腫瘤的放射敏感性

腫瘤放射治療

上海交通大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院腫瘤科放療組

王春剛報(bào)告內(nèi)容放療研究背景放射治療程序不同的放療方式射線的物理測(cè)量放射生物學(xué)放療、化療結(jié)合思考題研究背景放療是至今生物學(xué)研究最徹底的物理治療放療是至今設(shè)備發(fā)展最完善的物理治療放射治療程序－見(jiàn)徐志勇的PPT放療是系統(tǒng)工程：需要一系列設(shè)備、儀器，需要一套固定工作人員做一名好的放療醫(yī)生需要敬業(yè)精神和合作精神放療是一門科學(xué)、也是一門藝術(shù)不同的放療方式根治性治療：是指以根治腫瘤為目的的方案。一般對(duì)較早的腫瘤，或者還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的腫瘤，一般情況好，無(wú)嚴(yán)重合并癥，有可能根治的腫瘤。姑息放療：患者已處疾病晚期，一般情況較差或者已經(jīng)有全身或局部轉(zhuǎn)移，對(duì)根治的希望不大，只能給予姑息放療，使腫瘤生長(zhǎng)暫時(shí)受到抑制，或者是減輕癥狀。這時(shí)放療實(shí)際上是為了減輕癥狀，使患者有較好的生活質(zhì)量，如對(duì)骨轉(zhuǎn)移的疼痛予以放療止痛也是屬于姑息性放療，這種情況下，一般達(dá)到目的就可以停止放射治療。還有一些病人，原來(lái)預(yù)期效果不好，先給予姑息性放射治療，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的治療后，反應(yīng)較好也可予以足量的根治放療。預(yù)防性放療：這里特別指的是亞臨床灶的預(yù)防照射，如白血病、小細(xì)胞肺癌的預(yù)防性放療，鼻咽癌頸淋巴區(qū)的預(yù)防性放療。麥克斯韋電磁理論認(rèn)為光是一種電磁波，赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了光的電磁本性。電磁波是電場(chǎng)與磁場(chǎng)交互作用，而在空中產(chǎn)中產(chǎn)生的行進(jìn)波動(dòng)。電磁波可以在真空或在介質(zhì)中傳播。電磁波按波長(zhǎng)由大到小的順序排列為：無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線。射線的物理測(cè)量X線與物質(zhì)的相互作用

主要：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)X線與人體組織相互作用，在人體內(nèi)X線劑量分布電離輻射的劑量測(cè)量

人們關(guān)心腫瘤組織內(nèi)能量吸收的多少，即腫瘤的吸收劑量。腫瘤吸收劑量大小取決于射線的性質(zhì)，用射線的質(zhì)和量來(lái)描述——射線的質(zhì)：表示射線穿透物質(zhì)的能力，稱射線的硬度，用能量表示，如MV、MeV；射線的量：表示放射線的強(qiáng)度，吸收劑量單位過(guò)去用拉德(rad)，現(xiàn)用戈瑞(Gy)表示，且1Gy＝100rad。(1Gy=100cGy)。物理測(cè)量設(shè)備體模材料的要求：對(duì)射線的散射和吸收的特性與人體組織的相同。常用的材料水。組織替代材料組成模體，模擬射線與人體組織或器官的相互作用的物理過(guò)程模體劑量準(zhǔn)確性要求：用來(lái)測(cè)量時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)水模體的結(jié)果偏差不能超過(guò)1％物理測(cè)量測(cè)量吸收劑量的常用方法是電離室法，即利用電離室首先測(cè)量電離輻射在介質(zhì)中所產(chǎn)生的電離電荷，然后計(jì)算得出吸收劑量。測(cè)量吸收劑量的其他方法包括量熱法，化學(xué)劑量計(jì)，熱釋光劑量計(jì)，半導(dǎo)體劑量計(jì)，膠片劑量計(jì)等。射野劑量學(xué)相關(guān)名詞放射源一般規(guī)定為放射源前表面的中心，或產(chǎn)生輻射的靶面中心等中心

準(zhǔn)直器旋轉(zhuǎn)軸、治療床旋轉(zhuǎn)軸、與機(jī)架旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)照射野幾何意義：射線束經(jīng)準(zhǔn)直器后垂直通過(guò)模體的范圍，用模體表面的界面大小表示照射野的面積；劑量學(xué)和物理學(xué)意義：輻射范圍內(nèi)，相對(duì)中心軸劑量50％等劑量線所包含的區(qū)域高能X線表面到最大劑量深度區(qū)域稱為建成區(qū)域，建成區(qū)PDD隨深度增加而增加；最大劑量點(diǎn)深度之后，PDD隨深度增加而緩慢變小。不同能量的X射線的劑量建成情況

a22MVX-Ray b4MVX-Ray c1MVXRay d200kVX-Ray e140kVX-Ray

fCo-60放射線的生物學(xué)效應(yīng)

生物的放射效應(yīng)主要表現(xiàn)在體內(nèi)生物大分子如核酸、蛋白質(zhì)的損傷。其中DNA是關(guān)鍵靶點(diǎn)。放射線引起的電離輻射對(duì)DNA分子的損傷機(jī)制分為直接和間接兩種作用。直接作用是指射線直接損傷DNA分子，引起堿基破壞、單鏈或雙鏈斷裂、分子交聯(lián)等，間接作用指射線首先與細(xì)胞內(nèi)的其他原子或分子（主要是水分子），產(chǎn)生自由基，后者再和DNA作用。人體內(nèi)存在DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，可以修復(fù)射線造成的損傷。細(xì)胞的放射敏感性在放射生物學(xué)上，鑒別存活的標(biāo)準(zhǔn)是：照射后的細(xì)胞是否保留無(wú)限繁殖能力。凡是失去無(wú)限繁殖能力，不能產(chǎn)生子代的細(xì)胞稱為非存活細(xì)胞，就是所說(shuō)的細(xì)胞死亡；而保留繁殖能力，能無(wú)限地產(chǎn)生子代的細(xì)胞稱為存活細(xì)胞。細(xì)胞存活這個(gè)定義可反映腫瘤放療后的效果，是鑒定療效的較好的指標(biāo)。人體組織器官的放射敏感性

人體組織器官對(duì)放射線的敏感性，與其組成細(xì)胞的繁殖能力成正比，與細(xì)胞分化程度成反比，就是說(shuō)細(xì)胞繁殖能力越強(qiáng)的組織器官越敏感，細(xì)胞分化程度越低的器官越敏感；在一定劑量下與面積有關(guān)，即身體受照射的面積越大，反應(yīng)越大。按組成細(xì)胞的繁殖和分化能力，可以將組織器官劃分為敏感性高、敏感性較高、中度敏感、敏感性較低和敏感性低5類。腫瘤的放射敏感性

在影響腫瘤的放射感性的各種因素中，腫瘤組織的細(xì)胞起源和分化是主要因素。起源于放射敏感組織的腫瘤對(duì)放射線的敏感性較高，分化程度越差的腫瘤其放射線敏感性也越高。腫瘤細(xì)胞群內(nèi)有在增殖周期的細(xì)胞（G1-S-G2-M）、靜止細(xì)胞（G0）、終末分化細(xì)胞、死亡細(xì)胞。細(xì)胞群按一定的增殖動(dòng)力學(xué)變化，按其生長(zhǎng)率可用倍增時(shí)間來(lái)表示，它既受腫瘤外界環(huán)境影響，也受細(xì)胞增殖率（細(xì)胞周期時(shí)間）和細(xì)胞丟失率等內(nèi)在因素的影響。對(duì)人體腫瘤的觀察，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞增殖率和細(xì)胞丟失率與放射敏感性之間有明顯的關(guān)系，凡平均生長(zhǎng)速度快、細(xì)胞更新率高的腫瘤，對(duì)放射也較敏感。腫瘤細(xì)胞群受打擊后有其本身的，與正常組織不同的反應(yīng)體系，腫瘤細(xì)胞群的放射損傷修復(fù)能力較低。所以臨床上可以利用放射線對(duì)各種組織器官的正常細(xì)胞和腫瘤群的不同影響的損傷，以及它們恢復(fù)能力的差別，使放療在正常組織能夠耐受的條件下最大限度地殺滅腫瘤細(xì)胞。分割放療中的生物學(xué)因素

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，以臨床實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的分割放射治療-每周5次，每次2Gy，被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的方法。隨著放射生物學(xué)研究的進(jìn)展，目前更為靈活合理。著名放射生物學(xué)家Withers指出，臨床放射治療醫(yī)生在設(shè)計(jì)分次治療方案時(shí)，應(yīng)注意把握兩個(gè)要點(diǎn)：生物學(xué)的合理性和處方劑量設(shè)定的科學(xué)性；必須了解影響分次放射治療的生物學(xué)因素?！?Rs”概念是重要環(huán)節(jié)。

4R細(xì)胞放射損傷的修復(fù)(Repairofradiationdamage)：周期內(nèi)細(xì)胞時(shí)相的再分布（Redistributionwithinthecellcycle）氧效應(yīng)及乏氧細(xì)胞的再氧合（Theoxygeneffectandreoxygenation

）再群體化(Repopulation)一放射損傷的修復(fù)放射損傷是分割放療中最普遍的生物學(xué)現(xiàn)象。亞致死損傷的修復(fù)：指假如將某一即定單次照射劑量分成間隔一定時(shí)間的兩次時(shí)所觀察到的存活細(xì)胞增加的現(xiàn)象。細(xì)胞能在3小時(shí)內(nèi)完成這種修復(fù)，將其稱之為亞致死損傷修復(fù)。潛在致死損傷（PLD）：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。PLD的修復(fù)主要發(fā)生在G0期細(xì)胞中，表現(xiàn)為低LET射線照射后經(jīng)過(guò)一定條件和時(shí)間，細(xì)胞存活率增高。某些腫瘤在慢增殖過(guò)程中G0期細(xì)胞含量高，因此，PLD的修復(fù)增強(qiáng)，這可能是分割治療中腫瘤復(fù)發(fā)的來(lái)源。高LET射線照射后細(xì)胞沒(méi)有亞致死損傷的修復(fù)和潛在致死損傷的修復(fù)。

影響潛在致死損傷修復(fù)的因素細(xì)胞所處的周期時(shí)相，如果照射后6小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間細(xì)胞沒(méi)有分裂則會(huì)發(fā)生潛在致死損傷的修復(fù)，這表現(xiàn)為細(xì)胞存活增高。這種修復(fù)現(xiàn)象在離體實(shí)驗(yàn)可用照射后6小時(shí)的平臺(tái)期來(lái)證實(shí)，在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，可用動(dòng)物腫瘤或正常組織細(xì)胞的分析以及移動(dòng)延緩來(lái)證實(shí)。潛在致死損傷修復(fù)對(duì)臨床放射治療是重要的，研究提示，某些放射耐受的腫瘤可能與它們的潛在致死損傷修復(fù)能力有關(guān)。即放射敏感的腫瘤潛在致死損傷修復(fù)不充分而放射耐受腫瘤具有較為充分的潛在致死損傷修復(fù)機(jī)制。放療增敏目前臨床放療常用的稀疏電離射線產(chǎn)生的DSBs較容易被修復(fù)，但如果DNA損傷點(diǎn)在時(shí)間和空間上距離很近，就會(huì)增加未修復(fù)和錯(cuò)誤修復(fù)的幾率，提高腫瘤細(xì)胞死亡率。順鉑、阿霉素、VP-16和博來(lái)霉素等化療藥均能導(dǎo)致DSBs，當(dāng)與射線共同應(yīng)用時(shí)即產(chǎn)生上述效果，表現(xiàn)為阻止分割放療期間亞致死性損傷和潛在致死性損傷的修復(fù)。近期研究顯示，鉑類藥物可干擾切除修復(fù)和非同源末端連接，使可修復(fù)的DSBs轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢尚迯?fù)，從而增敏放療采用高LET射線照射放療耐受腫瘤高LET射線的OER低，沒(méi)有或較少有SLD和PLD的修復(fù)。高LET射線是具有Bragg峰型特點(diǎn)的粒子射線，例如快中子、質(zhì)子和重離子等。臨床使用改變粒子入射能量和外加濾過(guò)器的方法，可以加寬峰區(qū)范圍，適應(yīng)特定部位腫瘤的治療。用單一射野，就可能獲得理想的劑量分布，簡(jiǎn)化了射野的設(shè)計(jì)，提高了腫瘤治療劑量的準(zhǔn)確性。以上情況，充分說(shuō)明高LET射線對(duì)提高放射療效的優(yōu)越性。二周期內(nèi)細(xì)胞時(shí)相的再分布離體培養(yǎng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，處于不同周期時(shí)相的細(xì)胞放射敏感性是不同的，總的傾向是

S期的細(xì)胞（特別是晚S期）是最耐受的

G2和M期的細(xì)胞是最放射敏感的?？赡艿脑蚴牵珿2期細(xì)胞在分裂前沒(méi)有充足的時(shí)間修復(fù)放射損傷。用S期特異性藥物處理后細(xì)胞周期的再分布

a.照射后即刻存活克隆源細(xì)胞的分布

b.殺滅S期細(xì)胞的藥物阻斷細(xì)胞進(jìn)入S期、G1期堆積

c.細(xì)胞恢復(fù)并移動(dòng)通過(guò)S期處于半同步化d.藥物的第二個(gè)劑量效應(yīng)最大

細(xì)胞周期再分布的意義一般認(rèn)為，分次放射治療中存在著處于相對(duì)放射抗拒時(shí)相的細(xì)胞向放射敏感時(shí)相移動(dòng)的再分布現(xiàn)象，這有助于提高放射線對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效果。如果未能進(jìn)行有效的細(xì)胞周期內(nèi)時(shí)相的再分布，則也可能成為放射抗拒的機(jī)制之一。氟脲密啶（5-Fu）細(xì)胞水平上放射增敏的機(jī)制之一是可以殺傷對(duì)放射線不敏感的S期細(xì)胞。氟脲密啶較短半衰期的特點(diǎn)要求持續(xù)靜脈滴注才能保證其增敏作用的發(fā)揮。三.氧效應(yīng)及乏氧細(xì)胞的再氧合（Theoxygeneffectandreoxygenation）氧的重要性早期的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞對(duì)電離輻射的效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于氧的存在（Gray1953,WrightandHoward-Flanders1957）。氧效應(yīng)人們把氧在放射線和生物體相互作用中所起的影響，稱為氧效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，氧效應(yīng)只發(fā)生在照射期間或照射后數(shù)毫秒內(nèi)。隨著氧水平的增高放射敏感性有一個(gè)梯度性增高，最大變化發(fā)生在0-20mmHg氧增強(qiáng)比把在乏氧及空氣情況下達(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（OxygenEnhancementRatioOER），通常用OER來(lái)衡量不同射線氧效應(yīng)的大小。氧效應(yīng)的機(jī)制比較公認(rèn)的理論是“氧固定假說(shuō)（OxygenFixationHypothesis）即當(dāng)帶電粒子穿過(guò)生物物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生許多電子對(duì)，這些電子對(duì)壽命極短，約為10–10秒，當(dāng)生物物質(zhì)吸收了放射線以后形成自由基。這些自由基是高活度分子，能擊斷化學(xué)鍵造成靶分子的損傷（通常是DNA），從而啟動(dòng)一系列事件并最終以損傷的形式表達(dá)出來(lái)。在有氧存在的情況下，氧與自由基R作用形成有機(jī)過(guò)氧基（RO2），它是靶物質(zhì)的不可逆形式，于是損傷被化學(xué)固定下來(lái)，因此認(rèn)為氧對(duì)照射的損傷起了“固定”作用稱之為“氧固定假說(shuō)”。腫瘤乏氧和乏氧細(xì)胞首先指出實(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。那些處于即將壞死邊緣部位的細(xì)胞但仍有一定活力的細(xì)胞稱為乏氧細(xì)胞。乏氧細(xì)胞的再氧合直徑<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。再氧合單次照射腫瘤，其中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。然后乏氧細(xì)胞逐漸下降并接近初始值，這種現(xiàn)象稱為再氧合。四.再群體化（Repopulation）損傷之后，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)程稱做再群體化。這一概念早先用于描述正常組織損傷之后的恢復(fù)過(guò)程。再群體化效應(yīng)可以被增殖層次細(xì)胞的缺失或非增殖性功能細(xì)胞層的缺失所啟動(dòng)。再群體化的概念也用于腫瘤，但涵義有所不同。照射或使用細(xì)胞毒性藥物以后，可啟動(dòng)腫瘤內(nèi)存活的克隆源細(xì)胞，使之比照射或用藥以前分裂得更快，這稱之為加速再群體化（acceleratedrepopulation）。加速再群體化在臨床上，人的腫瘤也存在著相似現(xiàn)象。Withers及其同事總結(jié)了頭頸部腫瘤的文獻(xiàn)，分析了達(dá)到50%控制劑量(TCD50)與分次治療總時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果提示:

人腫瘤干細(xì)胞的再群體化在開(kāi)始治療后的28天左右開(kāi)始加速。因此每天增加0.6Gy是需要的，以補(bǔ)償加速再群體化所損失的效益。受照射組織的再群體化反應(yīng)的啟動(dòng)時(shí)間在不同組織之間有所不同。放射治療期間存活的克隆源性細(xì)胞