持续低剂量率照射对血管损伤的研究进展

1、 持续低剂量率照射对血管损伤的研究进持续低剂量率照射对血管损伤的研究进展展 【摘要】 全文从持续低剂量率放疗的物理学特点、生物学特点以及对血管的损伤等方面对其生物学效应作了初步阐述。与传统的外照射相比近距离照射具有局部剂量高，达到边缘后剂量突然下降；照射范围内剂量分布不均匀，近源处最高；照射时间短，采取一次连续照射 【摘要】【摘要】 全文从持续低剂量率放疗的物理学特点、生物学特点以及对血管的损伤等方面对其生物学效应作了初步阐述。与传统的外照射相比近距离照射具有局部剂量高，达到边缘后剂量突然下降；照射范围内剂量分布不均匀，近源处最高；照射时间短，采取一次连续照射或数次照射完成治疗等特点。持续降低

2、照射剂量率，许多细胞系中细胞的死亡率并不是随剂量率的降低平行下降。而是当剂量率下降到某一个临界值时，继续降低剂量率，细胞的死亡率反而明显的增加，产生所谓的“反剂量率效应（inverse dose rate effect ）”。持续低剂量率照射对血管的损伤是照射区域炎症反应；血管内皮细胞以及血管平滑肌细胞增殖抑制、凋亡增加综合作用的结果。 【关键词】【关键词】 血管损伤 近距离放疗应用于临床治疗虽已有 100 多年的历史，但应用之初由于对其放射生物学效应知之甚少，加之防护困难、有限的治疗效果和较重的组织损伤，使这种治疗方法在之后很长的一段时间内处于停滞的状态。20 世纪 80 年代，新型的放射性

3、核素 125I 和 103Pa 进入临床。由于这两种核素与以往所使用的 226Ra、222Rn 以及 192Ir 相比具有低剂量率以及低能、射程短等独特的物理学优势，临床上防护简单；利用计算机三维治疗计划系统制定治疗计划，在影像系统的引导下布源，从而使得靶区剂量分布均匀，周围正常组织损伤很小；与以往常规放疗相比在比较短的时间内就能完成整个治疗计划。目前，在临床上某些肿瘤如前列腺癌等的治疗中取得了很好的治疗效果，显示了广阔的应用前景1。 1 1 持续低剂量率放疗的物理学特点持续低剂量率放疗的物理学特点 “近距离治疗”（brachytherapy）一词来源于希腊文 brachy，是“近”的意思。它

4、与希腊文 tele“远”一词相对。与传统的外照射相比近距离照射具有局部剂量高，达到边缘后剂量突然下降；照射范围内剂量分布不均匀，近源处最高；照射时间短；采取一次连续照射或数次照射完成治疗这些特点。近距离治疗的模式根据参考点剂量率的不同划分为以下几个区段和类别：低剂量率(low dose rate，LDR12Gy/h）；脉冲剂量率（pulse dose rate，PDR，指剂量率在 1Gy/h3Gy/h，照射间隔 1 次/h，每次治疗 10min 左右的模式）1，2。 2 2 持续低剂量率放疗的生物学特点持续低剂量率放疗的生物学特点 临床上之所以将近距离治疗的模式根据参考点剂量率的不同划分为几个

5、区段和类别是因为在不同的剂量率下对应的生物效应各不相同。 HDR 是指剂量率12Gy/h，即剂量率高到足以在很短时间内（短于亚致死性损伤的修复，即2Gy/min 时，在多数真核细胞系统中有生物学意义的照射剂量将在数分钟内完成，在照射过程中极少发生或不发生 DNA 单链断裂的修复，也观察不到剂量率效应。当剂量率210-3Gy/min 时，在多数真核细胞系统中有生物学意义的照射剂量将在数小时内才能完成，DNA 单链的修复大致是完全的。当剂量率低于 2Gy/min 高于 210-3Gy/min 时，有生物学意义的照射剂量的给出时间和 DNA 单链断裂的修复速率常数差不多，可以观察到剂量率效应，表现为

6、剂量率变化时生物效应关系也随之变化。这种变化可以用“4R”来描述，所谓“4R”是指：亚致死损伤的修复（repair of sublethal damage）：细胞受照射发生亚致死损伤的修复，它的速率一般为 30min 到数小时当剂量率从1Gy/min 下降到 0.1Gy/min 时，修复将会修饰放射效应。在 LDR 治疗时，由于总治疗时间的关系，亚致死性损伤的修复是最重要的因素。周期内细胞的再分布（redistribution within the cell cycle）：快增殖组织在几天内发生周期细胞的再分布，再分布的影响相对次要。再分布可能只与用相对长的半衰期的放射性核素（如 125I 半

7、衰期 59.6 天）的植入有关。再群体化（repopulation）：再群体化是一个很慢的过程，人体肿瘤或正常组织的再群体化不会低于一天，可能是几天到几周。当剂量率在很低的范围（低于2cGy/min），照射时间将持续几周时，单次照射会发生有意义的再群体化从而影响放射效应。乏氧细胞的再氧合（reoxygenation）：它对于肿瘤细胞而言是一个很重要的生物学因素。再氧合在 LDR 比 HDR 更有效，特别是那些只进行近距离治疗的病人，这是由于 LDR 与 HDR 相比，用 LDR 乏氧细胞所受的损伤大于分次 HDR 治疗；而用 HDR 氧合的肿瘤细胞所受的损伤大于氧合的正常细胞1，2。 2.2

8、持续低剂量率放疗时的反剂量率效应 在 LDR 放射治疗中，每单位剂量生物效应随剂量率降低而下降，但临床经验和大量的研究都显示，持续降低照射剂量率，许多细胞系中细胞的死亡率并不是随剂量率的降低平行下降。而是当剂量率下降到某一个临界值时，继续降低剂量率，细胞的死亡率反而明显增加，产生所谓的“反剂量率效应”（inverse dose rate effect ）。Mitchell CR 等4报道，当给予一个低于30cGy/h 的持续低剂量率照射时可以观察到明显的反剂量率效应，他以 T98G 人类胶质细胞作为研究材料进一步研究了当给予一个 LDR 预照射是否会消除通常观察到的反剂量率效应。结果是当给予一

9、个 30cGy/h60cGy/h，总量 5Gy（使用 60Co）的预照射后，马上用 240-KVpX-射线给予持续低剂量率照射时反剂量率效应没有出现，但间隔 4h 后重新出现；当给予 5cGy/h10cGy/h，总量 2Gy的预照射时，反剂量率效应不受影响。当预照射总量从 5Gy 逐渐下降到 2Gy时，反剂量率效应也在逐渐增强。关于反剂量率效应的产生，目前有如下几种假说：“G2 期阻滞”，有些细胞系如 Hela 细胞系，在 1.54Gy/h 的照射后，细胞被阻滞在周期的不同时相而停止分裂。当剂量率降至 0.37Gy/h 时，细胞在周期内前进并被阻滞于辐射敏感的 G2 期，因此在持续低剂量率照射

10、时，一个本来非同步化的细胞群体变成了一个 G2 的细胞群体5。但 Mitchell CR 等6观察以前已被证实对低剂量敏感的前列腺癌细胞 PC-3，胶质母细胞瘤 T98G 和 AT细胞系，用 60Co- 线照射，发现在剂量率 0.02Gy/h1Gy/h 表现出反剂量率效应，分析细胞周期，未发现反剂量率效应与 G2/M 期积累或其他周期阻滞呈相关性。DNA 损伤传感器失活。Collis SJ 等7通过研究认为，细胞内存在一种对细胞损伤的探测机制，当辐射引起的 DNA DSB（辐射可以引起多种类型的细胞 DNA 损伤：包括单链断裂（single strand breaks，SSB），双链断裂（do

11、uble strand breaks，DSB），碱基损伤和蛋白交联等）的数量达到一定阈值时，DNA 损伤传感器激活，启动细胞的修复机制，使部分细胞损伤得以修复，从而降低细胞的损伤。在 LDR 放疗时，随着剂量率的降低，DNA DSB 的数量减少。当剂量率下降到某一个阈值时，他所导致的 DNA DSB 的数量已不足以激活 DNA 损伤传感器，没有 DNA 损伤修复，最终结果是细胞损伤的数量反而超过剂量率高于该阈值时的数量，产生所谓的反剂量率效应。 3 3 持续低剂量率放疗对血管的损伤持续低剂量率放疗对血管的损伤 Fajardo LF8总结了电离辐射导致血管损伤的形态和病理改变：电离辐射主要导致内

12、皮细胞致死性和亚致死性损伤，造成微血管（毛细血管和血管窦）的破裂及血栓形成；中等直径的血管主要表现为新内膜增生、纤维素样坏死、血栓形成以及急性动脉炎；射线对大血管的损伤比较少见，而且静脉损伤多于动脉，主要有新内膜增生、动脉瘤、血栓形成以及管壁破裂。 血管的最初形成是由内皮细胞(vescular endothelial cell，VEC)的激活、迁徙以及增殖来完成的。正常的 VEC 和毛细血管的特点在许多病理状态下都发生了明显的变化。Mao9定量研究了电离辐射对 VEC 和毛细血管网形成的作用。通过体外试验模型，他评估了 VEC 在不同的照射剂量下（2Gy6Gy）功能和动力学方面的变化。与对照组

13、相比，在受照 24h 后 VEC 出现了呈时间和剂量依赖的丢失；高剂量时血管的生成明显受阻；受照的 VEC 群停留在 G1 期的细胞比例增加；一个呈剂量依赖的 DNA 链损伤亦出现。这些结果表明：辐射诱导的 VEC 损伤破坏了血管的结构，而凋亡增加可能是 VEC 损伤的分子机制。 3.1 电离辐射对内皮细胞凋亡的影响 治疗性照射被广泛地应用于肿瘤治疗，放射治疗的成功不仅取决于肿瘤细胞的放射敏感性，同时也取决于肿瘤组织血管内皮细胞的放射敏感性。Kumar P 等10发现 p38 MAPK 介导辐射引起的内皮细胞（VEC）的凋亡，而血管内皮生长因子（VEGF）通过磷酸肌醇-3 激酶（PI3K）-A

14、Kt-Bcl-2 途径来保护血管内皮细胞。他们在研究中发现 p38 MAPK 的抑制剂（PD169316）或拮抗剂可以显著提高 VEC 对 射线的耐受，而 PI3K-AKt-Bcl-2 途径的抑制可以明显增加 射线介导的 p38 MAPK 的活性，导致 VEC 凋亡增加。Bcl-2 的表达在受照后的 VEC内显著降低，而经 VEGF 处理后的受照 VEC 内 Bcl-2 表达维持在一个更高的水平。 抑癌基因 p53 主要调控 DNA 损伤后细胞的生长抑制和凋亡程序。Scott S 等11研究发现 p53 在辐射致血管平滑肌细胞（VSMCs）DNA 损伤时具有活性，而在其他原因如血管球囊扩张术等引起的 VSMCs 的损伤中没有活性。进一步的研究发现在上述两种损伤中 p53 表达是一致的，但对两类损伤却产生了完全不同的生物效应：只在受照后的 VSMCs 中导致了细胞生长抑制和凋亡增加。同时在受照后的 VSMCs 中由于 DNA 的损伤而引起的细胞周期蛋白 D 降解增加。因此，他们认为：在受照后的 VSMCs 中 p53 表达和功能是正常或增加，p53 引起受照后的 VSMCs 的生长抑制和凋亡增加主要是由于细胞周期蛋