1、Radiation therapy,腫瘤放射治療學,成都醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 劉滔,,,腫瘤放射生物學基礎,放射生物學Radiobiology,放射生物學: 研究電離輻射對生物體作用及其效應規(guī)律的一門科學 To describe the nature of the interactions and the consequences when macromolecules, cells, tissue

2、s and whole bodies are subject to ionizing radiation.,用實驗的方法了解放射線對生物大分子、細胞、組織以及生物整體水平的作用機制。研究范圍涉及放射線對生物體作用的原初反應及其以后一系列的物理、化學和生物學方面的改變。是放射腫瘤學四大支柱之一：腫瘤學、放射物理學、放射生物學、放射治療學；,臨床放射生物學,,放射生物基礎,發(fā)展簡史,放射物理學的重要發(fā)現(xiàn)； 從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線

3、開始，人類不斷探索著射線對生物體影響。1906年提出有關細胞、組織放射敏感性定律；20年代形成靶學說；40年代核武器開發(fā)和使用，全身性急性放射損傷和放射病理的研究進展很快；1953細胞學技術(shù)發(fā)展，揭示了細胞生活周期各時相。同年闡明了乏氧具有增加細胞放射抵抗力的作用；60年代DNA損傷與修復的研究，提高到分子生物學水平；70-80年代提出了放射治療中需要考慮的生物因素—4“R”理論。,為腫瘤放射治療提供理論基礎，設計各種放射治

4、療方案；為評價和比較放射治療方案提供理論依據(jù)；放射生物損傷的理論依據(jù)，指導放射生物防護工作，減少正常組織損傷；是放射治療、放射增敏、放射防護的基礎。,放射生物學作用,主要內(nèi)容,電離輻射對生物體的作用電離輻射的細胞效應電離輻射對腫瘤組織的作用正常組織及器官的放射效應分次放療的生物學基礎,第一章,電離輻射對生物體的作用,第一節(jié) 輻射生物效應的時間標尺,電離輻射對生物體的作用,,（一）物理階段 帶電粒子和組成組織原子之間的相

5、互作用。 1、帶電粒子（初級和次級）主要與構(gòu)成細胞原子的軌道電子相互作用，將一些電子打出原子（電離） ，或使其他在原子或分子內(nèi)的電子進入較高能量水平（激發(fā)） 。 2、一個10?m體積的細胞，每吸收1Gy的劑量將發(fā)生超105次電離。,,物理階段10-18—10-12s,射線照射路徑上釋放能量 激發(fā) 電離,（一）物理階段,射線對人體的影響不是通過射線所含的總的能

6、量來判斷的，而在于單個能量包的大??；舉例： 單次4Gy X射線全身照射 輻射能——致死 熱 能——一口熱咖啡 機械能——70kg 人舉高16英寸因為：X線的能量被量子化為多個能量包，如每個包的能量大到足以打斷化學鍵即可引起生物學事件。,,（二）化學階段 受損原子和分子與其他細胞成分發(fā)生快速化學反應的時期電離和激發(fā)導致化學鍵的斷裂和形成自由基（被破壞的分子：O2?、H2O?、 OH?）；自由基

7、非常活躍，參與一系列的反應，最后重建電子負荷平衡。自由基反應在射線照射后約1ms內(nèi)就全部完成。,化學階段,激發(fā)電離,化學鍵斷裂自由基形成,修復正常,分子結(jié)構(gòu)破壞,,,,,（三）生物階段 包括其后的所有過程。多數(shù)損傷（如DNA內(nèi)的損傷）都可以成功修復。僅有較少的一些損傷不能修復，這些未修復的損傷最后導致細胞死亡。 干細胞被殺滅、丟失——早反應：數(shù)周至數(shù)月正常組織和腫瘤內(nèi)存在細胞殺滅的繼發(fā)效應，即代償性細胞增殖/修復。非

8、再生正常組織損傷——晚反應：數(shù)月至數(shù)年更晚時間——輻射致癌：數(shù)年至數(shù)十年,分子結(jié)構(gòu)破壞,修復,酶反應,基因變異/癌變,DNA不能復制/有絲分裂停止,細胞死亡,,,,,,生物階段,,第二節(jié) 電離輻射的直接作用和間接作用,直接作用,間接作用,電離輻射直接作用： 電離輻射直接對靶原子（主要是DNA）電離和激發(fā)，從而啟動一系列導致生物變化的事件；高LET射線（如中子或α粒子）電離輻射間接作用： 電離輻射與細胞內(nèi)其他原子或分子（特

9、別是水）相互作用產(chǎn)生自由基，由自由基損傷DNA。 H2O→ H2O+ + e- H2O+ H2O+→ H3O++ OH.,,第二章,電離輻射的細胞效應,第一節(jié) 輻射誘導DNA損傷及修復,DNA是輻射細胞效應的關鍵靶：證據(jù)：P77放射線殺死細胞時，單獨照射胞漿所需的照射劑量比單獨照射細胞核大得多；放射性同位素（如3H,125I）摻入核DNA可有效地造成DNA損傷并殺死細胞；當特異地把胸腺嘧啶類似物摻入染色

10、體時，可增加細胞放射敏感性；受照后染色體畸變率與細胞死亡密切相關；,DNA損傷及修復,DNA受照后,,單鏈斷裂,雙鏈斷裂,殺滅作用小,斷端彼此遠離,,折成兩段,,易修復,細胞死亡、突變、致癌,,,關鍵,,單鏈斷裂的修復易完全修復，受酶調(diào)控,,雙鏈斷裂，染色體斷裂不易修復，修復差錯,一、DNA是細胞死亡的關鍵靶受照射后，細胞死亡常見于那些不斷分裂的細胞，但也見于不進行分裂的細胞，但后者放射敏感性差。,第二節(jié) 輻射所致細胞死

11、亡,,二、細胞死亡的形式1、有絲分裂死亡：受照射細胞第一次或以后有 限的幾次分裂后死亡，通常由有絲分裂失敗 所致；2、凋亡：與細胞類型有關，淋巴細胞易通過凋 亡快速死亡；3、自嗜：溶酶體對細胞自身結(jié)構(gòu)的吞噬降解；4、壞死5、衰老,第三節(jié) 細胞放射存活曲線,一、放射生物學細胞存活的概念細胞存活：細胞保持完整的增殖能力，可產(chǎn) 生大量的克隆；（克隆源性細胞） 克?。河梢粋€存活的細胞通過不斷分裂增

12、殖形成的一個細胞群體（＞50個細胞）。細胞死亡：包括有完整結(jié)構(gòu)及合成蛋白、DNA的功能，但無再增殖能力的細胞；（終末分化細胞、輻射損傷細胞）,,二、細胞存活曲線細胞培養(yǎng)： 克隆形成：,,克隆形成率=,接種細胞數(shù),細胞克隆數(shù),,照射后細胞存活分數(shù)SF：,SF=,對照組細胞克隆形成率,受照射細胞克隆形成率,,細胞存活曲線：,橫坐標：表示劑量，按線性標度繪制；縱坐標：表示存活分數(shù)，按對數(shù)標度繪制。,,,,三、細胞存活曲線形

13、狀,,（一）指數(shù)存活曲線：致密電離輻射（如中子、α粒子）照射后，細胞存活率在半對數(shù)坐標系中趨近于一條直線，呈指數(shù)型。用單靶單擊數(shù)學模型擬合。 SF=e-αD,,（一）非指數(shù)存活曲線：稀疏電離輻射（如X、γ射線）照射后，細胞存活率在半對數(shù)坐標系中常有一初始肩段，存活曲線彎曲，隨后在高劑量區(qū)趨于一條直線。用多靶單擊模型及線性二次模型解釋。 SF=e-αD-βD2,,第四節(jié) 細胞周期及放射敏感性,細胞

14、周期時間（cell-cycle time）,也稱為有絲分裂周期時間, 是兩次有效的有絲分裂之間的時間。,M期細胞或接近有絲分裂期細胞是放射最敏感細胞晚S期細胞通常具有較大的放射抗拒性若G1期相對較長,G1早期細胞表現(xiàn)相對輻射抗拒,其后逐漸敏感,G1末期相對更敏感G2期細胞通常較敏感,敏感性與M期相似,第四節(jié) 細胞周期及放射敏感性,M期的或接近M期的細胞被殺死,細胞周期與放射敏感性,殘留不敏感細胞，一次照射后細胞同步化,M期的或接近

15、M期的細胞被殺死,,細胞通過周期進入敏感時相再分布,再次照射可增加細胞敏感性,分次放療的理論基礎之一,,,,,,第三章,細胞增殖動力學,,一、惡性腫瘤細胞構(gòu)成P細胞/增殖細胞 腫瘤體積增長的主要來源,占整個腫瘤細胞群體的比例稱為生長比例Q細胞/靜止細胞 由靜止或G0期細胞組成,其中一些細胞是克隆源性,有能力再群體化出一個腫瘤分化終末期細胞 不再具有分裂能力死亡和正在死亡的細胞,腫瘤增殖動力學,二、描述腫瘤生長的一些參

16、數(shù)腫瘤體積倍增時間（tumor volume doubling time, Td）———數(shù)十天 決定因素:細胞周期時間、生長比例、細胞丟失率,,描述腫瘤生長的一些參數(shù)潛在倍增時間（potential doubling time, Tpot） 是一個理論值,假設在沒有細胞丟失的情況下腫瘤細胞群體增加一倍所需要的時間——數(shù)天時間決定因素: 細胞周期時間 生長比例,描述腫瘤生長的一些參數(shù)細胞丟失因子（cell los

17、e factor）：用于計算腫瘤細胞丟失量。細胞丟失因子=1-Tpot/Td,,人類腫瘤典型的動力學參數(shù)細胞周期： 約2天 生長比例： 約40% 丟失率： 約90% 癌細胞潛在倍增時間：約5天 體積倍增時間： 約60天,第四章,正常組織及器官的放射反應,第一節(jié) 正常組織的結(jié)構(gòu)組分,一、正常組織細胞分化層次：干細胞： 常處于G0期，有無限自我繁

18、殖的能力，刺激后可進入細胞周期；分化或功能細胞： 無分裂增殖能力，（成熟細胞） ；正在成熟的細胞（有限次分裂）。,二、早反應組織和晚反應組織： 根據(jù)正常組織的不同特性和對電離輻射的不同反應,可將正常組織分為早反應組織和晚反應組織兩大類早反應組織 細胞更新快,放射后的損傷很快會表現(xiàn)出來,這類組織α/β比值較高,損傷后以活躍的增殖來維持組織中的細胞數(shù)量.如:粘膜上皮、骨髓、毛囊上皮,,,晚反應組織 細胞更新慢,數(shù)周甚至一

19、年或更長時間也不進行自我更新,如神經(jīng)組織,放射后的損傷很晚才表現(xiàn)出來,這類組織α/β比值較小,,,在臨床上應根據(jù)早晚反應組織的特點,安排合適的總劑量、總治療時間和分次劑量,特別保護晚反應組織,早、晚反應與劑量、治療時間關系,加大分次劑量---晚反應組織損傷加重，而早反應細胞不敏感；因為早反應細胞更新快，可以進行更新修復；總治療時間縮短---早反應組織損傷加重，晚反應組織不敏感；因為晚反應細胞更新慢，治療期間一般不會出現(xiàn)代償增殖；腫瘤

20、類似早反應細胞。,為減少晚期反應，應盡量減少分次劑量（至少應達到有效殺傷的劑量）為保證腫瘤控制率，應在不致引起嚴重急性反應的情況下，盡量減少總治療時間,,,三、正常組織早、中、晚期放射反應,三、正常組織早、中、晚期放射反應,功能亞單位：平行組織結(jié)構(gòu)：肺、腎——閾體積串聯(lián)組織結(jié)構(gòu)：脊髓、小腸——閾劑量中間型器官結(jié)構(gòu)：腦,四、正常組織的體積效應,第五章,分次放射治療的生物學基礎,細胞放射損傷的修復 (Repair of

21、radiation damage )：周期內(nèi)細胞時相的再分布 （Redistribution within the cell cycle）氧效應及乏氧細胞的再氧合 （The oxygen effect and Reoxygenation ）細胞再群體化(Repopulation),放射生物學4R原理,,一、細胞放射損傷修復：,細胞損傷類型：亞致死損傷(sublethal damage)潛在致死損傷(potential let

22、hal damage)致死損傷(lethal damage),（一）亞致死損傷是指受照射以后，細胞的部分靶而不是所有靶內(nèi)所累積的電離事件，通常指DNA的單鏈斷裂。亞致死損傷是一種可修復的放射損傷，對細胞死亡影響不大, 但亞致死損傷的修復會增加細胞存活率。,一、細胞放射損傷修復,（一）亞致死損傷修復,,0.005,1959年發(fā)現(xiàn)細胞能在3小時內(nèi)完成這種修復一般為30分到幾小時亞致死損傷半修復時間（T 1/2）,表示不同組織特性

23、小腸=0.5小時脊髓=1.5小時嚙齒動物皮膚濕性脫皮=1.3小時非常規(guī)分割中，兩次間隔大于6小時,（一）亞致死損傷修復,影響亞致死損傷修復的因素,放射線的性質(zhì) 低LET射線照射后細胞有亞致死損傷和亞致死損傷的修復，高LET射線照射后細胞沒有亞致死損傷因此也沒有亞致死損傷的修復。細胞的氧合狀態(tài)處于慢性乏氧環(huán)境的細胞比氧合狀態(tài)好的細胞對亞致死損傷的修復能力差。細胞群的增殖狀態(tài) 未增殖的細胞幾乎沒有亞致死損傷的修復等。,（

24、二）潛在致死損傷 正常狀態(tài)下應當在照射后死亡的細胞，若在照射后置于適當條件下由于損傷的修復又可存活的現(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胞最終喪失分裂能力。意義：黑色素瘤對輻射的抵抗性可能與照射后大量細胞潛在致死損傷的修復有關。,一、細胞放射損傷修復,（三）致死損傷受照射后細胞完全喪失了分裂繁殖能力，是一種不可修復的，不可逆和不能彌補的損傷。,一、細胞放射損傷修復,,二、細胞周期再分布：細胞周期放射敏感

25、性：　S期的細胞（特別是晚S期）最耐受 G1期放射敏感性差　G2和M期的細胞最敏感可能原因： G2期細胞在分裂前沒有充足的時間修復放射損傷。分次放射治療： 放射抗拒細胞（S、G1）→放射敏感細胞（M、G2）,細胞周期再分布,,三、乏氧細胞再氧合：（一）氧的重要性： 氧效應：細胞對電離輻射的效應強烈的依賴于氧的存在，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。 氧增強比：把在乏

26、氧及空氣情況下達到相等生物效應所需的照射劑量之比叫做氧增強比（OER），通常用OER來衡量不同射線氧效應的大小。 氧固定假說：有機過氧基（RO2.）,,三、乏氧細胞再氧合：（二）腫瘤乏氧：首先指出實體瘤內(nèi)有乏氧細胞存在是在1955年，由Thomlinson 和Gray根據(jù)他們對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。當腫瘤細胞層的厚度超過氧的有效擴散距離時，細胞將不能存活。那些處于即缺氧地帶

27、即將壞死但仍有一定活力的細胞稱為乏氧細胞。,,三、乏氧細胞再氧合：（三）乏氧細胞再氧合：直徑<1mm的腫瘤是充分氧合的，超過這個大小會出現(xiàn)乏氧。再氧合 如果用大劑量單次照射腫瘤，腫瘤內(nèi)大多數(shù)放射敏感的氧合好的細胞將被殺死，剩下的那些活細胞是乏氧的。因此，照射后即刻的乏氧分數(shù)將會接近100%，然后逐漸下降并接近初始值，這種現(xiàn)象稱為再氧合。,,,,,缺血壞死區(qū),腫瘤組織,富氧區(qū),乏氧區(qū),,,,,照射,乏氧細胞再氧合,再氧合,

28、照射,（三）乏氧細胞再氧合,,四、再群體化：概念：損傷后，組織的干細胞在機體調(diào)節(jié) 機制的作用下，增殖、分化、恢復組 織原來形態(tài)的過程。主要針對正常組織但在腫瘤組織中也存在--加速再群體化:照射或使用細胞毒藥物以后，可以啟動腫瘤內(nèi)存活的克隆源細胞，使之較照射或用藥以前分裂得更快。,頭頸部鱗癌總治療時間和TCD50劑量的關系,,28,,,五、非常規(guī)分割治療研究常規(guī)分割：每天照射1次，2Gy/日，5次/周；

29、非常規(guī)分割：（一）超分割：1.2Gy/次，2次/日（二）加速分割：2Gy/次，2次/日（三）連續(xù)加速超分割（四）后程加速超分割,（一）超分割方案,約1.2Gy/次，2次/日，10次/周連續(xù)兩次間隔>6h總劑量增加10%-20%目的：進一步減輕晚期反應（晚期反應與分次劑量有關）同時早期反應變化不明顯。,五、非常規(guī)分割治療,（二）加速分割方案,2Gy/次，一天內(nèi)照2次或多次，總治療時間減少1/2，總劑量不變目

30、的：抑制腫瘤的再群體化不良反應多（早、晚飯應均增加），少用,五、非常規(guī)分割治療,（三）連續(xù)加速超分割,總劑量不變，1.5Gy/次，3次/日，間隔時間>6h，共12天目的急性反應明顯，但表現(xiàn)出來的時候治療已結(jié)束分次劑量小，晚期反應可接受。脊髓例外，在50Gy可出現(xiàn)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。,減少分次劑量以降低晚期反應,降低總治療時間以抑制腫瘤增殖,,五、非常規(guī)分割治療,（四）后程加速超分割