临床放射生物学-医学课件

1临床放射生物学

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教材来源：中国协和医科大学出版社2008年2月第一版3

GilbertH.Fletcher,M.D.LEA&FEBIGER.19734

临床放射生物学在放射治疗中的地位和作用放射治疗是实体恶性肿瘤根治性手段之一，而且预计还会延续今后相当长的时间。临床放射生物学是放射生物学的一个分支，主要是研究人类肿瘤及正常组织在放射治疗中的生物学问题。是放射肿瘤学必不可少的专业基础之一。作用：1.提供理论基础；2.治疗策略的实证研究；3.个体化放疗方案的研究和设计。5

辐射生物效应的时间标尺

引自GGSteel.Basisclinicradiobiology6

物理阶段主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的相互作用。“能量包”("packets"ofenengy)的概念。7

化学阶段指受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。电离和激发导致化学键断裂和自由基(freeradicals)的形成，这些自由基是高度活跃的。这个阶段的重要特点是，清除反应（scavengingreaction)和固定反应（fixationreaction）。8

生物阶段包括所有继发过程。DNA损伤后结果:1.成功修复，2.死亡，需要一定时间，3.畸变？干细胞杀灭。代偿性细胞增殖效应（正常组织和肿瘤组织均存在）。继发肿瘤（辐射致癌）放射损伤表现之一。9

电离辐射的生物效应的作用电离辐射的生物效应是由于DNA损伤导致的，DNA是关键靶。直接作用间接作用10

直接作用任何形式的辐射，X射线或γ射线，带电或不带电粒子被生物物质吸收后都有可能与细胞的关键靶DNA直接发生作用，靶原子本身的原子可以被电离或激发从而启动一系列导致生物变化的时间，就称作辐射的直接作用(directactionofradiation)。11

间接作用辐射也可以与细胞内的其他原子或分子（特别是水）相互作用，产生自由基，这些自由基可以扩散到足够远，达到并损伤关键靶DNA，这被称为电离辐射的间接作用(indirectactionofradiation)。自由基是一种游离的原子或分子，外层携带不成对轨道电子，具有高度的化学活性。12

电离辐射的直接作用和间接作用

图自ETHaii.Radiologyfortheradiologity13

水的射解当X线、γ线、带电粒子（如电子或质子）与水分子作用时，水分子会被辐射电离。可表示为：

H2OH2O++e-H2O+既是离子基，也是自由基，具有高度活性。在水中，离子基与其他水分子反应形成高活性的氢氧自由基（OH.）

H2O++H2O=H3O++OH.

据统计，X线对哺乳动物细胞DNA的损伤，约2/3是由氢氧自由基所致。

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注:(a电离辐射引起水分解成自由基(b)水自发性离解作用15

水的射解阶段示意图16

X线间接作用的过程简述入射X线光子

10-15秒快速电子

10-10秒离子自由基

10-9秒自由基

10-5秒由化学键断裂引起的化学变化数小时数年生物效应17

射线质与相对生物效应电磁辐射线（X线和γ线）放射线离子辐射线（电子、中子、质子等）比较射线的质，用“线性能量传递（LinearEnergyTransfer,LET）“的概念。比较不同LET生物效应的差别，用“相对生物效应（RelativeBiologicEffectiveness,RBE）”的概念。18

线性能量传递（LET）国际辐射委员会（TheInternationalCommissiononRadiologicUnits）在1962年定义了LET：在介质中带电粒子的LET是dE/dL的商。即LET在单位长度径迹上能量的传递，衡量单位是：每微米单位密度物质的千电子伏特(keV/μm）LET=dE/dL19

相对生物效应（RBE）经典“相对生物效应”的定义是：以250kV的X线为参照，产生相等生物效应所需的X线剂量与被测试射线的剂量之比。RBE=D250/DT剂量是对单位质量所吸收能力的测量。在放射治疗中的吸收剂量以“gray（Gy）”为单位的物理量。半数致死量（LD50）。20

LET与RBELET的相对生物效应，是指产生同等的生物效应所需要的低LET射线参考辐射剂量与高LET射线的辐射剂量之比。低LET射线参考辐射剂量RBE=-

高LET射线的辐射剂量随着LET的增高，每“Gy”照射剂量杀灭的细胞数目就会更多。但是RBE并不是固定的，可能随着所设定照射方案发生相关变化。21

图中显示，随着LET增高，细胞存活幅度下降。但是，LET更高（2.5MeVα粒子，165KeV/μm）细胞杀灭幅度却减少。22

图中显示，当LET增高至100keV/μm以上时RBE也开开始下降，提示了超杀效应(overkilleffect).RBE与LET射线的关系及特高LET射线的超杀效应23

电离辐射的细胞效应1.辐射诱导的DNA损伤及修复2.辐射所致的细胞死亡3.细胞存活曲线4.细胞周期时相与放射敏感性24

辐射诱导的DNA损伤及修复

单链断裂-修复；两个双链断裂-死亡、突变、致癌。电离辐射引起的DNA单链断裂和双链断裂图自EJHallRadiobiologyfortheradiologist25

双链断裂通过连个基本过程被修复，同源重组和非同源重组。图自EJHallRadiobiologyfortheradiologist26

细胞死亡的概念辐射所致的细胞死亡的两种形式：①间期死亡（interphasedeath），受大剂量照射是发生的分裂间期死亡（细胞在进入一次分裂前死亡）；②有丝分裂死亡（mitoticdeath），由于染色体损伤，细胞在试图进行有丝分裂时死亡。死亡发生在照射后的几次分裂之后，是一种增殖性死亡。27

细胞死亡的机制染色体DNA是关键靶用钋源短射程α粒子照射哺乳动物细胞示意图图自EJHall.Radiologyfortheradiologist28

细胞核与细胞质的放射敏感性实验29

凋亡“凋亡”（apoptosis)作为辐射所引起的细胞死亡形式，它具有高度细胞类型依赖性的。淋巴细胞就容易在受到辐照之后通过凋亡途经快速死亡的。30肿瘤放射生物学的基本原理是：细胞死亡（celldeath）与肿瘤细胞在繁殖完整性的丢失（lossofreproductiveintegrityoftumorcells）之间在概念上存在着根本意义上的不同，后者与放射可治愈性直接相关。临床放射生物学始终把克隆源性细胞的存活比作为理解对肿瘤的控制。31

细胞存活曲线的概念细胞存活曲线（cellsurvivalcurves）：描述照射剂量和细胞存活分数（survivingfraction）之间的关系，用以研究和评估电离辐射对哺乳动物细胞增殖能力（即在繁殖完整性，reproductiveintegrity）的影响。32

细胞存活的概念临床放射生物学规定：鉴别细胞存活的唯一标准是，受照射后细胞是否保留无限增殖能力，及是否具有再繁殖完整性。即使仍然能进行几次有丝分裂，但之后不能再无限分裂和产生大量子代细胞就可被视作死亡。反之，被视作存活。33

“克隆源性细胞”（clonogeniccell)在离体培养细胞实验体系中，细胞受照射后，一个存活的细胞可以分裂繁殖成一个细胞群体（≥50个细胞），称为“克隆”。具有生成“克隆”能力的原始存活细胞就是“克隆源性细胞”（clonogeniccell)。如果临床放射治疗中，残留了这种细胞将会面临复发转移的结局，也即是未达到治愈水平。34细胞培养皿中染色的细胞集落（克隆）35

离体细胞存活去想的实验方法1.细胞培养2.测定细胞系的单细胞克隆形成率(platingefficiency)3.测定细胞照射后的存活份数(survivingfraction)4.根据各照射剂量点的存活份数作图36

中国仓鼠细胞克隆形成实验的示意图

图自EJHall.Radiologyfortheradiologist37

细胞存活曲线的形状用数学模式拟合出来的坐标曲线。3839

指数存活曲线的解释致密电离辐射（中子、α粒子），单靶单击数学模型（靶学说最基本的数学表达式）特点只有一个参数D0值，也称为平均致死剂量(meanlethaldose)，即是每靶击中一次所给予的剂量。存活份数（SF）与照射剂量（D）的关系表示为：

SF=e-αD

注：e自然对数的底，α是与射线的质和细胞放射敏感性相关的常数40

非指数存活曲线的解释稀疏电离辐射（X、γ射线等）低剂量段，稍高剂量段（肩段），高剂量段多靶单击模型(single-hitmulti-targetmodel)和线性二次模型Elkind和Whitmore提出的多靶单击模型

SF=1-(1-e-kD)N4142

非指数存活曲线的参数1.初始斜率(initialslope)D1，单一事件的细胞杀灭所致，反应细胞在低剂量区的放射敏感性。2.终斜率(finalslope)D0，由多次事件细胞杀灭所致，是每个细胞一起一次致死事件所需的平均致死剂量。3.准阈值(quasi-threshoulddose)Dq，小于这个剂量将没有反应。4.外推值N(extrapoiationnumberN)，“肩宽”反映细胞内的“靶”数目。

D0、Dq、N值三个参数中，任意两个便可在一定程度上反映出细胞的放射敏感性。其关系如下：logeN=Dq/D04344

线性二次模型(linear-quadraicmodel)模型的假设细胞的杀灭与剂量有两部分关系：①与照射剂量成比例②与照射剂量的平方成比例。所以，细胞存活曲线的表达式为：S=e-αD-βD2

其中，S是照射量为D时的细胞存活；α和β是常数。线性二次模式的优点就是具有α和β两个参数

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线性二次模型的细胞存活曲线46

α和β比值的意义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（Gy）。其意义在于反映了组织生物效应分次剂量改变的影响程度。α代表起始斜率，决定低剂量下损伤的程度。β代表效应的超线性部分，它的贡献随照射剂量增加而加大。当线性部分和平方部分对杀灭的细胞贡献相等时，其照射剂量等于α和β的比值。47

α/β比值与早和晚反应组织的关系晚反应组织的α/β比值较低。早反应组织有较长直线区，晚反应组织曲线“肩部”宽大。故早反应组织的分割效应相对小于晚反应组织。资料显示，早和晚组织对不同分次照射具有恒定的反应差别。大分割照射，晚期反应较重；超分割照射，急性反应较重，而晚期反应较轻。48

细胞周期的基本概念两次有效的有丝分裂之间的时间，称为有丝分裂周期时间(mitotic-cycletime)，通常也称为细胞周期时间(cell-cycletime)。各种哺乳动物的细胞周期时间会受很多因素影响。49

细胞周期时相示意图50

细胞周期不同时相的放射敏感性51

细胞周期各个时相的放射敏感性M期，最敏感。S期，最抗拒。G1早期-G1后期，由抗拒敏感。G2期，较敏感。分次放射的意义52

肿瘤的放射生物学概念肿瘤的增殖动力学肿瘤剂量效应关系从在体实验肿瘤的研究获得的一些提示53

肿瘤的增殖动力学

肿瘤的细胞动力学层次GGSteel认为，肿瘤内的恶性细胞可根据其动力学特性分为4个层次。第一层次，有活跃分裂的细胞组成（增殖细胞，也叫“P”细胞proliferating）,是肿瘤增长体积的主要来源，其所占整个肿瘤的比例成为生长比例（growthfraction,GF）。54

肿瘤的增殖动力学

肿瘤的细胞动力学层次第二层次，由静止或G0期细胞组成，也被成为“Q”细胞（quiescent）。这层细胞可以在进入细胞周期，有些还是克隆源性的。第三层，由分化的终末细胞组成，不再具有分裂能力。第四层，由死亡或正在死亡的细胞组成。细胞从一个层次向另一个层次的转化在肿瘤内部是持续发生的。55

肿瘤生长速度1.肿瘤体积倍增时间（tumorvolumedoublingtime,Td)

由3个因素决定：①细胞周期时间(thecellcycletime,Tc)②生长比例(thegrowthfraction,GF)③细胞丢失率(therateofcellloss)2.潜在倍增时间(potentialdoublingtime,Tpot)，假设在没有细胞丢失的情况下肿瘤细胞群体增加1倍所需的时间。56

肿瘤的指数性和非指数性生长指数性生长是指肿瘤体积在相等的时间间隔内衣一个恒定的比例增加。公式表示为：V=exp(0.693.T/Td)

在3因素中任何两个的组合（例如，周期时间的延长、生长比例的下降、以及细胞丢失率的升高）都会导致肿瘤的非指数性生长。57

人原发性肺肿瘤的生长曲线58

肿瘤的剂量效应关系肿瘤控制概率的临床特征与肿瘤类型、病理类型有关目前无法精确量化到临床使用水平59

放射治疗中的剂量-效应关系60

放射治疗中的剂量-效应关系既定物理吸收剂量与放射生物效应结果以及影响因素之间的关系。剂量-效应曲线的形状，呈“S”形。剂量-效应曲线的位置，TCD50(radiationdosefor50%tumorcontrol)，ED5指产生5%并发症概率的剂量。61

放射治疗中的剂量-效应关系剂量-效应曲线的陡峭度的表示，"γ"值是指剂量增加1%效应所增加的百分数。治疗窗，肿瘤控制与正常组织并发症在同一坐标系内作图。临床资料剂量-效应关系调研的方法学问题62

肿瘤控制与正常组织并发症发生的剂量-效应关系63

在体实验肿瘤的放射生物学研究中的一些提示1.肿瘤体积效应

可以治愈克隆源细胞小于109的肿瘤2.再群体化加速

照射后存活下来的克隆源性细胞可以使治疗很快再群体化3.瘤床效应

照射后复发的实验肿瘤的生长速度会较没有受照的慢4.乏氧和再氧合

乏氧细胞抗拒放射,富氧细胞放射敏感64

正常组织及器官的放射反应正常组织细胞的增殖是极其有规律的，细胞的增殖是严格受控制的。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、死之间维持着精确地平衡。65

正常组织的结果