臨床放射生物學基礎

1、臨床放射生物學基礎,贛南醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 放療科,郭海亮 252775074@qq.com,放射生物學的基本概念,臨床放射生物學是放射生物基礎理論研究的基礎上，探討人類腫瘤及其正常組織在放射治療過程中放射生物學效應問題的一門學科。 研究領域正常組織放射生物學腫瘤放射生物學,放射生物學的基本概念,生物體受輻射后變化的三個階段物理階段化學階段生物反應階段,電離和激發(fā),電離作用是高能粒子和電磁輻射的能量被生物組織

2、吸收后，引起生物效應的最重要的原初過程，生物組織中的原子被粒子或光子撞擊時，軌道電子被擊出，產生自由電子和帶正電的離子，既形成離子對，這過程稱為電離。當電離輻射與組織原子相互作用，其能量不足以將原子的軌道電子擊出是，可使電子躍遷到較高能級的軌道上，使原子處于激發(fā)態(tài)，這一過程為激發(fā)作用。,水的電離和激發(fā),直接作用,直接作用 射線被生物物質吸收時,直接和細胞關鍵的靶起作用，靶原子被電離或激發(fā)啟動一系列生物事件導致生物改變。

3、 高LET射線，如中子或α粒子,間接作用,自由基與活性氧,自由基對DNA這一細胞最重要靶點作用產生DNA損傷自由基對脂類過氧化作用與生物膜作用產生細胞膜損傷自由基和抗氧化酶和其他抗氧化物質作用,放射治療實現的可能性,B-T定律： 細胞的放射敏感性高低和細胞增長速率成正比和細胞的分化程度成反比 惡性腫瘤細胞增長快，分化差和正常組織相比，放射敏感性更高,輻射的細胞生物學效應,細胞死亡（1）增殖性死亡

4、 分裂幾次后死亡，臨床表現，腫瘤受照后，體積不立即縮小，甚至出現臨時性增大，以后，隨著腫瘤細胞的不斷死亡，腫瘤才縮?。?）間期性細胞死亡 受照幾小時內，腫瘤細胞死亡,細胞存活曲線,細胞存活曲線是定量描述輻射吸收劑量與細胞存活之間關系的曲線。,細胞克隆,細胞存活曲線,細胞克隆實驗法,細胞存活曲線,細胞劑量效應曲線(dose response curve) 細胞存活曲線(cell sur

5、vival curve) 某劑量照射后形成克隆數 存活率= 種植細胞數?空白組集落形成(PE),,細胞存活曲線,高LET線細胞存活曲線----指數性曲線 曲線公式 S=e-kD 低LET線細胞存活曲線

6、----非指數性曲線 肩部反映低劑量下?lián)p傷修復 直線部分反映高劑量下指數性殺滅 曲線公式為一次二元方程式 S=1-(1-e-kD )n ( K 為直線部分的斜率) D0=1/K (D0 為平均致死劑量) S=1-(1-e-D/ D0 )n 曲線幾個重要參數: D0 ,n值,Dq值,細胞存活曲線

7、單擊單靶模型,細胞存活曲線 單擊單靶模型,e-1 = 0.37,e-2 = 0.14,e-3 = 0.05,細胞存活曲線 單擊多靶模型,細胞存活曲線 線性二次模型,Thames和Bentzen于80年代提出LQ模型以DNA雙鏈斷裂造成細胞死亡為理論依據 由一個輻射粒子在通過相互靠近的DNA雙鏈處一次將其擊斷,這種方式產生的DNA斷裂數直接與吸收劑量成正比,S= e-αD 兩個輻射粒子途經DNA雙鏈附近,各產生

8、一個彼此很靠近的單鏈斷裂,這種方式產生的DNA斷裂數直接與吸收劑量的平方成正比, S=e-βD2,細胞存活曲線 線性二次模型,任何類型輻射效應造成的細胞殺滅都是單擊致死性殺滅（?型）與亞致死性損傷累積殺滅（?型）之和。 總的生物效應為兩者之和，即S＝S?· S?＝e-αD· e-βD2＝e -(αD＋βD2)當一次照射引起的上述兩種效應相等時，則?D=?D2，?/?＝D。因此，?/?代表的是這樣一個劑量，在此劑

9、量照射時線性部分（?D）對放射效應的貢獻與平方部分（βD2）的貢獻相同，其單位是Gy。,細胞存活曲線 線性二次模型,細胞存活曲線 線性二次模型,分次劑量照射的細胞存活曲線,分次照射時，細胞存活曲線肩區(qū)的每次照射重建。,細胞動力學的改變,細胞的放射敏感性不同細胞群體的放射敏感性，不斷分裂和更新的細胞敏感，不分裂的細胞抗拒。不同細胞周期時相的放射敏感性差異。不同環(huán)境中的細胞敏感性特別是氧分壓不同對敏感性的影響。,不同細胞群體的放射

10、敏感性,不斷分裂和更新的細胞群體，敏感性較高不分裂的細胞群體，對放射性抗拒細胞群體在一般狀態(tài)下基本不分裂或分裂速率很低，受刺激后迅速分裂，放射敏感性增高,細胞時項的放射敏感性,M 和G2期為放射性敏感期G1和S期對放射線相對抗拒,電離輻射對細胞周期的影響,照射引起 G2 阻滯,細胞周期時相的再分布,電離輻射對細胞周期的影響,time,細胞的再增殖,正常組織增殖 Hopewell(1991)的實驗資料表明，10天內照射

11、豬皮膚，未見再增殖，如療程延長到38天，則要達到相同的生物效應，總劑量需要增加38％。 臨床觀察到正常組織再增殖的情況： 在一個總療程為5周或更長時，在療程后期大部分早反應組織有一定程度的再增殖。 證據:1.口咽粘膜在治療的5～6周時其反應 程度變輕 2.嚴重皮膚反應在治療后期出現上皮克隆,細胞的再增殖,腫瘤再增殖 實驗證明腫瘤內殘存1％的存活克隆源性細胞于腫瘤消

12、退時已開始其初始的加速再增殖。 一些臨床觀察證實了人體腫瘤的克隆源性細胞也有再增殖反應,細胞的再增殖,加速再增殖(accelerated repopulation) 原因: 正常組織:① 受放射損傷后死亡的細胞分泌刺激殘存細胞分裂的因子，促使殘存細胞分裂；② 由于細胞的死亡使殘存細胞間的接觸抑制現象減弱，分裂加快。 腫瘤組織:腫瘤生長過程中細胞自然丟失率很高 ;腫瘤存在異質性 。 依據,細胞的再增殖,1.復發(fā)

13、時間:腫瘤大部分在12個月內復發(fā) 1個細胞→30次倍增→ 臨床可發(fā)現復發(fā)灶 1萬個細胞→15～17次倍增→ 腫瘤體積倍增時間一般為27天至166天，頭頸部鱗癌時間平均為60天 倍增從60天→縮短→12天，反映了快速再增殖,細胞的再增殖,2.總療程時間與腫瘤局控率的關系 頭頸部鱗癌如在常規(guī)治療及分程治療中用同樣總劑量，對任何一期的腫瘤分程治療

14、的控制率都比常規(guī)治療低。 多種腫瘤放療總療程時間和腫瘤局控率的關系。,細胞的再增殖,腫瘤再增殖有重要臨床意義 1.不必要延長治療；2.如急性反應重，治療期間必須有一個間斷，應盡量短；3.不考慮單純分段放療；4.由于非醫(yī)療原因的治療中斷，有時需采取措施“趕上”；5.增殖周期短的腫瘤可采用加速分割。,輻射所致細胞的損傷及修復,細胞放射性損傷：致死性損傷（LD)亞致死性損傷（SLD)潛在致死性損傷（PLD) 細胞

15、放射性損傷修復：潛在致死性損傷的修復亞致死性損傷的修復（低劑量區(qū)肩區(qū)的形成原因）,早反應組織和晚反應組織,早反應組織與晚反應組織的放射生物學差別早期反應嚴重程度取決于被放射殺滅的細胞數目，晚期反應的發(fā)生還與進行性繼發(fā)損傷有關的其他過程影響，如組織中的缺血和纖維化。早反應組織SLD出現早，修復能力差，在常規(guī)分割放療過程中可出現加速再增殖，晚反應組織SLD出現較晚，修復能力強，在常規(guī)分割放療過程中不出現加速再增殖。早反應組織一般在

16、治療開始就出現急性反應，處理后可很快恢復，晚期反應則在治療90天后發(fā)生。,早晚反應組織不同放射生物學效應的臨床意義,晚反應組織比早反應組織對分次劑量的變化更加敏感，加大分次劑量時，晚反應組織的損傷加重。要想取得最大的潛在治療效果，其晚反應組織的SLD修復必須完全，每天多次照射（MFD）的分次間隔時間要大于6小時晚反應組織對總治療時間變化不敏感，縮短總治療時間不會加重晚反應組織的損傷，但早反應組織的損傷則會加重,放射反應與損傷,放射反

17、應與損傷影響因素與每次照射量和總劑量成正比與照射體積成正比各器官耐受劑量不同個體差異熱敏效應手術，藥物協(xié)同相關,氧效應與氧增強比,受照的組織和細胞或生物大分子的輻射效應隨其周圍介質中氧濃度的升高而增加，這種現象為氧效應。,乏氧細胞再氧合,腫瘤很小時，沒有乏氧細胞。腫瘤長大后乏氧細胞比例保持恒定，一般為1～50％。一次大劑量照射后腫瘤內氧合好的細胞明顯減少。同時由于對放射相對抗拒，乏氧細胞減少程度較少，因此乏氧細胞比例幾乎上升

18、接近100％，隨著時間推移，細胞從乏氧→氧合好，乏氧細胞比例又下降到照射前水平。Putten和Kallman證實：分次治療時，腫瘤內乏氧細胞比例過24hrs就可恢復到照射前水平。,乏氧細胞再氧合,,normal oxygen,hypoxic viable,anoxic - necrotic,70 m,O2,O2,O2,capillary,,,,,,,,,,,,,,,,,aeratedcells,hypoxiccells,,,sur

19、vivors after irradiation,,reoxygenation,reoxygenation,reoxygenation,Reoxygenation,乏氧細胞再氧合是臨床腫瘤放射治療中小劑量分次照射方案制定的基礎。,射線質的影響,LET:射線傳能線密度 （1）高LET射線細胞存活曲線中肩區(qū)基本不存在，細胞死亡來源于?型細胞殺滅 （2）高LET射線輻射生物學效應對分子氧和細胞不同周期的依賴程度低于低LE

20、T射線 （3）高LET射線照射后細胞不再有能力對輻射損傷進行修復 （4）低LET射線中存在的分次照射生物學基礎和劑量率效應在高LET中不再存在,放射治療的時間劑量分割模式,臨床放射生物學中的4R理論：晚反應組織對分割劑量的變化比早反應組織更為敏感，修復亞致死損傷的時間也較長。分次照射期間，細胞周期時相再分布對快速增殖組織有增敏作用。分次照射期間乏氧細胞再氧合是迅速的，起到腫瘤組織自身增敏作用。早反應組織和腫瘤組織都有很強

21、的再增殖能力，但是前者的加速再增殖發(fā)生得更早，峰值更高。,臨床放射生物學中的4R理論,,,,redistribution,repopulation,repair,reoxygenation,,,,,sensitive,resistant,,分次照射殺滅腫瘤細胞和保護正常細胞原理,分次放療中，正常組織通過再群體化和亞致死損傷修復得到保護，腫瘤組織通過細胞周期的再發(fā)布和乏氧細胞的再氧合提高其輻射敏感性，從而提高治療比,分次照射中的時間劑量因

22、素,單次劑量 晚反應組織比早反應組織對分次劑量的變化更加敏感，加大分次劑量時，晚反應組織的損傷加重照射間隔時間 治療間隔時間取決于靶區(qū)內晚反應組織多長時間才能完成亞致死損傷的修復，一般為6h總治療時間 增加總治療時間能減輕正常組織的急性反應，但降低大部分腫瘤控制率,常規(guī)分割照射,單次劑量1.8-2.0Gy；每天一次，每次間隔24小時；每周照射5天，周六周日不照射（避免急性反應太重）；根據腫

23、瘤類型和情況決定照射總劑量，照射次數等于總劑量除于單次劑量；療程當中沒有特殊原因不中斷治療,非常規(guī)分割照射的生物學基礎,臨床上主要有三種類型① 超分割放療（hyperfractionated radiation therapy, HRT）②加速超分割放療（hyperfractionated accelerated radiation therapy, HART）③后程加速超分割放療,超分割放療,超分割放療的基本原理是使用小于常規(guī)

24、的分割劑量，提高后期反應組織的耐受劑量，在不增加后期反應組織損傷的基礎上提高總劑量，使腫瘤受到更高生物效應劑量的照射。根據這一原理，只有腫瘤的α/β值大于周邊危及器官后期反應組織的α/β值時，才適合超分割放療。多數人類腫瘤增殖較快，α/β值較大，但也有例外，如惡性黑色素瘤和滑膜肉瘤。,歐洲協(xié)作組EORTC 頭頸部腫瘤超分割臨床實驗,超分割80.5Gy /70次/7周（1.15Gy*2/d）與常規(guī)70Gy /35次/7周相比，腫瘤控

25、制和5年生存率升高為40%-59%，療效提高，而沒有明顯的增加副作用。此方案對口咽癌的優(yōu)點明顯。單次劑量的選擇應該在劑量效應曲線彎曲部分以上，來進一步減輕晚期損傷。,超分割放療,超分割放療的益處還包括增加細胞周期再分布機會和降低細胞殺滅對氧的依賴性，從而提高了腫瘤的放射敏感性。由于早期反應組織和多數腫瘤一樣具有較高的α/β值，在腫瘤殺滅效應提高的同時，急性反應不可避免地有所加重,加速超分割放療,加速超分割放療的基本原理是縮短總療程以

26、克服放療中腫瘤細胞加速再增殖，同時降低分割劑量以保護后期反應組織。在分次間隔時間足夠長的前提下，總療程時間與后期放射損傷的關系不大，急性反應由于每周劑量增加而明顯加重，因而成為這種分割方式的劑量限制性因素。,EORTC頭頸部腫瘤隨機前瞻臨床研究,方案是：72Gy /45次/5周（1.6Gy*3/d）中間休息2周，常規(guī)方案是2Gy*35次，70Gy/7周。結果：1.局部控制率提高15%；但生存率無明顯優(yōu)點 2.急性反應

27、增加 3.晚期反應增加（包括致死性并發(fā)癥） 4.純粹的加速治療在極端小心的情況下才能被使用。,加速超分割放療,連續(xù)加速超分割放療（continuous hyperfractionation accelerated radiation therapy, CHART）：是目前療程最短，周劑量最高的分割方案。試圖在腫瘤加速再增殖尚未開始或程度較輕時結束治療，同時降低總劑量以減輕急性反應。 同期小野加量加速超分

28、割放療（concomitant boost hyperfractionation accelerated radiation therapy, CBHART）：在大野（包括原發(fā)灶和淋巴引流區(qū)）照射的某一時期加用小野（僅包括臨床腫瘤灶），療程縮短限于臨床腫瘤，通過減少加速放療中正常組織的受照體積來減輕急性反應。,CHART臨床實驗,英國Mount Vernon醫(yī)院和Gray實驗室合作項目方案:36次/12天，每天3次間隔6小時，1.4-

29、1.5/次，總劑量50.4-54Gy。按常規(guī)標準它的總劑量偏低，治療時間很短，這一方案的思路是降低分次劑量以減輕晚期反應，縮短總治療時間以抑制腫瘤的增殖。,CHART臨床實驗的特點和結果,CHART方案特點：1.小劑量每次，36次2.總治療時間短，連續(xù)12天3.治療期間無休息，3次/d，間隔6小時4.1.4-1.5Gy/次，總劑量50.4-54Gy結果：1.腫瘤局部控制率是好的，因總治療時間短2.急性反應明顯，高峰在治

30、療完成后3.大部分晚期反應可以接受4.脊髓是例外，在50Gy出現嚴重的放射性脊髓病，因為6小時間隔時間對脊髓而言太短,加速超分割放療,分段加速超分割放療(split-course hyperfractionation accelerated radiation therapy, SCHART)：總療程短于常規(guī)放療，療程中插入休息時間以減輕急性反應。 后程加速超分割放療（late-course hyperfractionated a

31、ccelerated radiation therapy, LCHART）：有資料顯示腫瘤加速再增殖主要發(fā)生在后半療程。因此，療程前半段采用常規(guī)分割，后程縮野加速超分割照射，同時前半段常規(guī)放療刺激正常早期反應組織加速增殖，有利于后程耐受加速放療。,L-Q模型的假設前提和局限性,L-Q模型的前提假設分次照射期間，細胞的亞致死性損傷完全修復，且細胞沒有再增殖。L-Q模型不完全修復的修正，再L-Q模型中加入不完全修復系數（hm）。對于晚反

32、應組織L-Q模型只適用分次劑量為1-8Gy的范圍，腫瘤組織中多種不確定因素，如壞死，乏氧，均會影響α/β的準確性,生物劑量,劑量單位只是一個物理量，生物劑量是指生物體輻射反應程度的測量。物理劑量不能直接反應出生物效應不同治療中心計劃的優(yōu)劣是所用的是生物劑量，這些是物理劑量不能表達的因為我們的重要器官耐受量和腫瘤致死量都是在常規(guī)分割方式，通過放射生物實驗得出的，所以開展一個新的治療模式或者改變原有治療方案應與常規(guī)治療進行生物劑量等

33、效換算，以獲得最好的治療增益。,LQ模型推導,E/?即為等效生物劑量（biologically equivalent dose, BED），單位Gy，式中影響放射生物效應的因素有總劑量D、分割劑量d和α/β值 。E/?＝nd[1+d/(α/β)]，D=nd。不同分割方式達到同樣的生物效應，則各方式的等效生物劑量相等?？倓┝繉Ψ派湫挠绊懖谎远鳎指顒┝繉Ψ派渖镄挠绊懪c組織的α/β值密切相關，式中d/(α/β)反映的

34、是分割劑量的變化對不同α/β值組織的影響，即分割放射敏感性，稱為單位劑量相對生物效應（relative effectiveness per unit dose, RE）。,LQ模型的衍生公式,LQ模型的基本公式僅在以下假設成立時方可應用 ①每次照射后的亞致死性損傷完全修復； ②每次照射產生的生物效應相似； ③在療程中沒有細胞的增殖； ④細胞周期的自我增敏忽略不計。,LQ模型的衍生公式,LQ模型必須加入不完全修復

35、因子（Hm）和反映細胞增殖因素的時間因子f(T)才符合臨床放療的實際情況 不完全修復 BED＝D[1+d(1+Hm)/(α/β)]時間因子 S＝e -nd(α＋βd)＋f(T) E＝nd（?＋?d）－f(T) E/?＝nd[1+d/(α/β)]-f(T)/α BED＝D[1+d/(α/β)]-f(T)/α BED＝D[1+d/(α/β)]-(0.693/α)·(T-Tk)/Tpot ；,LQ模

36、型的衍生公式,總的效應 BED＝D[1+d(1+Hm)/(α/β)]-(0.693/α)·(T-Tk)/TpotT為總療程時間；TK為從第一次照射到加速再增殖開始的時間，文獻報道為1-30天，通常取14天。Tpot為潛在倍增時間。Hm為未修復損傷，這個由T1/2時間決定。,LQ模型的衍生公式,Tpot為潛在倍增時間，各部位腫瘤Tpot中位天數和范圍如下： 頭頸部癌4.2和5.5（1.8-30）、頭頸部鱗癌DNA整倍體7.

37、35（2.9-15）、非整倍體4.35（2.1-8）、宮頸癌4.5（2.9-6）、結直腸癌5.9（2-25）、食管癌6.8（2.7-9）、肺癌7（4.2-30）、胃癌9.8（6.8-14）；α值在0.2-0.4Gy-1，一般取0.3 Gy-1,LQ模型的臨床應用,LQ模型在臨床上的應用主要是在考慮不同時間-劑量-分割放療方案時，計算各種組織的等效劑量，目的是根據正常組織尤其是后期反應組織和腫瘤組織之間α/β值的差異，在改變分割方案時改

38、進治療比。動物實驗表明在1-10Gy分割劑量范圍內，L-Q方程能較好地反映不同分割方案的等效應關系。,LQ模型的臨床應用,臨床應用LQ模型進行等效應換算時必須非常謹慎。原因如下 ①衍生公式中加入了不完全修復因子和時間因子，但是細胞周期時相再分布造成的放射敏感性差異沒有考慮在內；②LQ模型假設每次照射產生的生物效應相等，由于G2/M阻滯和隨后的細胞周期再分布以及乏氧細胞氧合等因素，使得這一假設與實際情況存在差異；,LQ模型的臨床應用

39、,③LQ模型最主要的參數α/β、Hm和Tpot大部分來自動物實驗，由于腫瘤異質性的客觀存在和實驗方法和技術尚有不完善之處，這些數據難以標準化和個體化；④理論推導的非常規(guī)分割放療方案與臨床實際應用結果之間有時缺乏一致性。,BED公式的臨床應用計算過程,例1.既往治療肺癌腦轉移常使用每次2.0Gy，每天1次，每周5天，總劑量40Gy的常規(guī)分割方案，現欲改為每天1次，每周5天，總療程3周的短療程方案。問：在保持相同的腫瘤放射生物效應時，新方

40、案的每次劑量和總劑量是多少？,BED公式的臨床應用計算過程,解：每天1次照射間隔為24小時，查表得Hm因子為0，肺癌α/β取50，兩個方案腫瘤放射生物效應相等，故有：BED1＝BED2 BED1＝D[1+d(1+Hm)/(α/β)]-(0.693/α)·(T-Tk)/Tpot ＝40[1+2(1+0)/50]-(0.693/0.3)·(25-14)/4 ＝40×1.04-6.35

41、3＝35.247 BED2＝D[1+3(1+0)/50]-(0.693/0.3)·(18-14)/4 ＝D×1.06-2.31＝35.247（BED1） D＝35.43Gy d＝35.43/15＝2.36Gy 答：總療程3周，每次2.36Gy，總劑量35.43Gy時，對腫瘤的生物效應與常規(guī)分割40Gy相等。,BED公式的臨床應用計算過程,例2. RTOG采用每次1.2Gy，每天2次，間隔6

42、小時，每周5天，總療程6周，總劑量72Gy的超分割方案。假設受劑量限制的后期反應組織α/β＝3，T1/2＝1.5小時。作為后期放射損傷等效的常規(guī)分割方案（2Gy/次/天）的總劑量是多少？,BED公式的臨床應用計算過程,解：由于后期反應組織在療程中很少或沒有細胞增殖，故時間因素忽略不計。 BED1＝D[1+d(1+Hm)/(α/β)] ＝72[1+1.2(1+0.0625)/3] ＝101.52 BED2＝D[1+2(1+