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1、临床放射生物学,杨立,教学大纲,学时：46 教材：放射肿瘤学朱广迎 主编 科学技术文献出版社肿瘤放射治疗学王瑞芝主编 人民卫生出版社 授课方式：多媒体 要求：1、掌握：电离辐射种类及其与物质的相互作用，自由基的概念，直接作用与间接作用，氧效应与氧增强比，细胞成活的概念，放射治疗的耐受性，分次照射后的组织反应“4R”的概念，B-T定律，/比值的意义。,2、熟悉：细胞周期与放射敏感性，细胞放射损伤的分 类，传能线密度的概念，LQ模型的临床意义，肿瘤增值动力学。,3、了解：电离辐射的分子生物学效应及其诱导的细胞损伤与修复，正常组织的增殖动力学基对放射线的不同反应，常规分割时局部照射不同剂量后正常组织
2、的损伤情况，肿瘤放疗后的形态学改变，肿瘤放射敏感性的预测，提高肿瘤放射敏感性的方法。,研究对象：放射生物学主要研究放射线对生物体的作用，观察生物体受不同质的放射线照射后的各种生物效应以及不同内外因素对生物效应的影响。,临床放射生物学是在放射生物学基本理论上，结合肿瘤及正常组织的放射生物特性以及临床放射治疗时和以后诸因素所发生的一系列变化的认识，从分子、细胞组织直至整体水平实验研究的独特技术和指标，探讨提高放疗疗效的办法或措施，以达到不断提高肿瘤治疗效果和改善病人生存质量的目的。,第一章 电离辐射对生物体的作用,一、电离辐射种类及其与物质的相互作用电磁辐射：仅有能量无静止质量。 电离辐射 粒子辐
3、射：既有能量又有静止质量,电磁辐射：是可以在相垂直的电场和磁场，随时间变化而 交变振荡，形成向前运动的电磁波。如：x射线、r射线均由光子组成。 粒子辐射：粒子通过消耗自己的动能把能量传递给其他物质。如：a 粒子、b粒子、（或电子）、质子、中子等。,二、电离和激发,电离作用生物组织中的分子被粒子或光子流撞击时，其轨道电子被 击出产生自由电子和带正电的离子 离子对。这一过程称。是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的原初过程。,激发当电离辐射与组织分子相互作用，其能量不足以将分子的轨道电子击出时，可使电子跃迁到较高级的轨道上，使分子处于激发态。这一过程称。（其作用较弱）,电离辐
4、射对任何生物体的照射将启动一系列时间差异非常大的变化过程。其可分为： 物理阶段 化学阶段 生物阶段,水的射解水大约占活组织重量的7080。生物效应在很大程度上是间接通过辐射对水的作用形成的。,三、自由基的形成,H2O H2O. e H+ + HO. (氢氧自由基）,自由基是用于描述含有不配对电子的一个原子、分子、粒子或一个原子团。它们具有很高的化学活性、不稳定性、顺磁性等，一般为电中性 。,自由基与放射损伤,自由基对DNA的损伤作用其后果主要有三类：单双链断裂无嘌呤无嘧啶位点（AP）产生环胞和嘧啶衍生物 自由基对脂类过氧化作用与生物膜的损伤OH .（羟自由基）是脂类过氧化作用的主要引发剂。其机
5、制复杂,物理过程: 对DNA的电离和激化作用直接作用(direct action):中子和质子间接作用(indirect action):电子,X线 和线 * 化学过程: 低LET线电离水分子产生高度活性羟基自由基 OH H2OH2O+eH2O+ H2OH3O+OH * 生物过程: 羟基自由基OH 破坏DNA分子糖链, 嘧啶和嘌呤基,产生DNA单或双链断裂,辐射生物效应的时间标尺,第二节 电离辐射的直接作用和间接作用,一、放射线的生物效应放射线对生物体的作用直接作用（direct action)指任何射线（x、r射线、带电或 不带电粒子）在被生物物质吸收时，直接和细胞的 关键靶起作用，靶的原子
6、被电离或激发，从而启动 一系列的事件而导致生物效应的反应。发生在放射线对生物体的初始阶段。间接作用（indirect action）指射线在细胞内可能和另一个原子或分子相互作用，（尤其在水中）产生氢氧自由基OH，它可以扩散一定的距离达到另一个关 键靶并造成损伤。,P,P,e-,e-,光子,光子,H,H,O,OH 。,直接作用,间接作用,DNA是射线的作用靶分子 射线引发细胞周期阻滞(G1期或G2/M 期) 及凋亡(Apoptosis,)程序性细胞死亡， (program cell deathes, PCD) DNA损伤修复及破坏 * 射线的典型损伤-DNA 双链断裂 * DNA双链断裂的结局,
7、DNA是放射线作用靶点,DNA损伤部位,第二章 电离辐射的细胞效应,第一节 辐射诱导的DNA损伤及修复：略,第二节 辐射所致的细胞死亡,细胞的死亡时放射线对遗传物质和DNA造成不可修复的损伤所致,主要有两种形式：间期死亡：细胞受大剂量照射时发生的分裂间期死亡（细胞在进行下一次分裂前死亡）有丝分裂死亡：由于染色体的损伤，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。,一、细胞死亡的概念,二、细胞死亡的机制,1、DNA是关键靶2、淍亡（apoptosis） 作为辐射所引起的细胞死亡形式,四、传能线密度与相对生物效应 传能线密度(linear energy transfer
8、, LET)是指次线粒子径迹单位长度上的能量转换，表明物质对具 有一定电荷和一定速度的带电粒子的阻止本领。也即带电粒 子传给其径迹物质上的能量。辐射生物效应大小与LET值有重要关系。射线LET值愈大，在相同的吸收量下其生物效应愈大。 LET愈电离密度成正比。,相对生物效应（relative biological effect, RBE ) X射线（250KV）引起某一生物效应所观察的辐射引起同一生物效应所需要剂量的比值。在剂量相同的情况下，高LET射线的辐射效应 低LET射线.RBE的数值最适于在平均灭活剂量或平均致死剂量下进行生物效应比较。,第三节 细胞存活曲线,一、细胞存活曲线（cell
9、survival curves）的概念是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 殖能力及再繁殖完整性的影响，对辐射生物学研究 和临床放疗具有重要意义。,1956年Puck将细胞培养方法及微生物的菌落形成方法应用到辐射生物学研究，并建立了哺乳动物细胞存活曲线的实验方法辐射生物学定量研究细胞增殖能力的最好方法，成为分析电离辐射对细胞增殖效应的最简单、最可靠的指标（“金标准”）。,放射生物学规定，鉴别细胞存活的唯一标准是照射后细胞是否还保留无限增殖的能力。 增殖性死亡细胞：细胞完整无损，具有生理功能，有能力制 造蛋白质或合成DNA和进行新陈代谢活动，但失
10、去了无限分裂和产生大量子代的能力。 克隆源性细胞（存活细胞）：受照射细胞保存完整的生殖能力，能无限分裂和产生大量子细胞形成一个集落或克隆(clone)的细胞。 “存活”这一指标是通过测定离体培养细胞的集落生长能力或测量体内肿瘤细胞生长的能力，对放射治疗效果进行定量 分析的指标。,细胞存活的概念,克隆源性细胞: 在特定的生长环境内有能力形成含有超过50个细胞集落的细胞,干细胞：指有能力保持自己的数量，同时产生可以分化和增殖的细胞可以替代其他功能性细胞群的细胞,二、离体细胞存活曲线的实验方法,1.细胞培养 2.测定细胞系的单细胞克隆形成率 3.测定照射后细胞的存活分数 4.根据各照射剂量点的存活分
11、数作图,基本实验步骤：,细胞克隆,1955年Puck氏细胞克隆化成功开创放射生物学新纪元 增殖性死亡(reproductive death)概念 细胞剂量效应曲线(dose response curve)细胞存活曲线(cell survival curve) 某剂量照射后形成克隆数存活率= 种植细胞数空白组集落形成率(PE),三、细胞存活曲线,曲线的绘制 方法：主要依靠细胞培养，以制成的单个细胞接种平皿，用不同剂量照射，得到的集落形成数与未经照射的对照组进行比较，得出存活率。根据不同剂量的不同存活率绘制的曲线 细胞存活曲线。,指数性存活曲线（exponential survival curve
12、)是指细胞存活率与照射剂量成指数性反比关系。按照靶学说，是单靶单击的结果。“靶”（target）指细胞内放射敏感的区域“击”(hit)指射线粒子的打击 非指数性存活曲线（nonexponential survival curve)人类肿瘤细胞的存活曲线形式是非指数性的。照射后细胞不是立即出现指数性死亡，而是先出现一个“肩段”，对辐射表现一定的抗拒，以后随剂量增加，才呈指数性死亡。 可用多靶单击或单靶多击模型和线性二次模型解释。,放射生存曲线,高LET线细胞存活曲线-指数性曲线曲线公式 S=e-kD 低LET线细胞存活曲线-非指数性曲线肩部反映低剂量下损伤修复直线部分反映高剂量下指数性杀灭曲线公
13、式为一次二元方程式S=1-(1-e-kD )n ( K 为直线部分的斜率) D0=1/K (D0 为平均致死剂量)S=1-(1-e-D/ D0 )n曲线几个重要参数: D0 , N值, Dq值,曲线几个重要参数: D0 N值 S2 Dq值,D0-平均致死剂量 N值-外推数 Dq值-准阈剂量 S2 -指2GY照射时的存活曲线，最能区分 各类肿瘤的放射敏感性,细胞存活曲线的临床意义,1、研究各种细胞与放射剂量的定量关系 2、比较各种因素对放射敏感性的影响 3、观察有氧与乏氧状态下细胞放射敏感性的变化 4、比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并为其提供理论依据 5、考查各种放射增敏剂的效果 6、比
14、较单纯放疗或放疗加化疗或/和加温疗法的作用 7、比较不同LET射线的生物学效应 8、研究细胞的各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题,第四节 细胞周期时相与放射敏感性,正常组织增殖动力学及放射反应 细胞增殖周期时间指细胞复制过程从细胞周期的某一点到子细胞周期的同一点的时间。,M,G2,S,G1,无增殖能力细胞,分化细胞 功能细胞,死亡,增殖细胞群,非增殖细胞群,G0,细胞周期(G1SG2M) 细胞周期时相反应(cell phage response)* G1早期放射抵抗* G1末期(S早期)放射敏感* S期最具放射抵抗* G2/M最具放射敏感 细胞周期反应性受癌基因和抑癌基因调控,细胞周
15、期的放射反应,细胞周期放射反应,二. 放射敏感性 以增殖性死亡为标准，大部分哺乳动物G2/M期最敏感。S期敏感性最差。2. 以分裂延缓为标准，则G2期最敏感。,第三章 辐射对肿瘤组织的作用,第一节 肿瘤的增殖动力学,在肿瘤内并非所有细胞都能形成一个新的肿瘤，只有非常少的有不断增殖能力的克隆源性细胞才是可能长期存活的肿瘤细胞。,从增殖角度看肿瘤有以下几种细胞组成：分裂增殖的细胞静止的细胞（暂不分裂但仍然有生长能力的细胞）无增殖能力的衰老细胞，破碎细胞,第一层次 由活跃分裂的细胞组成有时称P细胞或增殖细胞 。 是肿瘤体积增长的主要来源。 第二层次 静止或G0细胞组成Q细胞或静止细胞 第三层次 由分化的终末细胞组成，不再具有分裂能力 第四层次 由已死亡及正在死亡的细胞组成,
