肿瘤放射生物学专家讲座.pptx

肿瘤放射生物学肿瘤放射生物学(Oncology Radiobiology)放射生物学研究是辐射对生物体放射生物学研究是辐射对生物体作用及其效应规律一门科学。作用及其效应规律一门科学。电离辐射对生物体作用电离辐射对生物体作用电离辐射细胞效应电离辐射细胞效应电离辐射对肿瘤组织作用电离辐射对肿瘤组织作用正常组织及器官放射效应正常组织及器官放射效应分次治疗生物学基础分次治疗生物学基础 肿瘤放射生物学第1页放射生物学放射生物学 因为电离辐射引发损伤，故损伤后有没有恢复或修复可能性，以及怎样降低无须要损伤等，都是放射生物学研究内容。所以，确切说：研究电离辐射对生物作用机制、辐射损伤及研究电离辐射对生物作用机制、辐射损伤及其修复、放射防护等综合性科学。其修复、放射防护等综合性科学。肿瘤放射生物学第2页电离辐射普通概念电离辐射普通概念 电离辐射有粒子辐射和电磁辐射。1、粒子辐射：射线、射线、带电质子和中子辐射；2、电磁辐射：电磁辐射：射线和射线和X射线辐射，这类辐射线辐射，这类辐射是光量子发射。射是光量子发射。肿瘤放射生物学第3页 电离射线普通特点电离射线普通特点：高能、穿透力强。它基本反应在电离射线射程和电离密度上。不一样电离射线区分：不一样电离射线区分：射线（氦核）、质子（氢核）带电荷，中子则不带电荷；质子、中子、射线、射线质量不一样。肿瘤放射生物学第4页电离射线与物质相互作用电离射线与物质相互作用 在电离射线与物质相互作用中，电离射线是外因，物质（包含组成生物机体物质）是内因。外因经过内因起作用。当运动着粒子经过物质时，其速度将逐步降低而损失能量；损失能量主要消耗在物质电离或激发上。肿瘤放射生物学第5页 带电粒子经过物质时，和物质中原子壳层电子碰撞，因为静电作用，使壳层电子产生加速运动，因而取得足够能量而变成游离电子，它与正离子组成一个离子对。这就是电离作用。这就是电离作用。离子对是负离子（包含电子离子对是负离子（包含电子e）与正离子合）与正离子合称。称。离子对是电离作用结果。离子对是电离作用结果。肿瘤放射生物学第6页带电粒子和光量子对物质作用区分带电粒子和光量子对物质作用区分 1、带电粒子和原子作用带电粒子和原子作用：以原子点外围电子作用可能性较大。在下例中，H2O+和e合称为离子对。H2O+H2O e H2O-形成离子对需要一定能量。不到达这个能量水平，就不可能形成离子对。H2O肿瘤放射生物学第7页 经过经过1V电位差所取得能量称为电位差所取得能量称为1电子伏特电子伏特（eV）。）。在空气中产生一对离子需要平均能量为32.5eV。电离作用形成离子对数量相关原因：1）、能量高，则形成离子对多；2）、在同一能量水平时，电荷多，形成离子对就多；反之亦然；无电荷，则不形成离子对。粒子带电荷多，形成离子对也就多；而射线和射线，因为带电荷少，形成离子对就少。肿瘤放射生物学第8页 3）、粒子（射线）速度大，电离密度（即离子对/cm，就是在1cm行程所形成离子正确数量）小；速度小则电离密度大。粒子带电荷多，质量较大，故电离密度大，但它运行旅程短，穿透力低，而射线穿透力较强。当物质中壳层电子所取得能量还不足以使它成为游离电子时，电子受激发到更高能级。即能量足能量足够时发生生电离作用，形成粒子离作用，形成粒子对；能量不足；能量不足时发生激生激发作用，不形成离子作用，不形成离子对。带电粒子经过物质时，因为受到原子核电场相互作用而改变其运动方向，即所谓散射。肿瘤放射生物学第9页 2、中子与物质相互作用中子与物质相互作用：只有在中子流碰撞到原子壳层或原子核时才发生作用。中子只有在原子核相碰撞时才能把能量转移给原子核。1）弹性碰撞：中子含有一个质子质量而不带电荷。它是在原子核反应时产生。因为中子与质子质量相等，中子与质子（氢核，H+）相撞时发生最大能量损失。这么质子叫做反冲质子。反冲质子能量质量都大于原来质子。所以，中子很轻易被许多轻元素物质（如水、石蜡）吸收，但能自由地经过重元素物质（如Pb）。肿瘤放射生物学第10页 中子含有一定能量，中子撞击原子核打出一部分叫反冲核。反冲核又含有一定能量，能够打出其它原子，即反冲核在其行程中能使与其相撞原子都发生电离：nAAB肿瘤放射生物学第11页 2）非弹性碰撞：中子穿入原子核内，交出自己一部分能量，使核处于激发状态。激发了核把从中子取得能量以一个或若干个量子形式发射出来，随即进入核内中子就带着较小能量从核里飞出。通常是由快中子打重元素而得。因为中子不带电荷，只有在碰撞时才能引发改变。O nn肿瘤放射生物学第12页 3）辐射俘获：打进去是慢中子，放出来是射线。中子被核所吸收，被激发了核以量子形式放出其多出能量。慢中子能量与气体能量差不多，故又叫热中子。它是经一系列碰撞后能量逐步减低结果。4）核反应：快中子打轻元素，打进去是快中子，打出来是质子（P）、中子等。肿瘤放射生物学第13页 3、光量子与物质相互作用光量子与物质相互作用：射线和X射线都是光量子。它们波长更短，能量更高。射线普通是核衰变结果，而X射线是认为发射，是核外产生。射线和X射线与物质作用通常称为电磁辐射。尽管光量子不是粒子，但普通认为它们是有极微小粒子（光子、量子、光量子、光量子流）组成。其能量E可由下式求得：E=h，式中，=c/；h为普朗光常数，h=6.625210-34J/s；为光子频率；c为光在真空中速度；为其波长。肿瘤放射生物学第14页 光量子能量很高，从几万电子伏特到几亿电子伏特。它们与物质主要作用有3个方面：1）光电效应：光电效应：当一个光量子和原子相碰撞时，它可能将全部能量h都交给一个电子，使电子脱离原子而运动，而光子本身被吸收。因为这种作用而释放出来电子叫光电子。光电效应是在光量子能量较低时发生。它与吸收体密度、原子质量数和原子序数相关。X（）he光电子肿瘤放射生物学第15页 2）康普敦康普敦-吴有训效应吴有训效应：光量子能量中等时发生这个效应。这个效应是光量子和原子中一个电子发生弹性碰撞相互作用。其特征是碰撞之后，光量子将一部分能量传给电子，电子即从原子空间中以与光量子起始运动方向成角方向射出，光量子则朝着与自己初始运动方向成角方向散射。原子原子 量子（散射）量子（散射）e 康普敦康普敦电子子入射光量子入射光量子散射光量子散射光量子肿瘤放射生物学第16页3）电子正确形成电子正确形成：当光量子能量大于两个电子静电能量质量（即1.02MeV)时,形成电子对。在形成电子对时，光量子本身完全消失。电子和正电子动能普通是不一样；它们与光量子形成角度和也不一定相等。入射光量子入射光量子e电子子e+正正电子子原子原子肿瘤放射生物学第17页 因为光量子能量不一样，与物质发生作用类型也不相同，以下列图：光电效应康-吴效应电子对形成光量子能量低中1.02MeV肿瘤放射生物学第18页剂量及其单位剂量及其单位 剂量：单位质量被照射物质所吸收能量。通惯用公式 D=E/M（J/g）表示。剂量单位随所表示对象不一样而异。1、普通射线：伦琴 R（对X射线、射线）；生物当量伦琴Reb；物理当量伦琴Rep；组织伦琴Rad，Gy）。吸收剂量与照射剂量不一样。吸收剂量过去用rad（拉德）表示，现已改为Gy（戈瑞）表示。1rad=6.24103eV/g；1Gy=102rad肿瘤放射生物学第19页 2、放射性核素：放射性核素剂量单位，以放射强度表示。单位有居里（Ci），毫居里（mCi）和微居里（Ci）。上述伦琴、生物当量伦琴、物理当量伦琴等均是照射剂量，它与X射线和射线产生电离量有关，反应X射线和射线使空气产生电离作用能力大小。1伦琴是指X射线或射线照射1ml或0.001293g空气，空气中二级电子在空气中生成带有1静电单位正负离子对时照射剂量。但伦琴这个单位不适合用于射线、射线和中子等粒子。肿瘤放射生物学第20页 组织伦琴，实际上为吸收剂量，惯用单位是拉德或戈瑞。不但使用于X射线和射线，也可用于各种粒子射线。1964年和1968年国际辐射单位及剂计量委员会提议对照射剂量和吸收剂量做出定义，用dose表示吸收剂量，而用expoure dose或expoure表示照射剂量。肿瘤放射生物学第21页电离辐射生物学作用电离辐射生物学作用 生物机体对电离辐射反应不一样于无生命物质。1、生物机体对电离辐射反应特征生物机体对电离辐射反应特征：1）敏感）敏感 DNA在在2.84C/kg(11000R)照射下，照射下，才引发结构改变；而在生物体内，若用才引发结构改变；而在生物体内，若用LD100/30d来来照射小鼠，只须几百伦琴就能够引发照射小鼠，只须几百伦琴就能够引发DNA结构改变。结构改变。2）射线对生物机体作用有潜伏期。）射线对生物机体作用有潜伏期。3）生物机体对电离辐射反应是损伤与修复）生物机体对电离辐射反应是损伤与修复矛盾统一。矛盾统一。肿瘤放射生物学第22页在照射后，早期以损伤为主，后期则以修复为主。4）生物机体本身因为其个体发育和系统发育阶段性不一样，也含有特殊性。就放射敏感性而言：胚胎期成年；高等动物低等动物；动物植物；原生动物病毒；幼体敏感性高；造血器官、胸腺、生殖腺敏感性高。肿瘤放射生物学第23页 2、电离辐射形式与生物学效应关系电离辐射形式与生物学效应关系：1）不一样射线生物学作用 在生物体吸收能量相等情况下，不一样射线生物学效应概略比值（以等效伦琴作统一单位）以下：X射线及射线 1；射线 1；射线 10-20；P（质子）10；n（快、慢中子）5-10。可见射线有很大生物效应，但它穿透能力低。肿瘤放射生物学第24页 2）剂量与剂量率 放射生物学效应是一个耗能过程。电离辐射剂量与生物学效应之间有一定电离辐射剂量与生物学效应之间有一定关系。以射线剂量为横坐标，机体存活率或存关系。以射线剂量为横坐标，机体存活率或存活分数为纵坐标，则可得一剂量活分数为纵坐标，则可得一剂量-存活曲线。存活曲线。肿瘤放射生物学第25页肿瘤放射生物学第26页肿瘤放射生物学第27页 2）照射方式 照射方式不一样，对生物体影响也不一样。（1）总剂量相同，分次照射没有一次照射那样强烈。这可能与分次照射之间发生赔偿或修复有关；（2）全身照射与局部照射，局部照射机体对射线忍受量高；全身照射机体对射线忍受量低。所以，在肿瘤放射治疗中，多采取局部、分次在肿瘤放射治疗中，多采取局部、分次照射。照射。肿瘤放射生物学第28页 （3）内照射与外照射 内照射情况复杂，涉及放射源、半衰期和半排泄期。内照射对生物机体危害较大。临床肿瘤放疗中，多采取外照射。肿瘤放射生物学第29页 3、外界原因对电离辐射生物学效应影响外界原因对电离辐射生物学效应影响：1）水分 机体水分多，则敏感性高，反之亦然。2）氧 有氧时，生物机体对射线敏感性高，有氧时，生物机体对射线敏感性高，死亡率也高。照射时，有氧对生物机体影响较大。高LET射线，如快中子、负介子、轻原子核、其生物效应受氧影响较X射线小。伴随LET增加氧效应降低，因为高LET射线引发损伤要比低LET射线严重得多。肿瘤放射生物学第30页 LET（Linear energy transfer）即传能线密度。电离发生在高速运动带电粒子（如电子）行进径路中，这些粒子是因为吸收了辐射能量而运动。LET是描述沿着这种粒子径路产生电离能量密度主要参数，即单位长度径迹上传递能量，它表示在每单位径路长度上，在组织中所沉积能量多少。肿瘤放射生物学第31页 3）温度 低温对生物机体辐射损伤有延缓作用。这可能是能量吸收、传递需要时间和适当温度等。4）化学物质化学物质 化学物质对电离辐射生物学化学物质对电离辐射生物学效应表现为：效应表现为：（1）能够减轻射线反应）能够减轻射线反应 如巯基化合物能够如巯基化合物能够把氢原子交给那些受射线作用把氢原子交给那些受射线作用DNA所产生自由所产生自由基，从而封闭自由基；基，从而封闭自由基；（2）能够加重射线反应）能够加重射线反应 能够提升一些肿瘤能够提升一些肿瘤细胞放射敏感性。细胞放射敏感性。肿瘤放射生物学第32页 4、电离辐射对生物体损伤机制电离辐射对生物体损伤机制：1）电离辐射直接作用和间接作用）电离辐射直接作用和间接作用 辐射造成辐射造成DNA分子断裂分为两类：直接作用和分子断裂分为两类：直接作用和间接作用。间接作用。直接作用：是指射线直接作用于直接作用：是指射线直接作用于DNA分子，使分子，使DNA分子发生损伤而造成断裂。分子发生损伤而造成断裂。间接作用：是指辐射可使水分子产生自由基，自间接作用：是指辐射可使水分子产生自由基，自由基作用于由基作用于DNA分子并使之断裂。分子并使之断裂。肿瘤放射生物学第33页肿瘤放射生物学第34页 2）电离辐射作用三个阶段（1）物理阶段物理阶段:10-1810-12s射线照射路径上能量释放、激发和电离（2）化学阶段：化学阶段：激发电离，化学键断裂、自由基形成，分子结构破坏和修复正常（3）生物阶段：生物阶段：分子结构破坏 酶反应 修复 基因变异/癌变 DNA不能复制/细胞死亡 有丝分裂停顿肿瘤放射生物学第35页肿瘤放射生物学第36页肿瘤放射生物学第37页 3）电离辐射对DNA损伤方式 （1）DNA双链断裂 （2）DNA单链断裂 （3）碱基丢失 （4）形成嘧啶二聚体 （5）DNA交联形成 （6）碱基改变 （7）蛋白交联 （8）氢键断裂）肿瘤放射生物学第38页肿瘤放射生物学第39页肿瘤放射生物学第40页细胞存活曲线细胞存活曲线 细胞存活曲线是了解放射生物学许多内容和概细胞存活曲线是了解放射生物学许多内容和概念基础。念基础。肿瘤及正常组织对于电离辐射生物学效应是受许多原因支配。经过电离作用，能量在活组织中沉积，从而引起一系列化学反应，造成细胞损伤并最终出现临床上可观察到效应。肿瘤放射生物学第41页 正常组织和肿瘤对于辐射反应是极为复杂生物改变过程，当前只能从经验主义角度来加以阐述。电离辐射，不论是电磁波还是粒子辐射，都是电离辐射，不论是电磁波还是粒子辐射，都是在细胞各个部分沉积其能量。在细胞各个部分沉积其能量。细胞内部并没有防碍能量沉积屏障。每克组织（含有1022个分子所吸收总能量是极少，而且只有极少数分子被电离。比如，400cGy（Gy百分单位）辐射只能引发组织吸收约4.1910-3 J/g能量，仅有1/5107分子被电离。肿瘤放射生物学第42页 细胞存活曲线是用来描述辐射吸收剂量与存活辐射吸收剂量与存活细胞数量之间关系细胞数量之间关系。细胞存活（Cell survival）和细胞死亡（CellDeath）放射生物学定义：电离辐射后，细胞有两种主要效应，即功效丧失和生殖能力丧失。对于已分化不再增殖细胞，如神经细胞、肌对于已分化不再增殖细胞，如神经细胞、肌肉细胞或分泌细胞，丧失其特殊功效便可认为是死肉细胞或分泌细胞，丧失其特殊功效便可认为是死亡；亡；而而对于增生细胞，如造血干细胞或离体培养生对于增生细胞，如造血干细胞或离体培养生长细胞，丧失维持增生能力，也就是失去完整长细胞，丧失维持增生能力，也就是失去完整增殖能力，便称为死亡，即增殖性死亡增殖能力，便称为死亡，即增殖性死亡（reproductive death）。）。肿瘤放射生物学第43页 这个定义反应了放射生物学对细胞存活狭义概念。1个细胞表面完整无损，含有生理功效，有能力制造蛋白或合成DNA，甚至还能挣扎着进行一次或两次有丝分裂，不过，因为它已经丧失了无限分已经丧失了无限分裂和产生大量子代能力，依然是被看成死亡细裂和产生大量子代能力，依然是被看成死亡细胞；胞；一个存活细胞，保持着完整增生能力，能保持着完整增生能力，能够连续繁殖，产生大量克隆或集落够连续繁殖，产生大量克隆或集落，称为“克隆源性细胞”。肿瘤放射生物学第44页 这个定义在肿瘤放射治疗上特殊意义：1）通）通过测定离体培养细胞集落生长能力或测量在体内过测定离体培养细胞集落生长能力或测量在体内致肿瘤生长能力，很轻易并准确地做出评价；致肿瘤生长能力，很轻易并准确地做出评价；2）在一定意义上，只需在一定意义上，只需“杀死杀死”这些细胞，即使它不这些细胞，即使它不能能分裂、不能继续生长、不能扩散和转移，就能根治分裂、不能继续生长、不能扩散和转移，就能根治肿瘤。肿瘤。普通来说，破坏非增殖细胞功效需要100Gy剂量，而使细胞丧失增殖能力平均致死剂量往往比2Gy还少。肿瘤放射生物学第45页1、离体培养细胞存活曲线、离体培养细胞存活曲线 单个细胞生长成肉眼可见大克隆，是细胞保留其完整增生能力最有力证实。这种增生能力这种增生能力随辐射剂量呈函数性消退关系，随辐射剂量呈函数性消退关系，可用剂量存活曲线描述。集落和克隆：集落是指一团细胞，克隆是指含集落和克隆：集落是指一团细胞，克隆是指含50个细胞以上细胞集落。个细胞以上细胞集落。克隆是集落中一类，而集落未必是克隆，尽管它们都是由1个细胞连续繁殖形成细胞团。1个细胞只有经过连续5代以上繁殖，才能形成一个克隆。肿瘤放射生物学第46页肿瘤放射生物学第47页 集落形成率（plating efficiency）：就是用来说明种植细胞能生长成集落百分数种植细胞能生长成集落百分数。假如接种100个细胞形成70个集落，其集落形成率是70%。将细胞种植在一样瓶皿中，X线照射以8Gy，孵育1-2周，固定、染色，可观察到以下几个情况：1）一些种植单个细胞依然以单个形式存在，并不分裂；2）一些细胞挣扎着完成一次或两次分裂，形成很小发育不全集落；3）另外一些细胞长成大集落。这些细胞称为“存活细胞”，因为它们在平皿中保持了完整增殖能力。肿瘤放射生物学第48页 若平皿中接种个细胞，用8GyX射线照射。在未照射前，因为PE是70%，个贴壁细胞中只有1400个能形成集落，而照射后只有32个集落，所以受8Gy X射线照射后细胞存活率是：（32/1400）100%=0.023%所以,能够按下式得出细胞存活率:细胞存活率=(所计数集落数/细胞接种数PE)100%肿瘤放射生物学第49页2、细胞存活曲线形式、细胞存活曲线形式 电离辐射对细胞群体效应，即照射剂量与细胞群体存活能力之间剂量-反应关系，可借细胞存活曲线得到定量表示。细胞存活曲线又称剂量细胞存活曲线又称剂量-存活曲线存活曲线，是绘制在半对数坐标纸上。横坐标为算术刻度，从原点向右表示各单次照射剂量增大；纵坐标为对数刻度，表示细胞群体受不一样剂量照射后细胞存活率。肿瘤放射生物学第50页 对于致密电离辐射（高LET辐射），如粒子或低能中子，存活数据从一开始就非常趋近为一条直线，受这种性质射线照射特殊细胞，只用一个参数就完全能描述存活曲线，即直线斜率。这个斜率用使成集落细胞数下降到37%所需要剂量来表示，称为37%剂量斜率，定名为D0。实际D0是在剂量-效应曲线直线部分，使细胞存活率下降到原来37%处（如从0.1到0.037）所需要照射剂量。肿瘤放射生物学第51页 D0定量是使平均每个细胞发生一次失活事件所需要剂量。电离辐射照射后，经典哺乳动物细胞存活曲线是由由“肩部肩部”（低剂量范围内弯曲部分）和（低剂量范围内弯曲部分）和“指指数数部部”（较高剂量范围内直线部分）组成。（较高剂量范围内直线部分）组成。曲线中有3个必不可少参数：1）将指数部直线向左方延伸，直到与纵轴相交，交点处纵轴上数据被成为外推值n。n。表达细胞被射线杀死时需要击中细胞靶数或击中数，简称为细胞核内靶数。肿瘤放射生物学第52页 2）由细胞存活率为100处向右方引一条与横轴相平行直线，直至与直线部分延长线相交。与这一线段相当横轴上剂量大小，被称为准阈剂被称为准阈剂量量Dq。Dq表示该细胞修复亚致死性损伤能力，表示该细胞修复亚致死性损伤能力，也能够了解为也能够了解为“无效无效”照射剂量。照射剂量。实际上，Dq是表示细胞辐射耐性参数。肿瘤放射生物学第53页 3）在指数部直线上任何一点向下方绘制一条与纵轴平行垂直线段，使其长度到达相当于起始点值37%那一点为止。然后再由此垂线终点处向右方引一平行于横轴水平线，直到与指数部直线相交。这一水平线长度所相当剂量，为这一水平线长度所相当剂量，为平均致死剂量，也就是指数部直线斜率平均致死剂量，也就是指数部直线斜率D0。D0表示平均致死剂量，表示细胞群体放射敏感性。表示平均致死剂量，表示细胞群体放射敏感性。肿瘤放射生物学第54页肿瘤放射生物学第55页肿瘤放射生物学第56页 随细胞群体放射生物学特征不一样，其存活曲线形状也各异，从而这3个参数数值也不相同。普通来讲，不少细胞群体，包含正常组织和肿瘤，其存活曲线中D0值相差不大，有些还很靠近，但Dq值却有较大差异。有些肿瘤肩部较宽，因而放疗效果不佳。正常小、大肠隐窝干细胞存活曲线中Dq值较高，说明对放疗有抗拒性。肿瘤放射生物学第57页3、影响细胞存活曲线形状原因、影响细胞存活曲线形状原因 D0值能够作为表示细胞放射敏感性一个指标。所以，影响细胞存活曲线形状原因，普通也是影响放射效应原因，在制订放射计划时应加以注意。1）细胞周期时相细胞周期时相 处于细胞周期中不一样时期细胞，其放射敏感性互不相同情况，称为对细胞周期依赖性。细胞对辐射反应随受照射当时所处时相不一样而异。处于M期细胞对辐射最敏感，而处于晚S期细胞敏感性最低，二者放射敏感性可相差2.5倍。肿瘤放射生物学第58页 细胞群体在第一次照射后，剩下存活细胞再分布于细胞周期中对辐射敏感时相，则易于被再次照射所杀伤。2）氧效应氧效应 细胞氧分压大小能影响细胞放射敏感性。在无氧状态下，细胞放射敏感性约在无氧状态下，细胞放射敏感性约为有氧状态下为有氧状态下1/3。氧分压不一样时，。氧分压不一样时，D0值有改变。值有改变。氧经过辐射所诱发自由基而增加细胞损伤，造成不可修复生物化学改变，引发了加强放射效应作用。而在乏氧状态下细胞受照射时，可经过电子俘获造成修复可能性增加，放射效应也会随之减弱。肿瘤放射生物学第59页 已知一些肿瘤中含有10%-20%氧分压低细胞（即乏氧细胞）这些乏氧细胞存在是肿瘤放射治疗一大难题。在全部存活水平要到达同一生物效应，乏氧在全部存活水平要到达同一生物效应，乏氧时所需要射线剂量为有氧时时所需要射线剂量为有氧时3倍。倍。这种百分比相当恒定。因为氧被称为剂量改变剂（dose-modifyingAgent），乏氧时所需要射线剂量与有氧时所需要乏氧时所需要射线剂量与有氧时所需要射线剂量之比称为氧增强比（射线剂量之比称为氧增强比（Oxygen enhancement ratio OER）。简言之，氧能够增加细胞放射敏感）。简言之，氧能够增加细胞放射敏感性，其增加比值为性，其增加比值为OER。肿瘤放射生物学第60页 增加放射敏感性与降低放射剂量是一致。因此，以细胞存活率表示：乏氧 100%37%有氧 100%37%OER=3/1=3 OER以同一水平细胞存活率为比较前提。若OER为1，则说明无氧效应。3Gy1Gy肿瘤放射生物学第61页 放射敏感性与细胞存活曲线放射敏感性与细胞存活曲线D0值倒数成比值倒数成比例。例。放射敏感性与氧浓度关系是：氧分压从0增加到大约4.0kPa（30mmHg）时，放射敏感性增加很快速，氧张力深入增加到1个大气压纯氧时，其增敏作用增加并不显著。致密电离辐射时存活曲线是指数型，没有致密电离辐射时存活曲线是指数型，没有起始肩段。此时，在有氧和乏氧情况下，其存活起始肩段。此时，在有氧和乏氧情况下，其存活曲线重合。曲线重合。OER是是1，即没有氧效应。，即没有氧效应。对于介于致密、稀疏之间中间型电离辐射（如中子），存活曲线有一小肩段。在这种情况下，氧效应是显著。肿瘤放射生物学第62页 对于稀疏电离辐射如X射线，其氧效应大而重要。对于象粒子那样致密电离辐射，无氧效应；氧效应关系能够表示为：氧效应 稀疏电离辐射中间型电离辐射致密电离辐射 X射线 快中子 粒子 OER 2.53.0 1.6 1.0肿瘤放射生物学第63页 3）LET 高LET辐射照射可使细胞存活曲线肩部变小甚至消失，同时指数部斜率变小，即直线变陡。在临床肿瘤放疗中，现在除了常规使用X射线和射线外，已逐步使用了快中子、负介子、质子等高LET辐射，方便对肿瘤细胞产生更大杀灭作用。4）剂量率剂量率 当减低辐射照射剂量时，以同一剂量照射后，存活细胞数就显著增多。这是因为在照射过程中，亚致死性损伤得到恢复，以及未受损伤或仍有活力细胞在极低剂量率条件下发生了增生缘故。肿瘤放射生物学第64页 亚致死性损伤（SLD）是指能被细胞正常修复损伤，往往在照射后2-6小时便得到恢复。依据定义，SLD不是直接造成细胞死亡，然而它却能使细胞对再次受到照射时敏感性提升。假如继一个辐射剂量照射后，相隔一段时间，再受到第二个剂量照射，因为SLD还未得到恢复，这种损伤就能够成为致死性损伤。细胞存活曲线中肩部就是反应SLD积累过程及细胞修复SLD能力。常规放疗中所使用辐射源，多具100cGy/min剂量率。每个分次剂量给予只需几分钟，故在肿瘤放射生物学第65页每分次实际放疗中恢复是极少。5）温度效应温度效应 细胞放射敏感性随照射过程中温度改变而改变。温度升高时，敏感性增加；温度降低时，敏感性降低。和OER一样，热增强比（heat enhancement ratio，HER）也是一个比值。6）防护剂与增敏剂防护剂与增敏剂肿瘤放射生物学第66页 7）分次照射分次照射 将总剂量分次施予，能对正常将总剂量分次施予，能对正常组织有很好容让效应（组织有很好容让效应（sparing effect），而仍对），而仍对肿瘤有致死效应。肿瘤有致死效应。使用多分次照射，就会在每一次分次照射之后都重建一个肩部。总剂量相同，但分次照射次数不一样，所到达生物学效应相差很大。比如，10200cGy只有5 400cGy效应1/90；而6 200cGy只有3 400cGy1/15。肿瘤放射生物学第67页 两个细胞群对于一定剂量单次X射线照射，存活分数假如只有微小差异，那么这种差异在分次剂量照射后便被放大。许多肿瘤细胞是乏氧，其修复SLD能力降低。所以，分次照射所致辐射损伤，在肿瘤细胞中累积要比在周围正常组织细胞中积累大；另外，肿瘤和正常组织有效倍增时间，可能因为照射后细胞丢失等影响原因而表现出显著差异，也即正常组织在起初遭受辐射损伤以后增生速率可能会大大增快，而肿瘤则在每次分裂之后有很高程度细胞丢失。所以，分次照射可增加治疗比。肿瘤放射生物学第68页4、放射损伤修复、放射损伤修复 从分子水平到细胞水平，有8种以上放射损伤修复，且分别和癌细胞照射后出现种种现象相关。当前，在放射治疗中最需要注意是Elkind修修复复亚致死性损伤修复和亚致死性损伤修复和PLD修复修复潜在致潜在致死性损伤修复。死性损伤修复。肿瘤放射生物学第69页 1、Elkind修复修复 细胞照射后出现损伤，有细胞失去无限生长能力而死亡，有能从损伤中逐渐修复，并可保持无限增生能力。1959年，Elkind发觉，当细胞受照射产生亚致死性损伤（SLD）而保持修复能力时，细胞能在3h完成这种修复，即称为Elkind修复。如若以11.2Gy一次照射，细胞存活率为0.001%；而先以5.05Gy照射，经过18.1h间隔再以6.15Gy照射，细胞存活率变为0.0051%。也就是说，在18.1h内第一次照射造成损伤细胞经过修复，使细胞存活率提升了5倍以上。肿瘤放射生物学第70页 若两次照射存活曲线完全相同，能够重合，即二者n值和D0值都相同，这表示第一次照射时受到SLD细胞在接收第二次照射之前，即在18.1h间隔之内已经完成修复。所以，在需要进行分次照射放射治疗中，这种修复是制订治疗方案时必须考虑主要原因。2次分次照射所引发最初存活率增高与次分次照射所引发最初存活率增高与SLD修复相关，其修复与两次照射间隔时间亲密相修复相关，其修复与两次照射间隔时间亲密相关。关。肿瘤放射生物学第71页 2、PLD修复修复 是指潜在致死损伤修复（repair of Potentially lethal damage）。首先使用这个名词是加拿大人Whitmore。PLD是指正常状态下照射后应死亡细胞，由是指正常状态下照射后应死亡细胞，由于在照射后置于适当条件，进行了损伤修复而存于在照射后置于适当条件，进行了损伤修复而存活现象。活现象。若用X射线以20Gy对荷瘤小鼠进行照射，照射后再隔不一样时间取出肿瘤进行移植。结果是取出时间越迟，存活率越高。存活率升高常在照射后第6h到达最高值。肿瘤放射生物学第72页 这种条件下因为20Gy照射几乎可使肿瘤组织内有氧细胞全部死亡，所以，能够认为与与PLD修复有修复有关细胞几乎均为乏氧细胞。关细胞几乎均为乏氧细胞。PLD修复常见于饱和密度生长久细胞和乏氧细胞。假如认为PLD修复是乏氧细胞特有一个修复，就要把PLD修复看作是应该尤其注意现象。对于PLD修复是否和Elkind修复性质不一样这一点是有争议，可能没什么不一样，只是因为照射后所处条件不一样而产生现象不一样而已。肿瘤放射生物学第73页 总而言之，Elkind修复和PLD修复都发生在第一次剂量照射后最初几个小时内。SLD大小是由第一次剂量后不一样时间给予第二次剂量反应来测量，主要是第一次剂量主要是第一次剂量和引发更多细胞分裂某种刺激之间时间间隔和引发更多细胞分裂某种刺激之间时间间隔。在高LET射线作用后SLD和PLD都不那么显著。肿瘤放射生物学第74页组织水平细胞动力学组织水平细胞动力学 组织在受到照射后出现效应与培养细胞出现效应不一样。在组织效应表现中，因为组织受神经和内分泌系统影响以及这些系统在射线作用下产生变化影响，所以不是单一效应。如照射肿瘤时，同时也破坏肿瘤周围血管，结果使得肿瘤及邻近组织血流量降低，既可使肿瘤和组织出现放射抗拒性，也可因为血运停顿，引发肿瘤和组织死亡继发改变。肿瘤放射生物学第75页影响组织放射效应主要原因影响组织放射效应主要原因 1、射线使细胞死亡而形成存活率，或致死率 2、射线作用后残余于组织内细胞增殖能力和修复能力；3、被破坏组织及脏器再生能力；4、利于细胞增殖及组织再生环境原因，比如血管系统保留情况。肿瘤放射生物学第76页肿瘤组织中细胞组成肿瘤组织中细胞组成 肿瘤组织由肿瘤细胞及其作为支持组织间质组成，通常只有肿瘤细胞进行增殖。1）P细胞/增殖细胞 肿瘤体积增加主要起源,占整个肿瘤细胞群体百分比称为生长百分比；2）Q细胞/静止细胞 由静止或G0期细胞组成,其中一些细胞是克隆源性,有能力再群体化出一个肿瘤 3）分化终末期细胞 不再含有分裂能力 4）死亡和正在死亡细胞肿瘤放射生物学第77页 肿瘤生长速度决定于生长分数和肿瘤细胞生成与丢失之比，而与倍增时间关系不大。影响肿瘤生长速度原因：1）肿瘤细胞倍增时间：肿瘤群体细胞周期也分为G0、G1、S、G2和M期。多数恶性肿瘤细胞倍增时间并不比正常细胞更加快，而是与正常细胞相同或比正常细胞更慢。肿瘤放射生物学第78页 2）生长分数：指肿瘤细胞群体中处于增殖阶生长分数：指肿瘤细胞群体中处于增殖阶段（段（S期期+G2期）细胞百分比。期）细胞百分比。恶性转化早期，生长分数较高，不过伴随肿瘤连续增加，多数肿瘤细胞处于G0期，即使是生长快速肿瘤生长分数也只有20%。3）瘤细胞生长与丢失：营养供给不足、坏死脱落、机体抗肿瘤反应等原因会使肿瘤细胞丢失，肿瘤细胞生成与丢失共同影响着肿瘤能否进行性长大及其长大速度。肿瘤放射生物学第79页肿瘤生长一些参数肿瘤生长一些参数 1）肿瘤体积倍增时间（tumor volume doubling time,Td）：指肿瘤体积增加一倍时间，表示肿瘤生长速度参数；在肿瘤生长早期，Td值是固定；但伴随肿瘤增加，Td值也延长。Td与Tc比较，增殖早期时Td=Tc，以后则TdTc。其原因可能与肿瘤增殖相关细胞群部分和细胞不再分裂静止部分百分比相关。Td决定原因：细胞周期时间、生长百分比和细胞丢失率。肿瘤放射生物学第80页 2）潜在倍增时间（potential doubling time，Tpot：是一个理论值，假设在没有细胞丢失情况假设在没有细胞丢失情况下肿瘤细胞群体增加一倍所需要时间。下肿瘤细胞群体增加一倍所需要时间。Tpot决定原因：细胞周期时间和生长百分比。3）细胞丢失因子（cell lose factor）：细胞丢失因子或系数=1-（Tpot/Td）假如丢失系数为零，那么Tpot就等于Td。平均Tc小于Tpot，因为静止期细胞存在造成生长分数小于100 。这些因数关系可由方程式：Tpot=0.693TC/ln（1+GF）得出。肿瘤放射生物学第81页 对于实体肿瘤，其Tpot小于Td，因为细胞丢失系数通常是相当高。在确定Tpot时已经考虑到GF，所以不会影响Tpot和Td间关系。Tpot能够由标识指数（LI）和S期连续时间（Ts），用方程式Tpot=Ts/LI计算出。已经有提醒，即使临床试验不支持，但治疗前Tpot短肿瘤，（提醒存在快速增殖细胞和高增加分数），最有可能得益于加速放射治疗。肿瘤放射生物学第82页 在放射治疗开始后几周，细胞丢失系数（）减小，其含有减缓肿瘤消退（缩小）净效应。生长分数是增殖细胞数与增殖细胞数和静止期细胞数总和之比。假如肿瘤倍增时间（Td），即观察肿瘤体积倍增时间是60天，以及由细胞周期时间和生长分数计算潜在倍增时间（Tpot）是3天，那么细胞丢失系数是95。肿瘤放射生物学第83页 即使Tpot还未被证实是一个加速放射治疗后远期效果强有力预测原因，但它对预选最有可能受益于加速治疗病人仍是有用。最少对于肿瘤来说，细胞丢失系数通常是肿瘤潜在倍增时间和总体积倍增时间之间差异主要决定性原因。肿瘤放射生物学第84页人类肿瘤经典动力学参数 细胞周期：约2天 生长因数：约40%丢失率：约90%癌细胞潜在倍增时间：约5天 体积倍增时间：约60天肿瘤放射生物学第85页乏氧细胞与肿瘤组织乏氧细胞与肿瘤组织 肿瘤组织中有处于各种状态肿瘤细胞。从氧分压高低来考虑时，能够分为有氧细胞（Oxic cell）和乏氧细胞（Hypoxic cell）。人类肿瘤中乏氧细胞百分比大约为人类肿瘤中乏氧细胞百分比大约为30%-40%。有氧细胞和乏氧细胞在肿瘤中分布，是经过测量肿瘤内毛细血管到坏死部位距离，普通为150-170m，最远不超出180 m。肿瘤放射生物学第86页肿瘤结构模式图：毛细血管毛细血管坏死层坏死层有氧细胞层有氧细胞层145-150mm15-20mm乏氧细胞层乏氧细胞层肿瘤放射生物学第87页 肿瘤细胞以血管为中心作同心圆排列，距离毛细血管一定部位变为乏氧细胞层，再向外则为坏死层。Thomlinson把这种排列称为肿瘤索（TumorCord），并认为肿瘤索是组成肿瘤组织最小单位，肿瘤索大量聚集形成肿瘤组织。当肿瘤越增大时，未出现损害细胞百分比会越少。坏死部位是距毛细血管远部位，能够说大部分是氧分压为0部位。放射敏感性沿毛细血管到坏死层径线逐步改变，细胞增生能力也自中心沿直径向外逐步减弱。肿瘤放射生物学第88页肿瘤对放射反应肿瘤对放射反应 电离辐射作用必定结果是受照射区域生命物质破坏。在肿瘤放射治疗中，肿瘤照射剂量受到多方面限制：1）正常组织马上反应；）正常组织马上反应；2）某一组织早期反应；）某一组织早期反应；3）很大致积被照射；）很大致积被照射；4）产生远期损伤危险。）产生远期损伤危险。不过，控制肿瘤是放射治疗主要目标控制肿瘤是放射治疗主要目标。肿瘤放射生物学第89页肿瘤剂量肿瘤剂量效应关系效应关系 临床上肿瘤治疗成功，是指射线彻底破坏肿瘤组织中肿瘤细胞一个也不残余，或者肿瘤细胞即使残余下来，但受到抑制而不能再发挥其机能。然而，临床上所谓取得基本治愈局部是否就不复发呢？TCD50是指受照射肿瘤中是指受照射肿瘤中50%肿瘤治愈时肿瘤治愈时所需要放射剂量。所需要放射剂量。TCD是肿瘤控制剂量（是肿瘤控制剂量（TumorControl Dose）缩写。）缩写。肿瘤放射生物学第90页 把接种肿瘤动物分为若干组，各组给予不一样剂量照射后观察90-120天，分析各组治愈率，由此求出使50%肿瘤取得治愈所必需照射剂量。照射时肿瘤体积与TCD50之间关系：普通而言，肿瘤体积增大时，TCD50也随之增大。肿瘤放射生物学第91页影响放射效应生物学原因影响放射效应生物学原因 当前，肿瘤放射治疗还未完全与肿瘤放射生物学研究