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临床放射生物学基础Radiobiology 北京大学人民医院放疗科陈亚林 放射生物学Radiobiology 放射生物学研究的是辐射对生物体作用及其效应规律的一门科学 放射生物学Radiobiology 电离辐射对生物体的作用分为物理阶段化学阶段生物阶段 物理阶段10 18 10 12s 射线照射路径上的能量释放激发电离 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 生物阶段 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 电离辐射的直接作用和间接作用 辐射导致的DNA分子断裂分为两类 直接作用 directeffect 和间接作用 indirecteffect 直接作用是指射线直接作用于DNA分子 使DNA分子发生损伤而导致断裂 间接作用是指辐射可使水分子产生自由基 自由基作用于DNA分子并使之断裂 DNA是放射线对细胞作用最关键的靶微辐射研究显示 用放射线杀死细胞时 单独照射细胞浆所需的照射剂量要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 受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密切相关 当特异地把胸腺嘧啶类似物 如碘脱氧尿核苷或溴脱氧尿核苷掺入染色体时可修饰细胞的放射敏感性 靶的概念 所谓 靶 指的是细胞内对放射线敏感的位点 Lee1946年在他的 辐射对活细胞作用 一书中 创立了靶的概念 认为辐射的生物效应是由于放射线击中了生物大分子或细胞内对射线敏感的特定区域并使之电离的结果 并将这个敏感区域形象的称为 靶 DNA单链断裂 单链断裂的修复过程是受酶控制的 DNA双链断裂染色体断裂 一般认为 引起DNA损伤并最终导致细胞死亡的主要是DNA的双链断裂 这主要是由于在实验中发现辐射引起的单链断裂可以大部分得到修复 而双链断裂不易修复 且修复的过程中有可能发生的修复差错 细胞存活曲线 细胞存活 经射线照射后 细胞仍具有无限增殖能力称为细胞存活 如没有无限增殖能力 即使形态完整 有有限分裂能力 但不能传种接代 也称为细胞死亡 哺乳动物细胞存活曲线 横坐标表示剂量 按线性标度绘制 纵坐标表示存活率 按对数标度绘制 哺乳动物细胞存活曲线 D0 平均致死剂量 meanlethaldose D0 1 k K为直线的斜率 它表明 杀死63 的细胞所需的照射剂量 D0值越小 细胞越敏感 哺乳动物细胞存活曲线 Dq值 准阈剂量 quasithresholddose 代表存活曲线的肩宽 也称为浪费剂量 表示 开始照射到细胞呈指数性死亡时所 浪费 的剂量 SF2 为用2GY单次照射后的细胞存活率 作为细胞放射敏感性的指标之一 细胞存活曲线的临床意义 1 研究各种生物效应与放射剂量的关系 2 比较各种因素 氧 放射增敏剂 化学药物 放射保护剂 不同射线 以及其他物理因素 对细胞放射敏感性的影响 生物剂量 生物剂量是指对生物体放射反应程度的测量 它与物理剂量不一致 因为剂量率不同 生物效应不一样 线性二次模式 线性二次模式 Linerquadraticmodel LQ 电离辐射作用于靶细胞并造成该细胞的损伤由 和 两个损伤概率复合而成 单击致死 损伤与吸收剂量成正比 用 表示 多击致死 损伤与吸收剂量的平方成正比 用 表示 线性二次模式 S e n d d S 存活比例 e 自然对数的底 d 分次剂量n 照射次数 为系数 2 线性二次模式 LnS n d d2 nd d EE 生物效应 nd D d 分次剂量E nd d 总生物效应 Totaleffect TE 单位为 Gy 2 线性二次模式 E D 1 d E 为生物有效剂量 biologicallyeffectivedose BED 单位为Gy 它代表 整个分次照射或低剂量连续照射过程的生物效应 线性二次模式 LQ的临床意义1 预测剂量分割方式的生物效应 而提出超分割 加速超分割 低分割等照射方式 2 不同剂量分割方式的等量转换n2d2 1 d2 n1d1 1 d1 D2 D1 1 d2 1 d1 细胞周期时相与放射敏感性 细胞周期时间 cell cycletime 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 细胞周期时相与放射敏感性 有丝分裂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 肿瘤的增殖动力学 描述肿瘤生长的一些参数潜在倍增时间 potentialdoublingtime 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决定因素 细胞周期时间生长比例 肿瘤的增殖动力学 描述肿瘤生长的一些参数细胞丢失因子 celllosefactor 细胞丢失因子 1 Tpot TdTd Tumorvolumedoublingtime 肿瘤的增殖动力学 人类肿瘤典型的动力学参数细胞周期 约2天生长因数 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 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 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 Earlyrespondingtissue 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 10 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 早反应组织和晚反应组织 晚反应组织 Laterespondingtissue 细胞更新慢 数周甚至一年或更长时间也不进行自我更新 如神经细胞 放射后的损伤很晚才表现出来 这类组织 比值较小 3 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 早晚反应组织的差别 肿瘤与正常组织的放射敏感性 4Rs 细胞放射损伤的修复 Repairofradiationdamage 周期内细胞时相的再分布 Redistributionwithinthecellcycle 氧效应及乏氧细胞的再氧合 Theoxygeneffectandreoxygenation 再群体化 Repopulation 细胞放射损伤的类型亚致死损伤 sublethaldamage 潜在致死损伤 potentiallethaldamage 致死损伤 lethaldamage 一 细胞放射损伤的修复 Repairofradiationdamage 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 一细胞放射损伤的修复 Repairofradiationdamage 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 一 细胞放射损伤的修复 Repairofradiationdamage 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 细胞放射损伤的修复 Repairofradiationdamage 一 细胞放射损伤的修复 亚致死损伤的修复是一专业术语 指假如将某一既定单次照射剂量分成间隔一定时间的两次时所观察到的存活细胞增加的现象 1959年Elkind发现 当细胞受照射产生亚致死损伤而保持修复能力时 细胞能在3小时内完成这种修复 将其称之为亚致死损伤修复 为增加正常组织的损伤修复 两次照射之间应间隔6小时以上 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 密度抑制的平台期细胞的X射线细胞存活曲线 二 周期内细胞时相的再分布 RedistributionWithintheCellCycle 离体培养细胞实验表明 处于不同周期时相的细胞放射敏感性是不同的 总的倾向是S期的细胞 特别是晚S期 是最耐受的G2和M期的细胞是最放射敏感的 可能的原因是 G2期细胞在分裂前没有充足的时间修复放射损伤 细胞周期再分布的意义 一般认为 分次放射治疗中存在着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 这有助于提高放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内时相的再分布 则也可能成为放射抗拒的机制之一 三 氧效应及乏氧细胞的再氧合 Theoxygeneffectandreoxygenation 氧效应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 实验表明 氧效应只发生在照射期间或照射后数毫秒内 随着氧水平的增高放射敏感性有一个梯度性增高 最大变化发生在0 20mmHg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 OxygenEnhancementRatioOER 通常用OER来衡量不同射线氧效应的大小 氧增强比 OxygenEnhancementRatio OER 肿瘤乏氧和乏氧细胞 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100 180微米 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 那些处于即将坏死边缘部位的细胞但仍有一定活力的细胞称为乏氧细胞 乏氧细胞的再氧合 直径 1mm的肿瘤是充分氧合的超过这个大小会出现乏氧 再氧合如果用大剂量单次照射肿瘤 肿瘤内大多数放射敏感的氧合好的细胞将被杀死 剩下的那些活细胞是乏氧的 因此 照射后即刻的乏氧分数将会接近100 然后逐渐下降并接近初始值 这种现象称为再氧合 四 再群体化 Repopulation 损伤之后 组织的干细胞在机体调节机制的作用下 增殖 分化 恢复组织原来形态的过程称做再群体化 再群体化的概念也用于肿瘤 但涵义有所不同 照射或使用细胞毒性药物以后 可启动肿瘤内存活的克隆源细胞 使之比照射或用药以前分裂得更快 这称之为加速再群体化 acceleratedrepopulation 单次20GyX射线照射后大鼠移植瘤肿瘤消退和再生长的总生长曲线 值得重视的是 在这段时间里肿瘤还在明显皱缩和消退着 而存活克隆源细胞的分裂数目比以前更多更快 加速再群体化 在临床上 人的肿瘤也存在着相似现象 人肿瘤干细胞的再群体化在开始治疗后的28天左右开始加速 因此每天增加0 6Gy是需要的 以补偿加速再群体化所损失的效益 再群体化 受照射组织的再群体化反应的启动时间在不同组织之间有所不同 放射治疗期间存活的克隆源性细胞 ClonogenicCell 的再群体化是造成早反应组织 晚反应组织及肿瘤之间效应差别的重要因素之一 在常规分割放疗期间 大部分早反应组织有一定程度的快速再群体化 而晚反应组织由于它的生物学特性一般认为疗程中不发生再群体化 如果疗程太长 疗程后期的分次剂量效应将由于肿瘤内存活干细胞已被启动进入快速再群体化而受到损害 正常组织放射反应 皮肤黏膜急性反应 分为三度 度 发生红斑 表现为充血 潮红 有烧灼和刺痒的感觉 以后渐渐变成暗红 表皮脱屑 称干性皮炎 度 充血 水肿 水泡形成 糜烂 有渗出 称湿性脱皮 度 放射性溃疡 慢性反应 主要为皮下纤维化 正常组织放射反应 造血系统 照射后骨髓各层次细胞急聚减少 但很快再生 再次照射 可使骨髓自身能力减弱 造成骨髓抑制 正常组织放射反应 小肠 类似于皮肤急性反应 照射后 小肠隐窝细胞丢失 不能更新 已分化的细胞持续脱落 绒毛变短 40 50GY照射后 1 5 会出现小肠放射反应 严重者出现出血 穿孔及梗阻 慢性反应 因为肠道血管损伤 闭塞或狭窄 造成黏膜广泛溃疡 肠道狭窄 出血甚至肠穿孔 坏死 直肠 乙状结肠梗阻 阴道膀胱瘘等 正常组织放射反应 晚反应组织照射后表现 肺 早期 2 6月 反应为渗出 损伤 型细胞 造成表面活性物质减少 肺泡萎缩 肺泡膨胀不全 血管内物质渗进肺泡 晚期 数月至数年 反应为肺纤维化 正常组织放射反应 中枢神经系统 放射损伤表现为脊髓损伤 放射性脊髓炎 主要为血管损伤造成 40GY 20F是安全的 剂量过高 或单次量偏大可出现损伤 表现为一过性低头颈有触电感 进一步发展可引起感觉障碍 甚至截瘫 脑组织在大剂量照射后 可出嗜睡 头晕 记忆力下降 颅内高压 或脑组织坏死至功能减退 处理 控制照射剂量 及单次量 使用血管扩张剂 及脑神经营养药 各种维生素 严重者作高压氧舱及手术治疗 正常组织放射反应 肝 肝的放射损伤主要与照射体积有关 照射体积越大 要求剂量越低 分次剂量越小 正常组织放射反应 肾脏 双全肾 20GY 病理表现为肾小球和肾小管萎缩及硬化 照射可引起直接的血管损伤和进行性肾小球毛细血管血栓形成 肾损伤的 比值是3 正常组织放射反应 再次照射正常组织的耐受性皮肤 如果间隔8周以上 可以再次放疗 耐受性很好 小肠 目前没有明确资料 骨髓 如果干细胞的再生时间充足 恢复一定耐受性 肺 较高剂量照射后 超过70 的第一次剂量再程治疗不能耐受 肿瘤的放射反应 肿瘤敏感性的预测1 克隆形成分析法 不同的剂量照射后 培养照射过的细胞 计算集落形成率 2GY照射后肿瘤细胞存活分数 称为SF2 肿瘤的放射反应 2 肿瘤细胞潜在倍增时间 Tpot 测定Tpot potentialdoublingtime 主要测定能持续增殖的细胞的增长速度 Tpot 4天 肿瘤生长快 治疗用加速治疗 Tpot 4天 肿瘤生长慢 用常规治疗 肿瘤的放射反应 3 细胞凋亡 apoptosis 测定凋亡快的组织 放射敏感性高 凋亡慢的组织 放射敏感性低 肿瘤控制率 TCP tumorcontrolprobability 决定因素 肿瘤放射敏感性及肿瘤大小等 亚临床病灶 45 50GY 可控制 90 的细胞 镜下残存病灶需60 65GY T1期病灶需70GY T4期病灶可能需75 80GY TCP和NTCP 正常组织并发症概率 NTCP normaltissuecomplicationprobability 对于晚期反应还要考虑不同器官的次级功能单位 functionalsubunits FSUs 的排列方式 可分为串形排列 平行排列或两者都有 正常组织并发症概率 串形排列器官有 脊髓 肠道等 当其中一部分受损时 可能导致整个器官功能丧失 平行排列器官有 肺 肝等 其中一部分受损 不会导致整个器官功能丧失 因此 对于X刀等大分割剂量照射技术 不适于串形排列器官 临床放射治疗中非常规分割治疗研究 分次放射治疗的生物学基本原理把一次剂量分成数次时可由于分次剂量之间亚致死损伤的修复以及在总治疗时间足够长的情况下由于干细胞的再群体化而保护正常组织 但如果总治疗时间太长也会同时损失肿瘤治疗效益 与此同时 把一次剂量分成数次还可由于分次照射之间肿瘤的再氧合和再分布而对肿瘤有敏化作用 超分割放射治疗 Hyperfractionation 基本目的是进一步分开早反应组织和晚反应组织的效应差别 纯粹的超分割可以被定义为 在与常规分割方案相同的总治疗时间内 在保持相同总剂量的情况下每天照射2次 欧洲协作组 theEuropeanCooperationGroup头颈部肿瘤的超分割临床实验EORTC22791 方案超分割80 5Gy 70次 7周 1 15Gy 2 天 与常规70Gy 35次 7周相比结果1 肿瘤控制率和5年生存率升高 40 59 说明提高了疗效 2 没有明显增加副作用 3 此方案对口咽癌的优点是明显的 2 加速治疗 AcceleratedTreatment 纯粹加速治疗的定义在1 2常规治疗的总时间内 通过一天照射2次或多次的方式 给予与常规相同的总剂量 然而 在实践中因急性反应的限制达到这种状态是不可能的 必须在治疗期间插入一个休息期或降低剂量 加速治疗的主要目的抑制快增殖肿瘤细胞的再群体化 EORTC进行了头颈部肿瘤 不包括口咽癌 的随机前瞻临床研究 EORTC22851 方案72Gy 45次 5周 1 6Gy 3 天 中间休2周 常规方案是2Gy 35 70Gy 7周 结果局控率增加15 对生存率无明显优点 急性反应增加晚期反应增加 包括致死性并发症 结论纯粹的加速治疗只有在极端小心的情况下才可用 连续加速超分割放射治 ContinuousHyperfractionatedAcceleratedRadiationTherapy 是由MountVernon医院和Gray实验室合作进行的 这个方案叫做连续加速超分割治疗 CHART 方案主要思路降低分次剂量以减轻晚期反应 缩短总治疗时间以减少肿瘤的增殖 方案36次 12天 每天3次间隔6小时 1 4 1 5Gy 次 总剂量50 4 54Gy 按常规标准它的总剂量是非常低的 当然是在很短的时间内完成治疗 CHART方案的特点 小剂量 次 36次总治疗时间短 连续12天治疗期间无休息 3次 天 间隔6小时1 4 1 5Gy 次 总剂量50 4 54Gy CHART方案的结果 肿瘤局部控制率是好的 因总治疗时间短 急性反应明显 但峰在治疗完成以后 大部分晚期反应是可以接受的 因每次剂量小 脊髓是例外 在50Gy出现严重的放射性脊髓病 因为6小时间隔时间对脊髓而言太短 放射增敏剂 增敏比 sensitizationenhancementratio SER SER 单纯照射达到特定生物效应所需剂量 照射合并增敏剂后达到单纯照射同样生物效应所需剂量治疗增益因子 therapeuticgainfactor TGF 它反映某一种药物对肿瘤和正常组织两者间的不同效应 TGF SERtum SERnorTGF 1时 才能考虑用于临床 放射增敏剂 乏氧细胞增敏剂 MISO SER可达2 2 2 4 但它的神经毒性大 不能用于临床 可作为其他增敏剂的对比剂 甘氨双唑钠 希镁钠 可以提高实体瘤乏氧细胞对射线的敏感性 马蔺子素 鸦胆子油等 放射增敏剂 化学药物 机制 1 抑制放射损伤的修复 如放线菌素D 阿霉素 羟基脲 阿糖胞苷 顺铂等 2 细胞同步化 药物对S期细胞有效 而S期细胞对放射抗拒 3 放疗后 肿瘤再群体化增加 化疗药物可减缓再群体化过程 放射增敏剂 4 化疗可增加不活跃的细胞周期时相向活跃的细胞周期时相转移 5 通过两种方法的一种 减少肿瘤负荷 放射增敏剂 临床常用为增敏的化学药物1 氟嘧啶 5 FU 希罗达等 2 羟基脲 3 丝裂霉素 4 铂类 顺铂 卡铂等 用于肺癌 食管癌等 5 紫杉醇类药物 用于肺癌 乳腺癌等 加热治疗 机制 加热可以使组织细胞核仁结构改变 使细胞膜流动性和通透性改变 从而导致细胞死亡 方法 全身加热 用于晚期播散性病变 特别是放化疗无效及全身转移病变 浸在热水中 太空舱等 局部加热 主要是增加局部肿瘤的治疗温度 包括浅表加热和腔内加热短波透热 射频 微波 超声等 区域热疗 通过加热的液体循环用于肢体肿瘤的灌注 加热治疗 特性 1 处于酸性PH的细胞对热敏感 2 缺乏营养的细胞对热敏感 3 乏氧细胞不比有氧细胞对热敏感性差 因此 可与放射治疗合并使用 加热治疗 热耐受由于一个开始的加热而产生一过性的无遗传性的 但对随后加热有抗拒性的现象称为热耐受 热休克蛋白 细胞受热后 产生特定分子量的蛋白 它们的产生与热耐受相一致 故建议热疗 应每周一次 最多两次 加热治疗 加热治疗和放射治疗的综合作用1 不同细胞周期的细胞对热和放疗的敏感性不一样 热对S期细胞敏感 而放疗对G2及S期细胞敏感 两者互补 2 热可以抑制射线所致的SLDR 从而增敏射线的