臨床放射生物學(xué)-醫(yī)學(xué)課件

1臨床放射生物學(xué)

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教材來源：中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社2008年2月第一版3

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

臨床放射生物學(xué)在放射治療中的地位和作用放射治療是實(shí)體惡性腫瘤根治性手段之一，而且預(yù)計(jì)還會(huì)延續(xù)今后相當(dāng)長的時(shí)間。臨床放射生物學(xué)是放射生物學(xué)的一個(gè)分支，主要是研究人類腫瘤及正常組織在放射治療中的生物學(xué)問題。是放射腫瘤學(xué)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)之一。作用：1.提供理論基礎(chǔ)；2.治療策略的實(shí)證研究；3.個(gè)體化放療方案的研究和設(shè)計(jì)。5

輻射生物效應(yīng)的時(shí)間標(biāo)尺

引自GGSteel.Basisclinicradiobiology6

物理階段主要指帶電粒子和構(gòu)成組織細(xì)胞的原子之間的相互作用。“能量包”("packets"ofenengy)的概念。7

化學(xué)階段指受損傷的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)鍵斷裂和自由基(freeradicals)的形成，這些自由基是高度活躍的。這個(gè)階段的重要特點(diǎn)是，清除反應(yīng)（scavengingreaction)和固定反應(yīng)（fixationreaction）。8

生物階段包括所有繼發(fā)過程。DNA損傷后結(jié)果:1.成功修復(fù)，2.死亡，需要一定時(shí)間，3.畸變？干細(xì)胞殺滅。代償性細(xì)胞增殖效應(yīng)（正常組織和腫瘤組織均存在）。繼發(fā)腫瘤（輻射致癌）放射損傷表現(xiàn)之一。9

電離輻射的生物效應(yīng)的作用電離輻射的生物效應(yīng)是由于DNA損傷導(dǎo)致的，DNA是關(guān)鍵靶。直接作用間接作用10

直接作用任何形式的輻射，X射線或γ射線，帶電或不帶電粒子被生物物質(zhì)吸收后都有可能與細(xì)胞的關(guān)鍵靶DNA直接發(fā)生作用，靶原子本身的原子可以被電離或激發(fā)從而啟動(dòng)一系列導(dǎo)致生物變化的時(shí)間，就稱作輻射的直接作用(directactionofradiation)。11

間接作用輻射也可以與細(xì)胞內(nèi)的其他原子或分子（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(indirectactionofradiation)。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，具有高度的化學(xué)活性。12

電離輻射的直接作用和間接作用

圖自ETHaii.Radiologyfortheradiologity13

水的射解當(dāng)X線、γ線、帶電粒子（如電子或質(zhì)子）與水分子作用時(shí)，水分子會(huì)被輻射電離。可表示為：

H2OH2O++e-H2O+既是離子基，也是自由基，具有高度活性。在水中，離子基與其他水分子反應(yīng)形成高活性的氫氧自由基（OH.）

H2O++H2O=H3O++OH.

據(jù)統(tǒng)計(jì)，X線對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞DNA的損傷，約2/3是由氫氧自由基所致。

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注:(a電離輻射引起水分解成自由基(b)水自發(fā)性離解作用15

水的射解階段示意圖16

X線間接作用的過程簡述入射X線光子

10-15秒快速電子

10-10秒離子自由基

10-9秒自由基

10-5秒由化學(xué)鍵斷裂引起的化學(xué)變化數(shù)小時(shí)數(shù)年生物效應(yīng)17

射線質(zhì)與相對(duì)生物效應(yīng)電磁輻射線（X線和γ線）放射線離子輻射線（電子、中子、質(zhì)子等）比較射線的質(zhì)，用“線性能量傳遞（LinearEnergyTransfer,LET）“的概念。比較不同LET生物效應(yīng)的差別，用“相對(duì)生物效應(yīng)（RelativeBiologicEffectiveness,RBE）”的概念。18

線性能量傳遞（LET）國際輻射委員會(huì)（TheInternationalCommissiononRadiologicUnits）在1962年定義了LET：在介質(zhì)中帶電粒子的LET是dE/dL的商。即LET在單位長度徑跡上能量的傳遞，衡量單位是：每微米單位密度物質(zhì)的千電子伏特(keV/μm）LET=dE/dL19

相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）經(jīng)典“相對(duì)生物效應(yīng)”的定義是：以250kV的X線為參照，產(chǎn)生相等生物效應(yīng)所需的X線劑量與被測試射線的劑量之比。RBE=D250/DT劑量是對(duì)單位質(zhì)量所吸收能力的測量。在放射治療中的吸收劑量以“gray（Gy）”為單位的物理量。半數(shù)致死量（LD50）。20

LET與RBELET的相對(duì)生物效應(yīng)，是指產(chǎn)生同等的生物效應(yīng)所需要的低LET射線參考輻射劑量與高LET射線的輻射劑量之比。低LET射線參考輻射劑量RBE=-

高LET射線的輻射劑量隨著LET的增高，每“Gy”照射劑量殺滅的細(xì)胞數(shù)目就會(huì)更多。但是RBE并不是固定的，可能隨著所設(shè)定照射方案發(fā)生相關(guān)變化。21

圖中顯示，隨著LET增高，細(xì)胞存活幅度下降。但是，LET更高（2.5MeVα粒子，165KeV/μm）細(xì)胞殺滅幅度卻減少。22

圖中顯示，當(dāng)LET增高至100keV/μm以上時(shí)RBE也開開始下降，提示了超殺效應(yīng)(overkilleffect).RBE與LET射線的關(guān)系及特高LET射線的超殺效應(yīng)23

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)1.輻射誘導(dǎo)的DNA損傷及修復(fù)2.輻射所致的細(xì)胞死亡3.細(xì)胞存活曲線4.細(xì)胞周期時(shí)相與放射敏感性24

輻射誘導(dǎo)的DNA損傷及修復(fù)

單鏈斷裂-修復(fù)；兩個(gè)雙鏈斷裂-死亡、突變、致癌。電離輻射引起的DNA單鏈斷裂和雙鏈斷裂圖自EJHallRadiobiologyfortheradiologist25

雙鏈斷裂通過連個(gè)基本過程被修復(fù)，同源重組和非同源重組。圖自EJHallRadiobiologyfortheradiologist26

細(xì)胞死亡的概念輻射所致的細(xì)胞死亡的兩種形式：①間期死亡（interphasedeath），受大劑量照射是發(fā)生的分裂間期死亡（細(xì)胞在進(jìn)入一次分裂前死亡）；②有絲分裂死亡（mitoticdeath），由于染色體損傷，細(xì)胞在試圖進(jìn)行有絲分裂時(shí)死亡。死亡發(fā)生在照射后的幾次分裂之后，是一種增殖性死亡。27

細(xì)胞死亡的機(jī)制染色體DNA是關(guān)鍵靶用釙源短射程α粒子照射哺乳動(dòng)物細(xì)胞示意圖圖自EJHall.Radiologyfortheradiologist28

細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)的放射敏感性實(shí)驗(yàn)29

凋亡“凋亡”（apoptosis)作為輻射所引起的細(xì)胞死亡形式，它具有高度細(xì)胞類型依賴性的。淋巴細(xì)胞就容易在受到輻照之后通過凋亡途經(jīng)快速死亡的。30腫瘤放射生物學(xué)的基本原理是：細(xì)胞死亡（celldeath）與腫瘤細(xì)胞在繁殖完整性的丟失（lossofreproductiveintegrityoftumorcells）之間在概念上存在著根本意義上的不同，后者與放射可治愈性直接相關(guān)。臨床放射生物學(xué)始終把克隆源性細(xì)胞的存活比作為理解對(duì)腫瘤的控制。31

細(xì)胞存活曲線的概念細(xì)胞存活曲線（cellsurvivalcurves）：描述照射劑量和細(xì)胞存活分?jǐn)?shù)（survivingfraction）之間的關(guān)系，用以研究和評(píng)估電離輻射對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞增殖能力（即在繁殖完整性，reproductiveintegrity）的影響。32

細(xì)胞存活的概念臨床放射生物學(xué)規(guī)定：鑒別細(xì)胞存活的唯一標(biāo)準(zhǔn)是，受照射后細(xì)胞是否保留無限增殖能力，及是否具有再繁殖完整性。即使仍然能進(jìn)行幾次有絲分裂，但之后不能再無限分裂和產(chǎn)生大量子代細(xì)胞就可被視作死亡。反之，被視作存活。33

“克隆源性細(xì)胞”（clonogeniccell)在離體培養(yǎng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)體系中，細(xì)胞受照射后，一個(gè)存活的細(xì)胞可以分裂繁殖成一個(gè)細(xì)胞群體（≥50個(gè)細(xì)胞），稱為“克隆”。具有生成“克隆”能力的原始存活細(xì)胞就是“克隆源性細(xì)胞”（clonogeniccell)。如果臨床放射治療中，殘留了這種細(xì)胞將會(huì)面臨復(fù)發(fā)轉(zhuǎn)移的結(jié)局，也即是未達(dá)到治愈水平。34細(xì)胞培養(yǎng)皿中染色的細(xì)胞集落（克?。?5

離體細(xì)胞存活去想的實(shí)驗(yàn)方法1.細(xì)胞培養(yǎng)2.測定細(xì)胞系的單細(xì)胞克隆形成率(platingefficiency)3.測定細(xì)胞照射后的存活份數(shù)(survivingfraction)4.根據(jù)各照射劑量點(diǎn)的存活份數(shù)作圖36

中國倉鼠細(xì)胞克隆形成實(shí)驗(yàn)的示意圖

圖自EJHall.Radiologyfortheradiologist37

細(xì)胞存活曲線的形狀用數(shù)學(xué)模式擬合出來的坐標(biāo)曲線。3839

指數(shù)存活曲線的解釋致密電離輻射（中子、α粒子），單靶單擊數(shù)學(xué)模型（靶學(xué)說最基本的數(shù)學(xué)表達(dá)式）特點(diǎn)只有一個(gè)參數(shù)D0值，也稱為平均致死劑量(meanlethaldose)，即是每靶擊中一次所給予的劑量。存活份數(shù)（SF）與照射劑量（D）的關(guān)系表示為：

SF=e-αD

注：e自然對(duì)數(shù)的底，α是與射線的質(zhì)和細(xì)胞放射敏感性相關(guān)的常數(shù)40

非指數(shù)存活曲線的解釋稀疏電離輻射（X、γ射線等）低劑量段，稍高劑量段（肩段），高劑量段多靶單擊模型(single-hitmulti-targetmodel)和線性二次模型Elkind和Whitmore提出的多靶單擊模型

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

非指數(shù)存活曲線的參數(shù)1.初始斜率(initialslope)D1，單一事件的細(xì)胞殺滅所致，反應(yīng)細(xì)胞在低劑量區(qū)的放射敏感性。2.終斜率(finalslope)D0，由多次事件細(xì)胞殺滅所致，是每個(gè)細(xì)胞一起一次致死事件所需的平均致死劑量。3.準(zhǔn)閾值(quasi-threshoulddose)Dq，小于這個(gè)劑量將沒有反應(yīng)。4.外推值N(extrapoiationnumberN)，“肩寬”反映細(xì)胞內(nèi)的“靶”數(shù)目。

D0、Dq、N值三個(gè)參數(shù)中，任意兩個(gè)便可在一定程度上反映出細(xì)胞的放射敏感性。其關(guān)系如下：logeN=Dq/D04344

線性二次模型(linear-quadraicmodel)模型的假設(shè)細(xì)胞的殺滅與劑量有兩部分關(guān)系：①與照射劑量成比例②與照射劑量的平方成比例。所以，細(xì)胞存活曲線的表達(dá)式為：S=e-αD-βD2

其中，S是照射量為D時(shí)的細(xì)胞存活；α和β是常數(shù)。線性二次模式的優(yōu)點(diǎn)就是具有α和β兩個(gè)參數(shù)

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線性二次模型的細(xì)胞存活曲線46

α和β比值的意義α/β比值表示引起細(xì)胞殺傷中單擊和雙擊成分相等時(shí)的劑量（Gy）。其意義在于反映了組織生物效應(yīng)分次劑量改變的影響程度。α代表起始斜率，決定低劑量下?lián)p傷的程度。β代表效應(yīng)的超線性部分，它的貢獻(xiàn)隨照射劑量增加而加大。當(dāng)線性部分和平方部分對(duì)殺滅的細(xì)胞貢獻(xiàn)相等時(shí)，其照射劑量等于α和β的比值。47

α/β比值與早和晚反應(yīng)組織的關(guān)系晚反應(yīng)組織的α/β比值較低。早反應(yīng)組織有較長直線區(qū)，晚反應(yīng)組織曲線“肩部”寬大。故早反應(yīng)組織的分割效應(yīng)相對(duì)小于晚反應(yīng)組織。資料顯示，早和晚組織對(duì)不同分次照射具有恒定的反應(yīng)差別。大分割照射，晚期反應(yīng)較重；超分割照射，急性反應(yīng)較重，而晚期反應(yīng)較輕。48

細(xì)胞周期的基本概念兩次有效的有絲分裂之間的時(shí)間，稱為有絲分裂周期時(shí)間(mitotic-cycletime)，通常也稱為細(xì)胞周期時(shí)間(cell-cycletime)。各種哺乳動(dòng)物的細(xì)胞周期時(shí)間會(huì)受很多因素影響。49

細(xì)胞周期時(shí)相示意圖50

細(xì)胞周期不同時(shí)相的放射敏感性51

細(xì)胞周期各個(gè)時(shí)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，較敏感。分次放射的意義52

腫瘤的放射生物學(xué)概念腫瘤的增殖動(dòng)力學(xué)腫瘤劑量效應(yīng)關(guān)系從在體實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤的研究獲得的一些提示53

腫瘤的增殖動(dòng)力學(xué)

腫瘤的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)層次GGSteel認(rèn)為，腫瘤內(nèi)的惡性細(xì)胞可根據(jù)其動(dòng)力學(xué)特性分為4個(gè)層次。第一層次，有活躍分裂的細(xì)胞組成（增殖細(xì)胞，也叫“P”細(xì)胞proliferating）,是腫瘤增長體積的主要來源，其所占整個(gè)腫瘤的比例成為生長比例（growthfraction,GF）。54

腫瘤的增殖動(dòng)力學(xué)

腫瘤的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)層次第二層次，由靜止或G0期細(xì)胞組成，也被成為“Q”細(xì)胞（quiescent）。這層細(xì)胞可以在進(jìn)入細(xì)胞周期，有些還是克隆源性的。第三層，由分化的終末細(xì)胞組成，不再具有分裂能力。第四層，由死亡或正在死亡的細(xì)胞組成。細(xì)胞從一個(gè)層次向另一個(gè)層次的轉(zhuǎn)化在腫瘤內(nèi)部是持續(xù)發(fā)生的。55

腫瘤生長速度1.腫瘤體積倍增時(shí)間（tumorvolumedoublingtime,Td)

由3個(gè)因素決定：①細(xì)胞周期時(shí)間(thecellcycletime,Tc)②生長比例(thegrowthfraction,GF)③細(xì)胞丟失率(therateofcellloss)2.潛在倍增時(shí)間(potentialdoublingtime,Tpot)，假設(shè)在沒有細(xì)胞丟失的情況下腫瘤細(xì)胞群體增加1倍所需的時(shí)間。56

腫瘤的指數(shù)性和非指數(shù)性生長指數(shù)性生長是指腫瘤體積在相等的時(shí)間間隔內(nèi)衣一個(gè)恒定的比例增加。公式表示為：V=exp(0.693.T/Td)

在3因素中任何兩個(gè)的組合（例如，周期時(shí)間的延長、生長比例的下降、以及細(xì)胞丟失率的升高）都會(huì)導(dǎo)致腫瘤的非指數(shù)性生長。57

人原發(fā)性肺腫瘤的生長曲線58

腫瘤的劑量效應(yīng)關(guān)系腫瘤控制概率的臨床特征與腫瘤類型、病理類型有關(guān)目前無法精確量化到臨床使用水平59

放射治療中的劑量-效應(yīng)關(guān)系60

放射治療中的劑量-效應(yīng)關(guān)系既定物理吸收劑量與放射生物效應(yīng)結(jié)果以及影響因素之間的關(guān)系。劑量-效應(yīng)曲線的形狀，呈“S”形。劑量-效應(yīng)曲線的位置，TCD50(radiationdosefor50%tumorcontrol)，ED5指產(chǎn)生5%并發(fā)癥概率的劑量。61

放射治療中的劑量-效應(yīng)關(guān)系劑量-效應(yīng)曲線的陡峭度的表示，"γ"值是指劑量增加1%效應(yīng)所增加的百分?jǐn)?shù)。治療窗，腫瘤控制與正常組織并發(fā)癥在同一坐標(biāo)系內(nèi)作圖。臨床資料劑量-效應(yīng)關(guān)系調(diào)研的方法學(xué)問題62

腫瘤控制與正常組織并發(fā)癥發(fā)生的劑量-效應(yīng)關(guān)系63

在體實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤的放射生物學(xué)研究中的一些提示1.腫瘤體積效應(yīng)

可以治愈克隆源細(xì)胞小于109的腫瘤2.再群體化加速

照射后存活下來的克隆源性細(xì)胞可以使治療很快再群體化3.瘤床效應(yīng)

照射后復(fù)發(fā)的實(shí)驗(yàn)?zāi)[瘤的生長速度會(huì)較沒有受照的慢4.乏氧和再氧合

乏氧細(xì)胞抗拒放射,富氧細(xì)胞放射敏感64

正常組織及器官的放射反應(yīng)正常組織細(xì)胞的增殖是極其有規(guī)律的，細(xì)胞的增殖是嚴(yán)格受控制的。正常組織細(xì)胞與細(xì)胞之間不是孤立存在的，它們形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在正常情況下，細(xì)胞的生、死之間維持著精確地平衡。65

正常組織的結(jié)果