腫瘤放射生物學(xué)基礎(chǔ)

1、Radiation therapy,腫瘤放射治療學(xué),成都醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院 劉滔,,,腫瘤放射生物學(xué)基礎(chǔ),放射生物學(xué)Radiobiology,放射生物學(xué): 研究電離輻射對(duì)生物體作用及其效應(yīng)規(guī)律的一門(mén)科學(xué) To describe the nature of the interactions and the consequences when macromolecules, cells, tissue

2、s and whole bodies are subject to ionizing radiation.,用實(shí)驗(yàn)的方法了解放射線對(duì)生物大分子、細(xì)胞、組織以及生物整體水平的作用機(jī)制。研究范圍涉及放射線對(duì)生物體作用的原初反應(yīng)及其以后一系列的物理、化學(xué)和生物學(xué)方面的改變。是放射腫瘤學(xué)四大支柱之一：腫瘤學(xué)、放射物理學(xué)、放射生物學(xué)、放射治療學(xué)；,臨床放射生物學(xué),,放射生物基礎(chǔ),發(fā)展簡(jiǎn)史,放射物理學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)； 從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線

3、開(kāi)始，人類(lèi)不斷探索著射線對(duì)生物體影響。1906年提出有關(guān)細(xì)胞、組織放射敏感性定律；20年代形成靶學(xué)說(shuō)；40年代核武器開(kāi)發(fā)和使用，全身性急性放射損傷和放射病理的研究進(jìn)展很快；1953細(xì)胞學(xué)技術(shù)發(fā)展，揭示了細(xì)胞生活周期各時(shí)相。同年闡明了乏氧具有增加細(xì)胞放射抵抗力的作用；60年代DNA損傷與修復(fù)的研究，提高到分子生物學(xué)水平；70-80年代提出了放射治療中需要考慮的生物因素—4“R”理論。,為腫瘤放射治療提供理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)各種放射治

4、療方案；為評(píng)價(jià)和比較放射治療方案提供理論依據(jù)；放射生物損傷的理論依據(jù)，指導(dǎo)放射生物防護(hù)工作，減少正常組織損傷；是放射治療、放射增敏、放射防護(hù)的基礎(chǔ)。,放射生物學(xué)作用,主要內(nèi)容,電離輻射對(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)分次放療的生物學(xué)基礎(chǔ),第一章,電離輻射對(duì)生物體的作用,第一節(jié) 輻射生物效應(yīng)的時(shí)間標(biāo)尺,電離輻射對(duì)生物體的作用,,（一）物理階段 帶電粒子和組成組織原子之間的相

5、互作用。 1、帶電粒子（初級(jí)和次級(jí)）主要與構(gòu)成細(xì)胞原子的軌道電子相互作用，將一些電子打出原子（電離） ，或使其他在原子或分子內(nèi)的電子進(jìn)入較高能量水平（激發(fā)） 。 2、一個(gè)10?m體積的細(xì)胞，每吸收1Gy的劑量將發(fā)生超105次電離。,,物理階段10-18—10-12s,射線照射路徑上釋放能量 激發(fā) 電離,（一）物理階段,射線對(duì)人體的影響不是通過(guò)射線所含的總的能

6、量來(lái)判斷的，而在于單個(gè)能量包的大?。慌e例： 單次4Gy X射線全身照射 輻射能——致死 熱 能——一口熱咖啡 機(jī)械能——70kg 人舉高16英寸因?yàn)椋篨線的能量被量子化為多個(gè)能量包，如每個(gè)包的能量大到足以打斷化學(xué)鍵即可引起生物學(xué)事件。,,（二）化學(xué)階段 受損原子和分子與其他細(xì)胞成分發(fā)生快速化學(xué)反應(yīng)的時(shí)期電離和激發(fā)導(dǎo)致化學(xué)鍵的斷裂和形成自由基（被破壞的分子：O2?、H2O?、 OH?）；自由基

7、非常活躍，參與一系列的反應(yīng)，最后重建電子負(fù)荷平衡。自由基反應(yīng)在射線照射后約1ms內(nèi)就全部完成。,化學(xué)階段,激發(fā)電離,化學(xué)鍵斷裂自由基形成,修復(fù)正常,分子結(jié)構(gòu)破壞,,,,,（三）生物階段 包括其后的所有過(guò)程。多數(shù)損傷（如DNA內(nèi)的損傷）都可以成功修復(fù)。僅有較少的一些損傷不能修復(fù)，這些未修復(fù)的損傷最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡。 干細(xì)胞被殺滅、丟失——早反應(yīng)：數(shù)周至數(shù)月正常組織和腫瘤內(nèi)存在細(xì)胞殺滅的繼發(fā)效應(yīng)，即代償性細(xì)胞增殖/修復(fù)。非

8、再生正常組織損傷——晚反應(yīng)：數(shù)月至數(shù)年更晚時(shí)間——輻射致癌：數(shù)年至數(shù)十年,分子結(jié)構(gòu)破壞,修復(fù),酶反應(yīng),基因變異/癌變,DNA不能復(fù)制/有絲分裂停止,細(xì)胞死亡,,,,,,生物階段,,第二節(jié) 電離輻射的直接作用和間接作用,直接作用,間接作用,電離輻射直接作用： 電離輻射直接對(duì)靶原子（主要是DNA）電離和激發(fā)，從而啟動(dòng)一系列導(dǎo)致生物變化的事件；高LET射線（如中子或α粒子）電離輻射間接作用： 電離輻射與細(xì)胞內(nèi)其他原子或分子（特

9、別是水）相互作用產(chǎn)生自由基，由自由基損傷DNA。 H2O→ H2O+ + e- H2O+ H2O+→ H3O++ OH.,,第二章,電離輻射的細(xì)胞效應(yīng),第一節(jié) 輻射誘導(dǎo)DNA損傷及修復(fù),DNA是輻射細(xì)胞效應(yīng)的關(guān)鍵靶：證據(jù)：P77放射線殺死細(xì)胞時(shí)，單獨(dú)照射胞漿所需的照射劑量比單獨(dú)照射細(xì)胞核大得多；放射性同位素（如3H,125I）摻入核DNA可有效地造成DNA損傷并殺死細(xì)胞；當(dāng)特異地把胸腺嘧啶類(lèi)似物摻入染色

10、體時(shí)，可增加細(xì)胞放射敏感性；受照后染色體畸變率與細(xì)胞死亡密切相關(guān)；,DNA損傷及修復(fù),DNA受照后,,單鏈斷裂,雙鏈斷裂,殺滅作用小,斷端彼此遠(yuǎn)離,,折成兩段,,易修復(fù),細(xì)胞死亡、突變、致癌,,,關(guān)鍵,,單鏈斷裂的修復(fù)易完全修復(fù)，受酶調(diào)控,,雙鏈斷裂，染色體斷裂不易修復(fù)，修復(fù)差錯(cuò),一、DNA是細(xì)胞死亡的關(guān)鍵靶受照射后，細(xì)胞死亡常見(jiàn)于那些不斷分裂的細(xì)胞，但也見(jiàn)于不進(jìn)行分裂的細(xì)胞，但后者放射敏感性差。,第二節(jié) 輻射所致細(xì)胞死

11、亡,,二、細(xì)胞死亡的形式1、有絲分裂死亡：受照射細(xì)胞第一次或以后有 限的幾次分裂后死亡，通常由有絲分裂失敗 所致；2、凋亡：與細(xì)胞類(lèi)型有關(guān)，淋巴細(xì)胞易通過(guò)凋 亡快速死亡；3、自嗜：溶酶體對(duì)細(xì)胞自身結(jié)構(gòu)的吞噬降解；4、壞死5、衰老,第三節(jié) 細(xì)胞放射存活曲線,一、放射生物學(xué)細(xì)胞存活的概念細(xì)胞存活：細(xì)胞保持完整的增殖能力，可產(chǎn) 生大量的克隆；（克隆源性細(xì)胞） 克?。河梢粋€(gè)存活的細(xì)胞通過(guò)不斷分裂增

12、殖形成的一個(gè)細(xì)胞群體（＞50個(gè)細(xì)胞）。細(xì)胞死亡：包括有完整結(jié)構(gòu)及合成蛋白、DNA的功能，但無(wú)再增殖能力的細(xì)胞；（終末分化細(xì)胞、輻射損傷細(xì)胞）,,二、細(xì)胞存活曲線細(xì)胞培養(yǎng)： 克隆形成：,,克隆形成率=,接種細(xì)胞數(shù),細(xì)胞克隆數(shù),,照射后細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)SF：,SF=,對(duì)照組細(xì)胞克隆形成率,受照射細(xì)胞克隆形成率,,細(xì)胞存活曲線：,橫坐標(biāo)：表示劑量，按線性標(biāo)度繪制；縱坐標(biāo)：表示存活分?jǐn)?shù)，按對(duì)數(shù)標(biāo)度繪制。,,,,三、細(xì)胞存活曲線形

13、狀,,（一）指數(shù)存活曲線：致密電離輻射（如中子、α粒子）照射后，細(xì)胞存活率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中趨近于一條直線，呈指數(shù)型。用單靶單擊數(shù)學(xué)模型擬合。 SF=e-αD,,（一）非指數(shù)存活曲線：稀疏電離輻射（如X、γ射線）照射后，細(xì)胞存活率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中常有一初始肩段，存活曲線彎曲，隨后在高劑量區(qū)趨于一條直線。用多靶單擊模型及線性二次模型解釋。 SF=e-αD-βD2,,第四節(jié) 細(xì)胞周期及放射敏感性,細(xì)胞

14、周期時(shí)間（cell-cycle time）,也稱(chēng)為有絲分裂周期時(shí)間, 是兩次有效的有絲分裂之間的時(shí)間。,M期細(xì)胞或接近有絲分裂期細(xì)胞是放射最敏感細(xì)胞晚S期細(xì)胞通常具有較大的放射抗拒性若G1期相對(duì)較長(zhǎng),G1早期細(xì)胞表現(xiàn)相對(duì)輻射抗拒,其后逐漸敏感,G1末期相對(duì)更敏感G2期細(xì)胞通常較敏感,敏感性與M期相似,第四節(jié) 細(xì)胞周期及放射敏感性,M期的或接近M期的細(xì)胞被殺死,細(xì)胞周期與放射敏感性,殘留不敏感細(xì)胞，一次照射后細(xì)胞同步化,M期的或接近

15、M期的細(xì)胞被殺死,,細(xì)胞通過(guò)周期進(jìn)入敏感時(shí)相再分布,再次照射可增加細(xì)胞敏感性,分次放療的理論基礎(chǔ)之一,,,,,,第三章,細(xì)胞增殖動(dòng)力學(xué),,一、惡性腫瘤細(xì)胞構(gòu)成P細(xì)胞/增殖細(xì)胞 腫瘤體積增長(zhǎng)的主要來(lái)源,占整個(gè)腫瘤細(xì)胞群體的比例稱(chēng)為生長(zhǎng)比例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)腫瘤分化終末期細(xì)胞 不再具有分裂能力死亡和正在死亡的細(xì)胞,腫瘤增殖動(dòng)力學(xué),二、描述腫瘤生長(zhǎng)的一些參

16、數(shù)腫瘤體積倍增時(shí)間（tumor volume doubling time, Td）———數(shù)十天 決定因素:細(xì)胞周期時(shí)間、生長(zhǎng)比例、細(xì)胞丟失率,,描述腫瘤生長(zhǎng)的一些參數(shù)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——數(shù)天時(shí)間決定因素: 細(xì)胞周期時(shí)間 生長(zhǎng)比例,描述腫瘤生長(zhǎng)的一些參數(shù)細(xì)胞丟失因子（cell los

17、e factor）：用于計(jì)算腫瘤細(xì)胞丟失量。細(xì)胞丟失因子=1-Tpot/Td,,人類(lèi)腫瘤典型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)細(xì)胞周期： 約2天 生長(zhǎng)比例： 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,第四章,正常組織及器官的放射反應(yīng),第一節(jié) 正常組織的結(jié)構(gòu)組分,一、正常組織細(xì)胞分化層次：干細(xì)胞： 常處于G0期，有無(wú)限自我繁

18、殖的能力，刺激后可進(jìn)入細(xì)胞周期；分化或功能細(xì)胞： 無(wú)分裂增殖能力，（成熟細(xì)胞） ；正在成熟的細(xì)胞（有限次分裂）。,二、早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織： 根據(jù)正常組織的不同特性和對(duì)電離輻射的不同反應(yīng),可將正常組織分為早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織兩大類(lèi)早反應(yīng)組織 細(xì)胞更新快,放射后的損傷很快會(huì)表現(xiàn)出來(lái),這類(lèi)組織α/β比值較高,損傷后以活躍的增殖來(lái)維持組織中的細(xì)胞數(shù)量.如:粘膜上皮、骨髓、毛囊上皮,,,晚反應(yīng)組織 細(xì)胞更新慢,數(shù)周甚至一

19、年或更長(zhǎng)時(shí)間也不進(jìn)行自我更新,如神經(jīng)組織,放射后的損傷很晚才表現(xiàn)出來(lái),這類(lèi)組織α/β比值較小,,,在臨床上應(yīng)根據(jù)早晚反應(yīng)組織的特點(diǎn),安排合適的總劑量、總治療時(shí)間和分次劑量,特別保護(hù)晚反應(yīng)組織,早、晚反應(yīng)與劑量、治療時(shí)間關(guān)系,加大分次劑量---晚反應(yīng)組織損傷加重，而早反應(yīng)細(xì)胞不敏感；因?yàn)樵绶磻?yīng)細(xì)胞更新快，可以進(jìn)行更新修復(fù)；總治療時(shí)間縮短---早反應(yīng)組織損傷加重，晚反應(yīng)組織不敏感；因?yàn)橥矸磻?yīng)細(xì)胞更新慢，治療期間一般不會(huì)出現(xiàn)代償增殖；腫瘤

20、類(lèi)似早反應(yīng)細(xì)胞。,為減少晚期反應(yīng)，應(yīng)盡量減少分次劑量（至少應(yīng)達(dá)到有效殺傷的劑量）為保證腫瘤控制率，應(yīng)在不致引起嚴(yán)重急性反應(yīng)的情況下，盡量減少總治療時(shí)間,,,三、正常組織早、中、晚期放射反應(yīng),三、正常組織早、中、晚期放射反應(yīng),功能亞單位：平行組織結(jié)構(gòu)：肺、腎——閾體積串聯(lián)組織結(jié)構(gòu)：脊髓、小腸——閾劑量中間型器官結(jié)構(gòu)：腦,四、正常組織的體積效應(yīng),第五章,分次放射治療的生物學(xué)基礎(chǔ),細(xì)胞放射損傷的修復(fù) (Repair of

21、radiation damage )：周期內(nèi)細(xì)胞時(shí)相的再分布 （Redistribution within the cell cycle）氧效應(yīng)及乏氧細(xì)胞的再氧合 （The oxygen effect and Reoxygenation ）細(xì)胞再群體化(Repopulation),放射生物學(xué)4R原理,,一、細(xì)胞放射損傷修復(fù)：,細(xì)胞損傷類(lèi)型：亞致死損傷(sublethal damage)潛在致死損傷(potential let

22、hal damage)致死損傷(lethal damage),（一）亞致死損傷是指受照射以后，細(xì)胞的部分靶而不是所有靶內(nèi)所累積的電離事件，通常指DNA的單鏈斷裂。亞致死損傷是一種可修復(fù)的放射損傷，對(duì)細(xì)胞死亡影響不大, 但亞致死損傷的修復(fù)會(huì)增加細(xì)胞存活率。,一、細(xì)胞放射損傷修復(fù),（一）亞致死損傷修復(fù),,0.005,1959年發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能在3小時(shí)內(nèi)完成這種修復(fù)一般為30分到幾小時(shí)亞致死損傷半修復(fù)時(shí)間（T 1/2）,表示不同組織特性

23、小腸=0.5小時(shí)脊髓=1.5小時(shí)嚙齒動(dòng)物皮膚濕性脫皮=1.3小時(shí)非常規(guī)分割中，兩次間隔大于6小時(shí),（一）亞致死損傷修復(fù),影響亞致死損傷修復(fù)的因素,放射線的性質(zhì) 低LET射線照射后細(xì)胞有亞致死損傷和亞致死損傷的修復(fù)，高LET射線照射后細(xì)胞沒(méi)有亞致死損傷因此也沒(méi)有亞致死損傷的修復(fù)。細(xì)胞的氧合狀態(tài)處于慢性乏氧環(huán)境的細(xì)胞比氧合狀態(tài)好的細(xì)胞對(duì)亞致死損傷的修復(fù)能力差。細(xì)胞群的增殖狀態(tài) 未增殖的細(xì)胞幾乎沒(méi)有亞致死損傷的修復(fù)等。,（

24、二）潛在致死損傷 正常狀態(tài)下應(yīng)當(dāng)在照射后死亡的細(xì)胞，若在照射后置于適當(dāng)條件下由于損傷的修復(fù)又可存活的現(xiàn)象。但若得不到適宜的環(huán)境和條件則將轉(zhuǎn)化為不可逆的損傷使細(xì)胞最終喪失分裂能力。意義：黑色素瘤對(duì)輻射的抵抗性可能與照射后大量細(xì)胞潛在致死損傷的修復(fù)有關(guān)。,一、細(xì)胞放射損傷修復(fù),（三）致死損傷受照射后細(xì)胞完全喪失了分裂繁殖能力，是一種不可修復(fù)的，不可逆和不能彌補(bǔ)的損傷。,一、細(xì)胞放射損傷修復(fù),,二、細(xì)胞周期再分布：細(xì)胞周期放射敏感

25、性：　S期的細(xì)胞（特別是晚S期）最耐受 G1期放射敏感性差　G2和M期的細(xì)胞最敏感可能原因： G2期細(xì)胞在分裂前沒(méi)有充足的時(shí)間修復(fù)放射損傷。分次放射治療： 放射抗拒細(xì)胞（S、G1）→放射敏感細(xì)胞（M、G2）,細(xì)胞周期再分布,,三、乏氧細(xì)胞再氧合：（一）氧的重要性： 氧效應(yīng)：細(xì)胞對(duì)電離輻射的效應(yīng)強(qiáng)烈的依賴于氧的存在，人們把氧在放射線和生物體相互作用中所起的影響，稱(chēng)為氧效應(yīng)。 氧增強(qiáng)比：把在乏

26、氧及空氣情況下達(dá)到相等生物效應(yīng)所需的照射劑量之比叫做氧增強(qiáng)比（OER），通常用OER來(lái)衡量不同射線氧效應(yīng)的大小。 氧固定假說(shuō)：有機(jī)過(guò)氧基（RO2.）,,三、乏氧細(xì)胞再氧合：（二）腫瘤乏氧：首先指出實(shí)體瘤內(nèi)有乏氧細(xì)胞存在是在1955年，由Thomlinson 和Gray根據(jù)他們對(duì)人支氣管癌組織切片的觀察提出的。有活力組織的厚度為100-180um。當(dāng)腫瘤細(xì)胞層的厚度超過(guò)氧的有效擴(kuò)散距離時(shí)，細(xì)胞將不能存活。那些處于即缺氧地帶

27、即將壞死但仍有一定活力的細(xì)胞稱(chēng)為乏氧細(xì)胞。,,三、乏氧細(xì)胞再氧合：（三）乏氧細(xì)胞再氧合：直徑<1mm的腫瘤是充分氧合的，超過(guò)這個(gè)大小會(huì)出現(xiàn)乏氧。再氧合 如果用大劑量單次照射腫瘤，腫瘤內(nèi)大多數(shù)放射敏感的氧合好的細(xì)胞將被殺死，剩下的那些活細(xì)胞是乏氧的。因此，照射后即刻的乏氧分?jǐn)?shù)將會(huì)接近100%，然后逐漸下降并接近初始值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為再氧合。,,,,,缺血壞死區(qū),腫瘤組織,富氧區(qū),乏氧區(qū),,,,,照射,乏氧細(xì)胞再氧合,再氧合,

28、照射,（三）乏氧細(xì)胞再氧合,,四、再群體化：概念：損傷后，組織的干細(xì)胞在機(jī)體調(diào)節(jié) 機(jī)制的作用下，增殖、分化、恢復(fù)組 織原來(lái)形態(tài)的過(guò)程。主要針對(duì)正常組織但在腫瘤組織中也存在--加速再群體化:照射或使用細(xì)胞毒藥物以后，可以啟動(dòng)腫瘤內(nèi)存活的克隆源細(xì)胞，使之較照射或用藥以前分裂得更快。,頭頸部鱗癌總治療時(shí)間和TCD50劑量的關(guān)系,,28,,,五、非常規(guī)分割治療研究常規(guī)分割：每天照射1次，2Gy/日，5次/周；

29、非常規(guī)分割：（一）超分割：1.2Gy/次，2次/日（二）加速分割：2Gy/次，2次/日（三）連續(xù)加速超分割（四）后程加速超分割,（一）超分割方案,約1.2Gy/次，2次/日，10次/周連續(xù)兩次間隔>6h總劑量增加10%-20%目的：進(jìn)一步減輕晚期反應(yīng)（晚期反應(yīng)與分次劑量有關(guān)）同時(shí)早期反應(yīng)變化不明顯。,五、非常規(guī)分割治療,（二）加速分割方案,2Gy/次，一天內(nèi)照2次或多次，總治療時(shí)間減少1/2，總劑量不變目

30、的：抑制腫瘤的再群體化不良反應(yīng)多（早、晚飯應(yīng)均增加），少用,五、非常規(guī)分割治療,（三）連續(xù)加速超分割,總劑量不變，1.5Gy/次，3次/日，間隔時(shí)間>6h，共12天目的急性反應(yīng)明顯，但表現(xiàn)出來(lái)的時(shí)候治療已結(jié)束分次劑量小，晚期反應(yīng)可接受。脊髓例外，在50Gy可出現(xiàn)嚴(yán)重的放射性脊髓病。因?yàn)?小時(shí)間隔時(shí)間對(duì)脊髓而言太短。,減少分次劑量以降低晚期反應(yīng),降低總治療時(shí)間以抑制腫瘤增殖,,五、非常規(guī)分割治療,（四）后程加速超分割