正常组织放射损伤

1、 正常组织放射损伤 杨伟志中国医学科学院肿瘤医院放疗科基本概念正常组织细胞与细胞之间不是孤立存在的，它们形成复杂的结构，在正常情况下细胞的生、死之间维持着精确的平衡，它使机体的组织结构及构成组织的细胞数量保持在稳定状态。细胞损伤时不仅要考虑死亡细胞本身而且要考虑由死亡细胞带来的连锁反应。必须弄懂组织的结构及动力学。1.干细胞stem cells：指可以分裂很多次并形成有一定分化特征的可辨认的干细胞和即将分化的细胞。一个干细胞一次分裂为一个干细胞和一个非干细胞干细胞具有自我繁殖能力，它能避开细胞分裂和分化之间的联系，即其他细胞在每次有丝分裂后就会失去部分分化潜能而最终分化成不分裂的功能性细胞。正

2、常情况下大部分干细胞都处于Go期，但刺激以后可很快进入细胞周期 正常组织的结构组分2.分化或功能细胞differentiated or functional cells：是与干细胞完全不同的另一层次的细胞，这些细胞通常没有分裂能力最后因衰老而死亡如血循环中的粒细胞和小肠黏膜绒毛细胞。某一既定类型的所有细胞都具有相似的寿命，但不同类型的细胞之间寿命差别很大，如红细胞的寿命为120天而粒细胞那么不到1天 3.正在成熟的细胞(maturating cells)：在干细胞和分化细胞之间存在着一个由正在成熟的细胞组成的中间层次。在这个层次中，分化的干细胞后代在分化进程中倍增如骨髓中的幼红细胞(eryth

3、roblats)和成粒细胞(granuloblats)就是中间层次的细胞。照射主要影响干细胞而对分化细胞的寿命无太大修饰作用，当更新转化时间长时放射损伤表达的就晚 正常组织的结构组分二.组织反应的模式 基本概念理解不同组织的放射反应必须了解，细胞的放射敏感性取决于细胞的类型和每型细胞的分化程度。在所有细胞中，干细胞最为放射敏感一般干细胞的Do值是1Gy左右，某些类型的干细胞甚至可低至Gy。正在成熟的细胞放射敏感性较低，且随分化的完成继续降低。不再分裂的充分分化了的细胞是非常放射抗拒的。二.组织反应的模式 基本概念照射以后分化最差的细胞层次损伤最重。给含有相同放射敏感性干细胞的组织以相同剂量的照

4、射，损伤的表达和修复时间却不相同，这是由子代细胞的固有特性决定的。如小肠和睾丸组织的干细胞具有相似的放射敏感性，小肠的损伤在几天内便表现出来并在两周内修复。而睾丸精子生成的减少可持续几个月。这些差别可用组织结构和细胞自身平衡机制来解释。为理解这些反应提出了两种组织反应模式 1.结构等级制约模式(hierarchical model)结构等级制约模式是大多数上皮性早反应组织所经历的放射反应模式。结构等级制约组织中至少存在着两个层次的细胞，即干细胞层次和成熟细胞层次。正如我们已经看到的，损伤的表现有一个延后，其时间与细胞的更新转化时间成比例。更新转化时间是一个与功能细胞衰老所致的死亡有关的时间过程

5、，因此它与照射剂量无关与功能细胞的寿命相关。损伤的进一步发展只取决于功能性细胞的寿命，照射通常不影响这个进程。实验已经证实，随照射剂量的增加，干细胞层次的细胞逐渐耗减，当干细胞全部耗竭时组织将因无力再生而导致纤维化。组织再生持续时间和照射剂量之间没有明确的关系。存活的成熟进程中的细胞能引起新生细胞数量的剧增，然而干细胞的增殖需要系统中所有类型细胞的初步恢复。结构等级制约模式(hierarchical model)flexible model灵活组织没有明确的细胞分化层次和严格的细胞等级结构如肝、肾等。这些组织的更新慢，被诸如外科、化学或物理因素损伤后，所有细胞都进入增殖。在这种组织中，一个细胞

6、衰老死亡后其位置由另一个细胞的分裂所取代。组织增殖的图解 A结构等级制约系统 B 灵活组织系统 二.早反应组织和晚反应组织为便于理解正常组织的放射效应分成两种主要类型-早反应和晚反应组织临床医生在设计治疗方案时应特别注意早反应和晚反应组织在生物效应之间的重要差别。早反应组织和晚反应组织早反应组织的特点是细胞更新很快，因此照射以后损伤很快便会表现出来。这类组织的/比值通常较高，损伤之后是以活跃增殖来维持组织中细胞数量的稳定并进而使组织损伤得到恢复的。晚反应组织的特点，这些组织中细胞群体的更新很慢，增殖层次的细胞在数周甚至一年或更长时间也不进行自我更新如神经组织，因此损伤很晚才会表现出来。晚反应组

7、织的/比值较低。早反应组织和晚反应组织放射生物学实验及临床研究结果显示，人体组织中，早反应和晚反应组织照射以后的反应特点是不同的。在临床放射治疗中应根据生物学特性分别考虑早反应组织和晚反应组织对分次剂量和总治疗时间的不同效应，在提高肿瘤治疗剂量的基础上应同时注意正常组织的防护，特别是晚反应组织.早反应、晚反应组织与分次剂量早在1978年Withers就觉察出了早、晚反应组织在分次效应上的差别。用等效总剂量和分次剂量作图显示晚反应组织的曲线比早反应组织陡，说明晚反应组织比早反应组织对分次剂量的变化更敏感。加大分次剂量，晚反应组织损伤加重与晚反应组织相比早反应组织对分次剂量的变化不太敏感。.早反应

8、组织、晚反应组织与总治疗时间由于晚反应组织更新很慢，在放射治疗期间一般不发生代偿性增殖，因此对总治疗时间的变化不敏感。缩短总治疗时间会增加对肿瘤的杀灭。一般来说，缩短总治疗时间，早反应组织损伤加重。因为在用LQ公式进行生物等效换算时把肿瘤类似于早反应组织看待，因此在不致引起严重急性反应的情况下，为保证肿瘤控制应尽量缩短总治疗时间早期放射反应的发生时间取决于分化了的功能细胞的寿命，反应的严重程度反映了死亡的干细胞与存活的克隆源细胞再生率之间的平衡。对照射的早期效应而言，靶细胞的特征通常是清楚的 。有些组织同时存在早期和晚期效应的发生机制。如皮肤，除了早期的上皮反应还会发生严重的晚期损伤如纤维化、

9、萎缩和毛细血管扩张。在同一器官，可以顺序地发生不同类型的损伤，其发生机制和靶细胞均不相同。经典机制细胞损伤后如照射，正常组织晚期效应表达的病生理机制是一个整体问题，它包括机体和组织器官成分的相互作用和动力学。经典概念假设正常组织中的靶细胞Target cell决定事件如照射的临床过程。事件发生后，最初是潜伏期，此期早于急性期反应；急性期在慢性期反应出现之前退去晚期放射反应的发生机制-经典机制经典学说主要强调的是特异性靶细胞的存在以及靶细胞的放射损伤修复和再群体化能力。最初的放射效应是由实质细胞或血管内皮细胞结缔组织产生的。Travis对“晚期反应的定义是：晚期反应是指实质细胞耗竭后无力再生而最

10、终导致的纤维化晚期放射反应的发生机制-分子机制随着分子生物学技术的不断引入，我们对放射和化疗所诱发的临床病理过程认识从靶细胞学说扩展到靶细胞间的通讯-主要是细胞间细胞因子的对话cytokine conversation ,从而使我们能更好地了解细胞毒所诱导的晚期效应的机制。晚期放射反应的发生机制-分子机制目前认识的重点已从靶细胞本身深入到自分泌(autocrine)，旁分泌paracrine，mRNA信息以及贯穿细胞之间的蛋白。靶器官受到照射以后，由于它是多细胞的，因此导致细胞因子级联效应(cytokine cascades)的产生,这就是使存活细胞得以恢复和/或表达晚期效应信息的扩增载体。下

11、面分4部分简述目前从分子生物学角度对晚期放射损伤的一些认识和实验依据 1.放射诱发的长久性细胞因子级联效应照射后即刻 -细胞成分如膜、胞浆体和DNA等的损伤-启动细胞间的对话-基因表达发生了改变。反应的过程是：立即释放mRNA -立即到达各自相邻细胞的受体，-通过信号传导受体细胞被激活-导致少量的或一系列细胞因子的表达-最终导致细胞增殖或细胞外基质蛋白的产生。1.放射诱发的长久性细胞因子级联效应在特定情况下受体细胞是纤维母细胞，可以在受损伤后24小时之内看到胶原基因的活化，并能持续数天、数周、甚至数月，时间跨度可以持续到病理或临床损伤的出现。细胞初始损伤以后所激发的细胞因子级联效应是立即发生的

12、，并通过细胞信号引发一系列的继发事件。在肺，一个潜在的反应是II型肺泡上皮细胞和/或内皮细胞释放促炎性细胞因子，这些物质的表达立刻诱导巨嗜细胞释放促纤维化细胞因子，然后反过来通过一系列的自分泌、旁路分泌刺激纤维母细胞产生细胞基质蛋白 2.由遗传异质性所支配的宿主反应和剂量效应长期以来已认识到遗传因素是影响放射治疗后不同晚期效应的因素之一。许多学者研究了宿主差异，如采用纤维母细胞分析法得到的许多资料显示，相同剂量的分次方案照射后不同病人个体间反应差别很大。Tursson等关于乳腺癌病人的一组长期观察资料说明，以相同方式治疗的病人其毛细血管扩张的表现差别很大。Hall的资料也显示，在患有毛细血管扩

13、张症的病人，特征是皮肤对阳光过敏，这些病人同时也对放射线敏感 由遗传异质性所支配的宿主反应和剂量效应Rubin 等对两个不同品系的小鼠进行了研究，观察到由于照射以后细胞因子表达不同，对放射性肺纤维化的耐受性也不同。他将这两个品系的小鼠分别称为纤维化敏感的(C57BL/6)和纤维化耐受的(C3H/HeJ)。给予同样剂量的照射以后，它们显示不同水平的细胞因子表达。推测，两个品系的小鼠，一些或全部细胞的初始细胞因子反应可能是相似的，但存在着另外的因素导致了品系依赖性效应，如细胞介素的基础水平，和/或其他的下游事件导致品系在细胞因子最终沉积的差别由遗传异质性所支配的宿主反应和剂量效应细胞因子表达的品系

14、依赖性差异也存在于药物博莱霉素诱导的肺纤维化。这些证据充分说明化疗和放射治疗共享通常的细胞因子途径。这也可解释记忆现象和为什麽病人在使用了看似安全剂量的联合治疗后会出现我们所不愿看到的毒性 3.由照射体积外免疫细胞的大量涌入所致 的照射体积内的急性、自发免疫样反应 放射性肺炎是一种淋巴细胞性肺泡炎，很可能是一种超敏反应的部分结果。有研究提示，照射体积外循环的免疫细胞在引起照射后的急性和晚期效应方面很可能和靶细胞同样重要。细胞是通过产生促炎因子起反应。这些化学因子召集照射体积外的循环淋巴细胞进入受损伤的照射体积，这些活化的细胞产生介导物质并直接改变了II型肺泡上皮细胞、间质纤维母细胞的增殖和/或

15、基质基因表达的状况。最重要的是：照射后有细胞因子的长久存在，并最终导致一个漫长的持续性放射性肺炎过程。4.放射的远地伴随效应abscopal effect放射的远地伴随效应是由于激活的巨嗜细胞的迁徙造成的，它可以产生某种物质敏化其它细胞。实验证据在一些用兔做的实验中，照射单侧肺8周后，在对侧肺存在远地伴随效应。照射后一周，受照射侧肺巨嗜细胞数量下降，在恢复正常水平之前，大约在4周左右出现超过正常水平的峰。照射侧肺的所有时间点都存在着活化的巨嗜细胞，而对照侧肺在照射后8周出现活化的巨嗜细胞。放射的远地伴随效应abscopal effect上述证据有力地支持单核细胞/巨嗜细胞可从照射侧迁徙到未受照

16、射的对侧。这个发现与Roberts等报道的受单侧照射的乳腺癌病人出现双侧淋巴细胞性肺炎是一致的。出现晚期肺反应的病人比未出现晚期肺反应的病人具有更严重的淋巴细胞浸润和细胞因子的激活。如何决定再程放疗的安全剂量是非常复杂的。它取决于增殖性再生Proliferative regeneration的发生时间，组织恢复程度组织再生过程完成以后仍存在的 正常组织残留损伤的程度 1.皮肤：以皮肤红斑和湿性脱皮为观察指标的实验研究结果显示：啮齿动物在初次采用完全性耐受剂量照射后8周以上可以再行放射治疗。目前所能得到的再程治疗以后皮肤晚期放射损伤的分析资料不多。但一些结果提示，皮肤对再程放射治疗晚期反应的耐受

17、性低于急性反应。再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性图3.2.小鼠皮肤再次放射治疗的耐受性 2.小肠小鼠小肠黏膜对前次照射的再程放射治疗耐受性的表现与皮肤急性反应相似。在初次照射后8周内恢复对再程放射治疗的完全耐受性(Reynaud 和Travis，1984)。小肠损伤及再程放疗耐受性的快速恢复也与这种组织的快速增殖动力学相一致。未受过照射的小鼠隐窝细胞的细胞转换时间大约是15小时左右，照射后3天增殖加快。目前，尚没有初次照射后晚期肠管综合症对再程放疗耐受性的资料 再程治疗的正常组织耐受性3.骨髓照射以后骨髓各细胞层次的细胞急骤耗减，很快便发生再生过程。全身单次剂量-4Gy照射以后

18、干细胞克隆形成单位CFU-S的恢复在2-4周接近正常水平。高剂量照射以后，可发生CFU-S 的持续性耗减，但这种现象可被定向前体细胞(Committed precursor cells)增高而使外周血保持在正常水平的假象所掩盖。再程治疗的正常组织耐受性再次损伤如照射可使干细胞池降至临界水平以下。再次照射存活的CFU-S自我更新能力减弱，在这种情况下任何额外的打击都能促使平衡倾向于严重的骨髓衰竭。这已经在病人中得到证实，在初次全身照射4Gy后2-4周的再程放疗仅照射了1Gy，第二次照射产生了严重的长期性骨髓萎缩并导致病人死亡。总之，如果干细胞的再生时间是充足的，骨髓可以恢复一些对再程放疗的耐受性

19、。如果依据成熟的外周血水平来判断骨髓的恢复状态那么是非常错误的 再程治疗的正常组织耐受性4.肺小鼠实验研究证实肺具有一定的恢复和再程治疗耐受性。尽管大部分肺细胞类型属于转化慢的细胞但它的急性损伤的恢复与快增殖组织如皮肤、小肠很相似。小鼠双肺初次给予6Gy照射即50%致死性肺炎BEDt的31%，在4周时能够耐受一定的再程治疗Terry,1988。较高剂量的初次照射后恢复是较慢的。超过BEDt70%的初次照射后那么不能达到对再程治疗的完全耐受。再程治疗的正常组织耐受性4.肺小鼠全胸照射会出现两个分开的死亡峰，第一个峰在12-16周，以典型的组织学上的肺炎为特征，后一个峰那么与胶原沉积和某些品系小鼠

20、的纤维化有关Travis 1980。在实验研究中所见到的受照射小鼠对再程治疗的较好耐受性可能只适用于放射性肺炎阶段。看来对晚期肺损伤而言它的再程治疗耐受性可能是很差的 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性 小鼠肺组织再次放射治疗的耐受性 根据临床的实际观察，一般脊髓是不考虑做再次放疗的。因为放射治疗医生都知道脊髓放射性损伤的严重后果脊髓炎和截瘫。五.再程治疗的正常组织耐受性5.脊髓大鼠和荷兰猪脊髓损伤的资料分析得到三个主要结果第一， 再次治疗的耐受性与初次治疗照射体积的大小呈反比关系。第二。照射后2-26周之间，对再次治疗的耐受性随时间的延长增加。第三。残存的损伤将一直保持着，特别

21、是高剂量的初次照射以后。在大鼠所能给予的总剂量初次加再次剂量大约是50%肢体瘫痪BEDt 剂量的140%左右再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性膀胱小鼠膀胱对再程放疗耐受性的研究结果显示，不管两次照射间隔多长时间1天，12或40周均未能从晚期功能性损伤尿频、尿急或膀胱弹性下降中恢复过来。受过照射的动物甚至是低的亚耐受的初次剂量照射40周后，都能使其永久性功能性损伤表达的潜伏期变得非常短。再程治疗的正常组织耐受性正常未受过照射的膀胱上皮细胞的转化时间很慢超过200天，但对损伤反应方面具有快速增殖能力。在照射以后大约40周增殖加快。在这时对膀胱进行再照射，由于膀胱上皮正处于快速转化状态

22、损伤会很快表达出来。再程治疗的正常组织耐受性肾属于最放射敏感的器官之一。照射后功能性损伤表达之前的潜伏期很长，低剂量照射后更是如此。再程治疗的正常组织耐受性啮齿动物实验已清楚的证明肾的功能性损伤是进行性和剂量依赖性的。这与临床观察到的缓慢的进行性肾损伤至少可长达7年是一致的。说明初次照射大剂量以后再次放疗是不可行的。再程治疗的正常组织耐受性目前尚没有研究证实肾的长期功能性损伤能够恢复。初次剂量仅为6Gy的照射以后(BED的25%)，对再次放疗的耐受性随时间延长而降低。这与在治疗间隔期间存在着连续的进行性的隐匿损伤有关。再次放射治疗以后35周肾损伤的剂量-效应曲线小肠小肠正常小肠黏膜有增殖活力的

23、干细胞位于隐窝中心部，没有增殖活力的绒毛细胞位于隐窝的上1/3。分化细胞不断向隐窝上部移动，在绒毛顶部成熟并最后脱落。人小肠绒毛细胞的更新时间为3-4天。当照射剂量较高时，4-5天后黏膜出现溃疡、腹泻等症状，这是小肠黏膜被覆细胞不断耗减的结果。晚期反应：人小肠晚期反应通常在放疗结束后12-24月之间。小肠壁增厚、纤维化。举例-皮肤 皮肤：组织学提示：皮肤由表皮和真皮构成。人表皮增殖单位里，从细胞离开基底层进行分化到最后脱落的总转化时间约14天左右7-21天，取决于身体的部位。举例-皮肤早期急性反应early erythema早期红斑单次大于5Gy的照射后几小时，由于血管的扩张、水肿出现类似于晒伤的早期红斑，可持续几天。干性和湿性脱皮这是与细胞死亡有关的继发反应。单次10Gy以后出现干性脱皮，15 Gy以后