李英临床放射生物学基础

临床放射生物学基础 重庆医科大学附属第一医院肿瘤科,第一章 概 述,放射肿瘤学由四部分组成：放射治疗物理学、临床放射生物学、放射技术学、放射肿瘤学临床。,放射治疗物理学：用什么？如何应用？临床放射生物学：为什么？如何应用？放疗技术学：研究具体运用各种放射源或设备治疗病人，射野设置 定位技术 摆位技术；放射肿瘤学临床：物理学、生物学结合肿瘤学,放射生物学主要研究放射线对生物体的作用，观察不同质的放射线照射后的各种生物效应以及不同内、外因素对生物效应的影响。临床放射生物学研究和探讨人类肿瘤及正常组织在放射治疗中的生物学问题。根据临床放射生物学理论阐述放射治疗原理，探讨影响肿瘤和正常组织对放射线反应性的生物学因素，寻找减少放射治疗副反应的办法和措施。目标：从应用基础研究角度为临床放射治疗医师设计和改进治疗方案提供思路和研究依据。,临床放射生物学在放射治疗中的作用,概念为放射治疗提供理论基础，确认放射线对肿瘤和正常组织的作用机制及其受照射后的生物体构成反应的过程。 DNA损伤及修复； 肿瘤乏氧细胞； 肿瘤细胞再氧合； 肿瘤干细胞再群体化等,治疗策略的实证研究放射生物学的作用是为治疗方法的改变提供生物学方面的定量性资料。 加速治疗； 超分割治疗； 大分割治疗； 乏氧细胞增敏剂； IMRT； 高LET放射治疗等,个体化放射治疗方案的研究和设计tailored therapy “个体肿瘤放射敏感性预测”其意义在于制定个体化放疗方案提供基础。 放射敏感的肿瘤可降低分次剂量同时化疗； 放射抗拒的肿瘤可加大分次剂量和应用放射增敏剂使患者受益。 目前尚不能完全准确、可靠地预测个体肿瘤的治疗反应性，预测放射敏感性是放射治疗的“holy grail”.,第二章 电离辐射对生物体的作用,辐射生物效应的时间标尺the time-scale of effect in radiation biology不同水平生物效应的发生时间、顺序和过程。物理阶段： 带电粒子和组织细胞的原子 之间相互作用化学阶段： 受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生 快速化学反应的时期。特点：清除反应之 间的竞争(灭活自由基的巯基化合物，固定 反应等)。生物阶段： 包括所有的激发过程，如损伤修复/细胞死 亡等,正常组织 早反应：皮肤粘膜破损、肠粘膜裸露、造血系统损伤 晚反应：皮肤毛细血管扩张、软组织或脏器得到纤维化、中枢神经受照射部位损伤和血管损伤 辐射致癌,电离辐射的直接作用和间接作用,直接作用（direct action of radiation） 是任何射线(X线、带电或不带电粒子）在被生物物质吸收时，直接和细胞关键的靶起作用，靶的原子被电离或激发，从而启动一系列的事件导致生物改变。高LET射线主要是直接作用。间接作用（indirect action of radiation） 射线在细胞内和另一个原子或分子相互作用产生自由基，它们可以扩散一定距离达到一个关键的靶并造成损伤，称之为间接作用。即射线先作用于关键靶的周围结构，其分解产物再作用于关键靶。,生物效应,入射X射线光子,快速电子,X射线的间接作用,从入射光子的吸收到最终生物效应的产生,离子自由基,自由基,由化学键断裂引起的化学变化,射线质与相对生物效应线性能量传递（LET,linear energy transmission) 射线与生物分子相互作用产生电离而发生的能量转换。 以射线沿径迹1u所消耗的能量表示，单位为KeV/u。 LET=dE/dL 高LET射线：质子、中子 低LET射线：直线加速器产生的X线和钴机产生线它的大小与电离性粒子的质量平方成正比，与速度成反比。它代表射线的质。,相对生物效应(relative biology effectiveness)：不同LET射线在相同剂量条件下，可产生不 同的生物效应。以250KV X线或钴机产生线的生物效应为基础，某种射线产生与 之相同的生物效应所需要的剂量比值。,LET与相对生物效应一般LET值越大的射线，其相对生物效应越大。同样LET的射线，单次照射与分次照射相对生物效应不同。在分割照射时，高LET射线对细胞的损伤都是致死性的；低LET射线造成的损伤部分是非致死性的。随着LET继续增高，RBE反而下降，这与高LET射线存在超杀效应（overkill effect）有关。,第三章：电离辐射的细胞效应,辐射诱导的DNA损伤及修复DNA的链断裂单链断裂： 离体DNA受照射后约90%为单链断裂；活体DNA受照射后比例更高。单链断裂后可以按照DNA的碱基配对原则修复（如此时发生错误修复，可产生突变）。双链断裂： 离体DNA受照射后约10%为双链断裂；活体DNA受照射后比例更低。双链断裂后，由于模板的消失，一般不能修复。 注意断裂部位：如断裂部分彼此分开（间隔一段距离），可以修复； 断裂在对侧互补碱基位置或仅隔几个碱基，发生真正双链断裂，及染色体折成两段，导致细胞死亡/突变致癌。 双链断裂修复：同源和非同源重组,辐射所致的细胞死亡细胞死亡的概念辐射所致细胞死亡主要形式：间期死亡（interphase death ） ：细胞受大剂量照射时发生的分裂间期死亡（在进行下一次分裂前死亡）有丝分裂死亡（mitotic death）：由于染色体损伤，细胞在试图进行有丝分裂时死亡。死亡可发生在照射后的第一次或以后的几次分裂，因此是一种增殖性死亡。,放射生物学对细胞死亡的定义与病理学上的定义有较大不同，它更注重细胞的机能，而不是纯粹的形态学的改变。 对于已分化的不再增殖的细胞（神经细胞、肌肉细胞或各种分泌细胞），只要丧失其特殊机能便可认为死亡。 对于增殖细胞（造血干细胞、肿瘤细胞或离体培养细胞） 放射生物学规定：鉴定细胞存活的唯一标准是细胞是不是保留无限增殖的能力。 增殖性死亡：细胞受照射后，形态完整无损，具有生理功 能，有能力制造蛋白质或合成DNA，甚至于还能通过一次或几次有丝分裂；但它已失去了无限分裂和产生子代的能力。(放疗结束后肿瘤继续缩小；临床治愈：带瘤生存),细胞死亡的机制：染色体DNA是关键靶调亡：照射启动了细胞内的某种基因机制，从而发生一系 列程序性改变，最终导致细胞死亡。多 发生在间期细胞及成熟分化的细胞。它是高度细胞类型依赖性的。唾液腺分泌细胞：照射几次即出现口干；神经细胞，淋巴细胞等。 在一定意义上说，只需使肿瘤细胞产生增殖性死亡，即肿瘤细胞不再无限分裂增殖，就能达到根治肿瘤的目的。 细胞死亡和再增殖完整性丢失（loss of reproductive integrity of tumor cells）存在根本意义上的不同。放射可治愈性最主要依据是后者。,细胞存活曲线是用来定量描述照射剂量与存活细胞数量相关性的一种方法。以剂量为横坐标，存活率为纵坐标。细胞存活曲线在研究放射效应规律及影响因素的相互比较中有重要意义。在不同类型射线照射后效应差异，放射增敏剂与保护剂的效果，乏氧对放射效应的影响等研究中，它是一个必不可少的重要参数。,细胞存活百分数,Gy,D0,1） 指数存活曲线：致密电离辐射（如中子/粒子）单靶单击数学模型拟合，在半 对数坐标上是一条直线。 D0：直线斜率的倒数 SF = 1/（是与射线的质和放射敏感性有关的常数）,Dq,D0,细胞存活百分数,Gy,多靶单击模型：肩区的意义表明细胞内存在亚致死性损伤修复主要参数：D0、Dq和N值 loge=Dq/D0D0：存活曲线直线部分斜率的倒数，即从某一存活率水平降低63所需要的照射剂量，代表细胞的放射敏感性。D0 值愈小，放射敏感性愈高。Dq：准阈剂量 （有杀灭效应的最小剂量） 代表细胞的亚致死性损伤修复能力N： 外推数 代表细胞内关键靶的数目或一个靶所需击中的次数。,2 ）非指数存活曲线：稀疏电离辐射细胞存活曲线主要由两部分组成：开始的平坦弯曲部分（肩区）和随后的直线部分。,N,线性二次模型（linear-quadratic model）辐射杀灭细胞有两部分：一部分与照射剂量成比例，另一部分与照射剂量的平方成比例S=e -D-D2和是常数S是照射剂量为D时的细胞存活当D= D2或D= / ，照射剂量与细胞杀灭成比例的部分与照射剂量平方成比例的部分相等，在这个剂量点/ ，线性和平方项对细胞杀灭的贡献相等。/ ：早反应组织高 晚反应组织低,D,D2,/ ,存活分数,照射剂量Gy,细胞周期时相及放射敏感性,1）细胞增殖周期从细胞周期的某一点到子细胞周期同一点的时间，称为细胞周期时间。 G1期：DNA合成前期，有RNA迅速合成并指导大量蛋白质合成和其它分子合成，准备合成DNA。 S期 ：DNA合成期，此期间DNA量增加一倍。 G2期：DNA合成后期，为分裂做准备。 M期：有丝分裂期，两个子细胞形成。 G0期：一些细胞处于真正休止状态，不参加周期活动，当需要时，进入细胞周期，成为G1期细胞。,2）细胞周期内的放射敏感性 不同时相放射敏感性不同。处于M期的细胞受照射很敏感,可引起细胞即刻死亡或染色体畸变.G1期早期对辐射不敏感,后期则较敏感,周期较长的细胞在G1期受照射可能发生G1抑制,延迟进入S期.S前期也较敏感,受照可使DNA合成速度变慢,细胞延迟进入G2期.G2期是对辐射极敏感的阶段,处于此期即使较低剂量也会由于所需特异蛋白质和RNA合成障碍引起长时间分裂延迟,也称“G2阻断”。可能的原因是细胞在分裂前没有充分时间修复放射损伤，细胞存活曲线上G2M期细胞没有肩区，而S期肩区最大。,第四章：肿瘤的放射生物学概念,肿瘤的增殖动力学层次（cell kinetic compartments of tumor）第一层次：增殖细胞 第二层次：静止细胞第三层次：终末细胞（不具有分裂能力）第四层次：死亡细胞肿瘤倍增时间（tumor volume doubling time，Td）由细胞周期时间，生长比，细胞丢失率决定潜在倍增时间（potential doubling time，Tpot）为理论参数，假设在没有细胞丢失情况下肿瘤细胞群体增加1倍所需要的时间。,肿瘤体积效应 放射治疗可治愈克隆源细胞小于109的肿瘤。瘤床效应 肿瘤复发后比未放射治疗的肿瘤生长速度慢。原因：照射对间质（含血管）组织所致的损伤。再群体化的加速 治疗前期肿瘤缩小，随后出现再增长。乏氧和再氧合 肿瘤都含有不同氧合水平的克隆源性细胞。,第五章：放射敏感性与可治愈性,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。即增殖能力越强的组织越敏感，分化程度越低的组织越敏感。同时与肿瘤大小也有关系（淋巴瘤残留、腺癌、肉瘤术后放疗）临床治愈：放射治疗能使残存的肿瘤细胞在很长时间内不能恢复其增殖能力，以至于在患者的自然寿命期内不再有临床表现。 放射敏感性与放射可治愈性不总是一致的。增殖快、分化差的肿瘤，对于放射线敏感，治疗早期疗效显著，但常因远地转移而死亡。（eg SCLC）,正常组织的放射耐受量 是指被照射的组织器官不发生严重损伤的最大照射剂量。它的大小与受照射的容积（面积或长度）有关；不同类型的器官，同一器官的不同部位也有差异。TD5/5（临床规定的最低耐受剂量）是指16MV光子射线，每次2Gy，每周5次的标准方式治疗后，5年内严重并发症发生率5的总剂量。是临床上允许的范围。,正常组织的放射耐受量,早反应组织造血细胞、小肠上皮、表皮等照射中即可出现 远期反应小晚反应组织肾脏、神经细胞照射中可无反应，可在照射后数年才出现直肠、膀胱、脊髓尤应注意,正常组织的放射耐受量,注意剂量限制性器官的剂量晶体、视神经、视交叉、脊髓、肺、etc如不考虑正常组织耐受量，放疗可杀灭一切肿瘤。 与容积有关的器官： 肺尖 全肺照射 与长度有关的器官： 全脊髓 局部照射,肿瘤组织的放射敏感性,放射敏感性肿瘤 经过标准方式2040Gy照射后，一般肿瘤可达到完全消退。包括恶性淋巴瘤、神经母细胞瘤、肾母细胞瘤及白血病浸润等。放射中度敏感性肿瘤一般照射60Gy才消失，包括大部分鳞状细胞癌、分化差的腺癌及脑肿瘤。这部分肿瘤正是比较适合放疗的肿瘤。放射抗拒性肿瘤消灭这类肿瘤所需剂量超过其附近正常组织的耐受剂量。包括大多数腺癌、软组织肉瘤和黑色素瘤。,治疗比 正常组织耐受剂量与肿瘤组织致死剂量之比，称之为治疗比（Therapeutic Ratio TR）治疗比对放射治疗适应症的选择，最佳治疗剂量和治疗方式的设计以及放射增敏剂和保护剂的研究有重要意义。注意：肿瘤和正常组织同时增敏或同时保护的问题 位于放射敏感器官内的放射抗拒性肿瘤，当放射剂量已达到引起该正常组织严重损伤时，仍未达到肿瘤控制所要求的剂量，这类肿瘤不适合放射治疗。(eg、小肠肉瘤),一般情况，肿瘤治愈率随着照射剂量的提高而增加。但达到一定剂量水平后，再增加剂量，肿瘤治愈率提高很少，而正常组织损伤几率却迅速增加，治疗比降低。因此，放疗设计不能为了控制肿瘤，无限制增加剂量。 如果正常组织合肿瘤组织同时被增敏，TR无明显改变，这个增敏剂则不适合应用； 如果某种放疗保护剂既提高了正常组织的耐受剂量，又提高了肿瘤组织的致死剂量，TR也无显著变化，不应用于临床。,第六章： 分次放疗中的放射生物学原理,设计治疗方案时必须把握两个要点：处方剂量的科学性生物学的合理性,不管照射模式如何改变，生物体对放射线的反应是有一定规律的,4R,Repair of radiation damage Redistribution of the cell cycle Reoxygenation Repopulation,细胞的放射损伤可分为3种类型：亚致死性损伤（sublethal damage）：受照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。 -可修复潜在致死性损伤（potential lethal damage）在正常状态下应当在照射后死亡的细胞，如置于适当条件下由于损伤修复又存活的现象。 -可修复致死性损伤（lethal damage）受照后细胞完全丧失了分裂增殖能力，不可逆的损伤。 -不可修复,细胞放射损伤的修复亚致死损伤修复（sublethal damage）-Elkind 修复 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。 -DNA的单链断裂 ，是可修复的放射损伤。影响因素： 放射线的质，高LET射线无此修复 细胞的氧合状态，氧合好此修复强 细胞群的增殖状态，未增殖者无此修复,细胞放射损伤的修复亚致死性损伤修复速率 30min-数H用亚致死性损伤半修复时间（T1/2）表示影响分次照射反应最普遍的生物现象是亚致死性损伤的修复能力。主要发生在G0及G1期细胞内正常组织与肿瘤比，有更多的细胞处于G0及G1期，因而对正常细胞从放射损伤中修复更有意义。,晚反应组织比早反应组织有较大的修复能力，因而分次照射对晚反应组织的益处比早反应组织为大。相同总剂量照射，分次越多，晚反应组织的副反应就越小。因此临床上应用每日2次，间隔6小时的照射方式以提高肿瘤的局部控制率而不增加后遗症。,细胞放射损伤的修复,细胞放射损伤的修复潜在致死性损伤修复：照射后改变其环境，可增加其存活的现象。如照射后将细胞置于平衡盐溶液而非完全培养基中可观察到此修复。影响因素： 射线质 高LET射线无 乏氧 细胞密度 接触抑制 细胞周期 如照射后大于或等于6H细 胞没有分裂可发生此修复,细胞周期的再分布 肿瘤细胞群在照射前处于非同步化状态，即细胞处于周期的各个阶段。分次照射 接受照射后，敏感期（M期）细胞被大量杀灭，处于相对放射抗拒的S期、G期细胞逐渐同步恢复，进入敏感期，此时再照射将获得较大杀灭。目前还无法准确判断这一时间，也没有可靠的措施使达到真正同步的要求。,氧效应及乏氧细胞的再氧合 氧在放射线和生物体相互作用中所起的作用-氧效应 在有氧情况下，射线对水分子的作用能产生更多的过氧化物加强射线造成的损伤，直接作用或间接作用产物与氧结合后不易修复固定损伤的作用。因此，因为氧的存在使射线的生物效应增加的作用，称氧增强作用，其大小以氧增强比表示氧增强比（OER， Oxygen Enhancement Ratio）,氧合好的细胞对照射敏感，一次照射后，肿瘤中足氧细 胞被杀灭，乏氧细胞因以下因素得到再氧合肿瘤细胞群总量减少，而血管没有损失，血管相对密度增加；对放射敏感的足氧细胞被杀灭后排除，乏氧细胞到血管间的距离减少，供氧改善；细胞死亡使氧耗下降，整个肿瘤细胞群氧分配增加。术前比术后好 预防比复发好,氧效应及乏氧细胞的再氧合,再群体化,正常组织和肿瘤在受到照射后都会产生细胞死亡、丢失及生长延缓，在此过程的同时，进行细胞的再补充。正常组织在照射后出现的急性放射反应即是因为再增殖未能及时补充丢失的细胞。肿瘤组织在照射后，肿瘤细胞群中的克隆源细胞周期时间变短，倍增时间缩短，产生加速再增殖，尤其在疗程的后期. 受照后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。 再群体化是造成早反应组织/晚反应组织/肿瘤之间效应差别的重要因素之一。,再群体化,尽量避免无谓的治疗中断或延长总治疗时间，已有文献报道证实延长总疗程或中断治疗可导致复发率增加。治疗前生长速度很快的肿瘤最好采取加速治疗。在某些肿瘤放疗的后半程应用增加每日剂量以克服再增殖。非医疗原因（节假日、机器故障）造成的治疗中断应采取措施补充剂量。,第七章：临床放射治疗中非常规分割治疗研究,目的是进一步分开早反应组织和晚反应组织的效应差别。在于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。但在实际使用中，剂量可能提高和总治疗时间缩短或相同。Eg : 头颈部肿瘤80.5Gy/70F/7w70Gy/35F/7W肿瘤控制和5年生存率升高；提高了疗效；没有明显增加副作用,超分割放射治疗（hyperfraction）,加速治疗（accelerated treatment）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。目的是抑制快增殖肿瘤细胞的再群体化。实际中必须有一段时间休息或降低剂量Eg : 头颈部肿瘤72Gy/45F/5w（1.6GyX3/d），中间休息2周70Gy/35F/7W肿瘤控制增加，而生存率无作用，急性反应和晚期反应增加。,（Continuous hyperfractionated accelerated radiation therapy ）目的：降低分次剂量以减轻晚期反应，缩短总治疗时间以抑制肿瘤的增殖。Eg：50.4-54Gy/36F/12d 1.4-1.5Gy/F肿瘤局控率好急性反应加重，但最明显发生在治疗完成后大部分晚期反应可以接受脊髓例外，50Gy出现严重放射性脊髓病，因间隔6H时间较短,连续加速超分割放射治疗,肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型,作用 对临床研究中不同分割方案进行比较 改变原有治疗方案或开展一个新的治疗模式 与常规治疗进行生物剂量等效估算，以获得 最好的治疗效益并使病人的利益得到保护。 生物剂量 有关的数学换算模型,生物剂量生物剂量是对生物体辐射反应程度的测量。与物理剂量完全不同。单野下的等剂量曲线，实际生物效应剂量和物理剂量不一致。随着每次剂量大小变化，生物效应也变化。100cGy：70%物理剂量（70cGy）-74.2cGy 50% -40.5cGy这种差别在物理剂量图上不能体现。,当改变常规治疗计划时应计算保持相等生物效应所 需的总剂量争取一个合理的分次方案比较不同分次剂量/分次数/总治疗时间的治疗技术。,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,立方根规则（cube root rule）1944年， Strandqvist第一个对现代分次放疗具有指导意义的时间剂量模型等效剂量D与总治疗时间T的立方根呈正比，而T是分次数N的线性函数，因此D也与N的立方根呈正比。用于换算总治疗时间和分次数两方面的关系。,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,名义标准剂量模型（nominal standard dose model，NSD）1969年，Frank EllisNSD代表生物效应水平，是时间和分次数的校正函数。NSD=D X T-0.11 X N-0.24每周照射次数和照射剂量固定（d）-T/N=常数NSD=d X （T/N）-0.11 X N 0.65-等号两边同乘1/0.65或1.54，使NSD1.54成为生物等效剂量单位：TDF（time-dose-fraction）TDF=10-3 X NSD1.54 = Nd1.54 (T/N) -0.17 X 10-3D：Gy表示，T：天表示。,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,如治疗中断期间干细胞的再群体化加以考虑：消减因子（decay factor）DF=【T/（T+R）】0.11T：疗程开始到治疗中断的天数R：休息期间的时间长度。TDF后=TDF前-DF,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,NSD主要缺陷：NSD低估大分次剂量照射后晚期损伤的发生率无鉴别晚期损伤的治疗时间因子延长总治疗时间使肿瘤局控率下降,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,线性二次模型（linear quadratic model，LQ）从细胞存活曲线直接推导而来1973年，Chadwick/Leenhouts E=D+D2等效换算的基本公式：E/=D+（/）D2E/：生物效应剂量（biological effective dose，BED）,分次剂量为d，采用分隔时间大于6h,分次数为n，亚致死性损伤完全修复：BED=nd X 1+d /(/)/：细胞存活曲线参数之比，一个特定组织或细胞群体的/是指在这个剂量值单击和双击所产生的生物效应相等，不仅反映不同组织分次敏感性的差异，还说明在该剂量照射下NDA双链断裂与两个单链断裂组合发生几率相等。,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,不同分割方案的等效换算基本公式D2 1+d1/（ / ）D1 1+d2/（ / ）D：总剂量，d分次剂量,带有时间因子的LQ等效换算公式总治疗时间的改变，一般来说，对晚反应组织而言，总治疗时间的变化对生物效应影响不大，但对多数早反应组织和肿瘤来说，总治疗时间的延长会使既定方案的生物效应下降，原因主要是受照组织靶细胞增殖的结果，应对此校正。目前尚无一个数学模型能描述这种时间跨度组织恢复情况。在群体化快的肿瘤可采用K=0.6Gy/d;增殖慢的K=0.1Gy/d,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,带有不完全修复因子的LQ等效换算公式LQ基本公式前提是分次之间每次照射剂量后的亚致死性损伤完全修复（大于或等于6H），如分隔时间短于这个值，整个治疗的总损伤会由于每次照射前上次照射损伤修复的不完全而加重。,放射治疗中的生物剂量等效换算模型,BED=nd X 1+d /(/),D=P-E d=(Pp-Ee)/(P-E)=(PX2-EXB)/(P-E),The linear quadratic approach in clinical practice,A patient with metastatic bone pain located to the 5th thoratic vertebra is considered for palliative radiotherapy using 4X5GyProblem: What is the isoeffective dose in 2Gy fraction for spinal cord?Solution: endpoint :myelopathy / =2.0,BED=4X5X(1+5/2)=70,PE=2XNX(1+2/2)=70,N=70/4=17.5,Dose: 17.5X2=35Gy,Example 1. Converting a dose into the isoeffective dose in 2Gy fractions,Example 2. Error in the delivered dose per fracion at the beginning of the treatment,A patient is intended to re