放射治疗技术_第三章生物

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1、第三章 临床放射生物学基础,学习目标： 掌握内容：放射线对正常组织和肿瘤细胞的放射生物学效应及其影响因素；早反应组织与晚反应组织的放射生物学特点；分次放疗的生物学基础；细胞存活曲线各参数的意义。 熟悉内容：生物剂量的等效换算；放射线作用于机体后生物学效应；肿瘤细胞的增殖动力学；提高放射生物效应的方法。 了解内容：肿瘤分子放射生物学。,第一节 放射生物学的基本概念,放射生物学(radiobiology)：是研究放射线 (电离辐射)对生物体作用的学科。 (观察不同质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(clinical radiobiology) ：是研究

2、放射线对肿瘤和正常组织的作用机制及其照射后的反应过程。,一、放射生物效应的时间顺序(电离辐射生物 效应的基本过程),各种不同质的电离辐射在生物体内能产生次级电子，引起电离，从电离辐射被吸收至观察到细胞微细结构损伤和破坏等生物效应的这段过程，称为原初作用过程。 在此过程中放射能量的吸收和传递、原子的激发和电离(物理阶段)、自由基的产生、化学键的断裂等分子水平(化学阶段)的变化又引起细胞、组织器官和系统(生物阶段)的变化，最终引起整体功能变化。,二、放射生物学的靶学说(细胞致死机制),（一）靶学说定义 生物结构内存在对放射敏感的部分，称之 为 “靶”，其损伤将引发某种生物效应； 电离辐射以离子簇的

3、形式撞击靶区，击中概率遵循泊松(Poisson)分布； 单次或多次击中靶区可产生某种放射生物效应，如大分子的失活或断裂等。,（二）靶分子:基因组DNA、生物膜 （三）靶学说模型 单击模型 多击模型 单靶与多靶模型 （四）靶学说局限性,三、影响生物效应的主要因素,（一）与辐射相关的因素 1.辐射种类 2.辐射剂量 3.辐射剂量率 4.分次照射 5.照射体积 6.照射方式,（二）与机体有关的因素,1、种系的放射敏感性 种系演化越高，机体组织结构越复杂，放射敏感性越高 2、个体发育的放射敏感性 敏感性随个体发育过程而逐渐降低 3、不同器官、组织和细胞的放射敏感性 4、亚细胞和分子水平的放射敏感性,四

4、、放射生物学相关概念,自由基：指含有一个或多个不配对电子的原子、分子、离子或游离基团。 活性氧：是指含有氧的活性物质，可能是氧的某些代谢产物和一些经过生化反应而产生的含氧基团。主要有以氧的单电子还原产物、氧的双电子还原产物、烷烃过氧化物ROOH、均裂产物RO，ROO、处于激发态的氧。,传能线密度：带电电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量（单位J/m）。 相对生物效能： X或射线引起某一生物效应所需剂量 所观察的电离辐射引起相同生物效应 所需剂量,RBE ,意义：主要是为了比较在剂量相同时，不同种类的电离辐射引起某一特定效应的效率的差别。即：剂量相同、辐射种类不同，产生的效应也不同；若要产生

5、相同效应，则不同种类的辐射所需的剂量就不同。,LET与RBE的关系,RBE的变化是LET的函数（正相关） LET：100kev/um时；LET继续增加，RBE反而下 降，表明更多的射线并不能用于引起生物效应上，反而被浪费了,氧效应：是指受照射的生物组织、细胞或生物大分子的辐射效应随周围介质中氧浓度升高而增加。 氧 + 自由基 过氧化物自由基 (R00) 在有氧条件下细胞放射敏感性增高，增高的幅度与氧浓度有关。 氧增强比：是指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值。其公式是： 缺氧条件下产生一定效应的剂量 有氧条件下产生同样效应的剂量,OER=,线性二次模式

6、与/值,S =e -n (d +d2) 描述了组织生物效应与分次照射及剂量之间的关系 预测不同剂量分割方式的生物效应 进行不同剂量分割方式的等效转换,不同组织射线照射后反应不同。根据细胞增殖动力学和/比值将正常组织分成早反应组织和晚反应组织。 早反应组织：指机体内分裂、增殖活跃并对放射线早期反应强烈的组织，如上皮、黏膜、造血组织、精原细胞等；(包括大多数肿瘤组织) 晚反应组织：指机体内无再增殖能力，损伤后仅以修复代偿其功能的细胞组织，如脊髓、肾、肺、肝、结缔组织等。,早反应组织和大多数肿瘤的/值大(10Gy左右)；晚反应组织的/值小(约23Gy)。 早、晚反应组织对不同分次照射的反应不同。 晚

7、反应组织比早反应组织有较大的修复能力，分次剂量对晚反应组织的影响比早反应组织大，因此，大分次剂量对晚反应组织更为有害。,第二节 临床放射生物学效应,一、正常组织细胞的放射生物学效应 （一）细胞的放射敏感性 不同群体细胞的放射敏感性 细胞和组织的放射敏感性与其分裂活动成正比，与其分化程度成反比。,细胞周期与放射敏感性,周期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83

8、0小时。,G2：期，DNA合成后期，为分裂做准备，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。 细胞处于不同时期，它的敏感性各不相同。M期细胞对射线最敏感，其次为G2期细胞、G1期细胞、早S期细胞，晚S期细胞最不敏感。,影响细胞放射敏感性的因素,1.环境因素 2.内在因素,（二）电离辐射对细胞周期的影响,(1)G1期阻滞 (2)G2期阻滞 (3）S相延迟 (4)S/M解偶联,（三）细胞存活曲线,概念： 细胞存活 细胞具有 无限增殖的能力。 “死亡”细胞 细胞

9、失去增殖能力，即使照射后细胞的形态仍然保持完整，有能力制造蛋白质，有能力合成DNA，甚至还能再经过一次或两次有丝分裂，产生一些子细胞，但最后不能继续传代者称为“死亡”细胞。, 克隆（集落） 在离体培养的细胞中，一个存活的细胞可分裂增殖成一个细胞群体。 细胞存活的意义,细胞存活曲线,1、细胞存活曲线的绘制 离体细胞培养 不同剂量照射 单细胞接种 细胞培养 2周左右计算集落形成数目 计算存活率 绘制存活曲线,2、细胞存活曲线的形状,1）指数性存活曲线 2）非指数性存活曲线,3、细胞存活曲线有关参数的含义,D0 (平均致死剂量)：是指细胞存活从0.1下降到0.037或从0.01下降到0.0037所需

10、的剂量。表示受照射细胞在高剂量区的放射敏感性。D0值越大，细胞对放射越抗拒。 Dq (准域剂量)：是指肩区的宽度，将细胞存活曲线直线部分延长，与通过存活率为1的横轴相交点的剂量。表示亚致死损伤的修复能力， D q值越大，说明造成细胞指数性死亡所需的剂量越大。,N (外推数)：是指细胞内所含放射敏感区域数，即靶数。(因随实验条件改变而有较大幅度的变化，与实际情况不符，现已少用) 细胞存活曲线的临床意义,4、分次照射的细胞存活曲线,（四）辐射所致细胞的损伤与修复,细胞放射损伤的分类： 致死性损伤(lethal damage, LD)：在任何情况下都不能使细胞修复的损伤。 亚致死性损伤(sublet

11、hal damage, SLD)：照射后经过一定时间能完全修复的损伤。(DNA单链断裂) 潜在致死性损伤(potential lethal damage,PLD)：受照射后在一定条件下可以修复的损伤。(DNA双链断裂),（五）正常组织的放射耐受性,早反应组织的特点是：组织细胞更新快，照射后损伤表现快，一般照射后2-3周表现出来，少数增殖快的组织照射后1-2天后就开始增殖。如小肠、皮肤、黏膜、生殖细胞等。 晚反应组织的特点是：细胞群体增殖很慢，增殖层的细胞在数周甚至1年或更长的时间内不进行增殖更新。如脑组织、脊髓、肾、肺、肝等。,二、肿瘤组织的放射生物学效应,（一）肿瘤细胞动力学 1.肿瘤细胞动

12、力学层次 4个层次 肿瘤细胞从一个层次向另一个层次转化是持续发生的，在 一些治疗的进行期间或之后出现细胞从Q层向P层次移动，称作 再补充（recruitment）。从P到Q的转化也同时存在；另有一些 细胞因营养不良而不能继续分裂；有些细胞由于自然分化进程 不能够进入分化层次；细胞丢失：活性的转移、死亡细胞吸收。,2.肿瘤的生长速度 (1)描述肿瘤生长速度的参数 肿瘤体积倍增时间（tumor volume doubling time ,Td）是描述肿瘤生长速度的重要参数，由三个主要决定因素所决定：细胞周期时间（the cell cycle time ,Tc）；生长比例（the growth fr

13、action ,GF）；细胞丢失率（the rate of cell loss）。如果细胞周期时间短、生长比例高、细胞丢失少，则肿瘤增长速度块。, 潜在倍增时间（potential doubling time ,T pot），用来描述肿瘤生长速度的理论参数，定义：假设在没有细胞丢失 的情况下，肿瘤细胞群体增加一倍所需要的时间。这取决于细胞周期时间和生长比例。 潜在倍增时间可以通过测定胸腺嘧啶标记数（LI）或S期比例（S-Phase fraction）获得：T potTs/LI 细胞丢失因子（cell loss factor），肿瘤细胞的丢失可以通过计算细胞丢失因子来表达。细胞丢失因子=1- T

14、 pot/Td,（2）肿瘤的指数性生长和非指数性生长 指数性生长：肿瘤体积在相等的时间间隔内以一个恒定的比例增加。 V=exp(0.693T/Td) 0.693是Ln2，T是时间。 肿瘤体积的对数随时间呈线性生长，这是最简单的生长模式，理论上必需满足：所有细胞均在增殖，并且没有细胞丢失，也就是说肿瘤倍增时间等于细胞周期时间。实际上肿瘤生长的倍增时间要长于细胞周期时间，因为存在细胞丢失和去周期化，肿瘤生长是非指数性的。,(二)乏氧细胞再氧合,1.氧的重要性 2.肿瘤乏氧和再氧合,（三）肿瘤组织对辐射的反应,1.辐射对肿瘤组织的影响 2.肿瘤的剂量-效应曲线 3.肿瘤组织的放射敏感性,第三节 放射

15、治疗的时间、剂量分割模式,一、常规分割照射的生物学基础 （一）临床放射生物学中的“4R”概念 细胞放射损伤的再修复 细胞周期再分布 肿瘤细胞的再增殖 乏氧细胞的再氧合,（二）分次照射后正常组织和肿瘤组织的恢复与生长,（三）早反应组织、晚反应组织,1、早、晚反应组织放射生物学效应的差别 （1）放射性损害的不同机制 （2）照射后的反应 （3）反应出现的时间,2、早、晚反应组织不同放射生物学效应的意义,（1）分次剂量：两种组织在分次效应上存在差别，晚反应组织比早反应组织对分次剂量变化更敏感。加大分次剂量晚反应组织损伤加重，当分次剂量大于2Gy时，晚期并发症明显增加。 （2）间隔时间,（3）总治疗时间

16、：由于晚反应组织更新慢，放疗期间不发生代偿性增殖，因此对治疗时间变化不敏感，缩短治疗时间会增加对肿瘤细胞的杀灭，但不会增加晚期并发症。早反应组织对治疗时间反应敏感，缩短治疗时间早反应组织损伤加重。早反应组织对射线的反应类似于肿瘤组织。,二、非常规分割照射的生物学基础,超分割：指在同样的总治疗时间内用更多的分次数。一天内多于一个分次，但分次剂量减少。 1.2Gy/次，每天2次，间隔6小时以上。总剂量与常规放疗相同，其目的是保护正常组织。 加速分割：分次数增加，分次剂量保持不变，总治疗时间缩短。 1.82Gy/次，每天2次，间隔6小时以上。 加速超分割：总治疗时间缩短，分次数增加，比常规放疗分次剂量小。 1.5Gy/次，每天3次，间隔6小时以上。缩短治疗时间，可提高对肿瘤组织的控制率，但正常组织反应大。,后程加速超分割：考虑照射后肿瘤细胞加速增生，开始4周常规分割，然后每天2次， 1.5Gy/次。疗效较好，晚期反应大但能耐受。,生物剂量：生物