放射治疗技术放射生物

放射治疗技术放射生物第1页/共54页内容复习：1、放疗是利用的X射线怎样的物理特性？2、高能电子线的主要用途？3、简述临床剂量学四原则？4、对于高能X射线和60钴γ射线的影响因素分别是什么？5、选择电子线能量大小的根据及计算方法？第2页/共54页第三章

临床放射生物学基础第3页/共54页学习要点掌握内容：放射生物学的概念熟悉内容：临床放射生物学效应、“4R”了解内容：剂量分割、提高生物学效应的方法、加温治疗第4页/共54页一、放射生物学的基本概念二、临床放射生物学效应三、放射治疗的时间、剂量分割模式四、提高放射生物学效应的方法五、加温治疗的原理及应用第5页/共54页射线为什么能够杀死肿瘤细胞？第6页/共54页放射生物学概念放射生物学是研究电离辐射在集体、个体、组织、细胞、分子等各种水平上对生物作用的科学。涉及范围：原初反应（光能的吸收与传递）、物理、化学和生物学方面的改变第7页/共54页

电离：将电子从基态激发到脱离原子。电离辐射：是指波长短、频率高、能量高的射线（粒子或波的双重形式），是一切能引起物质电离的辐射总称第8页/共54页带电的粒子通过物质时，和物质中原子壳层的电子碰撞，由于静电作用，使壳层电子产生加速运动，因而获得足够的能量而变成游离电子，它与正离子构成一个离子对。这就是电离作用。

离子对是负离子（包括电子e）与正离子的合称。离子对是电离作用的结果。第9页/共54页电离辐射来源天然辐射：太阳、宇宙射线、地壳的放射性核素人造辐射：医用设备、核反应堆手机辐射？“非电离辐射”：能量低，不会引起物质电离。第10页/共54页射线对DNA造成损害，而使细胞分裂受到阻碍，导致细胞分裂失败或细胞损伤。第11页/共54页传能线密度电离辐射贯穿物质时，因碰撞而发生的能量转移，直接电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量。第12页/共54页百分深度剂量是描述射线中心轴不同深度处相对剂量分布的物理量。传能线密度是描写射线质的一种物理量。第13页/共54页相对生物效能引起某一生物效应所需剂量与所观察的辐射引起引起同一生物效应所需剂量的比值第14页/共54页自由基与活性氧自由基：机体氧化反应中产生的有害化合物，具有强氧化性，可损害机体的组织和细胞，进而引起慢性疾病及衰老效应。第15页/共54页活性氧是指氧的某些代谢产物和一些反应的含氧产物。O2–、H2O2

、-OH是体内活性氧的主要形式。自由基与活性氧第16页/共54页自由基对DNA的损伤自由基对生物膜的损伤自由基与活性氧第17页/共54页氧效应：受照射的组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度的升高而增加。氧增强比OER=缺氧条件下产生一定效应所需剂量

有氧条件下产生一定效应所需剂量氧效应与氧增强比第18页/共54页氧效应与氧增强比

氧效果剂量第19页/共54页靶学说靶学说单击模型多击模型单靶与多靶靶分子第20页/共54页电离辐射作用的三个阶段（1）物理阶段:10-18—10-12s射线照射路径上的能量释放、激发和电离（2）化学阶段：激发电离，化学键断裂、自由基形成，分子结构破坏和修复正常（3）生物阶段：分子结构破坏

酶反应

修复基因变异/癌变

DNA不能复制/

细胞死亡

有丝分裂停止第21页/共54页影响辐射生物效应的主要因素辐射有关因素辐射种类：电离密度、穿透能力辐射剂量：半致死剂量，与敏感性成反比辐射剂量率：频率，与生物效应成正比分次照射：分次越多，生物效应越小照射部位：腹部＞盆腔＞头颈＞胸部＞四肢照射面积：受照面积与生物效应成正比照射方式：内、外、混合，多向＞单向第22页/共54页影响辐射生物效应的主要因素机体有关因素种系：演化越高，结构越复杂，越敏感个体发育：发育完善程度与敏感性成反比（致死、致畸）第23页/共54页一、放射生物学的基本概念二、临床放射生物学效应三、放射治疗的时间、剂量分割模式四、提高放射生物学效应的方法五、加温治疗的原理及应用第24页/共54页有丝分裂期M期G1期DNA合成S期分列前期G2期正常组织的放射生物学效应第25页/共54页细胞周期放射敏感性为M＞G2＞G1＞S期细胞存活曲线：通过测量受不同辐射剂量照射后，有增殖能力的细胞在体内、外形成克隆或集落的能力，即根据其存活率的变化所绘制出的剂量-效应曲线。（临床意义P57）正常组织的放射生物学效应第26页/共54页

细胞存活曲线是用来描述辐射吸收剂量与存活细胞数量之间的关系。细胞存活（Cellsurvival）和细胞死亡（CellDeath）的放射生物学定义：电离辐射后，细胞有两种主要的效应，即功能丧失和生殖能力丧失。

对于已分化不再增殖的细胞，如神经细胞、肌肉细胞或分泌细胞，丧失其特殊功能便可认为是死亡；而对于增生细胞，如造血干细胞或离体培养生长的细胞，丧失维持增生的能力，也就是失去完整的增殖能力，便称为死亡，即增殖性死亡（reproductivedeath）。第27页/共54页辐射所致细胞的损伤和修复放射性损伤：致死性损伤（不可修复）、亚致死性损伤（可完全修复）、潜在致死性损伤（一定条件下可修复）正常组织的放射生物学效应第28页/共54页正常组织的放射耐受性耐受剂量产生临床可接受的综合征的剂量可分为最小的损伤剂量（TD5∕5）和最大损伤剂量（TD50∕5）TD5∕5（TD50∕5）：在所有用标准治疗条件的肿瘤患者中治疗后5年内因放射治疗造成严重放射损伤的患者不超过5%（50%）时的照射剂量。第29页/共54页第30页/共54页早反应组织的特点是：组织细胞更新快，照射后损伤表现快，一般照射后2-3周表现出来，少数增殖快的组织照射后1-2天后就开始增殖。如小肠、皮肤、黏膜、生殖细胞等。晚反应组织的特点是：细胞群体增殖很慢，增殖层的细胞在数周甚至1年或更长的时间内不进行增殖更新。如脑组织、脊髓、肾、肺、肝等。肿瘤细胞大多数处于增殖期，其对射线反应类似于早反应组织。第31页/共54页L-Q模型（线性二次模型）是将DNA双链断裂与细胞存活曲线联系起来的数学模型。BED（biologicallyeffectivedose）生物效应剂量。基本数学公式

E=αd+βd2或E=nd(α+βd)

BED=nd×[1+d/(α/β)]

其中n代表分次数，d代表单次剂量（单位：Gy）第32页/共54页肿瘤细胞对辐射的反应肿瘤细胞与正常细胞具有不同的反应系统肿瘤的存活与有氧细胞和乏氧细胞有关放射敏感性与组织分化程度相关第33页/共54页肿瘤的增殖不受机体正常调控的约束

一般肿瘤内有4种细胞。分裂细胞、静止细胞、无增殖能力的细胞、破碎细胞肿瘤细胞对辐射的反应（-）第34页/共54页

肿瘤的生长速度决定于生长分数和肿瘤细胞的生成与丢失之比，而与倍增时间关系不大。

影响肿瘤的生长速度的因素：

1）肿瘤细胞倍增时间：肿瘤群体的细胞周期也分为G0、G1、S、G2和M期。多数恶性肿瘤细胞的倍增时间并不比正常细胞更快，而是与正常细胞相似或比正常细胞更慢。第35页/共54页2）生长分数：指肿瘤细胞群体中处于增殖阶段（S期+G2期）的细胞的比例。恶性转化初期，生长分数较高，但是随着肿瘤的持续增长，多数肿瘤细胞处于G0期，即使是生长迅速的肿瘤生长分数也只有20%。

3）肿瘤细胞的生长与丢失：营养供应不足、坏死脱落、机体抗肿瘤反应等因素会使肿瘤细胞丢失，肿瘤细胞的生成与丢失共同影响着肿瘤能否进行性长大及其长大速度。第36页/共54页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天第37页/共54页有氧情况下对辐射敏感肿瘤组织分化程度越高，对放射敏感性越差。肿瘤细胞对辐射的反应（二）第38页/共54页肿瘤的剂量—效应关系——

临床上肿瘤的治疗成功，是指射线彻底破坏的肿瘤组织中肿瘤细胞一个也不残存，或者肿瘤细胞即使残存下来，但受到抑制而不能再发挥其机能。然而，临床上所谓获得基本治愈的局部是否就不复发呢？

TCD50是指受照射的肿瘤中50%的肿瘤治愈时所需要的放射剂量。TCD是肿瘤控制剂量（TumorControlDose）的缩写。第39页/共54页

把接种肿瘤的动物分为若干组，各组给予不同剂量照射后观察90-120天，分析各组的治愈率，由此求出使50%的肿瘤获得治愈所必需的照射剂量。照射时肿瘤体积与TCD50之间的关系：一般而言，肿瘤体积增大时，TCD50也随之增大。

第40页/共54页一、放射生物学的基本概念二、临床放射生物学效应三、放射治疗的时间、剂量分割模式四、提高放射生物学效应的方法五、加温治疗的原理及应用第41页/共54页常规分割照射的生物学基础“4R”损伤的再修复、再分布、再氧合、再增殖第42页/共54页放疗期间存活的克隆源性细胞的再增殖是造成早反应组织、晚反应组织及肿瘤组织之间效应差别的重要因素之一常规分割照射时采用2Gy/次避免治疗的中断，如果中断治疗则需提高总的治疗剂量常规分割照射的生物学基础第43页/共54页生物剂量：生物体辐射响应程度的测量生物剂量等效换算第44页/共54页α/β比值原理及意义α/β比值表示引起细胞杀伤中单击和双击成分相等时的剂量，以吸收剂量单位Gy表示。意义在于反映了组织生物效应受分次剂量改变的影响程度。α/β值可以作为衡量修复效应的一个重要指标，α/β值越大，表明该细胞的修复能力越弱。第45页/共54页实例例：头颈部肿瘤，原计划方案是70Gy/35次，由于头6次发生错误给成了4Gy/次，而不是2Gy/次，实际给了24Gy/6次，接下来的治疗将继续用2Gy/次治疗。问保持与原方案相等的晚期损伤应用多次照射？设纤维化的α/β=3.5Gy

则：BED=70×(1+2/3.5)=110

PE1=24×(1+4/3.5)=51.4PE2=BED－PE1=110－51.4=58.6

PE2=D2×(1+2/3.5)=58.6D2=58.6/1.57=37.3

所以N2=37.3/2=18或=19次第46页/共54页一、放射生物学的基本概念二、临床放射生物学效应三、放射治疗的时间、剂量分割模式四、提高放射生物学效应的方法五、加温治疗的原理及应用第47页/共54页放射增敏剂与放射防护剂