临床放射生物学

临床放射生物学

广西医科大学附属肿瘤医学院放疗科黄江琼教学目的：1、掌握肿瘤的放射生物学基础，分次放射治疗的生物学基础及正常组织的放射性损伤2、熟悉电离辐射对细胞的杀灭概念，细胞存活概念，氧效应与氧增比，靶学说与α/β模式，肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型，改变放射效应的措施3、了解电离辐射生物效应的基本过程，放射线对生物体的作用，细胞生存曲线。教学内容：1、放射线对生物体的作用：2、电离辐射对细胞的杀灭概念及细胞存活的概念；3、氧效应与氧增比；4、靶学说α/β模式；5、肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型；6、肿瘤的放射生物学；7、分次放射治疗的生物学基础；8、正常组织的放射损伤；9、改变放射效应的措施。授课时数：3.0学时放射治疗的地位1999年Tubiana报告45%的恶性肿瘤可以治愈。放射肿瘤学的内容放射肿瘤学临床肿瘤学放射物理学放射生物学临床放射生物学实验放射生物学放射治疗学放射生物学对放射治疗的影响1.阐明肿瘤和正常组织辐射损伤的机制、过程2.有助于放疗的新的治疗方法的建立3.为前瞻性临床试验提供备选治疗方案放射治疗的两大基本原则最大程度地杀灭肿瘤最大程度地保护正常组织第一节电离辐射生物效应的基本过程电离辐射是指能引起被作用物质电离的放射线电磁辐射:X射线和γ射线，均为光子电离辐射粒子辐射：质子、中子电离辐射的一个重要特点

是能够在被作用物质的局部释放能量，引起被作用物质的电离和激发，而电离和激发又是电离辐射原初作用的重要环节。二、电离和激发

(一)电离作用电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的初始过程。定义：生物组织中的分子被粒子或光子流撞击时，其轨道电子被击出，产生自由电子和带正电的离子，即形成离子对，这过程称之。(二二)激激发发作作用用定义义：：当当电电离离辐(三三)水水的的电电离离和和激激发发生物物体体是是由由各各种种物物质质的的分分子子所所组组成成，，除除生电离辐射作用于机体生物大分子的同时，也作用于机体的水分子。电离离辐辐射射作作用用于于水水分分子子而而产产生生的的活活性性产产物物又又可可进进一一步步影影响响生生物物大大分分子子水分分子子受受电电离离辐辐射射作作用用时时，，发发生生电电离离和和激激发发作作用用。。使使水水分分子子产产生生羟羟自自由由基基(··OH)和和氢氢自自由由基基（（H··））。。水的电电离HOH→→HOH++e-HOH+→H++OH.OH.+OH.=H2O2自由基基freeradical在其外外层轨轨道上上有一一个未未配对对的电电子，，高度度活跃跃三、自自由基基与放放射损损伤细胞生生物学学基本本概念念在所有有生物物体中中，能能独立立存在在的最最小单单位是是细胞胞。细胞的的结构构：细细胞核核和胞胞浆。。胞浆与与放射射生物物效应应的关关系较较小，，细胞核核是产产生辐辐射效效应的的主要要部位位。细胞核核的主主要成成分是是DNADNA是辐辐射引引起细细胞死死亡及及损伤伤的主主要靶靶区2．自自由基基对DNA的损损伤作作用：：自由基基对DNA作用用后果果主要要有三三类：：即单双链链断裂裂、无嘌嘌呤无无嘧啶啶位点点(AP位位点)和产产生环环胞和和嘧啶啶衍生生物。。第二节节放放射射线对对生物物体的的作用用一、放放射线线对生生物体体的作作用方方式(一)三阶段段作用用过程程：任何生生物体体经照照射后后均产产生一一系列列的变变化过过程，，这些些变化化的时时间过过程有有很大大差异异，以以时间间过程程分可可分为为三个个时相相：物理过过程化学过过程生物阶阶段高速运运转的的电子子以10-18S的速速度通通过DNA分子子及以以10-14S的速速度穿穿过哺哺乳动动物细细胞，，因而而产生生了一一系列列的电电离和和激发发的过过程。。DNAe-10-18S细胞10-14Se-物理过程：即即包括括带电粒子子和组成组组织的原子子之间的相相互作用过过程。电离、激发发其次是化学过程即受到损伤的的原子和分分子细胞中其他的结构构起快速的化化学反应形成自由基，并参予一一系列的反反应最后导导致电子负负荷平衡的的重建，自由基反应应一般在照照射后千分分之一秒内内完成。最后是生物阶段大量的占多数的损伤伤如DNA内内的损伤都都可以成功功的修复仅有较少的损伤伤不能修复复，这些未能能修复的损损伤最后导导致细胞死死亡。电离辐射生生物效应的的时标:(Thetime-scaleofeffectsinradiationbiology)物理过程（（10-15秒内结束）。化学过程（（DNA残基基的存在时时间10-3到10-5）秒）。生物学过程程（细胞死亡亡需数天到到数月，辐辐射致癌作作用需数年年，可遗传传的损伤需需经数代才才能观察到到(二)放射线的生生物效应直接作用间接作用直接作用Directaction直接作用——射线被生物物物质吸收收时,直接接和细胞关关键的靶起起作用，靶靶原子被电电离或激发发启动一系系列生物事事件导致生生物改变。。破坏肌体体的核酸、、蛋白质和和酶等具有有生命功能能的物质。。本质：射线线直接造成成生物大分分子损伤效效应高LET射射线，如中中子或α粒粒子间接作用Indirectaction电离辐射作作用于一个个原子和分分子的同时时又直接作作用于水，，使水分子子产生一系系列原发辐辐射分解产产物，然后后通过这些些辐射分解解产物再作作用于生物物大分子，，引起后者者的物理和和化学变化化本质：通过过水电离。。间接作用Indirectaction水的电离常见，细胞胞80%是是水每个DNA分子，，含1.2X107个水分子deltaraysIonizationevent(formationofwaterradicals)Lightdamage-reparableClustereddamage-irreparableRadiationDamagetotheDNAWaterradicalsattacktheDNAThemeandiffusiondistanceofOHradicalsbeforetheyreactisonly2-3nmOH•e-Primaryparticletrack第五节电电离离辐射对细细胞的杀灭灭概念一、克隆源源性细胞的的概念：在正常的更更新组织内内，要保持持体内一个个组织的体体积和组织织的功能，，有赖于组组织内存在在的小部分分原始的“干干细胞”。干细胞是有能力保保持自己的的数量，同同时产生可可以分化和和增殖的细细胞以替代代其他功能能性细胞群群。一个肿瘤内内干细胞仅仅是很小的的一部分。。癌瘤是从这这些等级组组织衍生出出来的，但并非肿肿瘤内的的细胞都都是恶性性干细胞胞。当一个肿肿瘤在非非治愈性性治疗后后再生长长是因为为有些恶恶性干细细胞未被被杀灭。。为了弄弄清还有有多少干干细胞未未被杀灭灭，需建建立能从从肿瘤内内取出的的细胞中中识别出出干细胞胞的分析析方法。。这方法一一般是检检测干细细胞的形形成集落能力力。这些些细胞称称为“克克隆源性性”或“集落落形成””细胞。。(二)克隆源性性细胞：：在特定的的生长环环境内有有能力形形成含有有超过50个细胞胞集落的细胞。。以这个分分裂能力力作为标标准来衡衡量细胞胞的繁殖殖能力。。二、放射射线对细细胞杀灭灭机制(一)DNA损损伤和细细胞杀灭灭：DNA是放放射线作作用于细细胞的最最重要的的靶。1．辐射射损伤的的初始过过程：在在一个治治疗剂量量的照射射后所产产生的电电离数量量是非常常大的，，每个细细胞照射射lGy有有大约105的电离。照射lGy粗粗略地计计算可在在每个细细胞内造造成一个个致死损损伤。大部分的的电离不不起作用用是由于于以下因因素：自由基的的清除、、接近DNA的的电离数数量很少少不足以以造成它它们的损损伤以及及细胞的的修复。。2．放射线对对DNA的损伤伤：辐射射所致DNA损损伤主要要是DNA链的的断裂。。其有两两种类型型的链断断裂：单链断裂裂和双链断裂裂(两条互互补链的的断裂之之间的距距离不大大于4个个碱基对对)。DNA损损伤是射射线杀灭灭细胞和和导致细细胞突变变的关键键。3．DNA链断断裂的分分子机制制：链断裂的的形成可可以直接接由于脱脱氧戊糖糖破坏或或磷酸二二酯键的的断裂，，也可以以间接通通过碱基基的破坏坏或脱落落所致。。(1)脱脱氧戊糖糖和磷酸酸二酯键键的破坏坏：水辐辐射产物物，水合合电子(e—水合，或e—qq)羟自由由基OH和氢自自由基H·可以以分别作作用于碱碱基双键键上，其其中以羟羟自由基基破坏性性最强。。由于羟羟自由基基的高反反应性，，能从糖糖基上抽抽去20％的氢氢，因此此DNA键键的断裂裂主要与与羟自由由基作用用有关。(2)碱碱基损伤伤：碱基基损伤可可引起DNA双双螺旋的的局部变变性，特特异的核核酸内切切酶能识识别和切切割这种种损伤，，并经过过酶的作作用，产产生链断断裂。嘧嘧啶碱受受辐射损损伤后较较易脱落落。4．电离离辐射引引起DNA链断断裂的重重要特点点(1)单链断裂裂(SSB)可可由一个个自由基基攻击而而产生，，而双链断断裂(DSB)须由两两个自由由基引起起。(2)辐辐射所引引起的DNA内内的损伤伤数比那那些最后后导致细细胞死亡亡的损伤伤数要大大得多。。一个可导导致平均均每个细细胞有一一次致死死事件的的照射剂剂量将杀死63％的细胞，，而剩下的37％还还是有活活性的。这个个剂量被被称为平均致死死剂量(Do)。MicrobeamBiologicalandEnvironmentalResearchLowDoseRadiationResearchProgramAlphaHitsforCellTransformationEachcellhitbyoneparticleAverageofoneparticle/cellMilleretal.1999实验发现细胞胞死亡的发生生和射线所致致的SSB数数量没有相关关性，但和产产生的DSB数量有较好好的相关性。。可见DSB是辐射射致死细胞的的关键损伤。(三)细胞死死亡：两种形形式存在增殖性细胞死死亡间期性细胞死死亡增殖性细胞死死亡是指细胞受照照射后一段时时间内，仍继继续保持形态态的完整，甚甚至还保持代代谢的功能，，直至几个细细胞周期以后后才死亡。这是最常见的细胞胞死亡形式。间期性细胞死死亡细胞死亡与细细胞周期无关关死亡一般发生生在照射后几几小时内以细胞凋亡的形式出现。。最典型的间期期死亡是淋巴巴瘤细胞的死死亡。在临床上看到到唾液腺经照照射后很快出出现口腔干燥燥的感觉，为为什么？唾液腺的浆细细胞的放射生生物效应是细细胞凋亡两种死亡都依依赖于照射剂剂量前者与剂量呈呈指数性关系系细胞凋亡在剂剂量1.5-5Gy范围围内较敏感及及照射后数小小时内即可发发生。指数关系的特特点：增加一一定剂量就有有一定比例的细胞而不是数量的细胞被杀死死第四节细胞存活曲线线细胞存活曲线线是定量描述述辐射吸收剂量量与细胞存活之间关系的曲曲线。在放疗后的病病理切片中，，发现有形态态完整的肿瘤瘤细胞有意义义吗？一、细胞存活活的概念和存存活曲线的绘绘制(一)细胞存存活的概念对于有增殖能能力的细胞，，如造血细胞胞、离体培养养细胞、肿瘤瘤细胞等，凡凡是保留其增增殖能力，能能无限产生子子代的细胞，，称之为存活细胞。临床放射生物物学对肿瘤细细胞存活可定定义为:经放放射线作用后后细胞仍具有有无限增殖能力力的细胞。相反，细胞在在照射后已失失去无限增殖殖能力，即便便其形态仍保保持完整，有有能力制造蛋蛋白质，有能能力合成DNA，甚至还还能再经过一一次或两次有有丝分裂，产产生一些子细细胞，但最终终不能继续传传代者称为已已“死亡”细胞胞。按照细胞存活活定义，放射射治疗效果主主要是根据是否残留有无无限增殖能力力的细胞，而不是要求求瘤体内的细细胞达到全部部破坏。因此，在放疗疗后的病理切切片中，发现现有形态完整整的肿瘤细胞胞有意义吗？？不一定证明是是有临床意义义的肿瘤残留留。(二)细胞存存活曲线的绘绘制细胞存活曲线线的绘制方法法主要依靠细细胞培养，以以制成单个细细胞接种平面面，用不同剂剂量照射，得得到的集落形形成数与未经经照射的对照照组进行比较较，得出存活活率。根据不同剂量量的不同存活活率制成的曲曲线即为细胞胞存活曲线。。集落形成实验验取指数生长期期细胞，0.25%胰酶酶消化成单细细胞悬液；梯度倍数稀释释将102~105个细胞种植到到直径6cm的培养皿中，，辐射剂量分分别为0Gy，0.5Gy，1Gy，2Gy，4Gy，6Gy，8Gy(由小小到到大大的的放放射射剂剂量量）体外外培培养养37℃，，5%CO2条件件下下培培养养10-14天后后，，细细胞胞克克隆隆形形成成；；弃培培养养液液，，甲甲醇醇固固定定15min，姬姬姆姆萨萨应应用用液液染染色色20min；；流水水冲冲洗洗染染色色液液，，空空气气干干燥燥；；计数数每每个个培培养养皿皿中中的的集集落落数数，，以以>50个个细细胞胞数数作作为为一一个个集集落落，，计计算算每每组组均均值值。。计算算存存活活率率例如如：：平皿皿A种种植植100个个细细胞胞。。共共形形成成70个个集集落落，，集集落落形形成成率率（（PE））是是70%。。平平皿皿B是是接接种种2000个个细细胞胞，，照照射射8GyX线线后后长长成成32个个。。存活活率率=照照射射后后细细胞胞形形成成的的集集落落数数/接接种种细细胞胞数数××未未照照射射细细胞胞集集落落形形成成率率（（PE））8Gy照照射射细细胞胞的的存存活活率率为为？？A.未未照照射射平平皿皿的的集集落落生生长长B.照照射射8GyX线线后后的的集集落落生生长长32/2000××70%≈≈0.023以不不同同的的剂剂量量照照射射细细胞胞，，得得到到各各剂剂量量组组的的细细胞胞存存活活率率，，以以剂剂量量为为横横坐坐标标，，存存活活率率为为纵纵坐坐标标，，绘绘制制细细胞胞存存活活曲曲线线。。X射射线线对于于低低能能中中子子或或αα射射线线，，存存活活曲曲线线是是直直线线，，特特点点：：只只要要一一个个生生物物学学参参数数，，即即37%剂剂量量斜斜率率或或D0值（（斜斜率率的的倒倒数数））。。但对对于于X线线、、γγ线线，，它它们们的的细细胞胞存存活活曲曲线线有有一一个个初初始始肩肩区区，，随随后后是是直直线线部部分分。。特点点：：有有多多个个生生物物学学参参数数：D0值值、、外外推推值值n、、准准阈阈剂剂量量Dq二、、细细胞胞存存活活曲曲线线的的参参数数及及其其临临床床意意义义临床床放放射射生生物物学学中中细细胞胞存存活活曲曲线线主主要要指指非非指指数数存存活活曲曲线线，，即即有有““肩肩段段””的的存存活活曲曲线线，，在在此此曲曲线线中中存存在在几几个个参参数数(图图1)，，各各个个参参数数分分别别代代表表不不同同的的生生物物学学含含义义。。(一一)D0(平平均均致致死死剂剂量量meanlethaldose)D0表表示示图图中中直直线线部部分分的的斜率率K倒倒数数(D0=I/k)，，它它代表表这这一一细细胞胞群群的的放射射敏敏感感性性，即照照射射后后余余37％％细细胞胞所所需需的的放放射射剂剂量量。。D0值值越越小小，，即即杀杀灭灭63％％细细胞胞所所需需的的剂剂量量就就越越小小，，曲曲线线下下降降迅迅速速(斜斜率率大大)。。在单靶单击击的指数性性存活曲线线中D37=D0(因为D37=D0+Dq)，此类型型存活曲线线不存在细细胞非致死死性损伤修修复，即Dq=O，，而在肩段段较宽的非非指数性存存活曲线中中，D37≠D0。。(二)N值值(外推数数，extrapolationnumber)N值指细胞内所所含的放射射敏感区域域数，即靶靶数。它也是表表示细胞内内固有的与与放射敏感感性相关的的参数，是是存活曲线线直线部分分的延长线线与纵轴相相交处的数数值。靶数(即N值)一般般均在2~10的范范围内。后后来的研究究证明N值值随实验条条件改变而而有较大幅幅度的变化化，与细胞胞内相对恒恒定的靶数数不符，现现已少用。。N值(三)Dq值(准阈剂量量，quasithresholddose)代表存活的肩段宽度度，故也称称“浪费的的放射剂量量”。肩宽宽表示从开开始照射到到细胞呈指指数性死亡亡所“浪费费”的剂量量。在此剂量范范围内，细细胞表现为非致死损损伤的修复复，Dq值越大大，说明造造成细胞指指数性死亡亡所需剂量量越大。经存活率为为100％％的点作与与横轴平行行的直线，，再延长存存活曲线直直线部分与与之相交即即可得出Dq值。(四)S2S2为2Gy照射射后的细胞胞存活率。临床应用中中，常需要要了解肿瘤瘤细胞对射射线的敏感感性，对离离体细胞作作2Gy照照射的存活活曲线最能能区分各类类肿瘤的放放射敏感性性，故可以以将此指标标作为制定定治疗计划划的参考信信息。(五)细胞胞存活曲线线的临床意意义1、研究细胞生物效效应与放射射剂量的定定量关系；2．比较各各种因素对对放射敏感感性的影响响；3.观察有有氧与乏氧氧状况下细细胞放射敏敏感性的变变化；4．比较不不同分割照照射方案的的放射生物物学效应，，并提供理理论依据；；5．考查各各种放射增增敏剂的效效果；6．比较单单纯放疗和和放疗加化化疗的作用用；7.比较不不同LET射线的生生物效应；；8．研究细细胞各种放放射损伤以以及损伤修修复的放射射生物学理理论问题。。靶学说与αα/β模式式第六节肿瘤放射治治疗中生物物剂量等效效换算的数数学模型第七节一、靶学说Crowther于1924年年提出，细细胞受到电电离辐射后(1)生物物结构内存存在对放射射敏感的部部分，称之之为“靶””，其损伤伤将引发某某种生物效效应；(2)电离离辐射以离离子簇的形形式撞击靶靶区，击中中概率遵循循泊松分布布；(3)单次次或多次击击中靶可产产生某种放放射生物效效应，如生生物大分子子失活或断断裂等。该靶学说要要点如下：(一)单击击模型在一个靶中中发生一次次电离事件件，产生所所期望望的生物效效应，称为为一次击中中或单击。。假定生物大大分子或细细胞中只有有一个敏感感靶区，被被电离粒子子击中一次次，即足以以引起生物物大分子的的失活或细细胞的死亡亡，这就是是所谓的单击(Single-hit)效应。靶学说致电离辐射射对生物靶靶的击中是是一种相互互独立的随随机事件，，符合泊松分布（（poissondistribution）的规律律S＝e-D/D0S为细胞存存活分数；；e为自然然对数的底底，数值是是2.718；D为为照射剂量量；D0为为平均致死死剂量，其其定义是每每个靶平均均被击中一一次的照射射剂量。给予予平平均均致致死死剂剂量量的的照照射射时时，，D=D0，，S＝＝e-1＝＝0.37。。此此时时平平均均每每个个细细胞胞被被击击中中一一次次，，似似乎乎细细胞胞应应该该全全部部死死亡亡，，但但实实际际情情况况只只有有63％％的的细细胞胞死死亡亡，，37％％的的细细胞胞存存活活。。S＝＝e-D/D0这是是因因为为生生物物靶靶被被射射线线击击中中是是一一个个随机机过过程程，当当100个个细细胞胞平平均均受受到到1次次打打击击时时，，有37个个未未被被击击中中，，37个个被被击击中中1次次，，18个个被被击击中中2次次，，6个个被被击击中中3次次，，偶偶有有个个别别细细胞胞被被击击中中4-5次次，，总的的次次数数是是100，，但但有有37％％的的细细胞胞幸幸存存。。如果果给给予予2个个D0剂剂量量的的照照射射，，则则S＝＝0.370.37＝＝13.7％％，，依依次次类类推推，，这这就就是是射线线杀杀灭灭细细胞胞的的指指数数规规律律。、靶学学说说靶学学说说单击击单单靶靶情情况况只只存存在在于于生生物物大大分分子子和和低低级级生生物物，，如如某某些些小小病病毒毒和和细细菌菌。。哺乳乳动动物物细细胞胞的的辐辐射射杀杀灭灭机机制制比比低低等等生生物物复复杂杂得得多多，，常常用用单击击多多靶靶学学说说来解解释释，，这这一一学学说说认认为为，，在在细细胞胞内内有有多多个个（（n））能能够够独独立立承承受受亚亚致致死死损损伤伤的的靶靶，，在在一一次次照照射射中中直直至至n-1个个靶靶被被击击中中，，细细胞胞仍仍能能够够修修复复其其损损伤伤而而存存活活下下去去，，但但n个个靶靶同同时时灭灭活活则则造造成成细细胞胞死死亡亡。。线性性二二次次模模型型Thames和和Bentzen于于80年年代代提提出出LQ模模型型以以DNA双双链链断断裂裂造造成成细细胞胞死死亡亡为理理论论依依据据由一一个个辐辐射射粒粒子子在在通通过过相相互互靠靠近近的的DNA双双链链处处一一次次将将其其击击断断,这这种种方方式式产产生生的的DNA断断裂裂数数直直接接与与吸吸收收剂剂量量成成正正比比,S=e-ααD两个个辐辐射射粒粒子子途途经经DNA双双链链附附近近,各各产产生生一一个个彼彼此此很很靠靠近近的的单单链链断断裂裂,这这种种方方式式产产生生的的DNA断断裂裂数数直直接接与与吸吸收收剂剂量量的的平平方方成成正正比比,S=e-ββD2线性性二二次次模模型型也就就是是说说：：假假定定辐辐射射引引起起的的细细胞胞死死亡亡：：一种种方方式式为为射线线一一次次击击中中两两条条链链，其生物物效应与与照射剂剂量成比比例，以以αd表示；另一种方方式为射线分别别击中两两条链，其生物物效应与与照射剂剂量的平平方成比比例，以以βd2表示。线性二次次模型任何类型型辐射效效应造成成的细胞胞杀灭都都是总的生物物效应为为两者之之和，即即S＝S·S＝e-αD·e-βD2＝e-(αD＋βD2)单击致死死性杀灭灭（型）亚致死性性损伤累累积杀灭灭（型）＋线性二次次模型当一次照照射引起起的上述述两种效效应相等等时，则则D=D2，/＝D。因此，/代表的是是这样一一个剂量量，在此剂剂量照射射时线性部分分（D）对放射效效应的贡贡献与平平方部分分（βD2）的贡献相相同，其其单位是是Gy。LQ模型型推导LQ模型型基本表表达式S＝＝e-(αD＋βD2)等式取对对数－－lnS＝（（D＋D2）设分次照照射中放放射生物物效应（（E）为为细胞死死亡的累累积，则则E＝（（D＋D2）。。对于分割割次数为为n次的的照射，则E＝n（d＋d2）＝＝nd（（＋d）＝D（＋d）等式除以以E/＝D（1＋d/）＝D[1＋＋d/(α/ββ)]LQ模型型推导E/即为生物物效应等等同剂量量（biologicallyequivalentdose,BED），式中中影响放放射生物物效应的的因素有有总剂量D、分割剂量量d和α/β值值。BED对对衡量生生物效应应很有用用。生物剂量量：对生物体体放射反反应的程程度。物理剂量量E/＝D[1＋d/(α/β)]总剂量对对放射效效应的影影响不言言而喻，，分割剂量量对放射射生物效效应的影影响与组组织的αα/β值值密切相相关，式中d/(α/β)反反映的是是分割剂剂量的变变化对不不同α/β值组组织的影影响，即即分割放放射敏感感性，称称为单位位剂量相相对生物物效应（（relativeeffectivenessperunitdose,RE）。。E/＝D[1＋d/(α/β)]LQ模型型的衍生生公式LQ模型型的基本本公式仅仅在以下下假设成成立时方方可应用用①每次照照射后的的亚致死死性损伤伤完全修修复；②每次照照射产生生的生物物效应相相似；③在疗程程中没有有细胞的的增殖；；④细胞周周期的自自我增敏敏忽略不不计。LQ模型型的衍生生公式LQ模型型必须加加入不完全修修复因子子（Hm）和反映细胞胞增殖因因素的时时间因子子f(T)才符合临临床放疗疗的实际际情况不完全修修复BED＝D[1+d(1+Hm)/(αα/β)]时间因子子S＝e-nd(α＋ββd)＋＋f(T)E＝nd（＋d）－f(T)E/＝nd[1+d/(αα/β)]-f(T)/αBED＝＝D[1+d/(α/β)]-f(T)/αBED＝＝D[1+d/(α/β)]-(0.693/αα)·(T-Tk)/TpotLQ模型型的衍生生公式总的效应应BED＝＝D[1+d(1+Hm)/(α/β)]-(0.693/αα)·(T-Tk)/TpotT为总疗疗程时间间；TK为从第第一次照照射到加加速再增增殖开始始的时间间，文献献报道为为1-30天，，通常取取14天天；LQ模模型的的衍生生公式式Tpot为为潜在在倍增增时间间，各部部位肿肿瘤Tpot中中位天天数和和范围围如下下：头头颈部部癌4.2和5.5（1.8-30））、头头颈部部鳞癌癌DNA整整倍体体7.35（2.9-15））、非非整倍倍体4.35（（2.1-8））、宫宫颈癌癌4.5（（2.9-6））、结结直肠肠癌5.9（2-25））、食食管癌癌6.8（（2.7-9））、肺肺癌7（4.2-30））、胃胃癌9.8（6.8-14））；α值在在0.2-0.4Gy-1，一般般取0.3Gy-1LQ模模型的的临床床应用用LQ模模型在在临床床上的的应用用主要要是在在考虑不不同时时间-剂量量-分分割放放疗方方案时时，计计算各各种组组织的的等效效剂量量，目的是是根据据正常常组织织尤其其是后后期反反应组组织和和肿瘤瘤组织织之间间α/β值值的差差异，，在改改变分分割方方案时时改进进治疗疗比。。动物实实验表表明在在1-10Gy分割割剂量量范围围内，，L-Q方方程能能较好好地反反映不不同分分割方方案的的等效效应关关系。。LQ模模型的的临床床应用用临床应应用LQ模模型进进行等等效应应换算算时必必须非非常谨谨慎。。原因因如下下①衍生生公式式中加加入了了不完完全修修复因因子和和时间间因子子，但但是细细胞周周期时时相再再分布布造成成的放放射敏敏感性性差异异没有有考虑虑在内内；②LQ模型型假设设每次次照射射产生生的生生物效效应相相等，，由于于G2/M阻滞滞和随随后的的细胞胞周期期再分分布以以及乏乏氧细细胞氧氧合等等因素素，使使得这这一假假设与与实际际情况况存在在差异异；LQ模模型的的临床床应用用③LQ模型型最主要要的参参数αα/ββ、Hm和和Tpot大部部分来来自动动物实实验，由于于肿瘤瘤异质质性的的客观观存在在和实实验方方法和和技术术尚有有不完完善之之处，，这些些数据据难以以标准准化和和个体体化；；④理论论推导导的非非常规规分割割放疗疗方案案与临临床实实际应应用结结果之之间有有时缺缺乏一一致性性。BED公式式的临临床应应用计计算过过程例1.既往往治疗疗肺癌癌脑转转移常常使用用每次次2.0Gy，，每天天1次次，每每周5天，，总剂剂量40Gy的的常规规分割割方案案，现现欲改改为每每天1次，，每周周5天天，总总疗程程3周周的短短疗程程方案案。问问：在在保持持相同同的肿肿瘤放放射生生物效效应时时，新新方案案的每每次剂剂量和和总剂剂量是是多少少？BED公式式的临临床应应用计计算过过程解：每每天1次照照射间间隔为为24小时时，查表得得Hm因子为为0，，肺癌癌α/β取取50，两两个方方案肿肿瘤放放射生生物效效应相相等，，故有有：BED1＝＝BED2BED1＝＝D[1+d(1+Hm)/(αα/ββ)]-(0.693/α)·(T-Tk)/Tpot＝40[1+2(1+0)/50]-(0.693/0.3)··(25-14)/4＝40×1.04-6.353＝35.247BED2＝＝D[1+3(1+0)/50]-(0.693/0.3)·(18-14)/4＝D×1.06-2.31＝＝35.247（BED1））D＝35.43Gyd＝35.43/15＝2.36Gy答：总疗程程3周，每每次2.36Gy，，总剂量35.43Gy时，，对肿瘤的的生物效应应与常规分分割40Gy相等。。BED公式式的临床应应用计算过过程例2.RTOG采采用每次1.2Gy，每天2次，间隔隔6小时，，每周5天天，总疗程程6周，总总剂量72Gy的超超分割方案案。假设受受剂量限制制的后期反反应组织αα/β＝3，T1/2＝1.5小时。。作为后期期放射损伤伤等效的常常规分割方方案（2Gy/次/天）的总总剂量是多多少？BED公式式的临床应应用计算过过程解：由于后后期反应组组织在疗程程中很少或或没有细胞胞增殖，故故时间因素素忽略不计计。BED1＝＝D[1+d(1+Hm)/(α/ββ)]＝72[1+1.2(1+0.0625)/3]＝101.52BED2＝＝D[1+2(1+0)/3]＝D×5/3＝101.52（BED1）D＝60.9Gy答：常规分分割照射总总剂量60.9Gy时，所考考虑的后期期反应组织织损伤与超超分割方案案相等。二、α/ββ比值表示引起细胞杀杀伤中单击击和双击成成分相等时时的剂量，，以吸收剂剂量单位Gy表示。α/β比值值的意义在在于反映了了组织生物物效应受分分次剂量改改变的影响响程度。表1正正常组织的的α/β值值组织α/β（Gy）* 早反应组织皮肤(脱皮)9.4(6.1~14.3)11.7(9.1~15.4)21(16.2~27.8) 毛囊（脱皮）7.7(7.4~8)5.5(5.2~5.8)唇粘膜（脱皮）7.9(1.8~25.8)小肠（克隆）7.1(6.8~7.5)结肠（克隆）8.4(8.3~8.5)睾丸（克隆）13.9(13.4~14.3)脾（克隆）8.9(7.5~10.9)晚反应组织脊髓（瘫痪）2.5(0.7~7.7)颈段3.4(2.7~4.3)胸段4.1(2.2~6.5)腰段5.2(2~10.2)脑（LD50/10月）2.1(1.1~14.4)眼（白内障）1.2(0.6~2.1)早反应组织织和大多数数肿瘤的αα/β值大大（10Gy左右））晚反应组织织α/β值值小（约3Gy）。。早反应组织织是指机体内内那些分裂裂、增殖活活跃并对放放射早期反反应强烈的的组织。如肿瘤组织织、上皮、、粘膜、骨骨髓、精原原细胞等。。机体内那些些无再增殖殖能力，损损伤后仅以以修复代偿偿其正常功功能的细胞胞组织，称称为晚反应组织织，如脊髓、肾肾、肺、肝肝、皮肤、、骨和脉管管系统等。。第八节肿瘤的放射射生物学肿瘤内细胞胞的分类：：增殖细胞Proliferatingcell,P静止细胞Quiescentcell,QG0期细胞胞,临床上上肿瘤复发发的根源无增殖能力力的衰老细细胞死亡细胞破碎细胞(一)人体体肿瘤的生生长动力学学Collins1956年年首次测定定人体肿瘤瘤生长速度度肿瘤倍增时时间（doublingtime,TD）在病人与与病人间差差异很大人体肿瘤TD：4天～１年年以上，中中位数三个个月对比之下，，在同一病病人身上的的所有转移移灶却有类类似生长速速度。组织类型和生长速度度之间肯定定有相关性性:胚胎性肿瘤瘤，27天天；恶性淋淋巴瘤，29天；中胚层肉瘤瘤，41天天；鳞状细细胞癌，58天；腺癌，82天。此外，分化程度似乎和倍增增时间也有有关，分化化差的癌一一般进展较较快。基本概念2）肿瘤的生长长速度对肿瘤生长长速度的描描述包括如如下参数：：肿瘤的体积积倍增时间间（tumorvolumedoublingtime,Td)由3个主要要因素决定定：细胞周期时时间（thecellcycletime)生长比例(thegrowthfraction)细胞丢失速速率（therateofcelllose)细胞周期与与TD细胞周期时时间（Tc）：细胞胞从一次分分裂结束到到下一次分分裂结束的的时间间隔隔。生长比例（Growthfraction,GF））PGF=P+Q生长比例与与TD人体肿瘤的的生长比例例：30––80%恶性淋巴瘤瘤和胚胎癌癌的生长比比例：90%腺癌仅为6%左右。。早期，肿瘤瘤体积较小小，GF较较大，对放放射较敏感感。晚期，肿瘤瘤体积增大大，GF变变小，肿瘤瘤对放射治治疗常常不敏感。。肿瘤的生长长速度潜在倍增时时间（potentialdoublingtime,Tpot)指假设在没没有细胞丢丢失情况下下肿瘤细胞胞群体增加加一倍所需需的时间（（Steel,1977)。TsTpot=_______LITs：s期期持续时间间，LI：：标记指数数，：校正正系数（0.7-1.0）细胞丢失与与TD肿瘤生长是是细胞分裂裂增殖与细细胞丢失之之间平衡的的结果。正常组织中中，细胞丢丢失率为100%肿瘤组织中中细胞丢失失率<1二、放射线线对肿瘤的的作用(一)局部部控制肿瘤瘤的理论基基础放射治疗中中的剂量--效应关关系当照射剂量量低于一个个实际的阈阈值剂量时时，随照射射剂量的增增加其治愈愈可能性逐逐渐增加，，某些肿瘤瘤可接近100％控控制剂量--效应应曲线的形状状电离辐射的剂剂量--效应应曲线呈“S”形随剂量趋于““0”，辐射射效应的发生生率也趋于““0”在高剂量时辐辐射效应趋于于“100%”但由于正常组织耐受受量的限制，使可应用的的治愈剂量被被限制于较小小范围。2、肿瘤体积积和治愈可能能性间关系肿瘤的体积效效应临床上可检查查出来的最小小肿瘤是1g，lOOg的肿瘤直径径为5.5cm。大肿瘤比小肿肿瘤难治（主主要是需要杀杀灭的克隆源源细胞数多））。疗程结束克隆隆源细胞的存存活比约10-9时可以治愈存活细胞的数数量与初始细细胞数及每分分割剂量所杀杀灭的细胞数数量相关。临床甚至显微微镜都难以发发现的、亚临临床病灶45~50Gy，可使90%以上的的病灶获得控控制。肿瘤细胞数>106/cm3，显显微镜下可发发现的微小病病灶60~65Gy临床可见或可可触及的肿瘤瘤病灶65Gy以上上照射后肿瘤体体积与预后放射治疗可治治愈性和肿瘤瘤消退之间没没有严格的相相关性。因肿瘤缩小很很快而降低照照射剂量是错错误的。在同一类型的的肿瘤内，治治疗结束时，，肿瘤已完全全消退的病人人局部控制的的可能性较大大。(二)人体肿肿瘤放射敏感感性及其影响响因素放射敏感性是是指放射效应应，按放射治治疗肿瘤的效效应把不同肿肿瘤分成三类类放射敏感中等敏感放射抗拒肿瘤放射敏感感性因素包括括增殖动力学的的差异克隆源性细胞胞比例的变化化细胞内在放射射敏感性潜在致死损伤伤和亚致死损损伤的修复及及宿主和肿瘤之之间的关系等等第九节分次放射治疗疗的生物学基基础放射治疗从一一开始就基本本上是分次治治疗的模式分次放射治疗疗方式常规分割方式式(1.8-2Gy/次次,5次/周周)1920年,Coutard创立非常规分割方方式！影响分次放射射治疗的生物物学因素“4Rs”放射损伤的修修复(repairofradiationdamage)周期内细胞的的再分布(redistributionwithinthecellcycle)氧效应及乏氧氧细胞的再氧氧合(oxygeneffectandreoxygenation)再群体化(repopulation)。！辐射致细胞损损伤的分类致死性损伤（（lethaldamage,LD）亚致死性损伤伤（sublethaldamage,SLD）潜在致死性损损伤（potentiallethaldamage,PLD）(二)亚致死死性损伤的修修复1959年Elkind发现，当细细胞受照射产产生亚致死损损伤而保持修修复能力时，，细胞在3小小时内完成这这种修复。定义：指将某一既定定单次照射剂剂量分成间隔隔一定时间的的两次时所观观察到的存活活细胞增加的的现象。1．亚致死损伤的的修复受许多多因素影响多数情况下可可用T1/2为1.5小小时来估算，，如果两次照照射间隔为6小时，正常组织经过4个T1/2后已经经修复了93.75%的亚致死损伤伤所以在临床非常规分割照照射过程中，两次照射之间间间隔时间应应大于6小时时，以利于亚亚致死损伤的的完全修复意义：分次剂剂量对晚反应应组织有保护护作用因为在肿瘤放放疗中，晚反反应组织损伤伤是限制肿瘤瘤剂量提高的的主要因素之之一：晚反应组织的的亚致死损伤伤修复能力〉早反应组织。。在一定范围内内，减少分割割剂量可提高高晚反应组织织的耐受量，，而对早反应应组织和肿瘤瘤组织的杀灭灭效应没有明明显影响。所以大分次剂量对对晚反应组织织更为有害。。持续的较低的的分次剂量可可使晚反应正正常组织比早早反应正常组组织及肿瘤受受较少损伤。。亚致死损伤的的修复和分割割剂量Lee等报道道621例鼻鼻咽癌每次照照射4.2Gy，2次/周，，总剂量50.4Gy，，10年颞叶叶坏死发生率率18%另一组320例，2.5Gy,4次/周,总剂量60Gy,10年颞叶坏死死发生率仅5%。2．潜在致死死损伤的修复复：指照射后改变细胞的环环境条件，因潜在致死死损伤的修复复或表达而影影响既定剂量量照射后细胞胞存活比例的的现象。此种修复对临临床放疗很重重要。某些放射耐受受的肿瘤可能能与它们的潜潜在致死损伤伤修复能力有有关：即放射敏感的的肿瘤潜在致致死损伤修复复不充分，而而放射耐受肿肿瘤具有较充充分的潜在致致死损伤修复复机制。二、周期内细细胞的再分布布离体体培培养养细细胞胞实实验验表表明明，，处处于于不不同同周周期期时时相相的的细细胞胞放放射射敏敏感感性性是是不不同同的的。。细胞胞增增殖殖周周期期M、、G2期期最最敏敏感感S期期的的细细胞胞(特特别别是是晚晚S期期)抵抵抗抗处于于S期期的的细细胞胞(特特别别是是晚晚S期期)是是耐耐受受的的处于于G2和和M期期的的细细胞胞是是最最放放射射敏敏感感的的，，可能能是是G2期期细细胞胞在在分分裂裂前前没没有有充充足足的的时时间间修修复复放放射射损损伤伤。。再分分布布现现象象一般般认认为为，，分分次次放放疗疗中中存存在在着着处处于于相对对放放射射抗抗拒拒时相相的的细细胞胞放射射敏敏感感时相相移动动的再再分分布布现现象象，，这有有助助于于提提高高放放射射线线对对肿肿瘤瘤细细胞胞杀杀伤伤现现象象如果果不不能能进进行行有有效效的的细细胞胞周周期期内内时时相相的的再再分分布布，，则则也也可可能能成成为为放放射射抗抗拒拒的的机机制制之之——细胞胞周周期期时时相相的的再再分分布布效应应因早早期期反反应应的的肿肿瘤瘤和和正正常常组组织织都都具具有有这这一一““自自身身增增敏敏””效效应应，，而而晚晚反反应应组组织织不不具具备备这这一一特特征征。。意义义：：细胞胞周周期期再再分分布布提提高高疗疗晚晚反反应应正正常常组组织织与与肿肿瘤瘤的的治治疗疗差差异异。。三、、氧效效应应及及乏乏氧氧细细胞胞的的再再氧氧合合（oxygeneffectandreoxygenation））(一一)氧的的重重要要性性：早期期的的研研究究发发现现，，细细胞胞对对电电离离辐辐射射的的效效应应强强烈烈地地依依赖赖于于氧氧的的存存在在氧效效应应人们们把把氧氧在在放放射射线线和和生生物物体体相相互互作作用用中中所所起起的的影影响响，，称称为为氧效应。实验表明，，氧效应只只发生在照照射期间或或照射后数数毫秒内。。随着氧水水平的增高高放射敏感感性有一个个梯度性增增高，最大大变化发生生在0-20mmHg(二)肿瘤瘤乏氧：实实体瘤的生生长需要不不断地诱导导血供，这这个过程称称之为血管管生成。如不能满足足肿瘤生长长中的需要要，因此造造成营养不不良和供氧氧不足区域域，乏氧细细胞便存在在这些区域域，但这些些乏氧细胞胞仍是有活活力的。VascularsupplyandtumorgrowthBloodOxygenatedHypoxicNecrosisVesselCellsCellsApoptosisoxygenLabellingindex35%20%10%0%ANOVELTOOVERCOMEHYPOXICTUMORRESISTANCECu-ATSM-GUIDEDIMRT临床实验已已间接地证证明人实体体肿瘤有乏乏氧细胞存存在，并能能影响放射射效应。(三)乏氧氧细胞的再再氧合:那些处于即即将坏死边边缘部位的的细胞但仍仍有一定活活力的细胞胞称为乏氧细胞直径<1mm的肿肿瘤是充分分氧合的,超过这个大大小会出现现乏氧.BloodOxygenatedHypoxicNecrosisVesselCellsCellsApoptosis如果用大剂剂量单次照照射肿瘤，，肿瘤内大大多数放射射敏感的氧氧合好的细细胞将被杀杀死，剩下下的那些活活细胞是乏乏氧的。因此，照射后后即刻的乏氧氧分数将会接接近100％％，然后逐渐渐下降并接近近初始值，这这种现象称为为再氧合。Putten和Kallman证实实：分次治疗疗时，肿瘤内内乏氧细胞比比例过24hrs就可恢恢复到照射前前水平。意义：“乏氧细胞的的显像”研究究及“生物适适形”研究是是目前研究的的热点分次照射有利利于乏氧细胞胞的再氧合，，可可采用分次放放疗的方法使使其不断氧合合并逐步杀灭灭。四、再群体化化(repopulation)放射损伤之后后，组织的干干细胞及子代代细胞在机体体调节机制作作用下，增殖殖、分化、恢恢复组织原来来形态的过程程称做再群体化（细胞的再增殖殖）。对肿瘤照射或或使用细胞毒毒性药物后，，可启动肿瘤瘤存活的克隆隆源细胞，使使之比照射或或用药以前分分裂得更快，，这称之为加速再群体化化。受照射组织的的再群体化反反应的启动时时间在不同组组织之间有所所不同。人肿瘤干细胞胞的再群体化化在开始治疗疗后的28天天左右开始加加速，放射治疗期间间存活的克隆隆源性细胞的的再群体化是是造成早反应应组织、晚反反应组织及肿肿瘤之间效应应差别的重要要因素之—。。头颈部肿瘤在在疗程后期(4周左右)出现加速再再群体化，这这时根据情况况对治疗方案案进行时间——剂量的必要要调整是可行行的。后程加速超分分割肿瘤再群体化化有重要临床床意义不要延长治疗疗时间1.如急性反反应重，治疗疗期间必须有有一个间断，，应尽量短；；2.不考虑单单纯分段放疗疗；3.由于非医医疗原因的治治疗中断，有有时需采取措措施“赶上””；4.增殖周期期短的肿瘤可可采用加速分分割。分次照射4R原理概括分割剂量给晚晚反应组织更更好的修复亚亚致死损伤的的时间。分次照射期间间细胞周期时时相再分布对对快速增殖组组织有增敏作作用。分次照射期间间乏氧细胞再再氧合是迅速速的，起到肿肿瘤组织自身身增敏作用（（早反应组织）。放疗中肿瘤的的加速再群体体化能力，使使得放疗的时时间不做不必必要的延长。。五、临床放射治疗疗中

非常规规分割治疗研研究分割放疗基本本原则放疗所需总剂剂量应在尽可能短的总总疗程时间内给予，每次次使用最小的实用剂剂量。非常规分割放放射治疗临床上主要有有三种类型①超分割放放疗（hyperfractionatedradiationtherapy,HRT）②加速超分割割放疗（hyperfractionatedacceleratedradiationtherapy,HART）③低分割放疗疗（hypofractionatedradiationtherapy）(一)超分割割放射治疗：：定义：目的是进一步步分开早反应应组织和晚反反应组织的效效应差别。在与常规分割割方案相同的的总治疗时间间内，在保持持相同总剂量量的情况下每每天照射2次次。超分割放疗基本原理是使用小于常常规的分割剂剂量，提高后后期反应组织织的耐受剂量量，在不增加加后期反应组组织损伤的基基础上提高总总剂量，使肿肿瘤受到更高高生物效应剂剂量的照射。。根据这一原理理，只有肿瘤瘤的α/β值值大于周边危危及器官后期期反应组织的的α/β值时时，才适合超超分割放疗。。多数人类肿肿瘤增殖较快快，α/β值值较大超分割放疗益处还包括1.增加细胞胞周期再分布布机会和2.增加乏氧氧肿瘤细胞的的再氧合加速超分割放放疗基本原理是在分次间隔时时间足够长的的前提下，总总疗程时间与与后期放射损损伤的关系不不大，急性反应由于于每周剂量增增加而明显加加重，因而成为这这种分割方式式的剂量限制制性因素。缩短总疗程以以克服放疗中中肿瘤细胞加加速再增殖，，同时降低分分割剂量以保保护后期反应应组织。加速超分割放放疗连续加速超分分割放疗：是目前疗程最最短，周剂量量最高的分割割方案。试图图在肿瘤加速速再增殖尚未未开始或程度度较轻时结束束治疗，同时时降低总剂量量以减轻急性性反应。同期小野加量量加速超分割割放疗：在大野（包括括原发灶和淋淋巴引流区））照射的某一一时期加用小小野（仅包括括临床肿瘤灶灶），疗程缩缩短限于临床床肿瘤，通过过减少加速放放疗中正常组组织的受照体体积来减轻急急性反应。分段加速超分分割放疗：总疗程短于常常规放疗，疗疗程中插入休休息时间以减减轻急性反应应。后程加速超分分割放疗：有资料显示肿肿瘤加速再增增殖主要发生生在后半疗程程。因此，疗疗程前半段采采用常规分割割，后程缩野野加速超分割割照射，同时时前半段常规规放疗刺激正正常早期反应应组织加速增增殖，有利于于后程耐受加加速放疗。逐步递量加速速超分割放疗疗：分割剂量逐步步递增，周剂剂量逐渐增加加。符合疗程程中肿瘤加速速再增殖逐步步加重的趋势势，同时有利利于正常早期期反应组织耐耐受较高剂量量的照射。加速超分割放放疗低分割放疗定义指增加每次分分割剂量，减减少分割次数数，缩短总疗疗程。在这种分割方方式下，与常常规分割达到到同样急性反反应的总剂量量，将会加重重后期放射损损伤。由于大多数肿肿瘤属于增殖殖旺盛组织，，α/β较高高，对射线的的反应类似于于早期反应组组织，这种分分割方式会降降低治疗比。。第十节正常组织的放放射损伤放射治疗的基基本目标尽量消灭肿瘤瘤尽量避免或减减少对正常组组织的损伤肿瘤的精确放放疗-创新与完美美StandardManagementModel靶区剂量升级级和治疗增益益TCP/NTCP&TherapeuticRatioDoseProbabilityP&A-RTSensitizerTCPNTCPTR一、正常组织织结构划分正常组织结构构划分细胞层次---有三种不不同分化层次次的细胞1、干细胞胞2、分化或功功能细胞3、正在成熟熟的细胞干细胞定义可以分裂很多多次，并形成成有一定分化化特征的、可可辨认的干细细胞和即将分分化的细胞正常