肿瘤放射生物学基础

Radiation therapy,肿瘤放射治疗学,成都医学院第一附属医院 刘滔,肿瘤放射生物学基础,放射生物学Radiobiology,放射生物学: 研究电离辐射对生物体作用及其效应规律的一门科学 To describe the nature of the interactions and the consequences when macromolecules, cells, tissues and whole bodies are subject to ionizing radiation.,用实验的方法了解放射线对生物大分子、细胞、组织以及生物整体水平的作用机制。研究范围涉及放射线对生物体作用的原初反应及其以后一系列的物理、化学和生物学方面的改变。是放射肿瘤学四大支柱之一：肿瘤学、放射物理学、放射生物学、放射治疗学；,临床放射生物学,放射生物基础,发展简史,放射物理学的重要发现； 从1895年伦琴发现X线开始，人类不断探索着射线对生物体影响。1906年提出有关细胞、组织放射敏感性定律；20年代形成靶学说；40年代核武器开发和使用，全身性急性放射损伤和放射病理的研究进展很快；1953细胞学技术发展，揭示了细胞生活周期各时相。同年阐明了乏氧具有增加细胞放射抵抗力的作用；60年代DNA损伤与修复的研究，提高到分子生物学水平；70-80年代提出了放射治疗中需要考虑的生物因素4“R”理论。,为肿瘤放射治疗提供理论基础，设计各种放射治疗方案；为评价和比较放射治疗方案提供理论依据；放射生物损伤的理论依据，指导放射生物防护工作，减少正常组织损伤；是放射治疗、放射增敏、放射防护的基础。,放射生物学作用,主要内容,电离辐射对生物体的作用电离辐射的细胞效应电离辐射对肿瘤组织的作用正常组织及器官的放射效应分次放疗的生物学基础,第一章,电离辐射对生物体的作用,第一节 辐射生物效应的时间标尺,电离辐射对生物体的作用,（一）物理阶段 带电粒子和组成组织原子之间的相互作用。 1、带电粒子（初级和次级）主要与构成细胞原子的轨道电子相互作用，将一些电子打出原子（电离） ，或使其他在原子或分子内的电子进入较高能量水平（激发） 。 2、一个10m体积的细胞，每吸收1Gy的剂量将发生超105次电离。,物理阶段10-1810-12s,射线照射路径上释放能量 激发 电离,（一）物理阶段,射线对人体的影响不是通过射线所含的总的能量来判断的，而在于单个能量包的大小；举例： 单次4Gy X射线全身照射 辐射能致死 热 能一口热咖啡 机械能70kg 人举高16英寸因为：X线的能量被量子化为多个能量包，如每个包的能量大到足以打断化学键即可引起生物学事件。,（二）化学阶段 受损原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期电离和激发导致化学键的断裂和形成自由基（被破坏的分子：O2、H2O、 OH）；自由基非常活跃，参与一系列的反应，最后重建电子负荷平衡。自由基反应在射线照射后约1ms内就全部完成。,化学阶段,激发电离,化学键断裂自由基形成,修复正常,分子结构破坏,（三）生物阶段 包括其后的所有过程。多数损伤（如DNA内的损伤）都可以成功修复。仅有较少的一些损伤不能修复，这些未修复的损伤最后导致细胞死亡。 干细胞被杀灭、丢失早反应：数周至数月正常组织和肿瘤内存在细胞杀灭的继发效应，即代偿性细胞增殖/修复。非再生正常组织损伤晚反应：数月至数年更晚时间辐射致癌：数年至数十年,分子结构破坏,修复,酶反应,基因变异/癌变,DNA不能复制/有丝分裂停止,细胞死亡,生物阶段,第二节 电离辐射的直接作用和间接作用,直接作用,间接作用,电离辐射直接作用： 电离辐射直接对靶原子（主要是DNA）电离和激发，从而启动一系列导致生物变化的事件；高LET射线（如中子或粒子）电离辐射间接作用： 电离辐射与细胞内其他原子或分子（特别是水）相互作用产生自由基，由自由基损伤DNA。 H2O H2O+ + e- H2O+ H2O+ H3O+ OH.,第二章,电离辐射的细胞效应,第一节 辐射诱导DNA损伤及修复,DNA是辐射细胞效应的关键靶：证据：P77放射线杀死细胞时，单独照射胞浆所需的照射剂量比单独照射细胞核大得多；放射性同位素（如3H,125I）掺入核DNA可有效地造成DNA损伤并杀死细胞；当特异地把胸腺嘧啶类似物掺入染色体时，可增加细胞放射敏感性；受照后染色体畸变率与细胞死亡密切相关；,DNA损伤及修复,DNA受照后,单链断裂,双链断裂,杀灭作用小,断端彼此远离,折成两段,易修复,细胞死亡、突变、致癌,关键,单链断裂的修复易完全修复，受酶调控,双链断裂，染色体断裂不易修复，修复差错,一、DNA是细胞死亡的关键靶受照射后，细胞死亡常见于那些不断分裂的细胞，但也见于不进行分裂的细胞，但后者放射敏感性差。,第二节 辐射所致细胞死亡,二、细胞死亡的形式1、有丝分裂死亡：受照射细胞第一次或以后有 限的几次分裂后死亡，通常由有丝分裂失败 所致；2、凋亡：与细胞类型有关，淋巴细胞易通过凋 亡快速死亡；3、自嗜：溶酶体对细胞自身结构的吞噬降解；4、坏死5、衰老,第三节 细胞放射存活曲线,一、放射生物学细胞存活的概念细胞存活：细胞保持完整的增殖能力，可产 生大量的克隆；（克隆源性细胞） 克隆：由一个存活的细胞通过不断分裂增殖形成的一个细胞群体（50个细胞）。细胞死亡：包括有完整结构及合成蛋白、DNA的功能，但无再增殖能力的细胞；（终末分化细胞、辐射损伤细胞）,二、细胞存活曲线细胞培养： 克隆形成：,克隆形成率=,接种细胞数,细胞克隆数,照射后细胞存活分数SF：,SF=,对照组细胞克隆形成率,受照射细胞克隆形成率,细胞存活曲线：,横坐标：表示剂量，按线性标度绘制；纵坐标：表示存活分数，按对数标度绘制。,三、细胞存活曲线形状,（一）指数存活曲线：致密电离辐射（如中子、粒子）照射后，细胞存活率在半对数坐标系中趋近于一条直线，呈指数型。用单靶单击数学模型拟合。 SF=e-D,（一）非指数存活曲线：稀疏电离辐射（如X、射线）照射后，细胞存活率在半对数坐标系中常有一初始肩段，存活曲线弯曲，随后在高剂量区趋于一条直线。用多靶单击模型及线性二次模型解释。 SF=e-D-D2,第四节 细胞周期及放射敏感性,细胞周期时间（cell-cycle time）,也称为有丝分裂周期时间, 是两次有效的有丝分裂之间的时间。,M期细胞或接近有丝分裂期细胞是放射最敏感细胞晚S期细胞通常具有较大的放射抗拒性若G1期相对较长,G1早期细胞表现相对辐射抗拒,其后逐渐敏感,G1末期相对更敏感G2期细胞通常较敏感,敏感性与M期相似,第四节 细胞周期及放射敏感性,M期的或接近M期的细胞被杀死,细胞周期与放射敏感性,残留不敏感细胞，一次照射后细胞同步化,M期的或接近M期的细胞被杀死,细胞通过周期进入敏感时相再分布,再次照射可增加细胞敏感性,分次放疗的理论基础之一,第三章,细胞增殖动力学,一、恶性肿瘤细胞构成P细胞/增殖细胞 肿瘤体积增长的主要来源,占整个肿瘤细胞群体的比例称为生长比例Q细胞/静止细胞 由静止或G0期细胞组成,其中一些细胞是克隆源性,有能力再群体化出一个肿瘤分化终末期细胞 不再具有分裂能力死亡和正在死亡的细胞,肿瘤增殖动力学,二、描述肿瘤生长的一些参数肿瘤体积倍增时间（tumor volume doubling time, Td）数十天 决定因素:细胞周期时间、生长比例、细胞丢失率,描述肿瘤生长的一些参数潜在倍增时间（potential doubling time, Tpot） 是一个理论值,假设在没有细胞丢失的情况下肿瘤细胞群体增加一倍所需要的时间数天时间决定因素: 细胞周期时间 生长比例,描述肿瘤生长的一些参数细胞丢失因子（cell lose factor）：用于计算肿瘤细胞丢失量。细胞丢失因子=1-Tpot/Td,人类肿瘤典型的动力学参数细胞周期： 约2天 生长比例： 约40% 丢失率： 约90% 癌细胞潜在倍增时间：约5天 体积倍增时间： 约60天,第四章,正常组织及器官的放射反应,第一节 正常组织的结构组分,一、正常组织细胞分化层次：干细胞： 常处于G0期，有无限自我繁殖的能力，刺激后可进入细胞周期；分化或功能细胞： 无分裂增殖能力，（成熟细胞） ；正在成熟的细胞（有限次分裂）。,二、早反应组织和晚反应组织： 根据正常组织的不同特性和对电离辐射的不同反应,可将正常组织分为早反应组织和晚反应组织两大类早反应组织 细胞更新快,放射后的损伤很快会表现出来,这类组织/比值较高,损伤后以活跃的增殖来维持组织中的细胞数量.如:粘膜上皮、骨髓、毛囊上皮,晚反应组织 细胞更新慢,数周甚至一年或更长时间也不进行自我更新,如神经组织,放射后的损伤很晚才表现出来,这类组织/比值较小,在临床上应根据早晚反应组织的特点,安排合适的总剂量、总治疗时间和分次剂量,特别保护晚反应组织,早、晚反应与剂量、治疗时间关系,加大分次剂量-晚反应组织损伤加重，而早反应细胞不敏感；因为早反应细胞更新快，可以进行更新修复；总治疗时间缩短-早反应组织损伤加重，晚反应组织不敏感；因为晚反应细胞更新慢，治疗期间一般不会出现代偿增殖；肿瘤类似早反应细胞。,为减少晚期反应，应尽量减少分次剂量（至少应达到有效杀伤的剂量）为保证肿瘤控制率，应在不致引起严重急性反应的情况下，尽量减少总治疗时间,三、正常组织早、中、晚期放射反应,三、正常组织早、中、晚期放射反应,功能亚单位：平行组织结构：肺、肾阈体积串联组织结构：脊髓、小肠阈剂量中间型器官结构：脑,四、正常组织的体积效应,第五章,分次放射治疗的生物学基础,细胞放射损伤的修复 (Repair of radiation damage )：周期内细胞时相的再分布 （Redistribution within the cell cycle）氧效应及乏氧细胞的再氧合 （The oxygen effect and Reoxygenation ）细胞再群体化(Repopulation),放射生物学4R原理,一、细胞放射损伤修复：,细胞损伤类型：亚致死损伤(sublethal damage)潜在致死损伤(potential lethal damage)致死损伤(lethal damage),（一）亚致死损伤是指受照射以后，细胞的部分靶而不是所有靶内所累积的电离事件，通常指DNA的单链断裂。亚致死损伤是一种可修复的放射损伤，对细胞死亡影响不大, 但亚致死损伤的修复会增加细胞存活率。,一、细胞放射损伤修复,（一）亚致死损伤修复,0.005,1959年发现细胞能在3小时内完成这种修复一般为30分到几小时亚致死损伤半修复时间（T 1/2）,表示不同组织特性小肠=0.5小时脊髓=1.5小时啮齿动物皮肤湿性脱皮=1.3小时非常规分割中，两次间隔大于6小时,（一）亚致死损伤修复,影响亚致死损伤修复的因素,放射线的性质 低LET射线照射后细胞有亚致死损伤和亚致死损伤的修复，高LET射线照射后细胞没有亚致死损伤因此也没有亚致死损伤的修复。细胞的氧合状态处于慢性乏氧环境的细胞比氧合状态好的细胞对亚致死损伤的修复能力差。细胞群的增殖状态 未增殖的细胞几乎没有亚致死损伤的修复等。,（二）潜在致死损伤 正常状态下应当在照射后死亡的细胞，若在照射后置于适当条件下由于损伤的修复又可存活的现象。但若得不到适宜的环境和条件则将转化为不可逆的损伤使细胞最终丧失分裂能力。意义：黑色素瘤对辐射的抵抗性可能与照射后大量细胞潜在致死损伤的修复有关。,一、细胞放射损伤修复,（三）致死损伤受照射后细胞完全丧失了分裂繁殖能力，是一种不可修复的，不可逆和不能弥补的损伤。,一、细胞放射损伤修复,二、细胞周期再分布：细胞周期放射敏感性：S期的细胞（特别是晚S期）最耐受 G1期放射敏感性差G2和M期的细胞最敏感可能原因： G2期细胞在分裂前没有充足的时间修复放射损伤。分次放射治疗： 放射抗拒细胞（S、G1）放射敏感细胞（M、G2）,细胞周期再分布,三、乏氧细胞再氧合：（一）氧的重要性： 氧效应：细胞对电离辐射的效应强烈的依赖于氧的存在，人们把氧在放射线和生物体相互作用中所起的影响，称为氧效应。 氧增强比：把在乏氧及空气情况下达到相等生物效应所需的照射剂量之比叫做氧增强比（OER），通常用OER来衡量不同射线氧效应的大小。 氧固定假说：有机过氧基（RO2.）,三、乏氧细胞再氧合：（二）肿瘤乏氧：首先指出实体瘤内有乏氧细胞存在是在1955年，由Thomlinson 和Gray根据他们对人支气管癌组织切片的观察提出的。有活力组织的厚度为100-180um。当肿瘤细胞层的厚度超过氧的有效扩散距离时，细胞将不能存活。那些处于即缺氧地带即将坏死但仍有一定活力的细胞称为乏氧细胞。,三、乏氧细胞再氧合：（三）乏氧细胞再氧合：直径6h总剂量增加10%-20%目的：进一步减轻晚期反应（晚期反应与分次剂量有关）同时早期反应变化不明显。,五、非常规分割治疗,（二）加速分割方案,2Gy/次，一天内照2次或多次，总治疗时间减少1/2，总剂量不变目的：抑制肿瘤的再群体化不良反应多（早、晚饭应均增加），少用,五、非常规分割治疗,（三）连续加速超分割,总剂量不变，1.5Gy/次，3次