放射生物学

放射生物学(Radiobiology)

放射生物学研究的是放射对生物体作用及其效应规律的一-门学科。

1.正常组织对放射性的反应

2.肿瘤对放射性的反应

正常组织对放射的反应

最小耐受量(TD5/5)

一定的剂量-分割模式照射后5年内严重放射并发症发生率不超过5%的剂量最大耐受量(TD50/5)

一定的剂量-分割模式照射后5年内严重放射并发症发生率不超过50%的剂量

肿瘤放射治疗的两大基本原则

1.最大程度地杀灭肿瘤

2.最大程度地保护正常组织

正常组织与肿瘤组织分次照射后的差别

二、分次放疗的生物学基础(4R理论)

在引起相同正常组织损伤时，多数时候分割照射的肿瘤局控要优于单次照射

分割放射的生物学基础一4R理论(1975由Withers提出)

放射损伤的修复(Repair of radiation damage)

细胞周期的再分布(Redistribution within the cell cycle)

乏氧细胞的再氧合(Reoxygenation)

再群体化(Repopulation)

（一）细胞放射损伤的修复

1.亚致死损伤(sublethal damage)

指受照射以后，细胞的部分靶内所累积的电离事件，通常指DNA单链断裂。亚致死损伤是一种可修复的放射损伤。

亚致死损伤的修复：指假如将某一给定单次照射剂量，分成间隔一定时间的两次时所观察到的存活细胞增加的现象。

1959年EIkind发现，当细胞受照射产生亚致死损伤而保持修复能力时，细胞能在3小时内完成这种修复，将其称之为亚致死损伤修复。

影响亚致死损伤的修复的因素：

1.放射线的质

低LET辐射细胞有亚致死损伤和亚致死损伤的修复，高LET辐射细胞没有亚致死损伤因此也没有亚致死损伤的修复

2.细胞的氧合状态

处于慢性乏氧环境的细胞比氧合状态好的细胞对亚致死损伤的修复能力差

3.细胞群的增殖状态

未增殖的细胞几乎没有亚致死损伤的修复

临床意义：

细胞亚致死损伤的修复速率一般为30分钟到数小时

常用亚致死损伤半修复时间(T1/2) 来表示不同组织亚致死损伤的修复特性

在临床非常规分割照射过程中，两次照射之间间隔时间应大于6小时，以利于亚致死损伤完全修复

2.潜在致死损伤(potential lethal damage)

正常状态下应当在照射后死亡的细胞，在照射后置于适当条件下由于损伤的修复又可存活的现象。若得不到适宜的环境和条件则将转变为不可逆的损伤使细胞最终丧失分裂能力。

潜在致死损伤修复

指照射以后改变细胞的环境条件，因潜在致死损伤的修复或表达而影响给定剂量照射后细胞存活比例的现象。

此种修复对临床放疗很重要，某些放射耐受的肿瘤可能与它们的潜在致死损伤修复能力有关:放射敏感的肿瘤潜在致死损伤修复不充分，而放射耐受肿瘤具有较充分的潜在致死损伤修复机制。

3.致死损伤(lethal damage)

受照射后细胞完全丧失了分裂繁殖能力，是一种不可修复的，不可逆和不能弥补的损伤。

（二）细胞周期再分布

分次放射治疗中存在着处于相对放射抗拒时相（G1/S）的细胞向放射敏感时相（G2/M）移动的再分布现象，这有助于提高放射线对肿瘤细胞的杀伤效果。

早期反应的肿瘤和正常组织都具有这一“自身增敏”效应，晚反应组织不具备这一特征。

意义:

1.如果未能进行有效的细胞周期再分布，则可能成为放射抗拒的机制之一;

2.细胞周期再分布提高了晚反应正常组织与肿瘤的治疗差异。

（三）乏氧细胞的再氧合

氧效应:氧在放射线和生物体相互作用中所起的影响。

氧增强比(OER)=无氧状态产生一定生物效应的剂量/有氧状态产生相同生物效应的剂量

如果用大剂量单次照射肿瘤，肿瘤内大多数放射敏感的氧合好的细胞将被杀死，剩下的那些活细胞是乏氧的，这时的乏氧分数将会接近100%，然后逐渐下降并接近初始值，这种现象称为再氧合。,

临床意义：分次照射有利于乏氧细胞的再氧合，临床上采用分次放疗的方法使其不断氧合并逐步杀灭。

（四）再群体化

照射或使用细胞毒性药物以后，可启动肿瘤内存活的克隆源细胞，使之比照射或用药以前分裂得更快，这称之为加速再群体化。

经典放射生物学理念:疗程结束时肿瘤干细胞是否得到有效杀灭是决定肿瘤长期控制的关键。放射治疗期间存活肿瘤干细胞的再群体化是造成早反应组织、晚反应组织及肿瘤之间效应差别的重要因素之一。

在常规分割放疗期间，肿瘤及大部分早反应组织有一定程度的快速再群体化。而晚反应组织一般认为疗程中不发生再群体化。

如果疗程太长，疗程后期的分次剂量效应将由于肿瘤内存活干细胞已被启动进入快速再群体化而受到损害。

尽量避免无谓的治疗中断或延长总治疗时间，已有文献报道证实延长总疗程或中断治疗可导致肿瘤复发率增加;如急性反应重，治疗期间必须有一个间断时，应尽量短;

治疗前生长速度很快的肿瘤(增殖周期短)最好采取加速分割治疗;

非医疗原因造成的治疗中断应采取措施补充剂量。

分次照射4R原理小结

分次照射给正常组织更好的修复亚致死损伤的时间;

分次照射期间细胞周期时相再分布对肿瘤组织有增敏作用;

分次照射期间乏氧细胞再氧合，使得肿瘤对射线更敏感;

放疗中肿瘤的加速再群体化能力，使得放疗的时间不做不必要的延长。

三、肿瘤放射增敏临床常见策略

（一）选择合适放射源:高LET射线

理想的剂量分布：从一个方向的入射线能在肿瘤深度达到高剂量，而肿瘤前后的正常组织剂量较低:质子

能杀灭乏氧细胞：氧增强比(OER)要小

能杀灭非增殖期(Go)细胞：对增殖周期中各期相细胞的放射敏感性差异小

高LET射线生物学特点：

RBE随LET的增加而增加

高LET射线照射后，细胞存活曲线为指数性，基本为直接致死损伤

LET与氧效应: LET越大，OER越小，氧的影响越小

LET与细胞周期: LET增加，各期细胞的敏感性基本无差别

质子放射治疗优势

质子穿透性强，在能量变化过程中可形成“布拉格峰”，对肿瘤产生强大的杀灭效应，同时又对周围正常组织损伤较小;

（二）药物增敏:化疗药、靶向药物及免疫药物

1.化疗药物增敏机制：

抑制放射损伤的修复，如顺铂、VP16等;

化疗可增加不活跃的细胞周期时相向活跃的细胞周期时相转移:化疗药物对S期细胞有效，而S期细胞对放射抗拒;

放疗后肿瘤再群体化增加，化疗药物可减缓再群体化过程。

1.拓扑异构酶抑制剂: VP16,主要用于肺癌

2.铂类:顺铂、卡铂等，用于肺癌、鼻咽癌等

3.紫杉醇类药物:紫杉醇、多西紫杉醇等，用于肺癌、乳腺癌等

2. 靶向药物增敏(靶向EGFR的抗体)

局部晚期头颈鳞癌，放疗联合西妥昔单抗治疗可以提高总生存，中位生存期从29月延长到49月

3.免疫治疗

放疗联合免疫治疗的远隔效应

远隔效应(the abscopal effect): 局部放射治疗可以消灭或缩小远处转移部位(非放射部位)的肿瘤。

放疗联合免疫的作用机制

放疗促进肿瘤抗原释放,增加肿瘤细胞的免疫原性

放疗促进肿瘤抗原递呈

放疗促进CD8*T细胞迁移浸润

放疗激活炎性细胞，促发炎性因子释放-致放疗远位效应

四、临床放射生物学模型及检测方法

一、体外模型