分割的等效生物效應(yīng)劑量為50 Gy。問：加速超分割的總劑量為多少?(晚期組織的值取3)。已知D11.5Gy/次，n2D250Gy，從公式（4）可知，n1×1.5=50（3+2）/（3+1.5）,則n1×1.5=56，n137。即對(duì)于晚期效應(yīng)，加速超分割照射56Gy時(shí)，相當(dāng)2Gy分割照射50Gy產(chǎn)生的生物效應(yīng)。例（3）：頭頸部腫瘤患者，原計(jì)劃方案是70Gy/35次，由于頭6次放療

46、錯(cuò)誤給量，造成了4Gy/次，而不是2Gy/次，實(shí)際給了24Gy/6次，接下來的治療將繼續(xù)用2Gy/次治療。問保持與原方案相等的晚期損傷應(yīng)用多次照射？設(shè)纖維化的/=3.5 Gy則：BED70×(1+2/3.5)=110      BED124×(1+4/3.5)=51.4      BED2BEDBED1110 -51.458.6      BED2D2×(1+2/3.

47、5)= 58.6    D258.6/1.5737.3所以n237.3/218 或19次。例（4）：超分割放射治療, 已知D1.15Gy/次，n70次，每天2次，每次間隔時(shí)間8小時(shí)，共7周。問相當(dāng)于D2Gy/次，每周5天，需要放療多少次？已知8小時(shí)的不完全修復(fù)因子hM0.0248。解：每天多次放療，要考慮不完全修復(fù)因數(shù)，則公式（2）變?yōu)锽EDnD+D+ D×hM70×1.153+1.15+1.15×0.0248 384.65384.65相當(dāng)于常規(guī)放療2×n2的等效劑

48、量即:384.652n2 (3+2), n235(次)               第三章  分次放射治療的生物學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)   影響局部腫瘤控制的生物學(xué)因素局部腫瘤控制與否與許多因素有關(guān)，其生物學(xué)的影響因素包括：細(xì)胞固有放射敏感性（Radiosensitivity），修復(fù)（Repair）， 再氧合（Reoxygenation），再分布（Redistribution）

49、，再群體化(Repopulation，或Regeneration)。以上因素被Steel（1989年）稱之為分次放療的 “5R”,一般放射生物學(xué)文獻(xiàn)中見到的“4R”指的是后4個(gè)因素,是由Withers（1975年）總結(jié)出來的。（一） 放射敏感性放射敏感性是指細(xì)胞、組織、器官輻射效應(yīng)的強(qiáng)度。不同哺乳動(dòng)物的放射敏感性差異不大，而在同一哺乳動(dòng)物中，不同類型細(xì)胞的放射敏感性差異非常大。細(xì)胞放射敏感性一般遵循B-T定律(law of Bergonie and Tribondeau)，即組織細(xì)胞的放射敏感性與細(xì)胞增值能力成正比，與細(xì)胞分化程度成反

50、比。細(xì)胞周期中，M期細(xì)胞的放射敏感性最高，其次G2期細(xì)胞和G1期細(xì)胞，S期細(xì)胞最不敏感。一般說來，腫瘤細(xì)胞比正常的體細(xì)胞分化快，因此對(duì)輻射更敏感。（二）放射損傷的修復(fù)損傷的修復(fù)從分子水平到細(xì)胞水平有多種方式，但重要的是亞致死損傷和潛在致死損傷的修復(fù)。體外試驗(yàn)證實(shí)亞致死損傷的修復(fù)時(shí)間一般30分鐘至數(shù)小時(shí)，但不同組織的修復(fù)速率不同，因此在臨床分次（Multiple fraction）放射治療中，兩次照射的間隔時(shí)間應(yīng)該6小時(shí)，以便亞致死損傷完全修復(fù)；另外，不同組織的修復(fù)能力也不相同（見表）。從下圖a可以看出，單次(Single fraction)大劑量(6Gy)照射時(shí)，細(xì)胞的對(duì)數(shù)

51、存活率為10-2，細(xì)胞存活曲線陡峭，而多次小劑量(2Gy×3次)照射（累積劑量也是6Gy）時(shí)，細(xì)胞的對(duì)數(shù)存活率為10-1，細(xì)胞存活曲線較平坦。如這兩條曲線反映在正常組織細(xì)胞，那么多分次照射與單次大劑量照射相比，前者有更多的細(xì)胞存活，因此臨床多分次照射主要基于保護(hù)正常組織細(xì)胞的考慮。圖b顯示了正常組織與腫瘤分次照射的劑量存活曲線差異，可以看出正常組織存活曲線（虛線所示）平坦，腫瘤存活曲線（實(shí)線所示）陡峭，也就是說在分次照射時(shí)，正常組織細(xì)胞更易進(jìn)行亞致死損傷的修復(fù)，留下足夠多的正常細(xì)胞，而腫瘤細(xì)胞不易進(jìn)行亞致死損傷的修復(fù)，腫瘤細(xì)胞有可能完全被殺滅。   &#

52、160;                       單次和分次照射的細(xì)胞劑量存活曲線不同組織放射損傷的修復(fù) 腫瘤組織早反應(yīng)組織晚反應(yīng)組織修復(fù)能力低低強(qiáng)修復(fù)速度T 1/2快0.5h快0.5h慢1.5-2.5h （三）腫瘤細(xì)胞的再氧合 腫瘤細(xì)胞由兩部分組成，其中大部分是含氧細(xì)胞，對(duì)輻射敏感，小部分（約30%）是乏氧細(xì)胞，對(duì)輻射不敏

53、感。腫瘤供氧主要依賴腫瘤毛細(xì)血管內(nèi)的血流將氧彌散給瘤細(xì)胞，因此靠近毛細(xì)血管的瘤細(xì)胞含氧豐富，而遠(yuǎn)離毛細(xì)血管者成為乏氧細(xì)胞。見圖。直徑<1mm的腫瘤是氧合充分的，超過此值便會(huì)出現(xiàn)部分乏氧。 如果用大劑量單次照射，腫瘤內(nèi)大多數(shù)氧合的細(xì)胞將會(huì)被殺死，存活下來的細(xì)胞多為乏氧細(xì)胞，放療后即刻的乏氧分?jǐn)?shù)（hypoxic fraction）接近100%，隨后乏氧分?jǐn)?shù)下降并達(dá)到其初始值（氧合充分），此現(xiàn)象稱之為再氧合。Van putten和 Kallman做了幾個(gè)有趣的試驗(yàn)，第一個(gè)試驗(yàn)測(cè)量到未經(jīng)放療的移植性肉瘤鼠中的腫瘤細(xì)胞乏氧比率為14%，第二個(gè)試驗(yàn)方法為予移植

54、性肉瘤鼠放療，每天照射一次，每次劑量1.9Gy，周一至周四，共照射4次，周五測(cè)量腫瘤細(xì)胞乏氧比率也為14%。他們的試驗(yàn)表明，在分次放療期間，腫瘤乏氧細(xì)胞變成了氧合的細(xì)胞，如果不是這種情況，腫瘤細(xì)胞乏氧比率應(yīng)該會(huì)明顯增高。因此，腫瘤細(xì)胞的氧合狀態(tài)是動(dòng)態(tài)的，而不是一成不變的。腫瘤細(xì)胞的再氧合機(jī)理目前尚未完全闡明，不過已知腫瘤細(xì)胞的乏氧現(xiàn)象是放療抗拒和化療耐藥的重要原因。圖000 腫瘤細(xì)胞氧供應(yīng)狀況                &

55、#160;    腫瘤細(xì)胞再氧合過程 （四）細(xì)胞周期的再分布  分次照射期間，細(xì)胞在周期時(shí)相內(nèi)的行進(jìn)，稱為細(xì)胞的再分布。腫瘤受照射后選擇性地殺傷比較敏感的細(xì)胞，使非同步化的細(xì)胞群變成相對(duì)同步化的放射抗拒的細(xì)胞群 。細(xì)胞受到亞致死性照射后，主要表現(xiàn)有絲分裂的延遲，從而使細(xì)胞下一周期推遲。不同增殖時(shí)相的細(xì)胞放射敏感性是不同的，一般是S期的細(xì)胞最具輻射抗拒性， M期的細(xì)胞放射最敏感，據(jù)報(bào)道，G2期和M期細(xì)胞的放射敏感性是S期細(xì)胞的三倍。上述現(xiàn)象的原因不太清楚。不同增殖時(shí)相的細(xì)胞劑量存活曲線（五）細(xì)胞的再群體化再

56、群體化是大多數(shù)腫瘤細(xì)胞和早反應(yīng)正常組織細(xì)胞補(bǔ)充放射損傷的最主要方式,但此現(xiàn)象在晚期反應(yīng)組織中可以忽略不計(jì)。1正常組織 正常組織 損傷之后，在機(jī)體調(diào)節(jié)機(jī)制作用下，組織的干細(xì)胞及子代細(xì)胞增殖、分化、恢復(fù)組織原來形態(tài)的過程稱做正常細(xì)胞再群體化。如肺癌患者常規(guī)放療大約2周后，出現(xiàn)進(jìn)食吞咽痛的癥狀，經(jīng)過一段時(shí)間（約4周）后，盡管放射的劑量達(dá)DT40Gy，但患者的吞咽疼痛明顯減輕，其原因就是食道黏膜上皮的加速再群體化，使食道黏膜的放射損傷有不同程度的修復(fù)。2腫瘤組織  輻射可激活腫瘤內(nèi)存活的克隆源細(xì)胞，使之比照射以前分裂更快，稱為腫瘤細(xì)胞加速再群體化。換言之，進(jìn)行分

57、次照射時(shí)，每次照射的劑量不可能破壞全部腫瘤細(xì)胞，在此期間，腫瘤細(xì)胞可進(jìn)行再群體化產(chǎn)生更多的腫瘤細(xì)胞。據(jù)推測(cè)，大多數(shù)頭頸部腫瘤細(xì)胞的加速增殖發(fā)生在放療的第2-4周以后。腫瘤細(xì)胞再群體化的臨床意義在于：（1）盡量不要延長(zhǎng)總治療時(shí)間，（2）不考慮單純分段放療，（3）非醫(yī)療原因所致治療中斷，需在后來的治療當(dāng)中采取補(bǔ)量措施，（4）增殖周期短的腫瘤可采用加速分割。第二節(jié)   早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織正常組織在照射后出現(xiàn)反應(yīng)的時(shí)間及其與劑量的關(guān)系決定于器官或組織內(nèi)的干細(xì)胞、增殖性細(xì)胞和功能性增殖特點(diǎn)。 早反應(yīng)組織是機(jī)體內(nèi)分裂、增殖活躍并對(duì)放射線早期反應(yīng)強(qiáng)烈的組織，放射反

58、應(yīng)常在放療早期出現(xiàn)，在治療后很快恢復(fù)，如粘膜紅斑、潰瘍等；正常早反應(yīng)組織具有較高的/值(10Gy左右)，存活曲線表現(xiàn)的彎曲程度較小。 晚反應(yīng)組織指機(jī)體內(nèi)那些無再增殖能力，損傷后僅以修復(fù)的方式代償其正常功能的細(xì)胞組織，放射損傷常在放療結(jié)束后一段時(shí)間出現(xiàn)，如放射性肺炎，放射性脊髓損傷、放射性肌肉萎縮等。正常晚反應(yīng)組織的/值較低（約3Gy），可修復(fù)損傷累積引起的殺傷相對(duì)多。研究說明，晚反應(yīng)組織比早反應(yīng)組織對(duì)分次劑量的大小變化更敏感，加大分次劑量，晚反應(yīng)組織損傷會(huì)加重，相反，減小分次劑量，晚反應(yīng)組織損傷可以減輕，這也是當(dāng)前采用超分割放射治療的原因之一。晚反應(yīng)組織對(duì)總治療時(shí)間的變化不敏感，而早

59、反應(yīng)組織對(duì)總治療時(shí)間的變化很敏感，也就是說，縮短總治療時(shí)間，早反應(yīng)組織損傷加重而晚反應(yīng)組織的損傷一般不會(huì)加重，有利于克服腫瘤組織加速再增殖，這是當(dāng)前采用超分割放射治療的另一個(gè)原因。圖00為兩種組織細(xì)胞存活曲線，曲線B（晚反應(yīng)組織）比曲線A（早反應(yīng)組織）更陡傾，說明晚反應(yīng)組織比早反應(yīng)組織對(duì)分次劑量的影響更明顯。圖000 早、晚反應(yīng)組織的細(xì)胞存活曲線第三節(jié)     臨床放射治療中常規(guī)分割和非常規(guī)分割治療臨床放射治療通常采用分次給劑量的方式，但每次分割劑量、總劑量、放療間隔時(shí)間、總療程對(duì)腫瘤組織，早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織均有明顯的影響。見表。

60、一、常規(guī)分割（conventional fractionation ，CF）又可稱為標(biāo)準(zhǔn)放療方案（Standard radiation therapy regimens），由法國(guó)人Coutard于1930年代首次提出，指每天照射一次，每周照射5次，每次劑量1.82GY，照射總劑量DT60-70GY/6-7周。常規(guī)分割理由如下：1.多次分割使得腫瘤細(xì)胞再分布和再氧合，因而增加了對(duì)腫瘤的損傷。2.多次分割通過正常細(xì)胞亞致死損傷的修復(fù)及再群體化機(jī)制，保護(hù)了正常組織。3.該方法在腫瘤控制與早反應(yīng)正常組織損傷、晚反應(yīng)正常組織并發(fā)癥方面取得了較好的平衡即每次小劑量的照射保護(hù)晚反應(yīng)組織，而多次分割可以使得腫瘤細(xì)胞再氧合以及有利于早反應(yīng)組織再增殖。二、非常規(guī)分割治療（一）超分割放射治療(Hyperfractionation Radiation Therapy,HRT  )每天照射2次,每次1.1-1.3 GY，兩次間隔時(shí)間6小時(shí)，每周照射5天。其目的是進(jìn)一步分開早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織的效應(yīng)差別，最大限度地保護(hù)晚反應(yīng)組織，提高腫瘤劑量。1加速