分次放射治疗的生物学基础-基础医学-医药卫生

分次放疗的生物学根底

第一课中南大学湘雅医院肿瘤科周卫兵问题分次方案选用的理由？放射生物学=药理学是否有更合理的分次方案？肿瘤特征生物分子指标周边危及器官患者合并疾病和一般状况治疗目的射线，设备，技术综合方案怎样提高放疗疗效？其他放疗中断或更改分次方案的依据不同放疗手段的相加性？再程放疗剂量的给予IMRT、IGRT、SRS等剂量的特殊性，与常规剂量分割模式的矛盾研究分次效应的艰巨性和重要性第一课大纲〔一〕放射生物学根本概念细胞死亡细胞存活曲线LETRBEOERLQ模型α/βTpot〔二〕放射生物学中的4Rs及临床应用价值Repair再修复Redistribution细胞周期再分布Reoxygenation乏氧细胞的再氧合Repopulation再群体化第二课大纲〔一〕常规分割放疗定义优缺点本卷须知提高放射治疗疗效的途径：〔二〕非常规分割放疗超分割定义临床应用加速分割定义临床应用〔三〕未来研究方向IMRT面临的问题靶向治疗保护剂增敏剂〔同步化疗〕放射生物根本概念GycGyRADREMSvLETOERBEDEUDNTCPTCP放射生物根本概念放射生物根本概念rad-basicunitformeasuringradiation(100rads=1Gray)rem-quantifiestheamountofdamagethatissuspectedfromaparticulartypeofradiationdose(100Rem=1Sievert)Substance

HalfLife

Emit

UseAmericium241458yearsa,g SmokeDetectorsCobalt605.3yearsb,g MedicalTherapyPlutonium23887yearsa Thermoelectricgen.Plutonium23924,400yrsa ReactorsandWeaponsRadium2261,620yrsa MedicalTherapyUranium(natural)millionsyrsa,

b,g ReactorsandWeaponsIridium19274daysb,g IndustrialRadiography放射生物根本概念射线作用原理作用的靶：DNA,双链断裂〔DSB〕有15~20核苷酸大小，可造成：微核染色体畸形失去持续增殖能力＝死亡射线作用原理

物理化学反响影响因素细胞内环境：自由基水85％.OH〔生物分子损伤的65％〕O2：参与形成自由基；固定自由基损伤；限制化学修复。电子亲和物巯氢基分子：作用相反射线的质，剂量和剂量率射线作用原理

物理化学反响影响因素细胞的敏感性－－生化结构和基因构成特定分子线粒体细胞膜脂质生长因子受体信号传导通路〔外部内部〕〔乏氧，细胞因子细胞连接，细胞外基质〕，导致：细胞死亡或存活细胞周期阻滞或前进DNA损伤修复或不稳定〔细胞感知放射损伤的方式再决定细胞最终反响中起重要作用〕直接vs间接作用间接作用:电子作用于水，形成.OH自由基(2/3x-线生物损伤).

能被增敏剂和防护剂修饰直接:

电子直接作用于靶分子(高LET).

不能被增敏剂和防护剂修饰射线作用原理射线作用的交叉性与肿瘤起源与应激乏氧炎症化疗热疗氧化射线作用的特殊性：往往致死性；DNA-DSBDSB双链断裂是电离辐射在染色体上所致的最关键损伤.单击损伤DNAMutationCellsurvivesbutmutatedCancer?CelldeathMutationrepairedUnviableCellViableCell

根本放射生物损伤CelldeathordysfunctionNeoplasticdiseaseImmunerelatedGeneticdefectsSystemicdiseaseReproductiveO2→H20Freeradicalsformed(OH-,H2O2,HO2)FreeRadicalsAttackmacro-moleculesThehigherthedose,themoreseveretheearlyeffectsandthegreaterthepossibilityofdelayedeffectsChemicalDamage10-10SecondsBiologicalMolecularDamageSymptomsHourstoyearsSecondstohours物理阶段单次4Gy的X线人全身照射=致死(多数情况下)=70Kg的正常人,能量吸收67卡(cal)=热量—温度升高0.002℃=喝一口热咖啡=一个人从地面举起16英寸物理阶段X射线的作用不在于所吸收的总能量的大小,而在于单个能量包的大小(packetsofenerge)---LET-----化学键—生物学事件放射敏感性内在敏感性：分子细胞因素组织相关特性临床特征其他有再增殖能力的细胞数目功能亚单位的再增殖的潜力凋亡—细胞依赖性—淋巴细胞肿瘤细胞---丧失再增殖完整性=细胞死亡?放射可治愈性=肿瘤不能增殖克隆源细胞的存活比例SF放射敏感性组织的反响≠细胞的放射反响局部控制之一要求：杀灭所有肿瘤干细胞局部控制的其他要求：血管损伤〔联合生物化学治疗〕放疗修饰剂〔肿瘤与宿主的关系，如细胞浸润，促进或抑制肿瘤生长〕旁观细胞：信号－修复细胞因子，生物分子，引起正常组织的重塑组织反响细胞内的信号网络：物理剂量≠生物剂量共性可预测的方式个体间相似细胞周期〔周转〕增殖储藏正常组织的变化小：时间程度肿瘤的差异大：一些可治愈一些不可治愈细胞的死亡是放射线对细胞的遗传物质和DNA造成不可修复的损伤所致正常组织的放射反响

死亡类型分裂性死亡〔增殖性死亡,mitoticdeath〕：2Gy照射，细胞2～3次分裂后一局部死亡一局部进入增殖池，导致复发间期死亡(interphasedeath)：照射后2～6小时放射敏感细胞，具有凋亡前趋势〔淋巴细胞＋；GBM－〕快速凋亡分裂性死亡机制M期纺锤体形成失败G2检查点丧失，导致分裂大灾难，或者不正常的染色体隔离〔损伤和丧失了基因〕＝染色体畸变结果凋亡坏死其他特征：延迟，分裂性死亡≠放射敏感损伤的结局凋亡：I型程序性死亡，不完全依赖P53坏死：病理过程，炎症反响自我吞噬：II型程序性死亡分化，衰老，静止：保存局部功能存活与细胞微环境生长因子，细胞接触，细胞外基质放射抵抗：生长因子激活的淋巴细胞促有丝分裂原纤维母细胞生长因子提高内皮细胞的放射抵抗性放疗增敏：靶向药物存活与细胞微环境PLDR：接触抑制TNF凋亡与反响凋亡前细胞过多〔超过需要〕时，放疗引起的快速凋亡，将对个体影响很小。如WP53和P53裸鼠的肠道照射研究正常组织反响一种组织可含有多种细胞类型，可表现急性和晚期反响。而且急性与晚期反响有一定相关，如纤维化或坏死与湿性脱皮和急性溃疡，溃疡与狭窄等。正常组织反响发生在标准放疗〔6～8周〕内。干细胞。可矫正。亚急性反响：放疗后几个月如：Lhermitte’ssyndrome,嗜睡，亚急性肺炎。可逆晚期反响：受多种因素影响〔手术，化疗，外伤，感染〕。难逆转，不可矫正。反响程度与疗效不一定相关急性反响不一定与晚期反响相关〔同步化疗可利用〕正常组织反响的决定因素FSU:功能亚单位的排列方式，串联或并联；FSU损伤的数目；FSU储藏的数目。微血管损伤支持组织的损伤〔基质或间质细胞〕细胞增殖动力学和总剂量损伤的耐受严重受损：发生率5%重度损伤：发生率10~25%损伤对患者的威胁？急性反响：头3个月晚期反响：放疗后3个月并发症急性组织反响晚期组织反响急性反响发生的时间依赖于细胞周期时间粘膜反响—放疗第2周皮肤反响–放疗第5周放疗结束后数周消退RTOG–急性反响<治疗后90天(外表上皮损伤治愈常在治疗后20-40天)急性反响粘膜反响–强度-是剂量增加方案的限制性毒性加速分割–增加急性毒性常用的常规分割的最大耐受剂量取决于晚期组织损伤急性反响晚期反响损伤常是永久性的细胞增殖慢(纤维母细胞,神经元细胞)开展需数月-数年口腔枯燥,龋齿,纤维化,软组织坏死,神经损伤最常见：口腔枯燥晚期反响晚期反响口腔枯燥损伤浆液腺细胞可以局部修复导致龋齿(射野内或射野外)软组织坏死粘膜溃疡,损伤血管连接组织可能导致骨或软骨坏死晚期反响晚期反响纤维化严重的问题,总剂量的限制性因素皮下纤维化–非常严重大分割增加纤维化危险眼睛–白内障,视神经损伤,视网膜病变耳–严重的中耳炎(NPC,感觉神经性耳聋SNHL〕晚期反响晚期反响中枢神经系统灾难性脊髓病(30Gy/25F)颈部屈曲时电击感(Lhermitte征)横贯性脊髓炎(50to60Gy)嗜睡综合症(治疗后数月)嗜睡,恶心,头痛,中枢神经麻痹,共济失调自限性,暂时性脑坏死(65to70Gy)–永久性Acutevs.LateTissue(Organ)Effects早期反响治疗后发生灶(数分钟→天)炎症,水肿,脱皮,骨髓抑制,出血,…晚期反响潜伏期肠(数周→年),纤维化,萎缩,溃疡,狭窄,心衰,…正常组织放射反响-小结头颈部肿瘤中放疗起重要作用放射物理和放射生物根底知识解释放疗方案和并发症根底知识对与象患者咨询解释非常重要急性反响和晚期反响的关系由急性放射反响也不大可能就能导致长期慢性的动脉粥样硬化疾病。因此，放射晚期反响有可能是反响性的。组织放射性照射后，除了水分子电离快速爆发，产生大量的自由基外，还有慢性自由基产物和受损组织的氧化应激〔OxidativeStress，OS〕。氧化应激是指体内氧化与抗氧化作用失衡，倾向于氧化，导致中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增加，产生大量氧化中间产物。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用，并被认为是导致衰老和疾病的一个重要因素。很有可能是慢性氧化应激的诱导了放射晚期损伤肿瘤的放射反响细胞丧失因子：凋亡，坏死，脱落。体积倍增时间60天Tpot：3～7天肿瘤退缩快，不能缩短治疗时间〔增殖〕Tpot的准确性：？地位？FactorsAffectingTumorGrowth细胞周期时间同一肿瘤的细胞奏起时间差异很大.某些肿瘤细胞周期很慢相同类型的肿瘤可以有不同的细胞周期时间细胞周期慢多为良性细胞周期块多为恶性FactorsAffectingTumorGrowth增殖分数(细胞群体中处于增殖的细胞局部所占比例)肿瘤的多数细胞不在细胞周期内细胞周期细胞富氧供和营养增殖分数大于10%的非常少见.增殖分是数可小于1%大的增殖分数常见于增殖快的肿瘤.FactorsAffectingTumorGrowth细胞丧失因子肿瘤细胞有多种丧失方式.NonviablereplicationofderangedcellswillresultinlossofthosecellsDNAistooalteredforafunctionalcelltoexistAnoxia,celldeathfrompoorbloodsupplyAttackofantigenticcellsbyimmunesystemMetastasistobloodstream>vastmajoritydieFactorsAffectingTumorGrowth肿瘤氧合低氧合=低增殖低氧合=细胞死亡增加随着肿瘤体积增大，肿瘤氧合下降慢性和暂时的乏氧都会产生效应.放射生物〔一〕细胞存活曲线细胞存活和敏感性间接反响链电离，激发:

H2OH2O++e-

H2O+isanIonRadical自由基形成:H2O+

H++OH•

存活的定义非增殖，分化好的细胞:丧失特殊功能例如：神经和肌肉细胞增殖细胞:丧失完整的增殖能力(增殖性死亡)存活,必须能增殖(克隆).(相对于整个器官)损伤的细胞可能分裂几次,但最终死亡-因为不能存活细胞存活的检测

平板培养体外的存活曲线人类细胞的存活曲线细胞存活曲线的描述细胞存活分数(对数坐标)vs剂量高密度电离辐射(α-粒子,中字)起始就一直为线性;1个参数:〔斜度Do)稀疏密度电离辐射:(x和电子线)初始斜度D1终末斜度D2中间的肩区,norDq描述资料采用线性二次方程拟合:S=exp(-αD-βD2)在几十Gy的剂量范围内拟合很好提示有两种杀灭方式:αtoD,βtoD2Meaningofαandβ

Linear-QuadraticModelCellSurvival(1fraction):

单击损伤

不可修复无分隔效应亚损伤相互作用局部损伤修复有分隔效应Surviving1:单击单靶模型(A),单击多靶模型(B)指数“单击〞曲线细胞〔或生物大分子〕的存活分数为辐射剂量的简单函数。见于病毒或酶的灭活，以及少数哺乳动物细胞的杀灭。属于单击单靶模型。D37的倒数即为存活曲线斜率。D37：引起细胞〔或酶分子〕63％死亡〔或失活〕的照射剂量。多靶“单击〞模型假设在细胞死亡前有两个或多个靶受到一次击中。剂量存活曲线的直线局部斜率的倒数为D0---平均致死剂量。曲线初始斜率不等于0，即在很低剂量时仍有一些细胞死亡。这个模型对许多哺乳动物细胞都适用。Surviving2:Two-componentmodel(A),LQ-model(B)Effectoffractionation:LQmodelusedD0值：细胞的平均致死剂量〔meanlethaldose〕剂量存活曲线的直线局部斜率的倒数D0愈小，斜率愈大D0值大小代表细胞放射敏感性的上下从存活曲线对数坐标和各作一条与横坐标相平行的线与曲线相交，从这两个交点分别作垂直线与剂量轴相交。相交点剂量之差即为D0值，多在1～2Gy细胞存活曲线的参数Dq值准阈剂量〔quasithreshoulddose〕细胞积累亚致死性损伤的能力，与损伤修复有关。克服肩区所需的剂量由纵坐标处作一条与横坐标的平行线，与外推线的交点在横坐标上投影点的数值即为Dq多在～n值代表细胞内靶的个数或所需击中靶的次数将直线局部外推与纵坐标相交点的数值即为外推n值〔extrapolationnumber)多为1～3D37值引起细胞〔或酶分子〕63％死亡的照射剂量D37＝D0+Dq单靶单击时，剂量存活曲线无肩区，Dq为0，此时D37就等于D0ClassicaldescriptionofsurvivalcurveLowdoses:“shoulder〞region,wheresurvivalfallsslowlywithdoseHigherdoses:regionwheresurvivalcurvebendsandsurvivalshowsgreaterchangewithincreasingdoseHighdoses:regionwheresurvivalfallsrapidlywithdoseMostmodelsusedtofitsurvivalcurvesarebasedoncurveswiththisgeneralshape.CurvesbasedonTargetTheorySingletarget-singlehitMulti-targetsinglehitCompositecurves(erroneouslycalledmultitargetinsomeeditionsofHall’sbook)Curvesbasedonlinear-quadraticmodelBothtypesofmodelsareclearlyover-simplificationsofthetruedose-responsecurvesforrealcellpopulations Thisisbecomingincreasinglyevidentasmoreprecisemeasurementsofcellsurvivalcurvesaremadeusingmicrobeamirradiatorsthatcanirradiateindividualcellswithpreciselyknownnumbersofphotonsorparticles.Whencellsareirradiatedwithverylowdosesofradiation,theinitialshapeofthesurvivalcurveisfoundtobecomplex,witharegionofhypersensitivityatverylowdosesThereisincreasingevidenceforhypersensitivityandotheranomalouseffectsatverylowradiationdoses“Lowdosehypersensitivity〞Hypersensitivityatverylowsingledoses“Adaptiveresponse〞SeeninfractionatedandprotractedtreatmentsLowinitialdoseofradiationinducesresistancetosubsequentirradiation“Bystandereffects〞UnirradiatedcellsareaffectedbyirradiationofneighboringcellsContacteffects–requiringintimatecell-cellcontactEffectsfromdiffusiblefactorsCanaffectsurvival,mutation,transformation,etc.Varywithcelltype,doseandotherfactorsReminder:Allcurvesareplottedonsemi-logplotsTargettheory:singletarget,singlehitsurvivalcurveAssumptionsCellcontainsasingletargetIfthistargetishitwithatleastonephoton(orparticle)thecelldiesIfthistargetisnothit,thecelllivesProbabilityofcellsurviving=probabilitythatcellisnothitNoshoulder–survivaldecreasesexponentiallywithdoseD0=doserequiredtoproduceanaverageof1hitpertarget(andpercell)=1/e=measureofsensitivityoftarget(cell)EachincrementofdoseisequallyeffectiveMulti-target-singlehitsurvivalcurveAllcellsareidenticalEachcellcontainsseveraltargetsn=numberoftargetsIfallntargetsarehit,thecelldiesIfoneormoretargetsremainunhit,thecellsurvivesThesurvivalcurvebeginswithinitialslopeofzero(flat)becausetheprobabilitythatalltargetsarehitiszeroatverylowdosesThenitcurvesThenitbecomesexponentialathighdoses,becauseonlyoneunhittargetremainsineachcell.ParametersusedtodescribethesecurvesD0=doseneededtoreducesurvivalby1/eonlinearportionofsurvivalcurve(i.e.whenonlyonetargetremains)=meandoseneededtohitandinactivateonetarget=measureofsensitivityoftargetn=extrapolationnumber=numberoftargets=measureofwidthofshoulderDq=quasi-thresholddose=measureofwidthofshoulderLn(n)=Dq/D0

D10=dosetoreducesurvivalby1/10=2.3D0(usedincalculationsoftumorcellsurvivalinHallandGiaccia’sbook)EffectofchangingDoandnImplicationsCellscanaccumulatesublethaldamage(SLD)SLDisnotlethalSLDlesioncancombinewithotherSLDlesiontoproducelethaldamageIfthisdamagecanberepairedafterirradiation,thenfractionatingtheirradiationresultsinlesscellkillingIfthisdamagecanberepairedduringirradiation,protractingtheirradiationresultsinlesscellkillingSmalldoses(ontheshoulder)havelesseffectperGythanlargerdosesEffectoffractionation(solidlines)orprotraction(dottedline)ofradiationEffectofshoulderwidth(n)onfractionationCompositesurvivalcurve:Single-target,single-hitsurvivalcurve(D1)+multitargetsinglehitsurvivalcurve(D0)Initialslope=1/D1Finalslope=1/D0UsedtogetafiniteinitialslopeforthesurvivalcurveNotwidelyusedinmodeling–difficulttohandleandnotespeciallyusefulinanypracticalcontextLinearquadraticsurvivalcurveInitialcomponentforwhichsurvivalfallsexponentiallywithdose(linearcomponent)Latercomponentforwhichsurvivalfallswithsquareofdose(quadraticcomponent)Severaldifferenttheoreticalbasishavebeenusedtojustifythesecurves:shapesofdoseresponsecurvesforinductionofchromosomedamagemodelsconsideringnonrepairableandrepairabledamagemodelsconsidering“onehit〞and“twohit〞damageLinearquadraticsurvivalcurve:implicationsAnydoseofradiation,nomatterhowsmall,hasafinitechanceofkillingacellTheeffectofradiationincreasescontinuallywithincreasingdoseathighdoses(thisisnotinagreementwiththeradiobiologicaldata)Protraction,fractionationincreasesurvivalonlyifthedoseishighenoughthatyouareonthecurvingpartofthesurvivalcurveEffectoffractionationvarieswith/ratio)/ratioAtD=/,damagefromlinearkilling=damagefromquadratickillingI.e.Equalamountsofonehit/twohitdamageornon-repairable/repairabledamage(dependingonunderlyingbiologicalmodelassumed)Ratiodefines“curviness〞ofsurvivalcurveRatiohasbeenusedtopredict/compareeffectsofdifferentfractionatedregimensSurvivalcurveswithdifferent/ratios Large/ratioEarlyrespondingtissuesMarkedinitialslopeBendsathigherdosesFlattersurvivalcurveoverrangeofclinicalfractionsMulti-hit(orrepairable)damagebecomesimportantonlyathigherdosesLesseffectoffractionationorprotractionLesseffectoffractionsize

Cancalculate/ratiowithoutdeterminingthecellsurvivalcurveandwithoutidentifyingthecriticalcellpopulationCalculating/ratiosfromfractionationisoeffectdata:

plot=totaldosesneededtogiveequalearlyskinreactionsinmice

intercept/slope=/(seeHallandGiacciap322-323forderivation)Fractionationisoeffectdataforsomemousetissues

fromWithers,etal.Mostdataareforfunctionalendpoints,notcellsurvival.Lateresponses=solidlines;

earlyresponses=dashedlinesCalculated/ratiosforsometissues细胞存活曲线:小结Culturedcellswhichretainreproductiveintegritygrowseparatecoloniesataratedependingonplatingefficiency.Fractionofseededcellsthatsurvive(irradiation)andgrowintocoloniesareplottedonalogscalevsradiationdose.PlotforhighLET

radisstraightline-exponentialresponseForx-rays,curvehasinitialslope,followedbyashoulderofvaryingwidth,thenfinalslope.Reasonablyestimatedbylinear-quadraticrelationship:S=exp(-αD-βD2)Goodevidencethatnucleus(i.e.,DNA)isprimarytarget,duetoinducedchromosomalaberrations.细胞周期细胞周期Cellcyclephases:Mitosis:~1hourSynthesis:6-15hoursG2:3-4hoursG1:VeryvariableRadiationSensitivityversuscyclephase:

StudiedbyproducingsynchronouslydividingcellsculturesHydrodyurea:imposesblockafterG1细胞周期与细胞死亡Mostradiosensitivephases:M,G2,Mostradioresistantphase:S,Checkpoints:G1/S,intra-S,G2/M,DNAdamage:cellcyclearrest→repairorlossoffunction(diff.cells),lossofreproductiveintegrity(stemcells).细胞存活vs细胞周期细胞存活vs细胞周期细胞周期放射敏感性-小结Cellcyclephases:mitosis(M),G1,DNAsynthesis(S),G2Cycletimevarieswidely,almostentirelyduetovaryingG1MaybestudiedusingtechniquesofcellcyclesynchronizationIngeneral,cellsaremostsensitiveinMandG2HighestresistanceinlateS--partlysincegenomeisdoubledForlongcyclecells,a2ndresistancepeakoccursinlateG1Resistancepatternandsensitivitycorrelateswithlevelsofsulfhydrylcompounds(naturalradioprotectors)incell.分次照射效应分次照射,损伤修复和剂量率效应照射剂量和细胞修复PLDR：Survivalofdensity-inhibitedstationaryphasecellssub-culturedimmediatelyafterirradiationorafterdelay(6or12hrs).Stationaryphasetimeinhibitsgrowth,thusallowingtimefordamagerepairbeforeattemptingcomplexmitosisprocess分次照射:存活vs分次间隔时间Hamstercellsurvivalincreasesfour-foldifheldatroomtempbetweendosesfor>1(topreventmovementthroughcellcycle).分次,修复和再分布Sincemostcellssurviving1stdosefractionareinresistantcellphases,asensitiveperiodforthe2nddoseoccursascellsmoveintoG2-Mphase.剂量率效应Idealizedfractionationexperiment:A:survivalcurveforsingleacuteexposure.F:dosegiveninseveralsmallfractionswithsufficientinrtervalforsub-lethalrepair.Withseveralsmallfractions,Fapproximatesacurveforcontinuous,lowdoserateexposure剂量率效应的各种因素因素放射损伤&剂量率效应Typesofdamage:Lethalsub-lethal:normallyrepairablewithinhourifnofurtherdamagePotentiallylethal:canbemodifiedbypost-radiationconditions (ifconditionssuboptimalforgrowth,inhibitingmitosis)Repairisstudiedviasplit-doseexperimentswithvaryingintervalSplitdoseeffectsformammalcellsfollowcyclerelatedtocellcycleand4Rs:repair,reassortment,repopulation,reoxygenationSub-lethalrepairandsurvivalcurveshoulderwidthcorrelatedHighLETradiation:exhibitsnoapparentrepairofdamageAsdoseratelowers(<30Rad/hr),killingreducedduetorepairduringexposure.Curvebecomesshallower,shoulderdisappears.放射生物OER,LET和RBE氧增强比

OxygenEnhancementRatio(OER)氧效应放射敏感性:氧效应放射敏感性和氧分压1.02.03.00204060801557602280Air100%O2HBO(3ATA)VenousBloodRelativeRadiosensitivityOxygentension(mmHg)(Rockwelletal.)Halfmaximumsensitivity=3mmHgor0.5%O2KirkpatrickJP,etal.Intl.J.Rad.Oncol.Biol.Phys.59:822,2004CHOCellsRelativeRadiosensitivity肿瘤乏氧生物学HypoxicRegionBloodVesselO2/DrugConcentrationGene/ProteinRegulationIncreasedGlycolysisIncreasedAngiogenesisIncreasedGenomicInstabilitySelectionofApoptosisResistanceChemo/Radio-therapyResistance肿瘤中的乏氧细胞EvansandKoch,01乏氧(EF5,Red)和增殖(Ki67,Green)氧增强比OxygenEnhancementRatio(OER)TheratioofHYPOXICtoAEROBICIRdosesneededtoachievetheSAMEbiologicaleffects.OER=D0(hypoxic)D0(aerobic)细胞敏感性与OERResistantCellsHighOERSensitiveCellsLowOER射线质与OERX-raysneutronsa-particlesLETandOER60氧效应是时间依赖性的1.O2needsnottobepresentDURINGradiation2.O2hastobepresentWITHINmillisecondsafterradiationRadiationIonpairsFreeRadicalsT=10-10secT

=10-5sec(0.01msec)Timedelayisdeterminedbylifetimeoffreeradicals细胞周期中OER变化小Sphase(OER=2.8-2.9)G2/Mphase(OER=2.3-2.4)G1phase>>OERremainsunchangedforALLdoselevelsinagivenphaseofcellcycle.氧效应-小结PresenceofOxygendramaticallyinfluencesbiologicaleffectOER(doseratiowith/withoutoxygenforsameeffect)forx-rays~2at50Radandincreasesto~3at200RadOERdecreaseswithincreasingLET,reaching1forhighLETOxygenmustbepresentduringexposureforaneffectOxygen“fixes〞(makespermanent)otherwisereparableindirectactiondamage(noOxygeneffectfordirectactiondamage).Smallquantities(0.5%)sufficientforsensitivitymidwaybetweenhypoxiaandfulloxygenation)Reoxygenation:cellshypoxicduringirradiationbecomeoxygenatedafterwards.Amountandspeedofreoxygenationvarieswidelyfordifferenttumors相对生物效应

RetaliveBiologicalEffection(RBE)RBE–RelativeBiologicalEffectivenessstandardradiation:250kVX-ray(60Coγ-rayrecommended)Dependson:typeofradiation,tissue,endpoint,dose,doserate,fractionation(∑:LET)线性能量传递

LinearEnergyTranferase

(LET)LET–LinearEnergyTransfer[LET]:keV/μm,X-ray,γ-photons:lowLET(sparselyionisingradiation,<10keV/μm),Energeticneutrons,protons,heavychargedparticles:highLET(denselyionisingradiation).Densityofionisation(LET)RBE,relativebiologicalefficiencyoreffect,isratioofdosesofhighLETandlowLETradiationforsamebio-effectSurvivalcurvesofmammaliancellsaftersingleexposureorfractionatedirradiation,fromE.Hall;LippincottCo,1994ExampleofalteredradiobiologicalbehaviorwithhighLETradiation:effectofgrowthrateNeutronRBEvsphotonsRBEaccordingtothedoublingtimeofhumanlungmetastasis.Battermannetal.EurJCancer17:539-48,1981HighLETradiationsandhypoxiccellsHumanrenalcellsT1,hypoxia,normoxia;fromBroerse&Barendsen,IJRB,13:559,1967N202LETandRBEinitiallyincreaseslinearlywithLET,increasedprobabilityofstrandbreakage,manyofwhichwillleadtoalethalevent,Asionisationsbecomecloser,yieldofStrandBreaks(SB)reduces,andsameprinciplesapplyathigherlevelse.g.chromosomaldamage

track1234567SB0112210

BED

EUD

NTCP

TCPHowcanwepictureBED?DOSESurvivingFractionImaginethedosetobegivenininfinitelysmallfractionswithnocurvaturetoslopeBEDSinglefractionDoseforsameeffectinsinglefractionDoseforsameeffectinfourfractionsIso-effectlevelBED-TheConceptRepresentstotaldoseifgiveninsmallestfractionsizeBEDequationsforhighLETradiations

LowdosesorifchangesverylittlewithincreasingLETrelativetoAssumingthathighLETchangesinarerelevantathighdosesTheRBEatlowdoseTheRBEathighdoseJones,CarabeandDaleBJR2006–adaptedfortreatmentinterruptioncalculationsRBEisdL/dHHighLETradiobiology–generalprinciplesUsingBEDequationwithRBEmaxandRBEmin;lowRBERBE>>1-5NeutronsMVX-raysandprotons>100MV

CionsRBEasafunctionofLETRBEmaxatLET≈100-200keV/μmRBE,LETandOERLET,OER&RBE(EBRenFrance)Tubiana,DutreixetWambersie,Hermanned,1986TCPNTCPTherapeuticRatioOptimalradiotherapyTheproblemistomaximizeTCPwhilekeepingNTCPatacceptablelevelQuantitativelythisisdescribedbytheprobabilityofuncomplicatedcurePUC=TCP(1-NTCP)PUCmaxisonesolutionoftheradiotherapyoptimizationproblem(ClinicallyofteninthissolutiontheNTCPvaluesaretoohighandlowerdosesareused)Dose(andtumorcontrol)arelimitedduetotoleranceoforgansatriskVolumeeffect:increaseoftoleranceifsmallervolumeirradiatedBetterconformationofdoseenablesapplicationofhigherdoses&highertumorcontrolwithoutincreasingnormaltissuecomplicationrateTheRationaleforConformalRadiationTherapy放射生物学中的4Rs及临床应用价值

RepairRedistributionReoxygenationRepopulationRadiosensitivity？4R’sofRadiobiology1)Repair2)Repopulation3)Reoxygenation4)RedistributionResensitizationFischer-Moulderdata:7thfraction.regime:

3fr/4days

→

inversefractionationbehaviour〔1〕RepairSLDR为主：与射线的质，细胞非氧合状态，细胞所处的增殖周期等有关。〔肿瘤G2阻滞明显，乏氧〕完全修复，间隔大于6小时正常组织常比肿瘤早快完整，而且肿瘤损伤大利用差异，分次放疗到达杀灭肿瘤保护正常组织亚致死损伤的修复是影响分次反响最普遍的生物现象.不同组织的亚致死损伤修复能力各异.分次剂量对晚反响组织的保护比早反响组织为大.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)。细胞放射损伤的修复

(Repairofradiationdamage)

亚致死损伤是指受照射以后，细胞的局部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。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，假设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。但假设得不到适宜的环境和条件那么将转化为不可逆的损伤使细胞最终丧失分裂能力。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。细胞放射损伤的修复

(Repairofradiationdamage)

细胞放射损伤的修复

细胞放射损伤的修复1〕亚致死损伤的修复是一专业术语，指假设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细胞放射损伤的修复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。细胞放射损伤的修复临床意义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为小时，脊髓小时或更长，啮齿动物皮肤湿性脱皮的T1/2为小时是早反响组织中最长的〕。从临床资料来看，Oliver和Hall提出的半修复时间T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。细胞放射损伤的修复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射线细胞存活曲线细胞放射损伤的修复影响潜在致死损伤修复的因素放射线的质，高LET射线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那么会发生潜在致死损伤的修复，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。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。返回4R〔2〕regeneration总疗程对分次放疗的影响：主要来自于于正常组织和肿瘤regeneration开始的时间和动力学。再群体化

〔Repopulation，Regeneration〕根本概念损伤之后，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。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。再群体化

〔Repopulation，Regeneration〕加速再群体化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〕。Withers及其同事总结了头颈部肿瘤的文献，分析了到达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

〔Repopulation，Regeneration〕临床意义：受照射组织的再群体化反响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响组织、晚反响组织及肿瘤之间效应差异的重要因素之一。在常规分割放疗期间，大局部早反响组织有一定程度的快速再群体化。而晚反响组织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。返回regeneration肿瘤每延长一天，需增加，粘膜为1Gy。肿瘤克隆干细胞倍增时间：3.5~5天再肿瘤退缩时，干细胞已经开始在增殖，粘膜为10~12天；4W开始AF，利于保护粘膜。加速再增殖的四个例证：肿瘤复发的时间：10000个细胞Tv=2~3周分段放疗：LCR下降延长治疗：每天LCR下降1~2%〔HNSCC〕AF：非随机试验：炎性乳癌，黑色素瘤脑转移，HN。随机试验：HNAF无效：前列腺癌，Burkitt‘slymphoma2~3周期诱导化疗无效，引起加速再增殖。Regeneration应用考虑再群体化：头劲颈部肿瘤、膀胱癌、皮肤癌、炎性乳癌、黑色素瘤。不必要的延长治疗时间没有好处。1.8Gy?2Gy?间断时间尽量短，放弃分段治疗措施：假日〔赶上BID〕，延迟开始〔化疗？〕增长快的肿瘤，加速治疗；增殖指数高的肿瘤；随访不在结束时采用CR？(3)RedistributionG2期阻滞为标准：G2期最敏感死亡标准：晚S期不敏感；G2-M期敏感非同步化的细胞—RT—同步化放射抗拒---增殖异化导致非同步化。可能自身增敏，也可能保护肿瘤。很难应用再分布的自我增敏作用容易被再增殖抵消周期内细胞时相的再分布〔RedistributionWithintheCellCycle〕离体培养细胞实验说明，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。Sinclair和Morton〔1965〕

不同周期时相仓鼠细胞的放射敏感性变化周期内细胞时相的再分布用S期特异性药物处理诱导产生的细胞周期再分布现象照射后即刻存活克隆源细胞的分布杀灭S期细胞的药物也倾向于短暂地阻断细胞进入S期，几小时以后为G1期后部的堆积再以后，这些细胞恢复并移动通过S期处于半同步化而药物的第二个剂量效应是最大的，同样的效应也发生在照射以后，这就是再分布的根底。用S期特异性药物处理后细胞周期的再分布

a.照射后即刻存活克隆源细胞的分布

b.杀灭S期细胞的药物阻断细胞进入S期、G1期堆积c.细胞恢复并移动通过S期处于半同步化d.药物的第二个剂量效应最大

周期内细胞时相的再分布细胞周期再分布的意义一般认为，分次放