腫瘤放射生物學(xué)

1、腫瘤放射生物學(xué) (Oncology Radiobiology),放射生物學(xué)研究的是輻射對(duì)生物體作用及其效應(yīng)規(guī)律的一門科學(xué)?！婋x輻射對(duì)生物體的作用——電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)——電離輻射對(duì)腫瘤組織的作用——正常組織及器官的放射效應(yīng)——分次治療的生物學(xué)基礎(chǔ),放射生物學(xué)—— 由于電離輻射引起損傷，故損傷后有無(wú)恢復(fù)或修復(fù)的可能性，以及怎樣減少不必要的損傷等，都是放射生物學(xué)研究的內(nèi)容。因此，確切的說(shuō)： 研究電離輻

2、射對(duì)生物作用的機(jī)制、輻射損傷及其修復(fù)、放射防護(hù)等的綜合性科學(xué)。,電離輻射的一般概念—— 電離輻射有粒子輻射和電磁輻射。 1、粒子輻射：α射線、β射線、帶電的質(zhì)子和中子的輻射； 2、電磁輻射：γ射線和X射線的輻射，這類輻射是光量子發(fā)射的。,電離射線的一般特點(diǎn)：高能、穿透力強(qiáng)。它基本反映在電離射線的射程和電離密度上。 不同電離射線的區(qū)別：α射線（氦核）、質(zhì)子

3、（氫核）帶電荷，中子則不帶電荷；質(zhì)子、中子、 α射線、β射線的質(zhì)量不同。,電離射線與物質(zhì)的相互作用—— 在電離射線與物質(zhì)的相互作用中，電離射線是外因，物質(zhì)（包括組成生物機(jī)體的物質(zhì)）是內(nèi)因。外因通過(guò)內(nèi)因起作用。 當(dāng)運(yùn)動(dòng)著的粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其速度將逐步降低而損失能量；損失的能量主要消耗在物質(zhì)的電離或激發(fā)上。,帶電的粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，和物質(zhì)中原子殼層的電子碰撞，由于靜電作用，使殼層電子產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，

4、因而獲得足夠的能量而變成游離電子，它與正離子構(gòu)成一個(gè)離子對(duì)。這就是電離作用。 離子對(duì)是負(fù)離子（包括電子e）與正離子的合稱。 離子對(duì)是電離作用的結(jié)果。,帶電粒子和光量子對(duì)物質(zhì)作用的區(qū)別—— 1、帶電粒子和原子的作用：以原子點(diǎn)外圍電子作用的可能性較大。在下例中，H2O+和e合稱為離子對(duì)。

5、 H2O+ H2O e H2O- 形成離子對(duì)需要一定的能量。不達(dá)到這個(gè)能量水平，就不可能形成離子對(duì)。,,,,,,H2O,通過(guò)1V的電位差所獲得的能量稱為1電子伏特（eV）。在空氣中產(chǎn)生一對(duì)離子需要的平均

6、能量為32.5eV。 電離作用形成的離子對(duì)數(shù)量的相關(guān)因素： 1）、能量高，則形成的離子對(duì)多； 2）、在同一能量水平時(shí)，電荷多，形成的離子對(duì)就多；反之亦然；無(wú)電荷，則不形成離子對(duì)。α粒子帶電荷多，形成的離子對(duì)也就多；而β射線和γ射線，由于帶電荷少，形成的離子對(duì)就少。,3）、粒子（射線）的速度大，電離密度（即離子對(duì)/cm，就是在1cm行程所形成的離子對(duì)的數(shù)量）小；速度小則電離密度大

7、。α粒子帶電荷多，質(zhì)量較大，故電離密度大，但它運(yùn)行路程短，穿透力低，而β射線穿透力較強(qiáng)。 當(dāng)物質(zhì)中的殼層電子所獲得的能量還不足以使它成為游離電子時(shí)，電子受激發(fā)到更高的能級(jí)。即能量足夠時(shí)發(fā)生電離作用，形成粒子對(duì)；能量不足時(shí)發(fā)生激發(fā)作用，不形成離子對(duì)。 帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，因?yàn)槭艿皆雍穗妶?chǎng)的相互作用而改變其運(yùn)動(dòng)方向，即所謂散射。,2、中子與物質(zhì)的相互作用：只有在中子流碰撞到原子的殼層或原子核時(shí)

8、才發(fā)生作用。中子只有在原子核相碰撞時(shí)才能把能量轉(zhuǎn)移給原子核。 1）彈性碰撞：中子具有一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量而不帶電荷。它是在原子核反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的。由于中子與質(zhì)子的質(zhì)量相等，中子與質(zhì)子（氫核，H+）相撞時(shí)發(fā)生最大的能量損失。這樣的質(zhì)子叫做反沖質(zhì)子。反沖質(zhì)子的能量質(zhì)量都大于原來(lái)的質(zhì)子。因此，中子很容易被許多輕元素物質(zhì)（如水、石蠟）吸收，但能自由地通過(guò)重元素物質(zhì)（如Pb）。,中子具有一定的能量，中子撞擊原子核打出的一部分

9、叫反沖核。反沖核又具有一定的能量，能夠打出其它原子，即反沖核在其行程中能使與其相撞的原子都發(fā)生電離：,n,,A,,,A’,B,,2）非彈性碰撞：中子穿入原子核內(nèi)，交出自己的一部分能量，使核處于激發(fā)狀態(tài)。激發(fā)了的核把從中子獲得的能量以一個(gè)或若干個(gè)γ量子的形式發(fā)射出來(lái)，隨后進(jìn)入核內(nèi)的中子就帶著較小的能量從核里飛出。通常是由快中子打重元素而得。 由于中子不帶電荷，只有在碰撞時(shí)才能引起變化。,O,,●n,,γ,,n,3）

10、輻射俘獲：打進(jìn)去的是慢中子，放出來(lái)的是γ射線。中子被核所吸收，被激發(fā)了的核以γ量子的形式放出其多余的能量。慢中子的能量與氣體的能量差不多，故又叫熱中子。它是經(jīng)一系列碰撞后能量逐漸減低的結(jié)果。 4）核反應(yīng)：快中子打輕元素，打進(jìn)去的是快中子，打出來(lái)的是質(zhì)子（P）、中子等。,3、光量子與物質(zhì)的相互作用： γ射線和X射線都是光量子。它們的波長(zhǎng)更短，能量更高。 γ射線一般是核衰變的結(jié)果，而X射線是認(rèn)為

11、發(fā)射的，是核外產(chǎn)生的。 γ射線和X射線與物質(zhì)的作用通常稱為電磁輻射。 盡管光量子不是粒子，但一般認(rèn)為它們是有極微小的粒子（光子、量子、光量子、光量子流）組成的。其能量E可由下式求得： E= hν，式中， ν=c/λ；h為普朗光常數(shù)，h=6.6252×10-34J/s； ν為光子頻率；c為光在真空中的速度； λ為其波長(zhǎng)。,光量子的能量很高，從幾萬(wàn)電子伏特到幾億電子伏特。它們與物質(zhì)的主要作用有3個(gè)

12、方面： 1）光電效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)光量子和原子相碰撞時(shí)，它可能將所有的能量hν都交給一個(gè)電子，使電子脫離原子而運(yùn)動(dòng)，而光子本身被吸收。由于這種作用而釋放出來(lái)的電子叫光電子。光電效應(yīng)是在光量子能量較低時(shí)發(fā)生的。它與吸收體密度、原子質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)有關(guān)。,X（γ）,,hν,●,,e光電子,2）康普敦-吳有訓(xùn)效應(yīng)：光量子能量中等時(shí)發(fā)生這個(gè)效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)是光量子和原子中的一個(gè)電子發(fā)生彈性碰撞相互作用。其特征是碰撞之

13、后，光量子將一部分能量傳給電子，電子即從原子空間中以與光量子的起始運(yùn)動(dòng)方向成φ角的方向射出，光量子則朝著與自己初始運(yùn)動(dòng)方向成θ角的方向散射。,,●原子,,ν 量子（散射）,,e 康普敦電子,,入射光量子,散射光量子,3）電子對(duì)的形成：當(dāng)光量子的能量大于兩個(gè)電子的靜電能量質(zhì)量（即1.02MeV)時(shí),形成電子對(duì)。在形成電子對(duì)時(shí)，光量子本身完全消失。 電子和正電子的動(dòng)能一般是不同的；它們與光量子形成的

14、角度θ和φ也不一定相等。,入射光量子,,e電子,e +正電子,,●原子,,,由于光量子的能量不同，與物質(zhì)發(fā)生的作用類型也不相同，如下圖：,,,,光電效應(yīng),康-吳效應(yīng),電子對(duì)形成,光量子能量,低,中,＞1.02MeV,劑量及其單位—— 劑量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的被照射物質(zhì)所吸收的能量。通常用公式 D=E/M（J/g）表示。劑量單位隨所表示的對(duì)象不同而異。 1、一般射線：倫琴 R（對(duì)X射線、γ射線）；生物當(dāng)量

15、倫琴Reb；物理當(dāng)量倫琴Rep；組織倫琴Rad，Gy）。 吸收劑量與照射劑量不同。吸收劑量過(guò)去用rad（拉德）表示，現(xiàn)已改為Gy（戈瑞）表示。 1rad=6.24×103eV/g；1Gy=102rad,2、放射性核素：放射性核素的劑量單位，以放射強(qiáng)度表示。單位有居里（Ci），毫居里（mCi）和微居里（μCi）。 上述倫琴、生物當(dāng)量倫琴、物理當(dāng)量倫琴等均是照射劑量，它與X射

16、線和γ射線產(chǎn)生的電離量有關(guān)，反映X射線和γ射線使空氣產(chǎn)生電離作用的能力大小。1倫琴是指X射線或γ射線照射1ml或0.001293g空氣，空氣中的二級(jí)電子在空氣中生成帶有1靜電單位的正負(fù)離子對(duì)時(shí)的照射劑量。但倫琴這個(gè)單位不適用于α射線、β射線和中子等粒子。,組織倫琴，實(shí)際上為吸收劑量，常用單位是拉德或戈瑞。不僅使用于X射線和γ射線，也可用于各種粒子射線。 1964年和1968年國(guó)際輻射單位及劑計(jì)量委員會(huì)建議對(duì)

17、照射劑量和吸收劑量做出定義，用dose表示吸收劑量，而用expoure dose或expoure表示照射劑量。,電離輻射的生物學(xué)作用—— 生物機(jī)體對(duì)電離輻射的反應(yīng)不同于無(wú)生命物質(zhì)。 1、生物機(jī)體對(duì)電離輻射的反應(yīng)特征： 1）敏感 DNA在2.84C/kg(11000R)照射下，才引起結(jié)構(gòu)變化；而在生物體內(nèi)，若用LD100/30d來(lái)照射小鼠，只須幾百倫琴就可以引起DNA結(jié)構(gòu)變

18、化。 2）射線對(duì)生物機(jī)體的作用有潛伏期。 3）生物機(jī)體對(duì)電離輻射的反應(yīng)是損傷與修復(fù)的矛盾統(tǒng)一。,在照射后，早期以損傷為主，后期則以修復(fù)為主。 4）生物機(jī)體本身由于其個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的階段性不同，也具有特殊性。就放射敏感性而言： 胚胎期＞成年；高等動(dòng)物＞低等動(dòng)物；動(dòng)物＞植物；原生動(dòng)物＞病毒；幼體敏感性高；造血器官、胸腺、生殖腺敏感性高。,2、電離輻射形式與生物學(xué)效應(yīng)的

19、關(guān)系： 1）不同射線的生物學(xué)作用 在生物體吸收能量相等的情況下，不同射線的生物學(xué)效應(yīng)的概略比值（以等效倫琴作統(tǒng)一單位）如下： X射線及γ射線 1；β射線 1；α射線 10-20；P（質(zhì)子）10；n（快、慢中子）5-10。 可見(jiàn)α射線有很大的生物效應(yīng)，但它的穿透能力低。,2）劑量與劑量率 放射生物學(xué)效應(yīng)是一種耗能過(guò)程。電離輻射的劑量與生物學(xué)效應(yīng)之間有一定的關(guān)系。以射線劑量為橫坐標(biāo)

20、，機(jī)體的存活率或存活分?jǐn)?shù)為縱坐標(biāo)，則可得一劑量-存活曲線。,2）照射方式 照射方式不同，對(duì)生物體的影響也不同。 （1）總劑量相同，分次照射沒(méi)有一次照射那樣強(qiáng)烈。這可能與分次照射之間發(fā)生的補(bǔ)償或修復(fù)有關(guān)； （2）全身照射與局部照射，局部照射機(jī)體對(duì)射線的忍受量高；全身照射機(jī)體對(duì)射線的忍受量低。 因此，在腫瘤放射治療中，多采用局部、分次照射。,（3）內(nèi)照射與外照射 內(nèi)照射的情

21、況復(fù)雜，涉及放射源、半衰期和半排泄期。內(nèi)照射對(duì)生物機(jī)體的危害較大。臨床腫瘤放療中，多采用外照射。,3、外界因素對(duì)電離輻射生物學(xué)效應(yīng)的影響： 1）水分 機(jī)體水分多，則敏感性高，反之亦然。 2）氧 有氧時(shí)，生物機(jī)體對(duì)射線的敏感性高，死亡率也高。照射時(shí)，有氧對(duì)生物機(jī)體的影響較大。 高LET射線，如快中子、負(fù)π介子、輕原子核、其生物效應(yīng)受氧的影響較X射線小。隨著LET的增加氧效應(yīng)降低，因?yàn)楦週

22、ET射線引起的損傷要比低LET射線嚴(yán)重得多。,LET（Linear energy transfer）即傳能線密度。 電離發(fā)生在高速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（如電子）行進(jìn)的徑路中，這些粒子是由于吸收了輻射能量而運(yùn)動(dòng)。LET是描述沿著這種粒子的徑路產(chǎn)生的電離能量密度的重要參數(shù)，即單位長(zhǎng)度徑跡上傳遞的能量，它表示在每單位徑路長(zhǎng)度上，在組織中所沉積的能量的多少。,3）溫度 低溫對(duì)生物機(jī)體的輻射損傷有延緩作用。這可能是能量的

23、吸收、傳遞需要時(shí)間和適當(dāng)?shù)臏囟鹊取?4）化學(xué)物質(zhì) 化學(xué)物質(zhì)對(duì)電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為： （1）可以減輕射線反應(yīng) 如巰基化合物可以把氫原子交給那些受射線作用的DNA所產(chǎn)生的自由基，從而封閉自由基； （2）可以加重射線反應(yīng) 能夠提高某些腫瘤細(xì)胞的放射敏感性。,4、電離輻射對(duì)生物體損傷的機(jī)制： 1）電離輻射的直接作用和間接作用 輻射導(dǎo)致的DNA分子

24、斷裂分為兩類：直接作用和間接作用。 直接作用：是指射線直接作用于DNA分子，使DNA分子發(fā)生損傷而導(dǎo)致斷裂。 間接作用：是指輻射可使水分子產(chǎn)生自由基，自由基作用于DNA分子并使之?dāng)嗔选?2）電離輻射作用的三個(gè)階段（1）物理階段:10-18—10-12s射線照射路徑上的能量釋放、激發(fā)和電離（2）化學(xué)階段：激發(fā)電離，化學(xué)鍵斷裂、自由基形成，分子結(jié)構(gòu)破壞和修復(fù)正常（3）生物階段：分子結(jié)構(gòu)破壞

25、 酶反應(yīng) 修復(fù) 基因變異/癌變 DNA不能復(fù)制/ 細(xì)胞死亡 有絲分裂停止,,,,,,,,3）電離輻射對(duì)DNA損傷的方式 （1）DNA雙鏈斷裂 （2）DNA單鏈斷裂 （3）堿基丟失 （4）形成嘧啶二聚體 （5）DNA交聯(lián)形成 （6）堿

26、基改變 （7）蛋白交聯(lián) （8）氫鍵斷裂）,細(xì)胞存活曲線—— 細(xì)胞存活曲線是理解放射生物學(xué)許多內(nèi)容和概念的基礎(chǔ)。 腫瘤及正常組織對(duì)于電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)是受許多因素支配的。 通過(guò)電離作用，能量在活組織中沉積，從而引起一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞損傷并最終出現(xiàn)臨床上可觀察到的效應(yīng)。,正常組織和腫瘤對(duì)于輻射的反應(yīng)是極為復(fù)雜的生物變化過(guò)程，當(dāng)前只能從經(jīng)驗(yàn)主義的角度來(lái)加以闡述。

27、 電離輻射，無(wú)論是電磁波還是粒子輻射，都是在細(xì)胞的各個(gè)部分沉積其能量的。細(xì)胞內(nèi)部并沒(méi)有防礙能量沉積的屏障。 每克組織（含有1022個(gè)分子所吸收的總能量是極少的，而且只有很少數(shù)的分子被電離。例如，400cGy（Gy的百分單位）的輻射只能引起組織吸收約4.19×10-3 J/g的能量，僅有1/5×107分子被電離。,細(xì)胞存活曲線是用來(lái)描述輻射吸收劑量與存活細(xì)胞數(shù)量之間的關(guān)系。

28、 細(xì)胞存活（Cell survival）和細(xì)胞死亡（CellDeath）的放射生物學(xué)定義： 電離輻射后，細(xì)胞有兩種主要的效應(yīng)，即功能喪失和生殖能力喪失。 對(duì)于已分化不再增殖的細(xì)胞，如神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞或分泌細(xì)胞，喪失其特殊功能便可認(rèn)為是死亡；而對(duì)于增生細(xì)胞，如造血干細(xì)胞或離體培養(yǎng)生長(zhǎng)的細(xì)胞，喪失維持增生的能力，也就是失去完整的增殖能力，便稱為死亡，即增殖性死亡（reproduct

29、ive death）。,這個(gè)定義反映了放射生物學(xué)對(duì)細(xì)胞存活的狹義概念。1個(gè)細(xì)胞表面完整無(wú)損，具有生理功能，有能力制造蛋白或合成DNA，甚至還能掙扎著進(jìn)行一次或兩次有絲分裂，但是，由于它已經(jīng)喪失了無(wú)限分裂和產(chǎn)生大量子代的能力，依然是被看成死亡細(xì)胞；一個(gè)存活的細(xì)胞，保持著完整的增生能力，能夠持續(xù)繁殖，產(chǎn)生大量的克隆或集落，稱為“克隆源性細(xì)胞”。,這個(gè)定義在腫瘤的放射治療上特殊意義：1）通過(guò)測(cè)定離體培養(yǎng)細(xì)胞的集落生長(zhǎng)能力或測(cè)量

30、在體內(nèi)致腫瘤生長(zhǎng)的能力，很容易并準(zhǔn)確地做出評(píng)價(jià)；2）在一定意義上，只需“殺死”這些細(xì)胞，即使它不能分裂、不能繼續(xù)生長(zhǎng)、不能擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移，就能根治腫瘤。 一般來(lái)說(shuō)，破壞非增殖細(xì)胞的功能需要100Gy的劑量，而使細(xì)胞喪失增殖能力的平均致死劑量往往比2Gy還少。,1、離體培養(yǎng)細(xì)胞存活曲線—— 單個(gè)細(xì)胞生長(zhǎng)成肉眼可見(jiàn)的大克隆，是細(xì)胞保留其完整增生能力的最有力的證明。這種增生能力隨輻射劑量呈函數(shù)性消退的

31、關(guān)系，可用劑量存活曲線描述。 集落和克?。杭涫侵敢粓F(tuán)細(xì)胞，克隆是指含50個(gè)細(xì)胞以上的細(xì)胞集落?？寺∈羌渲械囊活悾湮幢厥强寺?，盡管它們都是由1個(gè)細(xì)胞持續(xù)繁殖形成的細(xì)胞團(tuán)。1個(gè)細(xì)胞只有經(jīng)過(guò)連續(xù)5代以上的繁殖，才能形成一個(gè)克隆。,,集落形成率（plating efficiency）：就是用來(lái)說(shuō)明種植細(xì)胞能生長(zhǎng)成集落的百分?jǐn)?shù)。如果接種100個(gè)細(xì)胞形成70個(gè)集落，其集落形成率是70%。將細(xì)胞種植在同樣的瓶皿

32、中，X線照射以8Gy，孵育1-2周，固定、染色，可觀察到下列幾種情況： 1）一些種植的單個(gè)細(xì)胞依然以單個(gè)形式存在，并不分裂； 2）一些細(xì)胞掙扎著完成一次或兩次分裂，形成很小的發(fā)育不全的集落； 3）另外一些細(xì)胞長(zhǎng)成大集落。這些細(xì)胞稱為“存活細(xì)胞”，因?yàn)樗鼈冊(cè)谄矫笾斜３至送暾脑鲋衬芰Α?若平皿中接種2000個(gè)細(xì)胞，用8GyX射線照射。在未照射前，由于PE是70%，2000個(gè)貼壁細(xì)胞中

33、只有1400個(gè)能形成集落，而照射后只有32個(gè)集落，所以受8GyX射線照射后的細(xì)胞存活率是： （32/1400）×100%=0.023% 因此,可以按下式得出細(xì)胞存活率: 細(xì)胞存活率=(所計(jì)數(shù)的集落數(shù)/細(xì)胞接種數(shù)×PE) ×100%,2、細(xì)胞存活曲線的形式—— 電離輻射對(duì)細(xì)胞群體的效應(yīng)，即照射劑量與細(xì)胞群體的存活能力之間的劑量-反應(yīng)關(guān)系，可

34、借細(xì)胞存活曲線得到定量表達(dá)。 細(xì)胞存活曲線又稱劑量-存活曲線，是繪制在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上的。橫坐標(biāo)為算術(shù)刻度，從原點(diǎn)向右表示各單次照射劑量的增大；縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度，表示細(xì)胞群體受不同劑量照射后的細(xì)胞存活率。,對(duì)于致密的電離輻射（高LET輻射），如α粒子或低能中子，存活數(shù)據(jù)從一開始就非常趨近為一條直線，受這種性質(zhì)射線照射的特殊細(xì)胞，只用一個(gè)參數(shù)就完全能描述存活曲線，即直線的斜率。這個(gè)斜率用使成集落的細(xì)胞數(shù)下降到

35、37%所需要的劑量來(lái)表達(dá)，稱為37%劑量斜率，定名為D0。實(shí)際D0是在劑量-效應(yīng)曲線的直線部分，使細(xì)胞存活率下降到原來(lái)的37%處（如從0.1到0.037）所需要的照射劑量。,D0的定量是使平均每個(gè)細(xì)胞發(fā)生一次失活事件所需要?jiǎng)┝俊?電離輻射照射后，典型的哺乳動(dòng)物細(xì)胞存活曲線是由“肩部”（低劑量范圍內(nèi)的彎曲部分）和“指數(shù)部”（較高劑量范圍內(nèi)的直線部分）組成的。曲線中有3個(gè)必不可少的參數(shù)： 1）將指數(shù)

36、部的直線向左方延伸，直到與縱軸相交，交點(diǎn)處的縱軸上的數(shù)據(jù)被成為外推值n。n。表達(dá)細(xì)胞被射線殺死時(shí)需要擊中的細(xì)胞的靶數(shù)或擊中數(shù)，簡(jiǎn)稱為細(xì)胞核內(nèi)的靶數(shù)。,2）由細(xì)胞存活率為100處向右方引一條與橫軸相平行的直線，直至與直線部分的延長(zhǎng)線相交。與這一線段相當(dāng)?shù)臋M軸上劑量的大小，被稱為準(zhǔn)閾劑量Dq。Dq表達(dá)該細(xì)胞修復(fù)亞致死性損傷的能力，也可以理解為“無(wú)效”的照射劑量。實(shí)際上，Dq是表示細(xì)胞輻射耐性的參數(shù)。,3）在指數(shù)部直線上的任何

37、一點(diǎn)向下方繪制一條與縱軸平行的垂直線段，使其長(zhǎng)度達(dá)到相當(dāng)于起始點(diǎn)值的37%的那一點(diǎn)為止。然后再由此垂線終點(diǎn)處向右方引一平行于橫軸的水平線，直到與指數(shù)部的直線相交。這一水平線的長(zhǎng)度所相當(dāng)?shù)膭┝?，為平均致死劑量，也就是指?shù)部直線的斜率D0。 D0表示平均致死劑量，表達(dá)細(xì)胞群體的放射敏感性。,隨細(xì)胞群體的放射生物學(xué)特性不同，其存活曲線的形狀也各異，從而這3個(gè)參數(shù)的數(shù)值也不相同。 一般來(lái)講，不少細(xì)胞群體，包括正常組織

38、的和腫瘤的，其存活曲線中的D0值相差不大，有些還很接近，但Dq值卻有較大差別。 有些腫瘤的肩部較寬，因而放療效果不佳。正常小、大腸隱窩干細(xì)胞存活曲線中的Dq值較高，說(shuō)明對(duì)放療有抗拒性。,3、影響細(xì)胞存活曲線形狀的因素—— D0值可以作為表示細(xì)胞放射敏感性的一個(gè)指標(biāo)。因此，影響細(xì)胞存活曲線形狀的因素，一般也是影響放射效應(yīng)的因素，在制訂放射計(jì)劃時(shí)應(yīng)加以注意。 1）細(xì)胞周期的時(shí)相

39、處于細(xì)胞周期中不同時(shí)期的細(xì)胞，其放射敏感性互不相同的情況，稱為對(duì)細(xì)胞周期的依賴性。細(xì)胞對(duì)輻射的反應(yīng)隨受照射當(dāng)時(shí)所處的時(shí)相的不同而異。處于M期的細(xì)胞對(duì)輻射最敏感，而處于晚S期的細(xì)胞敏感性最低，兩者的放射敏感性可相差2.5倍。,細(xì)胞群體在第一次照射后，剩余的存活細(xì)胞再分布于細(xì)胞周期中對(duì)輻射敏感的時(shí)相，則易于被再次的照射所殺傷。 2）氧效應(yīng) 細(xì)胞氧分壓的大小能影響細(xì)胞的放射敏感性。在無(wú)氧狀態(tài)下，細(xì)胞的放

40、射敏感性約為有氧狀態(tài)下的1/3。氧分壓不同時(shí)，D0值有變化。 氧通過(guò)輻射所誘發(fā)的自由基而增加細(xì)胞的損傷，造成不可修復(fù)的生物化學(xué)變化，引起了加強(qiáng)放射效應(yīng)的作用。而在乏氧狀態(tài)下細(xì)胞受照射時(shí)，可通過(guò)電子俘獲造成修復(fù)的可能性增加，放射效應(yīng)也會(huì)隨之減弱。,已知一些腫瘤中含有10%-20%氧分壓低的細(xì)胞（即乏氧細(xì)胞）這些乏氧細(xì)胞的存在是腫瘤放射治療的一大難題。 在所有的存活水平要達(dá)到同一生物效應(yīng)，乏氧時(shí)所

41、需要的射線劑量為有氧時(shí)的3倍。這種比例相當(dāng)恒定。由于氧被稱為劑量改變劑（dose-modifyingAgent），乏氧時(shí)所需要射線劑量與有氧時(shí)所需要射線劑量之比稱為氧增強(qiáng)比（Oxygen enhancement ratio OER）。簡(jiǎn)言之，氧可以增加細(xì)胞的放射敏感性，其增加的比值為OER。,增加放射敏感性與減少放射劑量是一致的。因此，以細(xì)胞存活率表示： 乏氧 100%

42、 37% 有氧 100% 37% OER= 3/1=3 OER以同一水平的細(xì)胞存活率為比較前提。若OER為1，則說(shuō)明無(wú)氧效應(yīng)。,,3Gy,,1Gy,放射敏感性與細(xì)胞存活曲線的D0值的倒數(shù)成比例。放射敏感性與氧濃度的關(guān)系是：氧分壓從0增加到大約4.0kPa（30mmHg）時(shí)，放射敏感性增加很迅速，氧張

43、力進(jìn)一步增加到1個(gè)大氣壓的純氧時(shí)，其增敏作用的增加并不明顯。 致密電離輻射時(shí)的存活曲線是指數(shù)型的，沒(méi)有起始的肩段。此時(shí)，在有氧和乏氧情況下，其存活曲線重合。OER是1，即沒(méi)有氧效應(yīng)。對(duì)于介于致密、稀疏之間的中間型電離輻射（如中子），存活曲線有一小的肩段。在這種情況下，氧效應(yīng)是明顯的。,對(duì)于稀疏電離輻射如X射線，其氧效應(yīng)大而重要。對(duì)于象α粒子那樣的致密電離輻射，無(wú)氧效應(yīng)；氧效應(yīng)關(guān)系可以表示為： 氧效應(yīng)

44、 稀疏電離輻射＞中間型電離輻射＞致密電離輻射 X射線 快中子 α粒子 OER 2.5～3.0 1.6 1.0,3）LET 高LET的輻射照射可使細(xì)胞存活曲線的肩部變小甚至消失，同時(shí)指數(shù)部的斜率變小，即

45、直線變陡。在臨床腫瘤放療中，現(xiàn)在除了常規(guī)使用的X射線和γ射線外，已逐漸使用了快中子、負(fù)π介子、質(zhì)子等高LET的輻射，以便對(duì)腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生更大的殺滅作用。 4）劑量率 當(dāng)減低輻射照射劑量時(shí)，以同一劑量照射后，存活的細(xì)胞數(shù)就明顯增多。這是由于在照射過(guò)程中，亞致死性損傷得到恢復(fù)，以及未受損傷的或仍有活力的細(xì)胞在極低劑量率的條件下發(fā)生了增生的緣故。,亞致死性損傷（SLD）是指能被細(xì)胞正常修復(fù)的損傷，往往在照射

46、后2-6小時(shí)便得到恢復(fù)。根據(jù)定義，SLD不是直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡的，然而它卻能使細(xì)胞對(duì)再次受到照射時(shí)的敏感性提高。 如果繼一個(gè)輻射劑量照射后，相隔一段時(shí)間，再受到第二個(gè)劑量的照射，由于SLD尚未得到恢復(fù)，這種損傷就可以成為致死性損傷。 細(xì)胞存活曲線中的肩部就是反映SLD的積累過(guò)程及細(xì)胞修復(fù)SLD的能力的。 常規(guī)放療中所使用的輻射源，多具100cGy/min的劑量率。每個(gè)分次劑量的給予只需

47、幾分鐘，故在,每分次實(shí)際放療中恢復(fù)是很少的。 5）溫度效應(yīng) 細(xì)胞的放射敏感性隨照射過(guò)程中的溫度變化而變化。溫度升高時(shí)，敏感性增加；溫度降低時(shí)，敏感性降低。和OER一樣，熱增強(qiáng)比（heat enhancement ratio，HER）也是一個(gè)比值。 6）防護(hù)劑與增敏劑,7）分次照射 將總劑量分次施予，能對(duì)正常組織有較好的容讓效應(yīng)（sparing effect），而仍對(duì)腫瘤有致死效應(yīng)。

48、 使用多分次照射，就會(huì)在每一次分次照射之后都重建一個(gè)肩部?？倓┝肯嗤执握丈涞拇螖?shù)不同，所達(dá)到的生物學(xué)效應(yīng)相差很大。例如，10×200cGy只有5 × 400cGy效應(yīng)的1/90；而6 × 200cGy只有3 × 400cGy的1/15。,兩個(gè)細(xì)胞群對(duì)于一定劑量的單次X射線照射，存活分?jǐn)?shù)如果只有微小的差別，那么這種差別在分次劑量照射后便被放大。 許多腫瘤細(xì)

49、胞是乏氧的，其修復(fù)SLD的能力降低。因此，分次照射所致的輻射損傷，在腫瘤細(xì)胞中累積的要比在周圍正常組織細(xì)胞中積累的大；另外，腫瘤和正常組織的有效倍增時(shí)間，可能由于照射后細(xì)胞的丟失等影響因素而表現(xiàn)出顯著的差別，也即正常組織在起初遭受輻射損傷以后增生速率可能會(huì)大大增快，而腫瘤則在每次分裂之后有很高程度的細(xì)胞丟失。因此，分次照射可增加治療比。,4、放射損傷的修復(fù)—— 從分子水平到細(xì)胞水平，有8種以上的放射損傷修

50、復(fù)，且分別和癌細(xì)胞照射后出現(xiàn)的種種現(xiàn)象有關(guān)。 目前，在放射治療中最需要注意的是Elkind修復(fù)——亞致死性損傷的修復(fù)和PLD修復(fù)——潛在致死性損傷修復(fù)。,1、Elkind修復(fù) 細(xì)胞照射后出現(xiàn)損傷，有的細(xì)胞失去無(wú)限生長(zhǎng)能力而死亡，有的能從損傷中逐漸修復(fù)，并可保持無(wú)限增生的能力。 1959年，Elkind發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞受照射產(chǎn)生亞致死性損傷（SLD）而保持修復(fù)的能力時(shí)，細(xì)胞能在3h完成這種修復(fù)

51、，即稱為Elkind修復(fù)。如若以11.2Gy一次照射，細(xì)胞的存活率為0.001%；而先以5.05Gy照射，經(jīng)過(guò)18.1h間隔再以6.15Gy照射，細(xì)胞存活率變?yōu)?.0051%。也就是說(shuō)，在18.1h內(nèi)第一次照射造成損傷的細(xì)胞經(jīng)過(guò)修復(fù)，使細(xì)胞存活率提高了5倍以上。,若兩次照射的存活曲線完全相似，可以重合，即兩者n值和D0值都相同，這表示第一次照射時(shí)受到SLD的細(xì)胞在接受第二次照射之前，即在18.1h的間隔之內(nèi)已經(jīng)完成修復(fù)。

52、所以，在需要進(jìn)行分次照射的放射治療中，這種修復(fù)是制定治療方案時(shí)必須考慮的重要因素。 2次分次照射所引起的最初存活率增高與SLD的修復(fù)有關(guān)，其修復(fù)與兩次照射的間隔時(shí)間密切相關(guān)。,2、PLD修復(fù) 是指潛在致死損傷修復(fù)（repair of Potentially lethal damage）。首先使用這個(gè)名詞的是加拿大人Whitmore。 PLD是指正常狀態(tài)下照射后應(yīng)死亡的細(xì)胞，由于在照射后置

53、于適當(dāng)?shù)臈l件，進(jìn)行了損傷修復(fù)而存活的現(xiàn)象。 若用X射線以20Gy對(duì)荷瘤小鼠進(jìn)行照射，照射后再隔不同時(shí)間取出腫瘤進(jìn)行移植。結(jié)果是取出的時(shí)間越遲，存活率越高。存活率的升高常在照射后第6h達(dá)到最高值。,這種條件下由于20Gy照射幾乎可使腫瘤組織內(nèi)有氧細(xì)胞全部死亡，所以，可以認(rèn)為與PLD修復(fù)有關(guān)的細(xì)胞幾乎均為乏氧細(xì)胞。 PLD修復(fù)常見(jiàn)于飽和密度生長(zhǎng)期的細(xì)胞和乏氧細(xì)胞。如果認(rèn)為PLD修復(fù)是乏氧細(xì)胞特有的一

54、種修復(fù)，就要把PLD修復(fù)看作是應(yīng)當(dāng)特別注意的現(xiàn)象。 對(duì)于PLD修復(fù)是否和Elkind修復(fù)性質(zhì)不同這一點(diǎn)是有爭(zhēng)議的，也許沒(méi)什么不同，只是由于照射后所處的條件不同而產(chǎn)生的現(xiàn)象不同而已。,綜上所述，Elkind修復(fù)和PLD修復(fù)都發(fā)生在第一次劑量照射后的最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。 SLD的大小是由第一次劑量后不同時(shí)間給予的第二次劑量的反應(yīng)來(lái)測(cè)量的，重要的是第一次劑量和引起更多細(xì)胞分裂的某種刺激之間的時(shí)間間隔。

55、 在高LET射線作用后SLD和PLD都不那么明顯。,組織水平的細(xì)胞動(dòng)力學(xué),組織在受到照射后出現(xiàn)的效應(yīng)與培養(yǎng)細(xì)胞出現(xiàn)的效應(yīng)不同。 在組織效應(yīng)的表現(xiàn)中，由于組織受神經(jīng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)的影響以及這些系統(tǒng)在射線的作用下產(chǎn)生變化的影響，所以不是單一的效應(yīng)。如照射腫瘤時(shí)，同時(shí)也破壞腫瘤周圍的血管，結(jié)果使得腫瘤及鄰近組織的血流量減少，既可使腫瘤和組織出現(xiàn)放射抗拒性，也可由于血運(yùn)停止，引起腫瘤和組織死亡的繼發(fā)改變。,影

56、響組織放射效應(yīng)的主要因素—— 1、射線使細(xì)胞死亡而形成的存活率，或致死率 2、射線作用后殘存于組織內(nèi)的細(xì)胞的增殖能力和修復(fù)能力； 3、被破壞的組織及臟器的再生能力； 4、利于細(xì)胞增殖及組織再生的環(huán)境因素，例如血管系統(tǒng)的保存情況。,腫瘤組織中細(xì)胞的構(gòu)成—— 腫瘤組織由腫瘤細(xì)胞及其作為支持組織的間質(zhì)組成，通常只有腫瘤細(xì)胞進(jìn)行增殖。 1）P細(xì)胞/增殖細(xì)胞 腫

57、瘤體積增長(zhǎng)的主要來(lái)源,占整個(gè)腫瘤細(xì)胞群體的比例稱為生長(zhǎng)比例； 2）Q細(xì)胞/靜止細(xì)胞 由靜止或G0期細(xì)胞組成,其中一些細(xì)胞是克隆源性,有能力再群體化出一個(gè)腫瘤 3）分化終末期細(xì)胞 不再具有分裂能力 4）死亡和正在死亡的細(xì)胞,腫瘤的生長(zhǎng)速度決定于生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)和腫瘤細(xì)胞的生成與丟失之比，而與倍增時(shí)間關(guān)系不大。 影響腫瘤的生長(zhǎng)速度的因素：　　1）腫瘤細(xì)胞倍增時(shí)間：腫

58、瘤群體的細(xì)胞周期也分為G0、G1、S、G2和M期。多數(shù)惡性腫瘤細(xì)胞的倍增時(shí)間并不比正常細(xì)胞更快，而是與正常細(xì)胞相似或比正常細(xì)胞更慢。,2）生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)：指腫瘤細(xì)胞群體中處于增殖階段（S期+G2期）的細(xì)胞的比例。惡性轉(zhuǎn)化初期，生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)較高，但是隨著腫瘤的持續(xù)增長(zhǎng)，多數(shù)腫瘤細(xì)胞處于G0期，即使是生長(zhǎng)迅速的腫瘤生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)也只有20%?！?）瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)與丟失：營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)不足、壞死脫落、機(jī)體抗腫瘤反應(yīng)等因素會(huì)使腫瘤細(xì)胞丟失，腫瘤細(xì)胞

59、的生成與丟失共同影響著腫瘤能否進(jìn)行性長(zhǎng)大及其長(zhǎng)大速度。,腫瘤生長(zhǎng)的一些參數(shù)—— 1）腫瘤體積倍增時(shí)間（tumor volume doubling time, Td）：指腫瘤體積增加一倍的時(shí)間，表示腫瘤生長(zhǎng)速度的參數(shù)；在腫瘤生長(zhǎng)的初期，Td值是固定的；但隨著腫瘤的增長(zhǎng)，Td值也延長(zhǎng)。Td與Tc比較，增殖初期時(shí)Td=Tc，后來(lái)則Td＞Tc。其原因可能與腫瘤增殖有關(guān)的細(xì)胞群的部分和細(xì)胞不再分裂的靜止部分的比例有關(guān)。

60、 Td的決定因素：細(xì)胞周期時(shí)間、生長(zhǎng)比例和細(xì)胞丟失率。,2）潛在倍增時(shí)間（potential doubling time，Tpot：是一個(gè)理論值，假設(shè)在沒(méi)有細(xì)胞丟失的情況下腫瘤細(xì)胞群體增加一倍所需要的時(shí)間。 Tpot的決定因素：細(xì)胞周期時(shí)間和生長(zhǎng)比例。 3）細(xì)胞丟失因子（cell lose factor）： 細(xì)胞丟失因子或系數(shù)=1-（Tp

61、ot/Td） 如果丟失系數(shù)為零，那么Tpot就等于Td。平均Tc小于Tpot，因?yàn)殪o止期細(xì)胞的存在導(dǎo)致生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)小于100 ％ 。這些因數(shù)的關(guān)系可由方程式： Tpot=0.693TC/ln （1+GF）得出。,對(duì)于實(shí)體腫瘤，其Tpot小于Td，因?yàn)榧?xì)胞丟失系數(shù)通常是相當(dāng)高的。在確定Tpot時(shí)已經(jīng)考慮到GF，所以不會(huì)影響Tpot和Td間的關(guān)系。Tpot可以由標(biāo)記指數(shù)（L

62、I）和S期的持續(xù)時(shí)間（Ts），用方程式Tpot=λTs /LI計(jì)算出。已有提示，雖然臨床試驗(yàn)不支持，但治療前Tpot短的腫瘤，（提示存在快速增殖細(xì)胞和高增長(zhǎng)分?jǐn)?shù)），最有可能得益于加速放射治療。,在放射治療開始后幾周，細(xì)胞丟失系數(shù)（φ）減小，其具有減緩腫瘤消退（縮小）的凈效應(yīng)。生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)是增殖細(xì)胞數(shù)與增殖細(xì)胞數(shù)和靜止期細(xì)胞數(shù)的總和之比。如果腫瘤倍增時(shí)間（Td），即觀察的腫瘤體積倍增時(shí)間是60天，以及由細(xì)胞周期時(shí)間和生長(zhǎng)分?jǐn)?shù)

63、計(jì)算的潛在倍增時(shí)間（Tpot）是3天，那么細(xì)胞丟失系數(shù)是95 ％。,雖然Tpot還未被證明是一個(gè)加速放射治療后遠(yuǎn)期效果的強(qiáng)有力的預(yù)測(cè)因素，但它對(duì)預(yù)選最有可能受益于加速治療的病人仍是有用的。至少對(duì)于腫瘤來(lái)說(shuō)，細(xì)胞丟失系數(shù)通常是腫瘤潛在倍增時(shí)間和總體積倍增時(shí)間之間差異的主要決定性因素。,人類腫瘤典型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)—— 細(xì)胞周期： 約2天 生長(zhǎng)因數(shù)：

64、 約40% 丟失率： 約90% 癌細(xì)胞潛在倍增時(shí)間： 約5天 體積倍增時(shí)間： 約60天,乏氧細(xì)胞與腫瘤組織—— 腫瘤組織中有處于各種狀態(tài)的腫瘤細(xì)胞。從氧分壓高低來(lái)考慮時(shí)，可以分為有氧細(xì)胞（Oxic cell）和乏氧細(xì)胞（Hypoxic cell）

65、。 人類腫瘤中乏氧細(xì)胞的比例大約為30%-40%。 有氧細(xì)胞和乏氧細(xì)胞在腫瘤中的分布，是通過(guò)測(cè)量腫瘤內(nèi)毛細(xì)血管到壞死部位的距離，一般為150-170μm，最遠(yuǎn)不超過(guò)180 μm。,腫瘤結(jié)構(gòu)模式圖：,,,,毛細(xì)血管,,壞死層,,,,,有氧細(xì)胞層,,145-150μm,,,15-20μm,乏氧細(xì)胞層,,腫瘤細(xì)胞以血管為中心作同心圓排列，距離毛細(xì)血管一定部位變?yōu)榉ρ跫?xì)胞層，再向外則為壞死層。Thomlins

66、on把這種排列稱為腫瘤索（TumorCord），并認(rèn)為腫瘤索是構(gòu)成腫瘤組織的最小單位，腫瘤索大量聚集形成腫瘤組織。 當(dāng)腫瘤越增大時(shí)，未出現(xiàn)損害的細(xì)胞的比例會(huì)越少。壞死的部位是距毛細(xì)血管遠(yuǎn)的部位，可以說(shuō)大部分是氧分壓為0的部位。 放射敏感性沿毛細(xì)血管到壞死層的徑線逐漸改變，細(xì)胞的增生能力也自中心沿直徑向外逐漸減弱。,腫瘤對(duì)放射的反應(yīng),電離輻射作用的必然結(jié)果是受照射區(qū)域的生命物質(zhì)的破壞。在腫瘤放射治療

67、中，腫瘤照射劑量受到多方面的限制： 1）正常組織的立即反應(yīng)； 2）某一組織的早期反應(yīng)； 3）很大體積被照射； 4）產(chǎn)生遠(yuǎn)期損傷的危險(xiǎn)。 但是，控制腫瘤是放射治療的主要目標(biāo)。,腫瘤的劑量—效應(yīng)關(guān)系—— 臨床上腫瘤的治療成功，是指射線徹底破壞的腫瘤組織中腫瘤細(xì)胞一個(gè)也不殘存，或者腫瘤細(xì)胞即使殘存下來(lái)，但受到抑制而不能再發(fā)揮其機(jī)能。然而，臨床上所謂

68、獲得基本治愈的局部是否就不復(fù)發(fā)呢？ TCD50是指受照射的腫瘤中50%的腫瘤治愈時(shí)所需要的放射劑量。TCD是腫瘤控制劑量（TumorControl Dose）的縮寫。,把接種腫瘤的動(dòng)物分為若干組，各組給予不同劑量照射后觀察90-120天，分析各組的治愈率，由此求出使50%的腫瘤獲得治愈所必需的照射劑量。 照射時(shí)腫瘤體積與TCD50之間的關(guān)系：一般而言，腫瘤體積增大時(shí)， TCD50也隨之增大。,影