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1、第二节：临床放射生物学效应,1. 正常组织细胞的放射生物效应,正常组织和肿瘤对于辐射的反应是极为复杂的生物变化过程。包括了诸多自身与外在的因素。,1.正常染色体的结构 2.染色体DNA是关键靶 3.电离辐射对DNA及染色体的作用 4.电离辐射诱导的DNA损伤及修复 5.细胞死亡的形式,知识回顾：,1.正常染色体与DNA的结构,脱氧核糖核酸（DNA）,腺嘌呤,腺嘧啶,鸟嘌呤,胞嘧啶,2.染色体DNA是关键靶,染色体特别是DNA是引起细胞死亡的主要靶的证据： 微幅射研究显示，用放射线杀死细胞时，单独照射细胞质所需的照射剂量要比单独照射细胞核大得多。 放射性核素（如 3H、125I)参入核DNA可有
2、效地造成DNA损伤并杀灭细胞。 受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密切相关。 当特异地把胸腺嘧啶的结构类似物，如碘脱氧尿核苷或溴脱氧尿核苷参入染色体时可修饰细胞的放射敏感性。,3.电离辐射对DNA及染色体的作用,电离辐射诱发染色体畸变的意义目前受到广泛重视。新的辐射效应“靶子”学说，正是以染色体损伤为基础的。细胞死亡、辐射致癌效应、辐射遗传危害都被看作是细胞染色体和在染色体上基因突变的结果。这种新理论趋向把辐射损伤的根本原理，归结为染色体损害一元论解释。,DNA是电离辐射最主要的靶分子： 带电或不带电粒子被生物物质吸收后与DNA 直接发生作用，称为辐射的直接作用，如高LET射线（中子或粒子）
3、； 与其他原子或分子（主要是水）相互作用产生自由基，由这些自由基损伤DNA，称为辐射的间接作用,电离辐射诱导的DNA损伤类型,4.电离辐射诱导的DNA损伤及修复,单链断裂（SSB)：对于完整的DNA,单链断裂对细胞杀灭几乎没有作用，因为它们很容易以对侧的互补链为模板使损伤修复，但如果是错误修复可能发生突变。 双链断裂(DSB)：如果DNA的两条链都发生断裂，但彼此是分开的(间隔一段距离），也很容易发生修复，因两处断裂的修复是分别进行的；如果两条链的断裂发生在对侧互补碱基位置上，或仅间隔几个碱基对，这时可能发生双链断裂，即染色体折成两段。两个双链断裂的相互作用可以导致细胞的死亡、突变及致癌作用。
4、,有丝分裂死亡:由于染色体的致命损伤，细胞在试图进行有丝分裂时死亡，可发生在照射后的第一次或以后的几次分裂时，因此是一种增殖性死亡。这是放疗导致肿瘤细胞死亡最主要的形式。 间期死亡：见于淋巴细胞，少突神经胶质细胞，唾液腺、甲状腺及消化道陷窝的浆液细胞，以及毛囊细胞，往往仅需要低剂量。间期死亡是放射敏感细胞的特征，目前认为通过快速凋亡而导致死亡。,5.细胞死亡的形式,5.细胞死亡的形式,凋亡：多见于淋巴细胞。凋亡不是照射诱导细胞死亡的主要机制。 老化：在正常组织放射损伤中起重要作用，如：纤维化。细胞存活并具有代谢活性，但失去繁殖的潜能。 坏死：在放化疗中常见肿瘤组织的坏死，有多种因素导致，包括有
5、丝分裂死亡、辐射对肿瘤血管的效应导致微环境的改变。 自噬作用：一种非凋亡/非坏死的细胞死亡，与溶酶体对蛋白和细胞器的降级有关，目前机制不清,（一）、细胞的放射敏感性,各种细胞对电离辐射的敏感程度有很大的差异，主要表现为以下三个方面：（1）、不同细胞群体的放射敏感性 （2）、不同细胞周期时相的放射敏感性 （3）、不同环境中细胞的放射敏感性,（1）、不同细胞群体的放射敏感性可分三类： a.不断分裂和更新的细胞群体-辐射敏感b.不分裂的细胞群体-辐射抗拒性c.一般状态下基本不分裂的细胞群体-辐射相对不敏感（但可受刺激后转化）,各类细胞对辐射的敏感性不一致.不断生长、增殖、自我更新的细胞群对辐射敏感,
6、分化成熟的细胞对辐射具有高度耐受性, 淋巴细胞例外, 它分化成熟,但属于高度敏感细胞.造血细胞、生殖细胞、肠上皮细胞等高敏;膀胱、食道等上皮细胞较敏; 结缔组织、内皮细胞等中敏; 而肌细胞、神经节细胞、成熟的软骨和骨细胞低敏。,（2）.不同细胞周期时相的放射敏感性,细胞周期定义：指从母代细胞增殖过程某一时相到子代细胞增殖过程的同一时相的时间。,细胞周期可分为4个主要时相：G1期，指DNA合成前期，有RNA迅速合成并指导大量多种蛋白质和其他分子合成，准备合成DNA，该期大约为数小时乃至数年。S期，指DNA合成期，此期间DNA量增加一倍，持续时间约830小时。G2：期，DNA合成后期，为分裂做准备
7、，合成分裂期所需的DNA和蛋白质，人约持续115小时。M期，有丝分裂期，无生化合成。分裂由核开始，继而细胞质分裂，两个子细胞形成。整个有丝分裂过程分为前期、中期、后期和末期四个时期。,整个有丝分裂过程分为前期、中期、后期和末期四个时期。此外，G0期细胞，指那些处于休眠状态不参加周期分裂活动的细胞。一旦机体需要或接到某种信号后，这些细胞就能开始准备DNA的合成而变成G1期细胞。,细胞周期,细胞增殖周期为:A G1期-S期-G2-M期 B G2期-G1期-S期-M期 C M期-S期-G1期-G2期 D S期-M期-G1期-G2 E G1期-G2期-S期-M期,正常细胞周期调控机制,细胞周期中S期和
8、M期是最活跃的时相，G1向S过渡期和G2向M过渡期最关键。 G1时相调控机制（R点）。 S时相调控机制。 G2/M时相调控机制。,肿瘤内细胞放射敏感性的差异,细胞时相的敏感性差异 G2/M期敏感 G1/S期抗拒 照射后增殖周期中的细胞（时相）分布不同,肿瘤内细胞放射敏感性的差异,细胞受到亚致死剂量照射后,主要表现为有丝分裂延迟, 损伤轻重取决于照射时细胞所处的周期阶段.不同阶段的辐射敏感性不同.处于M期的细胞受照射很敏感,可引起细胞即刻死亡或染色体畸变.G1期早期对辐射不敏感,后期则较敏感,周期较长的细胞在G1期受照射可能发生G1抑制,延迟进入S期.S前期也较敏感,受照可使DNA合成速度变慢,
9、细胞延迟进入G2期.G2期是对辐射极敏感的阶段,处于此期即使较低剂量也会由于所需特异蛋白质和RNA合成障碍引起长时间分裂延迟,也称“G2阻断”。,例题：在细胞周期中不同时相的细胞对放射的敏感性不同放射生物学实验证实，处于什么期的细胞对放射线最敏感A M期G2期B G1期C S期D GLa期E GO期,在临床放疗中与放射敏感性无关的 A 细胞的分化程度 B 细胞的增殖能力 C 细胞中的氧含量 D 肿瘤供血 E 细胞的生理功能,（3）不同环境中细胞的放射敏感性,主要是氧分压的影响a.低LET辐射作用下，氧分压与辐射敏感b.高LET辐射作用下，氧分压与辐射不敏感此外，凡是有利于细胞生长和增殖的条件，
10、可导致辐射敏感性增加。,（二）、电离辐射对细胞周期的影响,细胞在增殖过程中常遇到各种不利因素，内源性因素：细胞代谢副产物，外源性因素：细胞毒药物或放射线。这些内外因素导致细胞的DNA损伤甚至死亡。 细胞受损后保证周期进程高度有序进行的调控机制称为细胞周期关卡（checkpoints）。 与细胞关卡功能相一致，受损细胞的周期进程常延缓或阻滞在三个位点： 细胞进入S期前（G1期关卡） S期内（S期关卡） 细胞进入M期前（G2期关卡，或称为G2/M期关卡）,细胞周期关卡,G1期关卡,电离辐射、缺氧等原因导致的细胞基因组破坏（如DNA单链或双链断裂、各种形式的基因突变等），通过细胞内多种检测途径将基因
11、组改变的信号传递给PI3K相关的丝氨酸/苏氨酸激酶（ATM/ATR)。,G2期关卡,DNA损伤后，损伤信号激活ATM/ATR，进而启动分子作用机制。,G2期关卡,进一步研究发现存在两种机制上截然不同的G2/M期关卡。 “早期”关卡：发生在照射后早期，导致的G2/M期阻滞非常短暂，必须有ATM参加，代表的是照射时已经处于G2期的细胞发生的阻滞。可能是细胞由低剂量超敏转成放射抗拒的重要机制。 “晚期”关卡：发生在照射后数小时，这种阻滞不需要ATM参加，但呈照射剂量依赖性，代表的是照射时处于G2期以前时相的细胞所发生的G2/M期阻滞和积累。该阻滞不受“早期G2/M关卡的影响，但对于缺乏S期关卡的细胞
12、，该组织明显增加。,S期关卡,S期关卡：DNA受损后S期关卡能暂时、可逆的延缓细胞周期进程，其作用是抑制新复制子启动，降低DNA复制速度。因此与G1和G2/M期关卡不同，S期关卡不引起细胞时相的持续阻滞。 DNA完整性关卡：G1、G2、S期关卡的作用是检测DNA损伤和有缺陷的DNA复制，延缓或阻滞细胞周期的进程，因此统称为DNA完整性关卡。,有丝分裂纺锤体关卡,作用：在细胞分裂前确保纺锤体的正确形成。 在着丝粒区，纺锤体关卡检测染色体和微管的相互作用，并能够在分裂后期延缓染色体分离，以纠正有丝分裂纺锤体装置的缺陷。,辐射诱导的细胞周期阻滞的意义,电离辐射能够导致哺乳动物细胞的细胞周期紊乱，主要
13、表现为细胞周期进程受阻。尽管这一现象在几十年前就被发现，但直到最近随着细胞周期关卡调控机制的阐明，辐射引起细胞周期阻滞的分子机制才有所明确。 生物学意义：细胞周期阻滞是细胞对电离辐射的一种保护性反应，目的在于保证基因组的遗传稳定性，促进受损细胞的修复和存活。,辐射诱导的细胞周期阻滞的意义,临床意义： 辐射诱导G1期阻滞的时间长短与辐射后细胞的存活率没有显著的联系，因此G1期关卡对放射治疗的价值目前还不明确； 在哺乳动物细胞中已发现，某些癌基因转染细胞后，在破坏辐射引起的细胞G2期阻滞的同时，细胞照射后的存活率也明显下降，因此去除放射引起的G2期阻滞理论上能够改善细胞的放射敏感性，G2期关卡是潜
14、在的放射增敏靶点。,细胞存活的临床意义 它反映和推测的是肿瘤控制的效果，是从实验角度评估疗效的的良好指标。 在这个严格定义下，提示临床必须重视这种肿瘤存活细胞，这种具有无限增殖能力的细胞是在治疗中必须根除的细胞，否则将留下导致复发和转移的隐患。 细胞存活曲线 定义：描述放射线照射剂量和细胞存活分数之间的关系，用以研究和评估电离辐射对哺乳动物细胞增殖能力（即再繁殖完整性）的影响。,（三）、细胞的存活曲线,（三）、细胞的存活曲线,线性二次（LQ)模型的 有效存活曲线,在分割放疗方案中，随着分割剂量的减少： 有效存活曲线的斜率越来越小； 双击击中对死亡的贡献部分越来越小； 最终，曲线将完全由直线部分
15、组成，双击击中导致的损伤将完全可以修复； d2受分割剂量变化的修饰,线性-二次（LQ)模式,LQ模式是将DNA双链断裂与细胞存活联系起来的数学模式，放射生物学基础可靠，已被众多实验研究所证实。 LQ模式已成为目前使用最广泛、发展也最快的放射生物学效应模式。 数学表达式：SF=e-D-D2,致密电离辐射的生存曲线 指数存活曲线,致密电离辐射没有亚致死性损伤，在半对数坐标上是一条直线，呈指数型 数学表达式：SF=e- D =e-D/D0 特点：只有一个参数，即D0值（为斜率的倒数），通常称为平均致死剂量，它的定义是平均每靶击中一次所给予的剂量。 单靶单击数学模型,细胞存活曲线的形状 （稀疏电离辐射
16、线、线）,由肩部（shoulder）和直线部分组成 肩部： 存活曲线的起始直线部分：在半对数坐标上有一个有限的初斜率（即存活分数是照射剂量的指数函数）。 随后的向下弯曲段 直线部分：在高剂量存活曲线又趋于直线（存活分数又变成照射剂量的指数函数） 如何用数学模型去拟合？,常用的数学模型,多靶-单击（MT or TC)模式（multi-target and single-hit or two-component model） 线性-二次（LQ)模式（linear quadratic model）,MT or TC 模式,细胞死亡的经典靶学说 认为在细胞内有n个能够独立地承受可修复亚致死性放射损伤、对同等剂量的射线敏感性相同的部位，即“靶”，一般理解为DNA双链上的核苷酸或DNA-膜复合体。 “击”：带电粒子的打击。 在一次照射过程中直至n-1个靶被击中，细胞尚能修复其损伤而存活下去，但是n个靶同时击中则细胞死亡。 对于任何种类辐射所致的细胞死亡都是单击死亡与亚致死性损伤累积（多靶）死亡之和 对单击死亡的理解 细胞内可能有一个对其存活至关重要的、体积很小和损伤不可能修复的靶存在； 有足够密度的电离辐射同时灭活数个有潜在修复能力的靶，相当于一个致死性打击。,
