《篇放射生物》PPT课件.ppt

第三篇 肿瘤放射生物学,第一章 放射生物学发展简史 1895年，伦琴宣布发现了一种新的神秘放射 线x射线。 翌年，贝可勒尔报道了铀发出的“放射线”。 居里夫妇成功的分离出了镭，首次提出“放射性”的概念。 这些都促进了临床放射生物学的发展。 1906年提出有关细胞、组织放射敏感性的一条定律，即细胞和组织的放射敏感性与其分裂活动成正比，而与其分化程度成反比。,40年代由于核武器的研制、发展和使用，全身性急性放射损伤和放射病理的研究迅速增多，进展很快。 1934年奠定的每天一次的连续分割放疗方案，至今仍是现代放射治疗学的基础。 50年代细胞学技术的迅速发展进一步推动了放射生物学的研究。 80年代阐述了放射兴奋效应学说。,临床放射生物学是肿瘤放射治疗、放射损伤防治和医护人员放射防护标准的基础。同时，细胞分子生物学等学科的不断进展，也促进了低水平放射生物效应的研究。,20年来，国内外学术界在低剂量、低剂量率放射诱导细胞遗传学适应反应，增强免疫功能和抑制肿瘤生长与转移等动物实验方面进行了比较深入的研究，一切与肿瘤诊断、防治有关的相邻学科必将同放射治疗学、放射生物学一起，互为补充，为最终攻克包括肿瘤在内的人类疾病而发挥各自的作用。,第二章 电离辐射生物效应的 基本过程,第一节 电离辐射种类及 其与物质的相互作用 电离辐射是指能引起被作用物质电离的放射线。可分为电磁辐射和粒子辐射。电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量没有静止质量。粒子辐射既有运动能量，又有静止质量，是一些高速运动的粒子。,一、电磁辐射 电磁辐射是可以在相垂直的电场和磁场，随时间变化而交变振荡，形成向前运动的电磁波。X射线和射线都是电磁辐射，均由光子组成，它们在电磁辐射能谱中所占的范围基本相同。X射线是从核外产生的，而射线是从核内产生的。它们主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应等三种方式将能量转移给被碰撞的物质。,光电效应 光子将其全部能量传递给物质原子的轨道电子，光子消失，获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自由电子（称为光电子），这一过程为光电效应。,康普顿效应 光子与原子核外的电子（多为外层电子）发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应。,电子对效应 当能量大于1.022MeV的光子从原子核旁经过时，光子在原子核的库仑场作用下转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。,二、粒子辐射 粒子辐射是一些组成物质的基本粒子，或者由这些基本粒子构成的原子核，这些粒子具有运动能量和静止能量。主要的粒子辐射有粒子、粒子（或电子）、质子、中子、负介子和带电重离子等。,第二节 电离和激发 一、电离作用 电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的原初过程。生物组织中的分子被粒子或光子流撞击时，其轨道电子被击出，产生自由电子和带正电的离子，即形成离子对，这一过程称为电离作用。,二、激发作用 当电离辐射与组织分子相互作用，其能量不足以将分子的轨道电子击出时，可使电子跃迁到较高级的轨道上，使分子处于激发态，这一过程称为激发作用。被激发的分子很不稳定，容易向临近分子或原子释放其能量，在辐射生物效应的发生中其作用较弱，通常可以忽略不计。,三、水的电离和激发 水分子受电离辐射作用时，将水分子中的轨道电子击出，发生电离作用，产生带正电的水离子（H2O+）和自由电子（e-）。,水分子受电离辐射作用时，若水分子所获能量尚不足以使电子击出，亦即不能发生电离作用，而只能使水分子的电子跃迁到高能级的轨道上，使分子处于激发态，亦称为水分子的激发。,第三节 直接作用与间接作用 一、直接作用 电离辐射的能量直接沉积于生物大分子上，引起生物大分子的电离和激发，破坏机体的核酸，蛋白质和酶等具有生命功能的物质，这种直接由射线造成的生物大分子损伤效应称为直接作用。,二、间接作用 电离辐射首先直接作用于水，使水分子产生一系列原发辐射分解产物，然后通过水的辐射分解产物再作用于生物大分子，引起后者的物理和化学变化，这种作用称为间接作用。 机体的多数细胞含水量很高，故间接放射生物效应对生物大分子的损伤具有重要意义。,第四节 氧效应与氧增强比 一、氧效应 受照射的生物系统或分子的放射效应随介质中氧浓度的增加而增加，这种现象称为氧效应。,二、氧增强比 氧增强比（OER）是指缺氧条件下,引起一定效应所需放射剂量与有氧条件下引起同样效应所需放射剂量的比值。 氧是目前为止最强的放射增敏剂。,三、氧浓度对氧效应的影响 氧虽然是放射增敏剂，但是，氧浓度与放射敏感度的增高幅度之间，并不存在剂量效应的线性关系。,四、照射时间对氧效应的影响 氧引入的时间对放射效应有较大影响，照射前引入氧，表现出氧效应，而照射后引入氧则无效。,第三章 细胞存活曲线,第一节 细胞存活的概念和 存活曲线的绘制 一、细胞存活的概念 对于有增殖能力的细胞，如造血细胞、离体培养细胞、肿瘤细胞等。凡是保留其增殖能力，能无限产生子代的细胞，称之为存活细胞。凡失去增殖能力，不能产生大量子代的细胞，称为不存活细胞，即死细胞。,临床放射生物学细胞存活可定义为，经放射线作用后细胞仍具有无限增殖能力，谓之细胞存活。相反，细胞在照射后已失去无限增殖能力，即使在照射后其形态仍保持完整，有能力制造蛋白质，有能力合成DNA，甚至还能再经过一次或两次有丝分裂，产生一些子细胞，但最后不能继续传代者均称为已“死亡”细胞。,二、细胞存活曲线的绘制 存活曲线的绘制方法主要依靠细胞培养，以制成单个细胞接种平面，用不同剂量照射，得到的集落形成数与未经照射的对照组进行比较，得出存活率。根据不同剂量的不同存活率制成的曲线即为细胞存活曲线。这里指的存活细胞即是经照射后仍有无限性增殖能力（可形成集落）的细胞。,细胞存活曲线仅代表细胞水平的结论，与组织水平的放射生物效应有所区别，离体培养的细胞与复杂的体内环境也有较大差别。,第四章 靶学说与/模式 第一节 靶学说 靶学说的要点概括如下：生物结构内存在对放射敏感的部分，称之为“靶”，其损伤将引发某种生物效应；电离辐射以离子簇的形式撞击靶区，击中概率遵循泊松分布；单次或多次击中靶区可产生某种放射生物效应，如生物大分子失活或断裂等。,一、单击模型 生物大分子或细胞的敏感靶区被电离粒子击中一次，即足以引起生物大分子的失活或细胞的死亡，这就是所谓的单击效应。 大分子（或细胞）活力随剂量的增加而呈指数下降，称指数失活。按照一次击中假说，被观察的效应只需一次击中就可发生，称平均失活剂量。,有的生物大分子的靶区需要受到2次或2次以上的电离事件才能引起放射效应变化。这就是多击效应。,第二节 /模式 /的比值表示引起细胞杀伤中单击和双击成分相等时的剂量，以吸收剂量单位Gy表示。 /的比值的意义在于反映了组织生物效应受分次剂量改变的影响程度。,早反应组织和大多数肿瘤的/值大（10Gy左右），晚反应组织的/值小（约3Gy）。,早反应组织是指机体内分裂、增殖活跃并对放射线早期反应强烈的组织，如上皮、黏膜、骨髓、精原细胞等。机体内那些无再增殖能力，损伤后仅以修复代替其正常功能的细胞组织，称为晚反应组织，例如脊髓、肾、肺、肝、皮肤、骨和脉管系统等。,早和晚反应组织对不同分次照射方案具有恒定的反应差别。大分割照射，晚期反应较重；超分割照射虽然急性放射反应较重，但是晚反应组织的损伤较轻。,第三节 LQ模型 随着分子放射生物学研究的发展，靶学说不断得到充实和更新。DNA双链断裂模型即线性二次（LQ）模型的建立可以看作是经典学说的发展。,一、放射生物学分子 模型提出的基本前提 DNA双链断裂模型（LQ模型）的基本前提是： 1、携带遗传信息的核DNA分子的完整性是正常细胞增殖所必需的，即DNA双链断裂意味着死亡。,2、DNA双链断裂完全破坏了分子的完整性，因而是放射所致最关键的损伤。 3、各种生物学终点与DNA双链断裂有直接关联。 4、效应的严重程度与每个细胞中发生并存留的DNA双链断裂的均数成正比。,5、诱发的DNA双链断裂数依赖于能量沉积与转移的物理、物化、化学过程，也依赖于在照射前后与DNA的结构及化学环境有关的自由基竞争。 6、有效的DNA双链断裂数取决于DNA损伤的生化修复。而这种修复的效率受细胞在照射当时及照射后的代谢状况控制。,二、LQ模型 电离辐射作用于靶细胞并造成该细胞损伤由和二个损伤概率复合而成。由一个电离通过DNA双链并在双链邻近处造成该两邻近作用点的放射量沉积、DNA双链断裂。发生靶细胞损伤的概率用表示（单次击中致死，其损伤与吸收剂量成正比，d即剂量的线性函数）。,由两个电离粒子通过而在靠近DNA链产生两个位置很靠近的能量沉积、DNA双链断裂，而发生靶细胞损伤的概率（多次击中致死，其损伤与吸收剂量的平方成正比，d2，即剂量的平方函数），用表示。 他们提出线性二次方程公式： S=e-n(D+D2) 简称/公式,三、LQ公式的临床意义 1、预测剂量分割方式的生物效应：Fowler采用此公式预测不同分次剂量的生物效应和有的放矢的临床研究，设计了超分割、加速超分割等具有重要意义的分次照射方式，提高了临床治疗肿瘤的放疗疗效。,2、不同剂量分割方式的等效转换： 例如：将标准模式D1=30次2Gy，5次/周的治疗方案等效转换为d2=3Gy，3次/周，问n2=？ 设两方案的总治疗时间相同，同为6周。对急性黏膜反应/=8Gy n2=18.2次。,四、LQ公式的限度 （1）现有的/多数是离体细胞或动物实验中所得出的数据，与临床有一定的差距。 （2）一般仅适合单次剂量在210Gy的剂量范围内使用，特别要注意当分次量2Gy时，运用这一方程估计重要组织如脊髓的生物效应有过量的危险。,（3）/值的动物模型限制条件是假定被照射的靶细胞的亚致死性损伤完全修复，并且没有细胞再增殖，与临床不完全符合。,事实上，组织的放射损伤和修复过程复杂。损伤分为可修复损伤（如DNA单链断裂和双击造成的双链断裂）和不可修复损伤（如单击造成的双链断裂）；修复又有正确修复和错误修复之分，错误修复仍会导致细胞死亡。,临床的肿瘤治疗中，肿瘤和早反应组织至少能产生依次在增殖（一般在放疗后2周后开始），故应充分考虑因组织修复和再增殖而额外增加的剂量。,第五章 放射损伤与修复,第一节 电离辐射的分子 生物效应 一、DNA放射损伤及其生物学意义 DNA是电离辐射重要靶分子之一，电离辐射对DNA结构的影响比较复杂，其放射分解产物也是多种多样，从碱基损伤到糖基破坏，其后果是：DNA链断裂、DNA交联及整个或部分高级结构的变化，最终影响其生物学功能。,二、DNA放射损伤的修复及DNA修复基因 DNA辐射损伤修复现象大致上可分为两种情况，第一，照射剂量按时间剂量分次给予，由此产生的生物效应则明显减轻；第二，在照射后改变细胞所处的状态和环境，均能提高存活率。,第二节 电离辐射诱导的细胞损伤与修复 一、细胞放射损伤的分类 电离辐射引起细胞损伤大致分为三类：致死性损伤，用任何办法都不能使细胞修复的损伤。亚致死性损伤，照射后经过一段时间能完全被修复的损伤。潜在致死性损伤，这是一种受照射后在一定条件下可以修复的损伤。,二、细胞放射损伤的修复 1、潜在致死性损伤的修复 是一定放射线剂量在正常情况下将引起细胞死亡，但当细胞处于密集抑制的稳相生长状态，或处于次佳生长条件其所受射线造成的潜在致死损伤可得到修复。,2、亚致死性损伤的修复 亚致死性损伤的修复只有在分割剂量实验中才能表现出来。 3、缓慢修复 毛细胞血管内皮对辐射的反应属缓慢修复。,三、影响细胞放射损伤及修复的因素 1、射线种类 细胞放射损伤随射线LET的增大而加大。,2、剂量率 总剂量一定时，剂量率越低，照射时间越长，生物效应就越轻。 3、氧效应 完全氧合细胞比低氧细胞对辐射更敏感。,4、辐射增敏剂和防护剂 增敏剂包括诸多种类。如氧、卤代嘧啶类、中药等。主要作用是降低细胞积累亚致死性损伤的能力。 辐射防护剂的作用机制，涉及自由基清除与氧有关的修复反应以及对细胞的防护保护作用等。,5、加热 可增强放射治疗效果： 加热可抑制肿瘤细胞照射后亚致死性损伤的修复；杀死对射线不敏感的S期肿瘤细胞；乏氧细胞与有氧细胞一样对加热敏感；肿瘤组织血循还差，加热时瘤内温度高于周围组织。,加热提高放疗效果的机理之一，是热对膜的损伤增加了细胞死亡机率。,第六章 分次照射后的组织反应,机体中正常组织和肿瘤组织分次放射反应可以用4个“R”概括其影响放射生物学效应的主要因素。即亚致死性损伤修复（repair of sublethal damage），再群体化（repopulation），细胞周期再分布（redistribution with the cell cycle）和乏氧细胞的再氧合（re-oxygenation）。,第一节 组织放射损伤的修复 分次照射的主要目的是保护正常组织，但不可避免的亦使一些肿瘤组织亚致死性损伤得到修复。早反应组织（包括肿瘤组织）的修复，主要方式是增殖，而其亚致死性损伤的修复所起作用较小。,晚反应组织的修复能力较强，并且因晚反应组织几乎不存在细胞的再增殖，亚致死性损伤修复对包括神经组织等在内的正常晚反应组织至关重要。,不论其机理是什么，分次放射治疗对晚反应组织的“保护”比早反应组织为大，即随着放射治疗分次剂量减低或照射次数增加，晚反应组织达到同等损伤的剂量较早反应组织为大。换言之，分次放射治疗大大增加了晚反应组织的耐受性。,早反应组织与晚反应组织对分次剂量的反应差异在临床上的指导意义有如下几点：大分割剂量对包括神经组织等在内的晚反应组织更为有害。较小的分次剂量会获得较好的治疗增益。持续的较低的分次剂量可使晚反应组织正常组织比包括正常肿瘤在内的早反应组织受伤较少。,为了发挥治疗增益的最大潜力，两次照射之间必须有足够的保证晚反应组织的亚致死损伤尽可能完全修复，两个分次间隔至少应有6小时。临床现使用的高LET射线出现晚反应组织的RBE（相对生物效应）偏高。,RBE（相对生物效应）的含义： RBE=D0/D0 D0指250kV X射线的平均灭活剂量或平均致死剂量； D0指所试射线达到同样生物效应的相应剂量。 X射线 射线 RBE=1 热中子 RBE=3 快中子 RBE=10 粒子 RBE=10,第二节 肿瘤组织的再群体化和正常组织的增殖 一、肿瘤的再群体化 临床进行分割照射时，每次照射量不可能达到破坏全部肿瘤细胞的目的，在此期间，肿瘤细胞的再生和再群体化是不可避免的，在制定治疗计划时，应考虑再群体化的重要性。,考虑到肿瘤的放疗再增殖特点，一个好的根治性放疗方案应该是：尽可能缩短治疗时间；出现严重的急性放疗反应时，中断治疗的时间也应尽量短；一般情况下不要采用单纯的分段治疗；,非医疗原因的间断治疗，需通过提高剂量以达到既定生物效应；快增长的肿瘤应该采取加速治疗，以抑制再增殖，更好的控制肿瘤。,二、正常组织的增殖 人体正常组织受一种自动控制稳定系统的调节，因此到一定程度细胞增殖就会停止。 晚反应正常组织则无明显的增殖，其对放射损伤的保护反应不是依靠细胞的再增殖作用，而是凭借其有效的亚致死损伤修复。,第三节 分次照射后 肿瘤细胞的再分布 分次照射治疗时，处于敏感时相的肿瘤细胞群损伤最重乃至死亡，使残留的细胞部分地出现肿瘤细胞的再分布。,第四节 肿瘤组织的再氧合 肿瘤细胞增殖到一定体积时，其乏氧细胞的比例保持恒定，一般可有2%的干细胞是处于乏氧状态。接受放射治疗后，肿瘤组织中的乏氧细胞比例明显提高，经24小时的恢复，细胞由乏氧状态向氧合状态发展。 肿瘤放射后再氧合时间大多数在624小时内完成。,第七章 正常组织的放射反应,第一节 细胞增殖周期与放射敏感性 一、细胞增殖周期 细胞周期可分为4个主要时相。G1期；S期；G2期；M期。 此外，G0期细胞，指那些处于休眠状态不参加周期分裂活动的细胞。一旦机体需要或接到某种信号后，这些细胞就能开始准备DNA的合成而变成G1期细胞。,二、细胞周期与放射敏感性 细胞处于不同时期，它的敏感性各不相同。M期细胞对射线最敏感，其次为G2期细胞、G1期细胞、早S期细胞，晚S期细胞最不敏感。,第二节 正常组织的增殖动力学 一、快更新组织 包括造血细胞、小肠上皮、表皮、输精管上皮和淋巴生成细胞等。表皮，更新时间大约是1216天，外加通过角化层的620天，总的更新时间约为25天。造血组织，照射后骨髓可以修复，但根治量照射后一年内很少修复。群体倍增时间是2124小时。肠上皮，更新时间是34天。精原细胞对放射线极为敏感，睾丸经1.0Gy照射就可能发生不育。 射线对成人卵巢的影响仅限于成熟的卵细胞和稳定的已分化的体细胞。,二、慢更新和非更新细胞 机械细胞：纤维细胞、骨细胞等属于这类细胞，更新时间大约是100天，一些因素如外伤愈合和修复等都可刺激上述细胞进入增殖状态。特异性分化器官：肝脏、肾脏、肺泡型上皮细胞等细胞仅在偶尔情况下分裂。非更新细胞：神经细胞在出生后，基本上处于G0期状态，没有明显的更新现象。,第三节 正常组织对放射线的 不同反应 人体组织对放射线的敏感性与其增殖能力成正比，与其分化程度成反比。 更新快的组织在放疗中是早反应组织，而更新慢的组织属于晚反应组织，肿瘤基本属于早反应组织。,一、早反应组织受照射后的表现 （一）皮肤反应和损伤 1、急性反应 （1）度：发生红斑。 （2）度：充血、水肿。 （3）度：放射性溃疡。 2、慢性反应 放疗后数日、数年出现的反应。表皮萎缩变薄，浅表毛细血管扩张。高能射线可致皮下组织纤维化。,一些器官产生严重放射损伤的剂量,二、常规分割时正常组织的放射耐受量 每周5次，每次2Gy，每天1次的常规放射治疗方案，各组织有较好的放射耐受性。 TD5/5指最小耐受量 TD50/5指最大耐受量,第八章 肿瘤组织的放射效应,第一节 肿瘤组织的基本特点 肿瘤是机体细胞在不同致瘤因素作用下，发生过度增生与分化异常而形成的新生物，其基本生物特点有以下几点。 （1）肿瘤由多种因素导致机体某种或数种组织过度生长而形成，它与正常组织在形态、生物功能和物质代谢等方面均有所不同。,（2）呈过度的不协调生长，当致癌、诱癌、促癌等作用因素停止作用后，肿瘤仍能继续生长。但某些肿瘤可自行缩小，如子宫肌瘤在停经后可缩小或自行消退；如绒毛膜上皮癌切除后，其转移灶可自行消失。,（3）肿瘤细胞不能达到其起源组织的分化成熟程度。 （4）肿瘤能从原发部位转移到其他部位并形成转移灶。 （5）肿瘤细胞能把上述特点传给子代细胞。,第二节 肿瘤增殖动力学 肿瘤的生物学特征决定了其增殖动力学特点。由最初的不均匀生长期、指数生长期到生长缓慢期。从临床前期发展到临床可发现的肿瘤即1cm3大小，重量1g左右，含109细胞，期间须经30次左右倍增。,第三节 肿瘤放疗后的形态学改变 辐射能量吸收后，引起分子的电离和激发，使DNA结构等损伤,导致细胞超微结构损伤或破坏，进而引起细胞形态的改变以及组织反应。 一、肿瘤放疗后病理形态学改变 大多数肿瘤放疗后，其病理形态学改变基本是相似的，主要表现为瘤细胞的退行性变及间质反应两个方面。,二、影响放疗后形态学改变的因素 1、治疗方式 放疗的主要作用部位是瘤体本身，因此单一放疗与放、化疗结合所引起的形态学改变不尽完全相同。,2、治疗剂量 研究表明，放射治疗用60Co或加速器照射剂量在10Gy以下时，瘤细胞的形态改变通常不明显，剂量在25Gy以上时，形态改变逐渐明显。放疗剂量是影响形态学改变的主要因素之一。,3、放疗后的时间 放疗后，首先表现为生化和病理生理方面的异常或变化，在短时间内，光镜下往往难以辨认其变化，随着时间的延长，其形态学改变才逐渐表现出来。例如一次大剂量照射后立即手术，肿瘤的形态学无明显变化。相反，放疗2周后，形态学改变就非常突出。,4、 根据肿瘤组织对射线的敏感程度不同，可将恶性肿瘤分成四类： 放射高度敏感的肿瘤 恶性淋巴瘤、精原细胞瘤、肾母细胞瘤、神经母细胞瘤、髓母细胞瘤、尤文氏肉瘤、小细胞肺癌。,放射中度敏感的肿瘤 头颈部鳞癌、食管鳞癌、肺鳞癌、皮肤癌、乳腺癌、移行细胞癌。 放射低度敏感的肿瘤 胃肠道腺癌、胰腺癌、前列腺癌。 放射不敏感的肿瘤