電離輻射的細(xì)胞和組織效應(yīng)

電離輻射的細(xì)胞和組織效應(yīng)中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院放療科楊偉志臨床放射生物學(xué)在放射治療中的作用和地位“生物學(xué)”與“醫(yī)學(xué)”“微觀”與“宏觀”“經(jīng)典理論”的現(xiàn)實(shí)意義臨床放射生物學(xué)在放射治療中的作用和地位從實(shí)驗(yàn)室到臨床的橋梁提供理論基礎(chǔ)，闡述放射治療的生物學(xué)原理治療策略及驗(yàn)證個(gè)體化放射治療方案的研究和設(shè)計(jì)一輻射生物效應(yīng)的時(shí)標(biāo):(Thetime-scaleofeffectsinradiationbiology)

不同水平生物效應(yīng)的發(fā)生時(shí)間、順序、過(guò)程（細(xì)胞死亡需數(shù)天到數(shù)月，輻射致癌作用需數(shù)年，可遺傳的損傷需經(jīng)數(shù)代才能觀察到物理吸收過(guò)程（10-15秒內(nèi)結(jié)束）?；瘜W(xué)過(guò)程（DNA殘基的存在時(shí)間10-3到10-5）秒）。生物學(xué)過(guò)程

二.電離輻射的直接作用和間接作用電離輻射的直接作用任何形式的輻射，X（）射線，帶電或不帶電粒子被生物物質(zhì)吸收后都可能與細(xì)胞的關(guān)鍵靶DNA直接發(fā)生作用，DNA本身的原子可以被電離或激發(fā)從而導(dǎo)致一系列生物變化的事件，這被稱為輻射的直接作用。高LET射線（如中子、粒子）主要是直接作用電離輻射的直接作用和間接作用電離輻射的間接作用輻射也可與細(xì)胞內(nèi)的其它原子或分子（特別是水）相互作用，產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，達(dá)到并損傷關(guān)鍵靶DNA，這被稱為電離輻射的間接作用。自由基是一種游離的原子或分子，外層攜帶不成對(duì)軌道電子。從入射光子的吸收到最終生物效應(yīng)的產(chǎn)生，X射線的間接作用：

入射X射線光子|快速電子|離子自由基(H2o

H2o++e

)|自由基(H2o++H2o

H3o++OH

)|高活性由化學(xué)鍵斷裂引起的化學(xué)變化|生物效應(yīng)

OH

插圖三.電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)分子水平DNA鏈損傷DNA鏈修復(fù)細(xì)胞水平

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)輻射誘導(dǎo)的DNA損傷及修復(fù)研究顯示：DNA是引起一系列生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵靶。DNA鏈斷裂的主要形式單鏈斷裂雙鏈斷裂插圖

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)DNA鏈斷裂的修復(fù)DNA單鏈斷裂的修復(fù)以對(duì)側(cè)鏈為模板，是一種可完全修復(fù)的分子損傷DNA雙鏈斷裂的修復(fù)可修復(fù)的雙鏈斷裂（彼此分開間隔一段距離）不可修復(fù)的雙鏈斷裂（發(fā)生在對(duì)側(cè)互補(bǔ)堿基或僅間隔幾個(gè)堿基對(duì)--染色體折成兩段）電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)DNA雙鏈斷裂的修復(fù)兩個(gè)基本過(guò)程同源重組（Homologousrecombination)在修復(fù)中需要未受損的DNA鏈參與，末端與末端經(jīng)非同源重組相接。非同源重組（nonhomologous(Illegitimate)recombination沒有模板存在，無(wú)法指導(dǎo)縫隙的填充。因此容易發(fā)生錯(cuò)誤。所以也稱之為非法重組插圖

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)輻射所致的細(xì)胞死亡.兩種主要形式分裂間期死亡（細(xì)胞在進(jìn)行下一次分裂前死亡）有絲分裂死亡

(增殖性死亡）指由于染色體的損傷，細(xì)胞在試圖分裂時(shí)發(fā)生死亡。死亡可發(fā)生在照射后的第一次或以后的幾次分裂。是電離輻射引起細(xì)胞死亡的最常見形式，

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)輻射引起細(xì)胞死亡的關(guān)鍵靶在細(xì)胞核放射性同位素（如3H,125I）摻入核DNA可有效地造成DNA損傷并殺死細(xì)胞。受放射線照射后染色體畸變率與細(xì)胞死亡密切相關(guān)。當(dāng)特異地把胸腺嘧啶類似物，如碘脫氧尿核苷或溴脫氧尿核苷摻入染色體時(shí)可修飾細(xì)胞的放射敏感性電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)放射生物對(duì)細(xì)胞死亡的基本認(rèn)識(shí)：一般意義的細(xì)胞死亡（celldeath)，細(xì)胞再繁殖完整性的丟失(lossofreproductiveintegrityoftumorcells)兩者在概念上存在著根本意義上的不同，放射可治愈性結(jié)局的最主要依據(jù)是后者。放射治療對(duì)受照射后的存活細(xì)胞更加關(guān)注，因這對(duì)放射可治愈性非常重要細(xì)胞存活曲線描述放射線照射劑量和細(xì)胞存活比之間的關(guān)系，關(guān)注的是：一定劑量照射以后對(duì)克隆源細(xì)胞而不是細(xì)胞群任意細(xì)胞的殺滅電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線放射生物學(xué)規(guī)定：鑒別“細(xì)胞存活”的唯一標(biāo)準(zhǔn)是照射后細(xì)胞是否保持再繁殖的完整性，即所分析的是克隆源細(xì)胞的增殖活性而不是受照射群體中任意細(xì)胞的功能活性MTT法、染料除外等方法均不被認(rèn)可電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線克隆源細(xì)胞（clonogeniccell)指具有生成“克隆”能力的原始存活細(xì)胞。在離體培養(yǎng)細(xì)胞：這種無(wú)限增殖能力體現(xiàn)為形成一個(gè)完整的50個(gè)細(xì)胞的克隆在體內(nèi)：體現(xiàn)為腫瘤體積的不斷增大、復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移在這個(gè)“細(xì)胞存活”的嚴(yán)格定義下，提示臨床必須重視這種存活細(xì)胞，這種具有無(wú)限增殖能力的細(xì)胞是在治療中必須根除的細(xì)胞電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線細(xì)胞形成克隆的能力被稱為“細(xì)胞存活”輻射所致的細(xì)胞殺滅是指數(shù)性的，指數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)：增加一定劑量就有一定比例的細(xì)胞而不是數(shù)量的細(xì)胞被殺死電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線主要實(shí)驗(yàn)方法和步驟細(xì)胞培養(yǎng)，--指數(shù)生長(zhǎng)期或相對(duì)密度生長(zhǎng)期（平臺(tái)期）測(cè)定細(xì)胞系的克隆形成率（Platingefficiency,PE)測(cè)定照射后細(xì)胞的存活分?jǐn)?shù)(survivingfraction,SF)根據(jù)各照射劑量點(diǎn)的存活分?jǐn)?shù)作圖繪制細(xì)胞存活曲線，計(jì)算曲線參數(shù)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原則及注意事項(xiàng)實(shí)驗(yàn)所采用的細(xì)胞系應(yīng)具有一定的克隆形成率（50-90%）應(yīng)設(shè)6-8個(gè)照射劑量點(diǎn)，肩區(qū)點(diǎn)要夠（應(yīng)包括0，1Gy,2Gy)，以保證低劑量區(qū)效應(yīng)的準(zhǔn)確性電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線根據(jù)細(xì)胞類型，高劑量區(qū)的終末劑量點(diǎn)應(yīng)夠大，是細(xì)胞殺滅達(dá)到一定數(shù)量級(jí)根據(jù)細(xì)胞周期時(shí)間確定合適的培養(yǎng)時(shí)間（9-14天），培養(yǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)細(xì)胞會(huì)因營(yíng)養(yǎng)不良而脫落電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線克隆培養(yǎng)用容器不應(yīng)太?。ú毁澇墒褂每装搴蛿U(kuò)散盒等），以60-100mm平皿最常用，容器太小所能容納的細(xì)胞數(shù)不足以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，且難以分散均勻?？寺⌒纬善陂g不能換液，以保證克隆形成的準(zhǔn)確性。電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線應(yīng)計(jì)數(shù)大于50個(gè)細(xì)胞以上的克隆選擇合適的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行曲線擬合，應(yīng)注意不同模型間的參數(shù)不能互用實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析只能采用存活曲線參數(shù)間的比較，不能用單劑量點(diǎn)存活分?jǐn)?shù)直接比較（因放射生物分析的是產(chǎn)生相等效應(yīng)所需的照射劑量，不是相同劑量產(chǎn)生的效應(yīng)差別）電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線細(xì)胞存活曲線的形狀指數(shù)存活曲線

對(duì)于致密電離輻射（如中子、粒子），照射后細(xì)胞存活曲線用單靶單擊數(shù)學(xué)模型擬合后，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上是一條直線，呈指數(shù)型。非指數(shù)存活曲線

對(duì)稀疏電離輻射（射線、射線等），照射后細(xì)胞存活曲線的起始部（低劑量段）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上有一個(gè)有限的初斜率，在肩段存活曲線出現(xiàn)彎曲，在高劑量段存活曲線又趨于直線電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線指數(shù)存活曲線的數(shù)學(xué)模型單靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)數(shù)學(xué)表達(dá)式：SF=e-

De為自然對(duì)數(shù)的底；為與射線的質(zhì)及放射敏感性有關(guān)的常數(shù)曲線參數(shù)：D0平均致死劑量電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線非指數(shù)存活曲線的數(shù)學(xué)模型多靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)由Elkind和Whitmore提出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：SF=1-(1-e-kD)N曲線參數(shù)：D0平均致死劑量Dq準(zhǔn)閾劑量N外推數(shù)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線線性二次模型（linear-quadraticmodel)線性二次模型假設(shè)，輻射殺滅細(xì)胞有兩部分，一部分與照射劑量成比例，另一部分與照射劑量的平方成比例。數(shù)學(xué)表達(dá)式S=e-D-D2S是照射劑量為D時(shí)的細(xì)胞存活，和是常數(shù)。細(xì)胞周期時(shí)相與放射敏感性細(xì)胞周期的基本概念一個(gè)世紀(jì)以前，人們已了解到多細(xì)胞動(dòng)物細(xì)胞繁殖的基本機(jī)制是有絲分裂哺乳動(dòng)物細(xì)胞通過(guò)有絲分裂繁殖和傳代一個(gè)細(xì)胞分裂