放射生物学课件

放射生物学

Radiobiology金明根上饶市肿瘤医院放化疗三科放射肿瘤学

Radiationoncology放射肿瘤学的基础:放射物理学放射生物学临床肿瘤学

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

Todescribethenatureoftheinteractionsandtheconsequenceswhenmacromolecules,cells,tissuesandwholebodiesaresubjecttoionizingradiation放射生物学

Radiobiology电离辐射对生物体的作用电离辐射的细胞效应电离辐射对肿瘤组织的作用正常组织及器官的放射效应分次治疗的生物学基础

放射生物学

Radiobiology电离辐射对生物体的作用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放射生物学

Radiobiology电离辐射对生物体的作用电离辐射的细胞效应电离辐射对肿瘤组织的作用正常组织及器官的放射效应分次治疗的生物学基础

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。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TCA近年的一些实验表明DNA双链断裂在基因的调控下也可修复，而只有未修复或修复不当才可能造成细胞死亡。诱发DNA双链断裂的剂量与双链断裂数的关系并不像单链断裂那样呈线性，而是与周围环境有关，涉及到剂量的大小以及DNA的浓度等，在临床放射生物的剂量范围内，二者的关系呈线性二次方程。实际上，在一个独立的辐射事件中，DNA的反应物中应该既有单链断裂也有双链断裂。公式应该是：N=αD+βD2（α、β都是系数）DNA双链断裂与细胞存活率之间有着某种内在联系，一些学者在这方面进行了卓成效的工作，建立了许多数学模型，提供了一种从数学角度分析细胞存活与剂量之间的损伤效应关系细胞存活曲线判断一个细胞“死”或“活”，与我们熟悉的生理学上的死活是不一样的。要把一个细胞完全杀死，需要的放射剂量是很大的。而对临床放射生物学而言，一个细胞保持完整的增殖能力，产生大量的克隆，我们认为这样的细胞为活细胞，称为“克隆源性细胞”。反之，一个细胞，形态完整，具有细胞的许多生理功能，如制造蛋白质或合成各种酶和激素的功能等，但只要丧失了无限分裂的能力，我们就把这个细胞看成死细胞。对细胞“活”与“死”的这种理解，在临床放射生物学的范围内是很有必要的，对于一个肿瘤，只要它丧失了无限增殖能力，我们就认为已将其彻底根治了。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”。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低LET射线，如X射线，存活曲线常有一初始肩段，随后的部分才成为直线,表示这个曲线用以下几个参数来描述。直线部分用直线的斜率来表示，以D0来表示。曲线部分用外推值n来表示，是存活曲线的直线部分外推，与存活率纵轴相交处。曲线的肩段小，外推值很小，若曲线的肩段很大，则外推值很大。这是一个剂量值，当存活曲线外推，与存活率为“1”处画出的剂量横轴相交处的剂量值即为Dq.。

哺乳动物细胞存活曲线最初的细胞存活曲线是由离体细胞通过在体外进行细胞培养获得的,这引起了一些人的怀疑,他们认为培养瓶中生长的细胞与细胞在体内生长的环境不一样,因此,所获得的结论是否适用于临床放射治疗?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期相似放射生物学

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肿瘤的增殖动力学描述肿瘤生长的一些参数肿瘤体积倍增时间（tumorvolumedoublingtime,Td）决定因素:细胞周期时间生长比例细胞丢失率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/Td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天放射生物学

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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细胞更新快,放射后的损伤很快会表现出来,这类组织α/β比值较高,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α/β比值较小.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组织类型生存曲线的α/β比值对分次量大小的敏感性对治疗总时间的敏感性早反应组织高+++晚反应组织、低++++0肿瘤与正常组织的放射敏感性相对敏感性正常组织肿瘤控制剂量高度敏感淋巴组织、胸腺、造血组织、性腺、胃肠上皮、胚胎组织淋巴网状内皮系统的肿瘤、胚胎性肿瘤30-40Gy/3-4W中度敏感感觉器官（角膜、晶状体、结膜）皮肤上皮（毛囊、皮脂腺）、口咽复层上皮、小血管和淋巴管、唾液腺、肾、肝、肺等上皮各种组织器官的鳞状细胞癌60-70Gy/6-7W低度敏感中枢神经系统、内分泌腺（包括性腺内分泌细胞）、心脏各种组织器官的一般腺癌等70-80Gy/7-8W不敏感肌肉组织、骨与软骨组织、结缔组织各种肉瘤及神经节胶质细胞瘤等≧80Gy正常组织的早、中、晚期放射性反应器官早期一过性反应中期放射性损伤晚期放射性损伤小肠腹泻、绞痛、吸收不良6-12个月梗阻1-11年梗阻，可能需手术结肠、直肠腹泻、绞痛6-12个月腹泻、坏死2-3年慢性梗阻、纤维化胃厌食、恶心、酸度降低1-2个月表浅溃疡慢性萎缩性胃炎食管吞咽困难、疼痛无1-5年狭窄口腔黏膜炎、湿性脱皮2-3个月萎缩6个月-1年纤维化、1-5年溃疡、坏死皮肤红斑、脱皮6-8周脱皮、色素沉着6个月-5年萎缩、溃疡、纤维化肝肝功异常无6个月-1年肝功损伤正常组织的早、中、晚期放射性反应器官早期一过性反应中期放射性损伤晚期放射性损伤肺肺炎1～3个月肺炎6个月～2年纤维化肾无6～12个月肾硬化1.5～3年慢性放射性肾炎输尿管无无1～2年纤维化及硬化膀胱膀胱炎无7～8个月挛缩，一年后萎缩性溃疡脑水肿6～12月可逆反应1～2年坏死心脏无心肌炎1～2年心包炎血管无动脉纤维化少见眼无无2年以后白内障脊髓无水肿横断性脊髓炎，6～12个月以内可逆，1～2年截瘫放射生物学

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著名放射生物学家Withers指出：

临床放射治疗医生在设计分次治疗方案时，应注意把握两个要点

生物学的合理性和处方剂量设定的科学性。必须了解影响分次放射治疗的生物学因素。“4Rs”概念是重要环节。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)

2.细胞放射损伤的修复

（1）亚致死损伤的修复是一专业术语，指假如将某一即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。中国仓鼠细胞受2分次X射线照射后的细胞存活影响亚致死损伤的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。细胞亚致死损伤的修复速率一般为30分钟到数小时。常用亚致死损伤半修复时间（T1/2）来表示不同组织亚致死损伤的修复特性。小肠T1/2为0.5小时，脊髓1.5小时或更长啮齿动物皮肤湿性脱皮的T1/2为1.3小时是早反应组织中最长的。从临床资料来看，Oliver和Hall提出的半修复时间T1/2=1.5小时已被用于低剂量率照射的生物等效换算。在临床非常规分割照射过程中，两次照射之间间隔时间应大于6小时，以利于亚致死损伤完全修复。（2）潜在致死损伤的修复

指照射以后改变细胞的环境条件，因潜在致死损伤的修复或表达而影响即定剂量照射后细胞存活比例的现象。Little及其同事用密度抑制的平台期细胞培养研究潜在致死损伤，如果照射后在进行克隆形成分析实验前把细胞保持在密度抑制状态6-12小时细胞存活率同步增加。当存在潜在致死损伤修复时，潜在致死损伤与放射治疗的关系变得更加明显。密度抑制的平台期细胞的X射线细胞存活曲线影响潜在致死损伤修复的因素高LET照射没有潜在致死损伤的修复。细胞所处的周期时相，如果照射后6小时或更长时间细胞没有分裂则会发生潜在致死损伤的修复，这表现为细胞存活增高。这种修复现象在离体实验可用照射后6小时的平台期来证实，在体内实验，可用动物肿瘤或正常组织细胞的分析以及移动延缓来证实。潜在致死损伤修复对临床放射治疗是重要的，研究提示，某些放射耐受的肿瘤可能与它们的潜在致死损伤修复能力有关。即放射敏感的肿瘤潜在致死损伤修复不充分而放射耐受肿瘤具有较为充分的潜在致死损伤修复机制。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）氧的重要性早期的研究发现，细胞对电离辐射的效应强烈地依赖于氧的存在（Gray1953,WrightandHoward-Flanders1957）。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）

OER=D0乏氧细胞D0有氧细胞氧效应的机制zheli

比较公认的理论是“氧固定假说（OxygenFixationHypothesis）即当带电粒子穿过生物物质时产生许多电子对，这些电子对寿命极短，约为10–10秒，当生物物质吸收了放射线以后形成自由基。这些自由基是高活度分子，能击断化学键造成靶分子的损伤（通常是DNA），从而启动一系列事件并最终以损伤的形式表达出来。在有氧存在的情况下，氧与自由基R作用形成有机过氧基（RO2），它是靶物质的不可逆形式，于是损伤被化学固定下来，因此认为氧对照射的损伤起了“固定”作用称之为“氧固定假说”。2.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100-180um，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。测定肿瘤乏氧水平的方法

存活曲线的分析夹持肿瘤血管。测定人肿瘤乏氧的方法：--间接的方法，测量血管间距、血管密度、测定肿瘤代谢活性；采用特异的放射活性物质或荧光标记的化合物结合到乏氧细胞等。直接测定人肿瘤乏氧细胞的方法是采用氧电极以决定氧分压。用这些方法进行的几个临床实验已间接地证明了人实体肿瘤内有乏氧细胞存在，并能影响放射效应。3.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。计算所得的放疗分次照射肿瘤细胞再氧合的存活曲线四.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。这一概念早先用于描述正常组织损伤之后的恢复过程。再群体化效应可以被增殖层次细胞的缺失或非增殖性功能细胞层的缺失所启动。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）。加速再群体化。大鼠横纹肌肉瘤的生长曲线，A.曲线1是未照射的对照组的生长曲线；曲线2是照射后即刻的肿瘤生长曲线；B.照射以后不同时间克隆源细胞的比例变化。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。Withers及其同事总结了头颈部肿瘤的文献，分析了达到50%控制剂量(TCD50)与分次治疗总时间的关系，结果提示: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。头颈部鳞癌总治疗时间和TCD50剂量的关系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。五.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。

超分割放射治疗(Hyperfractionation)每天2次并不是超分割的限制，可把剂量分得更多更小（但应使分割剂量处在曲线弯曲部位以上）来进一步减轻晚期损伤。Withers介绍了转折剂量的概念（flexuredoseDf），指在剂量-效应曲线开始出现有意义弯曲的那点上的剂量。

在实践中这点是在0.1α/β比值剂量上（α/β的十分之一），即曲线在该组织α/β比值的1/10处弯曲。早反应组织的α/β是6-12Gy晚反应组织的α/β是1-5Gy。因此早反应组织的Df是0.6-1.2Gy，晚反应组织是0.1-0.5Gy，如脊髓、肾、肺或晚期的皮肤挛缩。欧洲协作组（theEuropeanCooperationGroup头