临床放射生物学的现状和未来

临床放射生物学的现状和未来 摘要：临床放射生物学是研究射线引起的生物学效应的一门学科，1940 年以来， 在物理学、化学和生物学的有关领域内的显著技术进展为放射生物学的研究提 供了更为广泛而精细的手段。近年来随着细胞生物学及其相关学科的发展，临 床放射生物学也取得很大进步，并直接推动放射治疗的进展，提高放射治疗的 疗效。 关键词： 细胞凋亡 放射敏感性 放射增敏剂 前言：研究放射生物学的目的就是要了解放射对肿瘤和正常组织的生物效应， 与放射效应相关的因素即规律肿瘤杀灭和正常组织损伤的机制。通过对上述问 题的研究和回答，发现和发展有效的治疗方法，提高肿瘤的局控率，减少对正 常组织的损伤。本文系统综述了临床放射生物学研究的现状，包括对放射敏感 性的预测，放射治疗效价的修饰措施，放疗中正常组织损伤的防治，新的治疗 手段和此学科领域的热点以及对临床放射生物学未来的展望。 临床放射生物学历史 在 X 射线发现不久，人们开始研究正常组织和肿瘤组织对放射线产生的各 种效应，这些早期的放射生物学工作多侧重于动物实验和组织病理学的研究。 进入五十年代，由于细胞生物学的进步，精确的放射计量技术和组织培养 技术的应用，创立了定量地研究细胞放射损伤的方法细胞存活曲线，发现 有关哺乳动物细胞的放射损伤和修复的许多问题及乏氧细胞的放射性抗拒等问 题，引起了临床放射治疗中对高 LET 高能射线、氧和其它放射增敏剂及加温疗 法的应用和研究。 六十年代以来，有不少学者从分子生物学角度来探讨放射损伤修复及与 DNA 单链和双链断裂的关系，这让放射生物学的研究进入了分子水平。 20 世纪末和 21 世纪初随着人类基因组计划的完成，基因组学和后基因组 学的兴起使生命科学的发展实现了飞跃，从研究思维和研究手段深刻影响了整 个生物医学领域的发展，使放射生物学在组织水平、细胞水平和分子水平各方 面都有不少系统的理论和精辟的阐述。 1.细胞凋亡 细胞凋亡是一种主动的由基因导向的细胞消亡过程，属于普遍存在的生物 学现象，在保持机体内稳态方面发挥积极作用。在机体的生理过程中，在一定 的信号启动下，凋亡相关基因有序地表达，制约着对整体无用或有害细胞的消 除，因此这种活动被命名为程序化细胞死亡，简称程控死亡。 1.1 细胞凋亡的形态学特征 细胞凋亡不同于细胞坏死，其形态特征是胞体缩小，染色质浓缩成块状， 并沿核膜聚积，形成许多固缩的核素片，而细胞器与膜系保持完整，质膜出芽， 形成膜包被染色质碎片的凋亡小体。可被周围细胞吞噬清除或排出管腔。细胞 坏死的特征则是细胞器肿胀，膜系破坏，整个细胞崩解。由于以上的特征性区 别，细胞凋亡不引发周围组织的炎症反应，而是静悄悄地死去，就地清除，保 持组织的完整性。 1.2 细胞凋亡的生化特征 细胞凋亡的生物化学特征是染色质 DNA 裂解，裂解发生于核小体联结区， 一个或数个核小体从 DNA 母链裂解，形成小的片段。这一过程受基因调控， 为细胞的主动代谢反应，需要 RNA 和蛋白质的合成，在某些细胞中已证实有 Ca2+，Mg 2+依赖性核酸内切酶参与作用。根据细胞凋亡的生化特征，即染色质 DNA 裂解，用 DNA 染料与细胞的 DNA 提取物反应后进行琼脂糖凝胶电泳， 裂解的 DNA 分子片段根据其大小而电泳迁移率发生变化，出现典型的“梯形 图像” 。 1.3 细胞死亡的机制 凋亡是电离辐射所致细胞死亡的主要类型之一。正常情况下，细胞凋亡是 在复杂的信号调节下进行的，当这些信号出现异常时，导致本应凋亡的细胞 “非法”存活，使得这些细胞具有明显的生长优势，当附加有另外的遗传物质 改变，就很可能产生一个高度恶化状态的细胞。肿瘤的转移能力也与细胞凋亡 率下降有关。肿瘤的大小取决于癌细胞的增生及细胞死亡的平衡。从癌的治疗 研究上考虑，抑制癌细胞的增殖只能延缓癌的进展，不能治愈癌症，而诱导癌 细胞的凋亡才能使癌缩小或消失。 DNA 是电离辐射致细胞死亡的靶。大量的证据表明，辐射诱导细胞死亡的 敏感区位于细胞核而不是胞浆。实验证明，病毒的大小和核酸的量与放射敏感 性相关。许多植物的放射敏感性与其平均间期染色体量有关，此量则为核体积 与染色体数之比，平均染色体量越大，辐射敏感性越高。 2.放射敏感性的预测 人体肿瘤组织的放射敏感性受各种因素的影响，一般来说，肿瘤在组织学 上的分化程度越高，对射线的敏感性越差。肿瘤放射敏感性的差别有多个因素， 主要的因素是乏氧细胞在肿瘤内的比例变化或放射治疗分次放射之间肿瘤再氧 合速度的差别。 2.1 肿瘤放射敏感性的预测方法 （1）肿瘤细胞增值情况的测定：潜在倍增时间和增殖细胞核抗原的测定。增殖 速度的快慢与肿瘤的放射敏感性有相关性，即增殖速度快的肿瘤放射较敏感。 这两个观察指标与肿瘤放射敏感性的相关性明显比以前曾用的 DNA 含量、标 记指数和增殖周期内 S 期的长短等为好。这种指标在某些肿瘤中测得的数据， 现被作为改变常规放疗方案的主要参考材料，进行临床观察。 （2）肿瘤乏氧情况的测定： 1 有创伤性的测定：用带有微电极的特制的针，在肿瘤内作多点测定，检测结 果基本可以反映肿瘤的放射敏感性。 2 用一些可在体内和乏氧细胞结合的特定的化学制剂，经免疫组化的手段处理 后用流式细胞仪对其荧光进行分析。 3 用磁共振显影的手段测出肿瘤内的乏氧程度。 4 用图像仪测定肿瘤内毛细血管间距离的方法，计算出肿瘤内的乏氧情况。 5 用“彗星”法分析肿瘤细胞受照射后 DNA 的单链断裂情况。发现有氧细胞 的 SSB 发生率比乏氧时高 3 倍左右。因此，可用这方法检测组织的含氧情况。 （3）肿瘤放射损伤及修复情况的测定：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 的双链断裂及其修复。微核率分析法，在肿 瘤治疗前，对肿瘤活体组织做一定剂量照射并检测其双核细胞的微核形成率。 2.2 正常组织的放射敏感性 形成各种组织的细胞其放射敏感性各不相同，成熟淋巴细胞的放射敏感性 最高，或者说抗拒性最低，肌肉和神经组织放射抗拒性很强，小肠上皮细胞和 骨髓细胞等易受放射损伤的程度仅次于淋巴细胞，构成结缔组织的纤维细胞等 则对放射有很强的抗拒性。正常组织放射敏感性的测定主要用口腔粘膜的刮片 或取腿部皮肤的活组织，离体照射其成纤维细胞后作相应的检测。近年来，较 多的是取病人外周血分离出淋巴细胞，分析其照射后的微核形成率。由于这一 方法取材方便，技术也较简单，因此很快就被广泛应用。 2.3 放射治疗效价的修饰措施 2.3.1 乏氧细胞放射增敏剂 乏氧细胞增敏剂能使乏氧细胞增敏，由于其毒副作用与效价之间的差距太 小，无法在临床推广。经不断的改造和探索，现主要集中于生物还原性药物的 研究，并正在发展成为乏氧细胞毒化学药物。目前的研究可能集中在寻找不同 肿瘤细胞内能使某种生物还原性药物更起作用的特定还原酶，以便能加强药物 使用的针对性。主要的药物是硝基咪唑化合物的甲硝哒唑，这种化合物不易代 谢，进入肿瘤后与氧相比较，可自毛细血管向更远的末梢部位运送，在该处与 射线产生的电子相结合，封闭有机物的自由基，从而起到了增敏作用。 2.3.2 放射增敏剂 放射增敏剂对任何一种细胞都有增敏作用而非仅对某种细胞有增敏作用。 氧是最强有力的放射增敏剂之一，增进肿瘤氧合以降低肿瘤乏氧细胞的放射抗 拒性。最广泛应用的技术是在放射作用时给予高压氧，使血浆和组织被氧饱和。 用这种方法通过提高由毛细血管到乏氧肿瘤细胞的扩散梯度而大大增加可获得 的氧量，通常采用三个大气压的氧气。 2.3.3 放化疗的联合应用 放射治疗与化学药物治疗联合应用是肿瘤综合治疗措施之一，已被肿瘤临 床广为采用。放疗和化疗合并应用的初始原理是所谓的“空间合作” 。射线可以 高度集中，并可用较大的剂量，因此对控制局限的原发肿瘤更为有效，但对散 在的病灶却无效。另一方面，化学治疗可以妥善处理微小转移灶，然而无法控 制较大的原发肿瘤。还有一种情况，化疗是初始的治疗手段，放射治疗仅用于 治疗药物达不到的继发肿瘤部位。 合并应用放射治疗和化学治疗的指导思想是要提高局部肿瘤控制、无复发 存活率和总存活，以及改变复发的情况。3 个显著的可能性是： （1）在局部放疗结束后开始化疗； （2）在局部放疗前开始化疗； （3）在局部放疗期间进行化疗。 （1）和（2）可称为综合治疗， （3）则为联合治疗。由于大部分细胞毒药物对 正常组织和肿瘤间的影响差异较小，因此必须注意对有些关键组织的剂量限制 或有生命危险的毒性。 2.3.4 放射治疗和其他措施的综合应用 一些曾被与放疗合用并认为有一定提高肿瘤疗效作用的措施，如加热疗法、 光动力学疗法，现仍有人用一些改进的方法在临床进行探索。最近，科学家用 低于往常热疗所用的 42.5即用 40加热约一小时，可以明显减少乏氧细胞比 例，从而能提高肿瘤的整体放射敏感性。这种做法可使更多的细胞进入细胞增 殖周期，有利于放射治疗发挥作用，从而进一步为放疗加热疗以提高肿瘤疗效 的应用提供了新的方案。 3.治疗手段 3.1 高 LET 射线 已经提供临床应用的高 LET 射线有快中子，负 介子和重粒子，它们的 生物学效应与 X 射线或 射线相比有以下区别： （1）放射损伤的修复少； （2）细胞内含氧量的影响不大，即 OER 值低； （3）对正常组织和肿瘤组织的 RBE 值不同，即治疗增益因素值大； （4）射线剂量分布在正常组织中少，而在肿瘤组织中多，即射线剂量在肿瘤组 织中的定位性好。 3.2 加热治疗 正常组织的抗热性比肿瘤组织大得多。肿瘤组织中温度适当提高时，能见 到糖的有氧酵解明显减少，温度增至 4243时，糖的无氧酵解消失，引起细 胞的不可修复的损伤。然而在正常间质组织中，温度适当提高时有氧酵解不受 任何影响。在温度提高至某一范围时，肿瘤细胞内核酸及蛋白质的合成受到抑 制，而在正常组织中合成不受损害。加热治疗分两大方面：全身加热和局部加 热。全身加热可用浸入热水、石蜡或穿上加热的衣服或在隔热的室内用远红外 加热；也可在一个体外的热交换设备内将血加热。虽然使用起来要多加小心， 但对温度的测量和控制相对较容易。局部加热在温度控制方面较困难，目前用 来局部加热的方法有温水浴，超短波及超声波等，但这些仅能用于表浅的肿瘤。 4.展望 基因疗法和放疗的联合应用：基因疗法涉及将遗传物质转移至体细胞内，从而 获得治疗收益。基因治疗可分为两种方式，一种为基因矫正和置换，即将基因 的异常序列进行矫正和精确的原位修复，目前这种方式尚无突破性进展；另一 张方式是基因添加和增补，即不去除异常基因，而是通过具有治疗意义的外源 基因作定点整合，使其表达正常产物以补偿缺陷基因的功能，目前绝大多数基 因治疗属于此种。 肿瘤的基因治疗属于一种新的生物治疗手段，是一大类治疗策略的总称。根据 治疗机制不同，可分为以下几个方面： （1）免疫基因治疗。免疫基因治疗指的是通过基因修饰的瘤苗或抗原呈递细胞 体内回输，或者免疫基因的直接体内导入，激发或增强人体的抗肿瘤免疫功能， 达到治疗肿瘤的目的。 （2）抑癌基因治疗。体内导入野生型抑癌基因，替代缺失或异常的抑癌基因表 达，可以达到抑制肿瘤细胞增殖的效果。 （3）反义癌基因治疗。癌基因是一类细胞增殖调控正信号基因，具有促使细胞 增殖，阻止细胞分化的特点，癌基因的激活是肿瘤发生过程中另一重要的分子 事件。通过人工合成的寡核苷酸与癌基因编码的 mRNA 互补结合，可以抑制 mRNA 的转录，达到封闭癌基因的目的。 （4）自杀基因治疗。自杀基因是一种酶解前体药物激活基因，其产物具有将无 毒或低毒的前体药转变为细胞毒性药物的特性。选择性将自杀基因导入宿主肿 瘤细胞内并表达，同时给予前体药物，并被酶解为细胞毒药物，特异性杀伤肿 瘤细胞。 （5）抗血管生成基因治疗。通过基因导入并表达的手段，在体内长期维持一定 水平的血管生成抑制因子，抑制肿瘤血管的生成，从而达到抑制肿瘤增殖、复 发和转移。 （6）其他基因治疗。将耐药基因导入骨髓干细胞，表达后尽可能地保护干细胞 免受细胞毒药物的骨髓抑制作用。 5.总结 临床放射生物学是一个边缘学科，上至基础的生物物理，辐射化学的有关 内容，下至药学，