临床放射生物学基础

临床放射生物学基础

临床放射生物学是研究电离辐射对肿瘤组织和正常组织的效应以及研究这两类组织被射线作用后所引起的生物反应的一门学科。它是放射肿瘤学的四大支柱（肿瘤学、放射物理学、放射生物学和放射治疗学）之一，因此从事肿瘤放射治疗的医生必须掌握这门学科的基础知识。

第一章物理和化学基础

第一节线性能量传递

一、概念

线性能量传递(linear energy transfer, LET)是指射线在行径轨迹上，单位长度的能量转换。单位是KeV/um。注意，LET有两层含义，其物理学含义为带电粒子穿行介质时能量的损失即阻止本领，而LET的生物学含义则强调带电粒子穿行介质时能量被介质吸收的线性比率。例如，γ射线在穿过细胞核时，以孤立单个的电离或激发形式将大部分能量沉积在细胞核中，引起DNA损伤，其部分损伤又能够被细胞核中的酶修复，1Gy的吸收剂量相当于产生1000个γ射线轨迹，故γ射线属于低LET；α粒子在穿过细胞核时产生的轨迹少，但每条轨迹的电离强度大，因而产生的损伤大，这种损伤常常累及邻近的多个碱基对，于是损伤难以修复，1Gy的吸收剂量相当于产生4个α粒子轨迹，故α粒子属于高LET。一般认为10KeV/um 是高LET和低LET的分界值，LET值＜10KeV/um时称低LET射线，如X 、γ、β射线， LET 值＞10KeV/um时称高LET射线，如中子、质子、α粒子。

二、高LET射线特性

1.物理学特点：高LET存在Bragg峰，即射线进入人体后最初的阶段能量释放（沉积）不明显，到达一定深度后能量突然大量释放形成Bragg峰（即射线在射程前端剂量相对较小,而到射程末端剂量达到最大值），随后深部剂量又迅速跌落。

2.高LET生物效应特点：(1) 相对生物效应（RBE）高，致死效应强，细胞生存曲线的陡度加大；(2) 氧增强比(OER)小，对乏氧细胞的杀伤力较大；(3) 亚致死性损伤的修复能力小，细胞生存曲线无肩部；(4)细胞周期依赖性小，高LET能够杀伤常规放疗欠敏感的G0 期和S 期细胞。

图01 不同LET的细胞存活曲线

如图01所示，1.相等照射剂量的情况下，随着LET值的增加，细胞杀伤作用增强，2. 随着LET值的增加，细胞存活曲线变得越来越陡峭，曲线肩部越来越小。

表不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度

辐射类型粒子动能

（MeV）

传能线密度

（keV/μm）

辐射类型

粒子动能

（MeV）

传能线密度

（keV/μm）

γ线 1.17～1.33 0.3 中子 4 17

8 0.2 14 12 X线250kVp 2 质子0.95 45

3 0.3 2.0 17 β粒子0.0055 5.5 7.0 12

0.01 4.0 340 0.3

0.1 0.7 α粒子 3.4 130

1.0 0.25 5.0 90

2.0 0.21 27 25

第二节相对生物效应

产生同样的生物效应时，标准射线的剂量与测试射线的剂量的比值称为相对生物效应（relative biological effect，RBE）。公式为：

式中，Dref是标准射线的剂量，Dtest是产生同样的生物效应的测试射线的剂量。

标准的光子线是250keV的X射线或60Coγ射线，从放疗的角度来说，以60Coγ射线作为标准射线更具有优势，因为后者杀死细胞的效应比前者低15%。250keV的X射线或60Coγ射线的RBE＝1。一般用RBE来比较高LET与低LET的辐射效应，目前RBE更多地被用来比较高剂量率X线与低剂量率X线的辐射效应。

注意，1.不同类型的射线，即使照射剂量相等，也不会产生相同的辐射效应，2.RBE的增加本身并不能使治疗获益，除非能够使得正常组织的RBE小于肿瘤。影响RBE的因素有：辐射类型（LET大小），辐射剂量，分次剂量及照射次数，剂量率。

LET与RBE关系： RBE起初随LET的增加而增加，当LET≈100 keV/μm时，RBE达到最大值，当LET＞100 keV/μm时，由于过度杀伤作用（overkill effect）或者能量的损失（wasted energy），RBE下降。图00是LET与RBE关系示意图，表00是各种电离辐射的相对生物效应数值。

图00 LET与RBE关系

表00 各种电离辐射的相对生物效应

辐射种类相对生物效应

X，γ 1

β 1

热中子 3

中能中子5～8

快中子10

α10

重反冲核20

第三节自由基

正常的细胞活动可以有自由基（free radicals）的生成与清除，少量并且控制得宜的自由基对人体是有益的，过多活性的自由基则导致人体正常细胞和组织的损伤。放射线对生物分子的损伤主要与自由基的生成密切相关。自由基是指能独立存在的，核外带有一个或一个以上未配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。未配对电子即为单独占据原子或分子轨道的电子。简单地说，只要有两个以上的原子组合在一起，它的外围电子就一定要配对，如果不配对，它们就要去寻找另一个电子，使自己变成稳定的元素，这种不成对电子的原子或分子叫做自由基。自由基的主要特性是化学不稳定性和高反应性，其对生物分子的作用主要表现在两个方面，即对DNA的损伤和对生物膜的损伤。

第四节氧效应与氧增强比

一、氧效应:

1909年，Gottwald Schwarz首次发现了一种放射生物现象，试验显示镭敷料器放在动物前臂上产生了皮肤放射反应，但如果把镭敷料器紧压皮肤使局部血流减少的话，则皮肤放射反应可以减轻，他当时不知道这一现象是由于缺氧所致。1910年，Muller发现在应用热疗法增加局部组织血流时，局部组织（氧合充分）更易受辐射损害。20世纪50年代初，Gray 提出乏氧是放射抗拒的主要原因。1951年，Read的研究证实分子氧通过放射化学机理的方式能够使细胞增敏。

氧效应（Oxygen effect）指细胞受到X、γ射线照射时，由于氧分子的存在与否而出现生物学效应的增减现象。电离辐射被生物体吸收产生了自由基，自由基打断了靶分子（如DNA）的化学键，从而启动了一系列引起生物损伤的事件。X线所致的生物效应有三分之二是通过自由基介导的间接作用产生的，如乏氧，DNA上的自由基引起的损伤可以得到修复，如果有分子氧的存在，DNA与自由基发生反应，那么，这种放射损伤就被固定下来或者放射损伤无法修复，称之为“氧固定假说” (oxygen fixation hypothesis)，其过程如图所示。氧固定假说的确切作用机理尚不完全了解，但氧作用于自由基这一观点被公认。

氧固定假说的过程肿瘤细胞的乏氧

一、氧增强比

氧增强比（Oxygen Enhancement Ratio, OER）：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。

高剂量的低LET（χ、γ、β）射线的OER=3.0，当剂量≤3Gy时，OER减少。注意，这一剂量围正好是临床分次照射的剂量围。

氧增强比（OER）与LET的关系：OER随着LET增加而下降，当LET = 150 keV/μm时，OER=1.0。