放射肿瘤学基础.ppt

第十二章,主讲：王珍琦 卫生部放射生物学重点实验室 吉林大学 放射生物学教研室 2014年11月17日,放射肿瘤学基础或肿瘤放射生物学是放射生物学的重要分支，是在放射生物学研究的基础上，探讨肿瘤组织对电离辐射局部作用的反应特点，为临床放射治疗提供理论基础，其目的是设计合理的治疗方案，以提高射线对肿瘤的杀伤作用，减轻正常组织的损伤，从而提高肿瘤放射治疗的效率。,第一节 肿瘤细胞动力学 第二节 肿瘤对电离辐射的反应 第三节 肿瘤放射敏感性 第四节 放射治疗中的分次照射,第十二章 放射肿瘤学基础,前 言,研究肿瘤细胞群的增殖动力学，是观察细胞的运动，以形容一个细胞群的生长来说明肿瘤细胞总数的变化，而不是个体细胞的循环； 由于正常细胞群和肿瘤细胞群增殖动力学的差异，射线对它们产生不同的影响和损伤，通过改变影响因素，扩大损伤差异，为提高肿瘤治疗疗效提供细胞学基础。,第一节 肿瘤细胞动力学,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群 二、肿瘤细胞动力学参数 三、肿瘤细胞增殖动力学特点 四、人类肿瘤的生长动力学,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群,肿瘤是生物体内按自身规律增殖的细胞群，它的增殖不受机体的正常稳定控制系统约束。 增殖细胞（proliferating cell, P细胞） ： 由活跃的具有分裂增殖能力的细胞组成，是肿瘤体积增长的主要来源。增殖细胞占整个肿瘤细胞群体的比例称为生长比例；能不断增殖的肿瘤细胞称为克隆源性细胞（clonogenic cell），其特性是能够不断分裂增殖。 静止细胞（quiescent cell, Q细胞） ：G0期细胞，保持生长能力，复发根源 由分化的终末细胞组成的细胞群 ：无增殖能力的衰老细胞，从肿瘤治疗角度看已死亡。 由已死亡或正在死亡的细胞组成的细胞群：即将从细胞群内排除的细胞群,第一节 肿瘤细胞动力学,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群 二、肿瘤细胞动力学参数 三、肿瘤细胞增殖动力学特点 四、人类肿瘤的生长动力学,二、肿瘤细胞动力学参数,（一）细胞周期各时相的定量估算 （二）细胞周期各时相时间测定,有丝分裂指数（mitotic index, MI） 有丝分裂时间占细胞周期时间的比例 MI=Tm/Tc Tm为有丝分裂时间；Tc为细胞周期时间 标记指数（labeling index, LI） DNA合成时间(Ts)占细胞周期时间(Tc)的比例 LI= Ts/ Tc,（一）细胞周期各时相的定量估算,二、肿瘤细胞动力学参数,LI的3H-TdR法测定,二、肿瘤细胞动力学参数,（一）细胞周期各时相的定量估算 （二）细胞周期各时相时间测定,标记有丝分裂百分率法（PLM）：原理是对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。,（二）细胞周期各时相时间测定,二、肿瘤细胞动力学参数,Tc=TG1+Ts+TG2+Tm,待测细胞经3H-TDR标记后，所有S 期细胞均被标记。 S期细胞经G2期才进入M期，所以一 段时间内PLM=0。 开始出现标记M期细胞时，表示处 于S期最后阶段的细胞，已渡过G2 期，所以从PLM=0到出现PLM的时 间间隔为TG2。 S期细胞逐渐进入M期，PLM上升， 到达到最高点的时候说明来自处于S 最后阶段的细胞，已完成M，进入 G1期。所以从开始出现到PLM达到 最高点（100%）的时间间隔就是 TM。 当PLM开始下降时，表明处于S期最 初阶段的细胞也已进入M期，所以 出现PLM到PLM又开始下降的一段 时间等于TS。 从PLM出现到下一次PLM出现的时 间间隔就等于TC，根据 TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的 TG1长度。,TG2,Tm,TC,TS,TG1+ TG2,a,b,c,d,e,f,g,h,i,a,b,c,d,e,f,Tc=TG1+Ts+TG2+Tm,待测细胞经3H-TDR标记后，所有S期细胞均被标记。 S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间内PLM=0。 开始出现标记M期细胞时，表示处于S期最后阶段的细胞，已渡过G2期，所以从PLM=0到出现PLM的时间间隔为TG2。 S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段的细胞，已完成M，进入G1期。所以从开始出现到PLM达到最高点（100%）的时间间隔就是TM。 当PLM开始下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，所以出现PLM到PLM又开始下降的一段时间等于TS。 从PLM出现到下一次PLM出现的时间间隔就等于TC，根据TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1长度。,二、肿瘤细胞动力学参数,曲线峰值,50%处水平距离,有把握确定的点只有曲线峰值和50%处水平距离 第一峰的宽度相当于Ts: 即由曲线上升段的50%处到曲线下降段50%处之间的时间。 整个周期时间Tc为相继两个峰值之间的时间。 用另外的实验可计算有丝分裂指数（MI）。因为MI = Tm/Tc，Tc已知，所以Tm可由计算求得。 从脉冲标记开始到曲线上升段50%处的时间为TG2 + Tm/2时间，因为Tm已知，所以可由计算求得TG2。此时，由于Tc及其它各时相时间均已知，则可由前式求得TG1值,离体培养细胞和实验动物肿瘤细胞周期及其组成部分,二、肿瘤细胞动力学参数,第一节 肿瘤细胞动力学,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群 二、肿瘤细胞动力学参数 三、肿瘤细胞增殖动力学特点 四、人类肿瘤的生长动力学,三、肿瘤细胞增殖动力学特点,细胞周期时间：不同类型肿瘤细胞的细胞周期时间（TC）不同；同一肿瘤在不同情况下也有TC的不同。在人类肿瘤中，许多研究指出，细胞周期时间在15h到100 h，平均2.3d 。 生长分数（growth fraction）：细胞群体中有增殖能力的细胞数与细胞总数之比值： 上述的标记指数（LI）大体上等于细胞群体的生长分数。尽管实体瘤因来源物种、分化程度和组织类型不同，但大体处于30% 50%之间。,确定肿瘤生长速率主要考虑以下因素：,细胞丢失系数（）： 代表肿瘤潜在生长能力的丢失情况。代表细胞丢失率与新的细胞产生率之比。 =1-Tp/Td Tp: 潜在肿瘤倍增时间，在此时间内，肿瘤体积增加一倍；Td：实际肿瘤倍增时间。变化幅度大：0-90%，细胞丢失是影响肿瘤生长的重要因素。,细胞的生长与丢失,三、肿瘤细胞增殖动力学特点,肿瘤的生长速率是细胞增殖与细胞丢失相平衡的结果。多数情况下，肿瘤的生长速率比已知的肿瘤细胞周期时间和生长分数所应有的生长速率要慢得多。这个差别是由于细胞丢失所造成的。,细胞丢失 途径： 营养不良性坏死 远离血管的细胞； 细胞增殖死亡 死于免疫打击 转移 脱落 结论 如果细胞周期时间短、生长分数较高、细胞丢失少，那么肿瘤生长较快 。,三、肿瘤细胞增殖动力学特点,第一节 肿瘤细胞动力学,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群 二、肿瘤细胞动力学参数 三、肿瘤细胞增殖动力学特点 四、人类肿瘤的生长动力学,四、人类肿瘤的生长动力学,人体肿瘤的倍增时间差异很大，随人而异。 相同组织类型的肿瘤发生在不同病人身上，其生长速率有很大差异。 相反，发生在同一病人身体上的不同转移癌却具有相近似的生长速率。 同时观察到，肿瘤生长速率与组织学类型之间也有一定的联系。 倍增时间依次为：胚胎瘤27 d，恶性淋巴瘤29 d，肠系膜肉瘤41 d，鳞状上皮癌58 d，腺癌82 d。 倍增时间还似乎与分化程度有关，低分化癌通常增长较快。 90%肿瘤的细胞周期时间为15 125 h。 恶性细胞的周期时间远比对应的正常组织细胞周期短（源于迅速增殖的正常组织的肿瘤除外，如白血病或胃肠道肿瘤则不在此列）。 与转移癌相比较，原发癌的生长明显缓慢。,表14-2 原发人体肿瘤与同体转移瘤倍增时间的比较,括号内为病人数,表中数据表明，与转移癌相比，原发癌的生长明显缓慢,本次课内容,一、根据肿瘤细胞增殖动力学划分的细胞群 二、肿瘤细胞动力学参数 三、肿瘤细胞增殖动力学特点 四、人类肿瘤的生长动力学,重 点,肿瘤细胞增殖动力学特点,要求掌握的内容,一、解释下列术语： 有丝分裂指数（MI） ，标记指数（LI）， 标记有丝分裂百分率法（PLM）, 生长分数（GF）, 丢失系数（）： 二、回答下列问题： 试述决定肿瘤生长速率的因素.,第一节 肿瘤细胞动力学 第二节 肿瘤对电离辐射的反应 第三节 肿瘤放射敏感性 第四节 放射治疗中的分次照射,第十二章 放射肿瘤学基础,由于正常细胞群和肿瘤细胞群（cell population）在增殖动力学上的差异，以及其在损伤恢复能力上、结构特点上的不同，使其对辐射反应不同。也就是说，射线可以对这两种细胞群产生不同的影响和损伤，并且可以通过不同影响因素扩大损伤的差距。认真研究肿瘤细胞对辐射反应的特点及其与正常细胞的差异，是提高肿瘤临床放射治疗效果的基础。,前 言,第二节 肿瘤对电离辐射的反应,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,SF是D剂量照射后的细胞存活率，和是常数。当D=D2或D=/时，细胞杀死与剂量成正比例和与剂量平方成正比例的组成部分相等。既线性和二次细胞杀灭的贡献相等时的剂量等于与的比值。参数代表起始斜率，决定低剂量照射下损伤的程度，参数代表效应的超线性部分，它的贡献随剂量增加而加大。当线性部分和二次方部分对杀灭的细胞贡献相等时其剂量等于和的比值，即/。,线性二次方程：SF=e -D-D2,一、肿瘤快增殖细胞反应,早反应组织（early response tissue)亦称快更新组织（fast renew tissue)，是指那些分裂、增殖活跃，对射线早期反应强烈的正常组织和大多数肿瘤组织。早反应组织主要表现为急性反应，有些组织内的干细胞在放疗开始1 2 d内就开始增殖，一般为照射后2到3周开始再生，如粘膜、小肠绒毛细胞、皮肤、骨髓和精原细胞等。应适当延长放射治疗的时间。因为治疗速度过快会引起早反应组织的严重反应，影响疗效。 晚反应组织（late response tissue)亦称慢更新组织(slow renew tissue)，是一些已经分化的缓慢更新器官，无再增殖能力，损伤后仅以修复代偿其正常功能的细胞组织，一般都有纤维细胞和其它结缔组织的过度生长，形成广泛的纤维化。另外，还有内皮细胞的损伤，最终造成血供减少及器官特定功能的缓慢丧失。在晚反应正常组织中，肺脏、脊髓、膀胱、脑、肝脏、肾脏和骨骼组织受照射后的损伤往往由邻近细胞的复制（功能细胞进入分裂周期）来代偿，而不是干细胞分裂分化成终末细胞的结果。如果肿瘤周围是晚反应组织，则增加分次照射的次数，以得到缩短总治疗时间，加速治疗的目的。,一、肿瘤快增殖细胞反应,大多数肿瘤都含有相当比例的快增殖细胞（fast proliferation cell），因此属于早反应组织，其反应类似于早反应的正常组织。 放射反应的速度并不能衡量肿瘤的放射敏感性。 放射反应的速度取决于 肿瘤内克隆原性细胞的增殖动力学 肿瘤细胞的寿命。 所有肿瘤一次照射后都有肿瘤体积的缩小，照射前生长慢的肿瘤照射后体积缩小到最小的时间长，随后又有一个较前更快的生长使肿瘤体积再次增大，有的肿瘤照射后的体积倍增时间比照射前加快5倍，随后慢慢恢复到原来的增长速度。,第二节 肿瘤对电离辐射的反应,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,二、肿瘤细胞群反应,肿瘤细胞群依其增殖动力学分为增殖细胞、静止细胞、由分化的终末细胞组成的细胞群。肿瘤细胞受电离辐射照射后，有自己的、与正常细胞不同的反应系统，在不同肿瘤之间的反应也极为不同。这种对射线反应上的差别是临床上能够利用射线治疗肿瘤的理论基础。,二、肿瘤细胞群反应,多数肿瘤细胞周期较短，处于增殖期的细胞较多，生长比率较大，对射线敏感，因此受致死性损伤或其它损伤较正常细胞多 。 照射后细胞群内细胞周期再分布可以改变细胞群的敏感性。 正常细胞一般增殖比较缓慢，PLD明显；肿瘤细胞增殖比较活跃，PLD较少。 分次照射之间的细胞再增殖可部分抵消照射的杀伤作用。 有一些肿瘤增长较慢，是由于细胞丢失率太高造成的。 肿瘤组织受照射缩小后，可能有再生长加速现象，因此疗程不宜过长； 肿瘤细胞受照后恢复较慢，实验肿瘤在照射后可见G2期有显著延长，这可能是由于肿瘤组织内一部分细胞处于慢性乏氧状态，亚致死性损伤修复较慢的原因。,影响肿瘤细胞群对电离辐射反应的相关因素：,G2/M,G1,ES,LS,G1,S,G2,M,G2/M,G1,ES,LS,二、肿瘤细胞群反应,结论：对人体肿瘤的观察发现细胞增殖率及细胞丢失率和放射敏感性之间有明显的关系，凡平均生长速度快、生长比例及细胞更新率高的肿瘤对放射较敏感。,第二节 肿瘤对电离辐射的反应,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,三、肿瘤内血管的反应,肿瘤血管生成的过程,新生血管形成与恶性肿瘤,肿瘤细胞产生,肿瘤组织形成,肿瘤细胞的转移和浸润,原癌基因和抑癌基因突变,分泌血管生长因子,分泌蛋白酶水解酶,三、肿瘤内血管的反应,肿瘤与血管生成的关系： 肿瘤组织大于1mm3时，需要生成新的血管为其继续增殖提供足够的氧气和营养物质，排除代谢产物，同时肿瘤细胞通过血管向四周组织和器官侵入，发生转移。因此，新血管的生成是肿瘤迅速增殖和转移的重要条件。,三、肿瘤内血管的反应,首先，原来造成静脉和淋巴管闭塞的膨胀压力，以及可能存在的反射性循环变慢或绞窄的病理变化，均能得到缓解。 其次当肿瘤继续缩小时，组织中毛细血管密度增加，可以使肿瘤内血管成份从10% 25%增加到25% 30%，反过来又可以使肿瘤细胞有较好的血运及氧合。 肿瘤进一步缩小时，毛细血管大多数会消失，仅留一纤维瘢痕。放射抗拒的肿瘤，肿瘤细胞的丢失很可能是间接的后果。,电离辐射引起肿瘤内血管的改变：,第二节 肿瘤对电离辐射的反应,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,四、照射后肿瘤组织的恢复与生长,由于正常组织有自动稳定控制系统，因此每次照射后正常组织及肿瘤组织的恢复及生长情况都不同： 正常组织受照射后细胞增殖周期的恢复较肿瘤细胞为快。实验肿瘤照射后可见G2期有显著的延长，这是由于肿瘤组织内一部分细胞处于慢性乏氧状态，因此亚致死损伤的修复较慢； 照射后肿瘤可能有暂时的加速生长，但这种生长速度比不上正常组织为填补损伤而出现的增殖加速。 肿瘤细胞群内的生长比例原来就较正常组织为大，处于细胞周期活动的细胞多，受致死损伤的就比正常组织多，受其它不同程度损伤的也较正常组织多。,第二节 肿瘤对电离辐射的反应,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,（一）S形剂量-存活曲线,肿瘤局部控制率的正常组织并发症发生率与剂量的关系,即在较小剂量时无致死效应， 随着剂量增高，致死效应迅速增大； 在肿瘤致死效应约80% 90%处的照射剂量能使肿瘤细胞全部被消灭， 该剂量点以上，剂量显著增大而致死效应只略为增高。 当照射剂量达到一定数值虽可使肿瘤细胞全部死亡，但该剂量往往已超过正常组织的耐受量。,五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,第1相（A）的存活率主要与肿瘤的有氧细胞有关； 第2相（B）的存活率主要与乏氧细胞有关。 表明有氧细胞的辐射敏感性比乏氧细胞强。,（二）体内照射的剂量存活曲线,WHT/Ht小鼠的鳞状上皮癌的存活曲线,A,B,C,五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,体内肿瘤照射后肿瘤细胞的存活曲线是双相性。 第一相的存活率主要与肿瘤的有氧细胞有关；第二相的存活率主要与乏氧细胞有关。 小剂量照射死亡的细胞大部分是有氧细胞，乏氧细胞则死亡不多，所以存活率主要与有氧细胞的改变有关； 大剂量照射有氧细胞几乎全部死亡，所以在此情况下，存活率主要取决于乏氧细胞的变化。,（二）体内照射的剂量存活曲线,本次课内容,一、肿瘤快增殖细胞反应 二、肿瘤细胞群反应 三、肿瘤内血管的反应 四、照射后肿瘤组织的恢复与生长 五、肿瘤的辐射剂量-效应曲线,要求掌握的内容,一、解释下列术语： 早反应组织，晚反应组织 二、回答下列问题： 试述肿瘤的辐射剂量-效应曲线的特点。,第一节 肿瘤细胞动力学 第二节 肿瘤对电离辐射的反应 第三节 肿瘤放射敏感性 第四节 放射治疗中的分次照射,第十二章 放射肿瘤学基础,第三节 肿瘤放射敏感性,一、肿瘤放射敏感性 二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素 三、放射敏感性的预测,一、肿瘤放射敏感性, 肿瘤的组织来源不同对放射线的敏感程度不同，起源于对放射线敏感组织的肿瘤，较起源于对放射线抗拒组织的肿瘤对放疗敏感程度高。恶性淋巴瘤、精原细胞瘤 肿瘤细胞的分化程度不同放疗敏感程度也不同，同一类肿瘤的分化程度越差，即恶性程度越高，增殖能力越强，也即生长越快对放疗越敏感。如级星形细胞瘤对放疗不敏感，而和级星形细胞瘤则相对敏感。 肿瘤生长方式对放疗敏感性也有影响，凡向表面生长的肿瘤，如表浅型和菜花型，对放疗较敏感，而向深部浸润生长的如浸润型和溃疡型肿瘤，敏感性差。 病程的早晚对放疗敏感也有影响，早期肿瘤体积小，血运好、乏氧细胞少或无，对放疗敏感而易于被杀灭；当肿瘤已属晚期，体积增大，肿瘤血运较差，乏氧细胞增多，有时甚至出现中心部缺氧坏死、液化，放疗敏感性则降低，治疗效果差。,肿瘤细胞的组织来源、分化程度、生长方式和病程早晚的不同可以影响放射敏感性：,一、肿瘤放射敏感性,第三节 肿瘤放射敏感性,一、肿瘤放射敏感性 二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素 三、放射敏感性的预测,前 言,影响肿瘤放射敏感性的差别还包括所处的微环境，其中最重要的就是肿瘤细胞的氧合状态，即乏氧细胞在肿瘤内的比例变化。然而，在任何情况下，氧效应都不足以解释临床所见的所有差异，还必须考虑一些其他的因素，如增殖动力学的差异、肿瘤干细胞及表观修饰、DNA损伤及修复、细胞周期以及肿瘤内在的放射敏感性差异等。,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,1. 乏氧细胞及组织氧合 2. 乏氧细胞形成机制 3. 乏氧引起放射抗拒的机制 4. 靶向乏氧提高放疗效果,（一）氧合状态,乏氧细胞,normoxic component,hypoxic component,Lymphosarcoma,Two-component curve,第一部分D0: 1.1Gy 第二部分D0: 2.6Gy,一部分含氧细胞，对辐射敏感 一部分乏氧细胞，对辐射不敏感,乏氧细胞,概念,特点,结局,解决途径,是指氧含量非常低、对辐射敏感性极低的细胞。,肿瘤乏氧细胞在新陈代谢、分子遗传学及病理生理方面发生改变, 对放疗和化疗抗拒导致肿瘤局部复发、远处转移和预后不良。,使乏氧细胞再氧和。,乏氧细胞比例一般在10%-20%,也有高达50%和少于1%者； 其比例高低与肿瘤的细胞学类型及增长速率有关, 通常比例随肿 瘤体积增大而增加。,乏氧细胞,Diffusion of oxygen through a capillary in tumor tissue,乏氧细胞,慢性乏氧细胞：Thomlinson和Gray在观察大量人支气管癌切片标本中发现，在瘤索半径超过200 m时，中心部有坏死，半径小于160 m的瘤索无坏死。在两者之间有一层氧张力较低的细胞，称之为乏氧细胞，由于它们距离血管较远，氧和营养物质的供应不足，细胞失去增殖能力。肿瘤内这些乏氧细胞一般称为慢性乏氧细胞。 急性乏氧细胞：当实验需要，采用人为方法（如机械方式阻断或减慢血流）使原来氧充分的细胞造成乏氧，或在离体实验需要时通入纯氮气使细胞乏氧，称为急性乏氧细胞。,Acute and Chronic Hypoxia in Tissue,乏氧细胞,实验肿瘤的乏氧细胞百分比,乏氧细胞,乏氧细胞的比例高低与肿瘤的细胞学类型及增生速率有关，通常比例随肿瘤体积增大而增加，据报道当肿瘤体积由200 mm3增大到2000 mm3时， 小鼠纤维肉瘤KHT肉瘤中乏氧细胞比例可由12%增加到23%， 但RIF-1肿瘤中则只由0.9%增加到1.7%， 而人的OWI肿瘤中乏氧细胞的比例则无明显变化。,乏氧细胞,1 Air curve mice breathing air mixture of hypoxic and aerated cells 2 Hypoxic curve mice asphyxiated by breathing N2 or cells irradiated in vitro in N2 3 Oxic curve cells in vitro in O2,1,2,3,Hypoxic Cell Fraction in Mouse Tumor,组织氧合,含不同百分比的乏氧细胞单次照射后的存活曲线,0.001%乏氧,100%乏氧,10%乏氧,0. 1%乏氧,完全有氧,完全乏氧,组织氧合,Hewitt和Wilson设计了含有不同比例乏氧细胞存活率的实验，绘出了含有不同百分比的乏氧细胞在单次照射时的细胞存活曲线。图中清楚地表明，当乏氧细胞的百分含量减少时，在相同的照射剂量下，细胞的存活数也减少，也就是说当组织合氧状况良好时，乏氧细胞含量降低，在同一剂量的射线照射下，细胞的存活率下降，即细胞对射线的敏感性增加。根据这些实验，用改变组织氧合的方式，来提高临床上对肿瘤放射治疗的治愈率。,1. 乏氧细胞及组织氧合 2. 乏氧细胞形成机制 3. 乏氧引起放射抗拒的机制 4. 靶向乏氧提高放疗效果,（一）氧合状态,2. 乏氧细胞形成机制,几乎所有的实体瘤中均有乏氧细胞存在。乏氧细胞比例一般在10% 20%左右，也有高达50%和少于1%者；其比例高低与肿瘤的细胞学类型及增生速率有关，通常比例随肿瘤体积增大而增加。 主要通过慢性乏氧和急性乏氧产生乏氧细胞。 慢性乏氧：即肿瘤细胞因超过了氧的有效弥散距离（100 150 m）而处于乏氧状态，即由于超过了功能性血管有效供氧范围而引起的乏氧； 急性乏氧：而由于肿瘤血管网结构和功能异常或肿瘤组织间液压升高使血管内血流暂时减少或阻滞，也会导致血管周围细胞缺氧，这种由血管原因所致短暂血流中断、血管周围细胞乏氧称为急性乏氧。,1. 乏氧细胞及组织氧合 2. 乏氧细胞形成机制 3. 乏氧引起放射抗拒的机制 4. 靶向乏氧提高放疗效果,（一）氧合状态,3. 乏氧引起放射抗拒的机制,乏氧引起肿瘤对放疗产生抗拒性的可能机制有： 乏氧使细胞增殖能力降低； 乏氧处血管形成异常，且乏氧细胞远离血管； 乏氧肿瘤细胞生长缓慢或处于G0期； 乏氧环境通过诱导基因点突变、缺失及DNA 链断裂和增加基因组不稳定性等机制，使一些原癌基因激活或抑癌基因失活，如抑癌基因p53缺失和凋亡抑制蛋白Bcl-2过表达，使肿瘤细胞凋亡减少，从而产生辐射抗拒性。研究发现，短期缺氧对细胞成活无明显影响，但随着缺氧时间的延长和凋亡细胞数的增多，缺氧可降低细胞对射线的敏感性。,1. 乏氧细胞及组织氧合 2. 乏氧细胞形成机制 3. 乏氧引起放射抗拒的机制 4. 靶向乏氧提高放疗效果,（一）氧合状态,4. 靶向乏氧提高放疗效果,（1）增强组织氧合 （2）乏氧细胞增敏剂：乏氧细胞增敏剂是一种能提高肿瘤内氧含量、减少乏 氧细胞产生的方法。 （3）生物还原剂 ：生物还原剂也称作乏氧细胞毒物，可在肿瘤乏氧区产生对 乏氧细胞有毒的产物，具有细胞毒性和射线增敏双重功效。 （4）特异性调控靶基因的放疗增敏 ：此方法调控DNA修复能力和细胞周期进 程，并促进凋亡有关基因或因子的作用，如自杀基因、ATM 基因和转录 因子NF-B等。,4. 靶向乏氧提高放疗效果,（1）增强组织氧合： 在高压氧仓中进行放射治疗，增加血液中氧浓度，使乏氧细胞变成有氧细胞； 在照射同时，在常压下，让病人吸入含95%氧与5% CO2的混合气体，可引起呼吸频率增加，促使末梢血管扩张，氧扩散增加； 采用传递修饰剂，如氟碳乳剂（FC）能携带大量的氧，并能在进入肿瘤组织的乏氧区而放出氧； 血红蛋白携氧能力增强化合物，如BW12C和BW589C； 钙离子拮抗剂（如肉桂苯哌唪、氟桂唪）通过抑制细胞呼吸而达到提高肿瘤细胞氧张力的作用； 利用每次照射后乏氧细胞转变成氧合细胞的规律，采用小剂量分次照射。,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,（二）增殖动力学差异,3种因素,组织类型,生长比例,细胞丢失,B-T定律：即一种组织的放射敏感性与其分裂活跃程度成正比，与其分化程度成反比。,增殖动力学的差异,（二）增殖动力学差异,分次治疗时，由于肿瘤体积缩小很快，从而改善了血运及再氧合，使快速生长肿瘤的放射敏感性增加； 细胞周期不同时相中的细胞分布受细胞增殖速度的影响，鉴于在不同细胞时相时的放射敏感性是变化的，从而影响放射敏感性； 潜在致死损伤的修复对有大量静止细胞的肿瘤更为重要，在实验肿瘤中已证明了这一点，当肿瘤体积增加时，生长比例下降，因而体积大的肿瘤比体积小的肿瘤有较多的潜在致死损伤的修复； 静止的细胞比处于增殖周期内的细胞具有辐射抗拒性，因此体积非常小的肿瘤（几毫米直径）细胞存活曲线的斜率具有同一肿瘤生长到1 cm3的体积而其氧合水平仍与体积小时一样陡的斜率。,比较不同组织类型的肿瘤，可以很清楚地看到增殖细胞百分比很高及细胞丢失率很高的肿瘤放射最敏感，也最易被放射治愈，其原因：,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,（三）肿瘤干细胞,是指在肿瘤中占非常小比例、具有无限增生的潜能，在启动肿瘤形成和生长中起着决定性的作用的细胞。此外，肿瘤干细胞还具有可增殖分化、自我更新和不对称分裂等特征 。,肿瘤干细胞（cancer stem cell, CSC）,由间质细胞、细胞外基质、血管及炎症细胞构成。,肿瘤干细胞微环境（microenviroment or niche，又称干细胞龛）,（三）肿瘤干细胞,肿瘤干细胞的再增殖和再分布； DNA损伤修复的增强； 细胞周期控制的上调； 肿瘤干细胞处在乏氧环境； 微环境中间质的相互作用。 微环境在肿瘤干细胞自我更新、多向分化、持续存活及在肿瘤的转移中都发挥重要的作用。肿瘤干细胞微环境的一个最重要的特征就是低氧存在，氧缺乏能够诱导一系列的细胞学及分子生物学功能的变化，进而改变肿瘤干细胞增殖、凋亡及损伤修复等功能。,肿瘤干细胞是导致肿瘤放疗抗拒的一个主要原因,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,（四）DNA损伤及修复,DNA是电离辐射的主要靶分子，辐射的直接作用和间接作用共同导致DNA损伤，DNA损伤修复能力的高低是影响放射敏感性的重要因素，与修复功能相关的基因突变、多态性及表观修饰均使放射敏感性存在差异。,（四）DNA损伤及修复,潜在致死损伤修复（PLDR）的能力较强是肿瘤细胞放射抗拒的另一个原因。从临床放射抗拒肿瘤所得到的细胞系中证实，其修复能力很强，其平均细胞存活能力明显增加；而在放射可治愈的肿瘤细胞中PLDR较少。 亚致死损伤的修复（SLDR）的速度在不同的细胞系也是不同的，这可以解释高剂量率（1 Gy/min）照射放射敏感性类似的细胞照射后和低剂量率照射后的细胞存活有差别的现象。,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,G2/M,G1,ES,LS,G1,S,G2,M,G2/M,G1,ES,LS,（五）细胞周期,周期依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinases, CDK）、相关周期蛋白（cyclin） cyclin起正调节作用 周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制因子（cyclin-dependent kinase inhibitor, CDKI ） CDKI起负调节作用 细胞周期调控是放射敏感性最重要的决定因素。,二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,（六）细胞内在放射敏感性,放射敏感性的差别在放射治疗中起着很重要的作用。这就解释了为何不同组织类型肿瘤以及某一类型的肿瘤不同个体之间的放射敏感性的差异。不能忽视，由于长时间的给药或延搁的放射治疗有可能造成放射抗拒的产生。,（六）细胞内在放射敏感性,细胞内在的放射敏感性 伯基特淋巴瘤和神经母细胞瘤小细胞肺癌和成神经管细胞瘤乳腺癌和宫颈癌结肠癌、直肠癌和胰腺癌黑色素细胞瘤、骨肉瘤及胶质母细胞瘤,注： 假设在每次照射后的存活比例是恒定的，也没有再群体化； 括号内为观察的肿瘤数；,不同类型的人体肿瘤细胞离体放射敏感性,细胞内在的放射敏感性,第三节 肿瘤放射敏感性,一、肿瘤放射敏感性 二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素 三、放射敏感性的预测,前 言,大量的观察已证实，要提高任何一种肿瘤放射治疗的疗效，还存在肿瘤内在异质性的问题。因此，以往那种对患某种肿瘤的所有病人都采取同样的治疗措施，所得到的效果不太理想。而目前放射治疗的做法又未能达到像其他一些疾病那样，根据每个病人的具体情况，有针对性地制订具体的放射治疗方案。为此，有必要寻找能了解具体肿瘤对放射线反应性的可靠方法。,三、放射敏感性的预测,（一）肿瘤细胞SF2的测定 （二）肿瘤细胞增殖的测定 （三）肿瘤乏氧的测定 （四）肿瘤放射损伤及修复的测定,三、放射敏感性的预测,很多报道证实这一指标能很好地反映个体肿瘤的放射敏感性。然而未能在临床推广应用，其原因是测定结果的时间太长，一般需要两周左右。不能让病人因此而等待太久才开始治疗。,（一）肿瘤细胞SF2的测定,SF2是指离体肿瘤培养细胞经2 Gy照射后的细胞存活分数 （survival fraction at 2 Gy）。,三、放射敏感性的预测,（一）肿瘤细胞SF2的测定 （二）肿瘤细胞增殖的测定 （三）肿瘤乏氧的测定 （四）肿瘤放射损伤及修复的测定,三、放射敏感性的预测,潜在倍增时间（potential doubling time, Tpot） 增殖细胞核抗原 （proliferating cell nuclear antigen, PCNA）,（二）肿瘤细胞增殖的测定,三、放射敏感性的预测,（一）肿瘤细胞SF2的测定 （二）肿瘤细胞增殖的测定 （三）肿瘤乏氧的测定 （四）肿瘤放射损伤及修复的测定,三、放射敏感性的预测,氧电极测定：这是近年来临床应用最广泛的方法之一，是唯一能直接测定肿瘤乏氧的方法，极谱氧微电极技术现在被认为是测定肿瘤乏氧状况的“金标准”，较多报道认为其检测结果基本可以反映肿瘤的放射敏感性； 组织形态分析：通过分析肿瘤内毛细血管间距、血管密度和组织坏死程度及周围正常组织内的血管与肿瘤相近的距离等指标，以间接方式估计肿瘤的乏氧状况，是最早应用于临床的方法。,（三）肿瘤乏氧的测定,三、放射敏感性的预测,乏氧标记物测定：肿瘤乏氧细胞还原能力强，具有电子亲和力的硝基咪唑主动扩散透过细胞膜，在细胞内硝基还原酶的作用下，硝基被还原，还原产物与大分子物质不可逆结合，滞留在组织内，而正常含氧细胞亲电子硝基咪唑还原产物立即被氧化，故可用硝基咪唑类化合物代谢程度来反映肿瘤的乏氧情况。,（三）肿瘤乏氧的测定,三、放射敏感性的预测,（三）肿瘤乏氧的测定,影像学检测方法：用磁共振显影的手段测出肿瘤内的乏氧程度； 核医学显像方法：核医学显像是目前乏氧检测研究最为集中的技术，利用放射性核素，如18F、3H、123I、62Cu和99mTc 等对显影剂进行标记后行SPECT 或PET 显影，可对组织的乏氧状况进行定性和定量检测，还能同时用于肿瘤的诊断和分期的判断，并可使放疗照射野更加精确。,三、放射敏感性的预测,（一）肿瘤细胞SF2的测定 （二）肿瘤细胞增殖的测定 （三）肿瘤乏氧的测定 （四）肿瘤放射损伤及修复的测定,三、放射敏感性的预测,DNA的损伤与修复： 最常用的方法是脉冲凝胶电泳，主要是测定DNA的双链断裂（DSB）及其修复（DSBR）情况。 微核率分析法 一直被作为人体受辐射后的生物剂量计，认为这方法从另一个水平反映细胞损伤修复的情况，并能较好地反映有些肿瘤放疗的预后。,（四）肿瘤放射损伤及修复的测定,本次课内容,一、肿瘤放射敏感性 二、影响人体肿瘤放射敏感性的因素 三、放射敏感性的预测,本次课内容,（一）氧合状态 （二）增殖动力学差异 （三）肿瘤干细胞 （四）DNA损伤及修复 （五）细胞周期 （六）细胞内在放射敏感性,影响人体肿瘤放射敏感性的因素,重 点,肿瘤放射敏感性及其预测,要求掌握的内容,一、解释下列术语： 乏氧细胞 二、写出下列缩写的中、英文全称：Tpot, PCNA 三、回答下列问题： 试述影响人体肿瘤放射敏感性的因素。 试述肿瘤放射敏感性的预测方法。 乏氧引起放射抗拒的机制。 简述提高肿瘤放疗治愈率，用以改变组织氧合的方式。,第一节 肿瘤细胞动力学 第二节 肿瘤对电离辐射的反应 第三节 肿瘤放射敏感性 第四节 放射治疗中的分次照射,第十二章 放射肿瘤学基础,前 言,在临床放射治疗中，为了达到肿瘤控制，需要给予一定的照射剂量，而正常组织的耐受性常是限制照射剂量的原因。 利用一些物理因素，扩大射线对正常组织和肿瘤组织作用的差距，减少正常组织损伤，是放射治疗肿瘤的一项重要措施，而分次照射就是其中重要措施之一。 自20世纪30年代以来，以临床实践经验为基础建立起来的分次照射治疗方法（每周5次，每次2 Gy）已被认为是标准方法。,第四节 放射治疗中的分次照射,一、分次照射中的生物因素 二、放疗中分次照射的原则,一、分次照射中的生物因素,临床放射治疗医生在设计分次照射治疗方案时，应注意把握两个要点： 生物学的合理性和处方剂量设定的科学性； 必须了解影响分次放射治疗的生物学因素。 正常组织和肿瘤组织分次照射的生物学因素可以从以下4个方面考虑，又称4个“R”。,一、分次照射中的生物因素,（一）放射损伤的修复 (repair of radiation damage) （二）细胞周期时相的再分布（ redistribution of phases in cell cycle) （三）乏氧细胞再氧合（reoxygenation of hypoxic cell) (四）细胞的再增殖（regerneration),（一）放射损伤的修复,SLD: 照射后经过一段时间能完全被细胞修复的损伤称为亚致死性损伤。是指假如将某一即定单次照射剂量分成间隔一定时间的两次照射时所观察到的存活细胞增加的现象。,分割剂量实验,分次照射时细胞损伤的修复,（一）放射损伤的修复,PLD: 受照射后环境条件影响的损伤，在一定条件下损伤可以恢复。,PLD的修复主要发生在非增殖细胞中，表现为低LET射线照射后经 过 一定条件和时间细胞存活率增高。 PLD修复和临床放射效应有一定关系，如黑色素瘤等放射不敏感肿 瘤的PLD修复比乳腺癌的要强。 分裂快的细胞没有PLD修复，高LET射线照射PLD修复也不明显， G1期比率高的细胞PLD修复较明显。,（一）放射损伤的修复,早反应组织: 是指放射反应常在放疗早期出现，轻至中度反应在治疗后很快恢复。如粘膜红斑、溃疡等. 晚反应组织：放射损伤常在放疗结束后一段时间出现，常难以恢复，如放射性肺炎，放射性脊髓损伤、放射性肌肉萎缩等。放疗时应避免这种损伤。 原因：主要与相关靶细胞的细胞增殖动力学有关，也就是与靶细胞更新的速度有关。相关的靶细胞更新速度快，那么，辐射效应的出现较早，而更新速度慢，则辐射效应的出现较迟。对于照射后出现的早期或急性反应的靶细胞基本上已明确，但对产生后期反应的靶细胞却不完全清楚。,（一）放射损伤的修复,SF是D剂量照射后的细胞存活率，和是常数。当D=D2或D=/时，细胞杀死与剂量成正比例和与剂量平方成正比例的组成部分相等。既线性和二次细胞杀灭的贡献相等时的剂量等于与的比值。参数代表起始斜率，决定低剂量照射下损伤的程度，参数代表效应的超线性部分，它的贡献随剂量增加而加大。当线性部分和二次方部分对杀灭的细胞贡献相等时其剂量等于和的比值，即/。,线性二次方程：SF=e -D-D2,（一）放射损伤的修复,晚反应组织曲线弯曲程度较大，在A点剂量（分次量小），射线对晚反应组织的效应比早反应组织小。当一次照射剂量较大时（B点），晚反应组织损伤比早反应组织严重。因此说随着分次照射剂量的增加，晚反应组织靶细胞存活率下降更剧烈。反之，随着分次量减少，晚反应组织将得到很大的保护。,早期和晚期反应组织细胞存活曲线,晚,早,早,晚,A,B,（一）放射损伤的修复,图中纵坐标表示的总剂量是分次剂量的函数。实线代表晚反应组织，而虚线代表早反应组织。可以看出，随着分次剂量减少，晚反应组织总剂量增加明显，表现出比早反应组织较高的斜率。,不同组织的等效剂量曲线,（一）放射损伤的修复,早反应和晚反应组织之间分次照射反应差别的临床意义： 分次剂量较大时，对晚反应组织相对较为有害。 除了慢性增殖的肿瘤外，用小剂量分割照射较有利于治疗。随着每次分次量的继续下降，对晚反应正常组织比早反应组织产生更大的保护。超分割时晚反应组织的耐受量比常规照射大，这样就增加了肿瘤组织和晚反应组织之间的治疗差异。 为了获得最大的增强比，必须使晚反应组织完成SLD修复。因此超分割分次间隔应在6h以上。 中子照射时，在小剂量区有较高的相对生物效能。临床上用中子放疗时，晚期生物效应较高并不反映中子对晚反应组织的特殊效应，而是缺少分次X射线照射时产生的保护作用。,（一）放射损伤的修复,结论：晚反应组织（正常组织）比早反应组织（肿瘤组织） 修复能力大。,（一）放射损伤的修复,SLD的修复受许多因素的影响，其主要因素有： 放射线的性质：低传能线密度（LET）不同的射线照射后，组织细胞存在SLD，高LET射线照射后细胞不存在SLD，因此无SLD修复； 细胞群的增殖状态：未增殖的细胞几乎不存在SLD的修复； 细胞的氧合状态：氧合状态好的细胞比乏氧细胞修复能力强。,1. SLD伤修复的影响因素,（一）放射损伤的修复,SLD的修复一般需要30 min到数小时。 在实际中，常应用SLD半修复时间来表示不同组织细胞的修复速率。 目前，临床上超分割照射时，通常采用两次照射间隔至少6 h，有利于正常组织的SLD修复。,2. SLD修复在肿瘤病人放疗的应用,一、分次照射中的生物因素,（一）放射损伤的修复 (repair of radiation damage) （二）细胞周期时相的再分布（ redistribution of phases in cell cycle) （三）乏氧细胞再氧合（reoxygenation of hypoxic cell) (四）细胞的再增殖（regerneration),（二）细胞周期时相的再分布,有丝分裂延迟（mitotic delay），出现细胞周期时相的再分布。 辐射通过诱导细胞周期G1阻滞、G2阻滞、S期延迟及S/M解偶联，从而影响细胞周期进程。 这种细胞周期进程的阻滞可能为细胞SLD的修复提供了机遇，修复后进入下一细胞周期。,（二）细胞周期时相的再分布,细胞处于分裂周期内不同时相，放射敏感性不同，S期对射线较抗拒，而M期和G2期细胞对射线敏感。 分次照射可使照射后存活的肿瘤细胞通过细胞周期内的再分布而产生“自身敏感”，从而提高了治疗效果。 肿瘤分次放射治疗中，存在处于相对放射抗拒时相的细胞向放射敏感时相移动的再分布现象，这有助于提高射线对肿瘤细胞的杀伤效果；如果未能进行有效的细胞周期时相再分布，则有可能成为放射耐受的机制之一。,一、分次照射中的生物因素,（一）放射损伤的修复 (repair of radiation damage) （二）细胞周期时相的再分布（ redistribution of phases in cell cycle) （三）乏氧细胞再氧合（reoxygenation of hypoxic cell) (四）细胞的再增殖（regerneration),（三）乏氧细胞再氧合,当一次大剂量照射后，肿瘤内氧合好的细胞明显减少。同时，由于对放射的相对抗拒，乏氧细胞的减少程度较小。照射刚结束时，乏氧细胞比例上升到几乎接近100%。随着时间的推移，细胞从乏氧转向氧合好的状态，乏氧细胞比例又下降到肿瘤照射前的水平，有时甚至更低，这一现象称为乏氧细胞的再氧合（reoxygenation of hypoxic cell）。,X射线照射后肿瘤中的含氧细 胞由于对辐射敏感而被杀死,而 乏氧细胞则否,此时全部肿瘤细 胞为乏氧细胞. 再下一次照射之前将有相当 比例的乏氧细胞再氧合; 被下一次辐射杀死, 反复重复,最终肿瘤细胞将全部 杀死,达到治愈目的.,图14-7 肿瘤乏氧细胞再氧合示意图,（三）乏氧细胞再氧合,乏氧细胞再氧合是临床肿瘤放射治疗中，小剂量分次照射方案制定的重要细胞学基础。 在总照射剂量相同的情况下,分次照射比单次照射更有效地杀伤肿瘤细胞,因为在两次照射间隔时发生的再氧和过程使敏感性低的乏氧细胞逐渐变成对辐射敏感的含氧细胞.长时间分次放射治疗可能是战胜人类肿瘤中乏氧细胞极其有效的方法。,概念,分次照射后乏氧细胞变成为氧合细胞的现象。,生物学意义,（三）乏氧细胞再氧合,Percentage of Hypoxic Cells,Transplantable mouse sarcoma Initially, all aerated cells are killed Rapid reoxygenation 6 hours, back to near pre- irradiation levels Similar results in other tumor systems,6h,（三）乏氧细胞再氧合,Sequence for reoxygenation varies with the tumor type mouse osteosarcoma mouse fibrosarcoma mouse fibrosarcoma mouse mammary carcinoma rat sarcoma (2 waves) Extent & rapidity o