临床放射生物效应放疗

第二章 临床放射生物学概论 放射生物学主要是研究电离辐射对生物体的作用，而肿瘤临床放射生物学是在放射生物基础理论研究的基础上，探讨人类肿瘤及正常组织在放射治疗中的放射生物学问题的学科，例如有关电离辐射是怎样使一个肿瘤消灭的以及它的过程怎样?如何提高它的效能?又如何来减少正常组织的损伤和降低全身反应等问题。其涉及范围较广，主要从以下三方面对肿瘤放射治疗产生影响：提供了放射治疗的理论基础，如肿瘤及正常组织的增殖和修复、氧效应的影响、辐射分子生物学与肿瘤放疗的关系等；通过放射生物学的研究有助于放射治疗中新的治疗方法的建立，如放射增敏剂和放射防护剂的应用、不同分割照射方法的建立、高LET射线的应用等；协助确定临床放射治疗计划，如不同分割照射中和不同剂量率照射的治疗计划转换、并用化疗或放射增敏剂等。本章只简要介绍与肿瘤放射治疗关系较为密切的问题。第一节 电离辐射对生物体的作用一、辐射生物效应的时间标尺要理解辐射的生物效应应首先了解辐射生物效应的时间标尺 (the time-scale of effects in radiation biology)，即不同水平生物效应的发生时间、顺序和过程。首先是物理吸收过程(在10-15秒左右结束)，然后是化学过程(时间稍长)。DNA残基的存在时间为10-5一10-3秒,因此在生物学方面，细胞死亡需数天到数月，辐射致癌作用需数年，而可遗传的损伤需经数代才能观察到。图2-1说明了这一点。图2-1 生物系统受照射后辐射效应的时间标尺电离辐射对任何生物体的照射都将启动一系列的变化过程(这个变化过程时间差异非常大)，大致可分为物理、化学和生物变化三个阶段。（一）物理阶段主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的相互作用。一个高速电子穿过DNA分子大约只需1018秒，而穿过一个哺乳动物细胞则只用1014秒左右。因此它主要与轨道电子相互作用，将原子中的一些电子逐出(电离)，并使原子或分子内的其他电子进人更高的能量水平(激发)。如果能量足够，这些次级电子可以激发或电离与其邻近的其他原子，从而导致级联电离事件。一个1Om体积的细胞，每吸收lGy的照射剂量将发生超过105次的电离。在放射生物学中，X射线由光子构成的概念十分重要。如果X射线被生物物质所吸收，则能量就会在组织和细胞中沉积。这种能量的沉积是以分散、不连续的能量包(“packets”ofenergy)形式，非均匀性地沉积下来的。一束X射线中的能量可被量子化为多个大的能量包，每个包的能量大到足以打断化学键而最终引起一系列生物学事件。电离辐射与非电离辐射的主要区别在于单个能量包的大小，而不是射线所含的总能量。一个简单的计算即可解释这一点。例如，单次4Gy的X射线的全身照射在许多情况下将是致死的。这一剂量，对一名体重7Okg的正常人而言，所代表的能量吸收只相当于67卡(caI)。这一能量的微弱还可用多种方式来说明:若转化成热量，只代表温度升高0·002，几乎没有任何危害。相同的能量以热的形式被吸收，只相当于喝一口热咖啡。热能或机械能能量的吸收是均匀的，需很大的能量才能使生物体产生损伤。而X射线的潜力是它的作用不在于所吸收的总能量的大小，而在于单个能量包的大小。在光子的生物效应中，如果光子能量超过124eV(波长小于106cm)，就会使生物物质发生电离。（二）化学阶段指受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。电离和激发导致化学键的断裂和自由基（free radicals）的形成(即破损的分子)。这些自由基是高度活跃的，参与一系列的反应，最终导致电荷回归平衡。自由基反应在射线照射后约lms内全部完成。化学阶段的重要特点是清除反应(scavenging reactions)之间的竞争，如灭活自由基的琉基化合物，以及导致生物学上重要分子稳定化学变化的固定反应 fixation reactions)。（三）生物阶段包括所有的继发过程。开始是与残存化学损伤作用的酶反应，大量的损伤，如DNA损伤都会被成功地修复，极小部分不能修复的损伤最终将会导致细胞死亡。细胞死亡需要一定时间，实际上小剂量照射以后细胞在死亡之前可以进行几次有丝分裂。正是由于干细胞干细胞按能力可以分为以下四类： 干细胞种类(4张)全能干细胞由卵和精细胞的融合产生受精卵。而受精卵在形成胚胎过程中四细胞期之前任一细胞皆是全能干细胞。具有发展成独立个体的能力。也就是说能发展成一个个体的细胞就称为全能干细胞。 万能干细胞是全能干细胞的后裔，无法发育成一个个体，但具有可以发育成多种组织的能力的细胞。 多能干细胞只能分化成特定组织或器官等特定族群的细胞（例如血细胞，包括红血细胞、白血细胞和血小板）。 专一性干细胞只能产生一种细胞类型；但是，具有自更新属性，将其与非干细胞区分开的杀灭，以及随之而来的干细胞的丢失，使正常组织在受照射后的头几周或头几个月就会出现损伤的表现，如皮肤或黏膜破损、肠黏膜裸露和造血系统损伤。在正常组织和肿瘤内都存在细胞杀灭的继发效应，即代偿性的细胞增殖；在随后的一些时间，受照射的正常组织会出现晚期反应。这包括受到照射的皮肤毛细血管扩张，各类软组织或脏器的纤维化本质上纤维化是组织遭受损伤后的修复反应，以保护组织器官的相对完整性。增生的纤维结缔组织虽然修复了缺损，但却不具备原来器官实质细胞的结构和功能。如果这种修复反应过度、过强和失控时，就会引起器官的纤维化和导致器官的功能下降。，中枢神经(脑或脊髓)受照射部位损伤和血管损伤。更晚的放射损伤表现为出现继发肿瘤(辐射致癌)。可观察到的电离辐射效应甚至可以延长到受照射后许多年。二、电离辐射的直接作用和间接作用电离辐射的生物效应主要由对DNA的损伤所致，DNA是关键靶。任何形式的辐射，都有可能直接与细胞内的结构发生作用，直接或间接地损伤细胞DNA，导致细胞死亡。1.直接作用 电离辐射直接将能量传递给生物分子，引起电离和激发，导致分子结构的改变和生物活性的丧失。此时，射线对生物分子的作用是随机的，但生物分子在吸收辐射能量后所形成的损伤往往局限于分子的一定部位或较弱的化学键上。若以RH代表人体组织的有机分子，射线直接使RH电离。产生有机自由基R.，造成生物分子损伤，这损伤可因与巯基（-SH）化合物的作用而修复，但若组织内富氧，则R.可与O2作用而产生RO2，使生物分子损伤，这种损伤不易修复。2.间接作用 射线直接作用于细胞内外的水，引起水分子的活化和自由基的生成，然后通过自由基再作用于生物分子，造成它们的损伤，这样的作用方式称间接作用。其过程是射线使水分子激发、超激发和电离，产生H2O+、H+、H2O-、OH-、H3O-和自由电子，并产生性质十分活跃的中性自由基OH.、H.、HO2.和具极强氧化能力的H2O2，这些产物可破坏正常分子结构而使生物靶受损伤。低LET射线（X、电子）在缺氧状态下照射水只产生OH.和H.自由基，而在有氧情况下尚可产生HO2.和H2O2，而高LET射线照射时，不论在有氧或缺氧情况下，都能产生OH.、H.、HO2.和H2O2，从中可见低LET射线对氧的依赖性大。同时，高LET射线形成的电离轨迹极为密集，通过DNA分子时可产生大量的能量贮存，因而即使在缺氧情况下亦可产生直接效应，高LET射线可产生不可修复的双链断裂。DNA损伤的直接作用和间接作用机制见图2-2图2-2 DNA损伤的直接作用和间接作用注：直接作用：DNA分子和一个吸收一个光子后的运动电子相互作用间接作用：吸收一个光子后的运动电子和一个水分子相互作用，产生一个自由基HO并对DNA产生损伤。估计沿DNA分子距离轴心2nm的一个圆柱内产生的自由基能攻击DNA。对低LET辐射，间接作用占优势第二节 电离辐射的细胞效应一、辐射诱导的DNA损伤及修复有许多研究证据显示，DNA是引起一系列放射生物学效应(包括细胞死亡、突变和致癌作用)的关键靶。脱氧核糖核酸(DNA)是双螺旋结构的大分子，由两条链组成。细胞受X射线照射后许多单链会发生断裂,然而，在完整的DNA，单链断裂对细胞杀灭几乎没有什么作用，因为它们很容易以对侧的互补链为模板使损伤得到修复，但如果是错误修复则可能产生突变。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。相反，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，这时可能会发生双链断裂。双链断裂是电离辐射在染色体上所致的最关键损伤，两个双链断裂的相互作用可以导致细胞的死亡、突变致癌作用。在DNA的两条链上，可以有多种形式的双链断裂和不同种类的末端基团形成。在受照射细胞中，双链断裂大约是单链断裂的0.04倍，与照射剂量呈线性关系，表明是由电离辐射的单击所致。双链断裂可以通过两个基本过程被修复，同源重组和非同源重组(homologous recombination and non homologous recombination)。二、细胞死亡的概念（一）细胞杀灭的随机性 细胞群经照射后，产生部分细胞死亡，但细胞死亡是随机分布的，即假设在100个细胞组成的细胞群中，则经100次可产生致死性损伤的照射并不能杀灭全部100个细胞，而按平均值计算，其中37个细胞未被击中，37个细胞仅被击中一次，18个细胞被击中2次，6个细胞被击中3次，一个细胞可能被击中4或5次。因此细胞死亡呈随机分布，使细胞成活率和剂量之间呈半对数关系。辐射造成的细胞死亡常见于那些不断进行分裂的细胞，但也见于那些不进行分裂的细胞。不进行分裂的细胞放射敏感性很低，或者说具有很强的抗拒性，一般而言，研究中所提及的均是那些不断增殖的细胞。细胞的死亡是放射线对细胞的遗传物质和DNA造成不可修复的损伤所致。辐射所致的细胞死亡是细胞被照射后的主要的生物效应，以增殖性细胞死亡和间期性细胞死亡(细胞凋亡)两种形式表达。1增殖性细胞死亡(reproductive cell death)或有丝分裂死亡(mitotic death) 指细胞受照射后一段时间内，仍继续保持形态的完整，甚至还保持代谢的功能，直至几个细胞周期以后才死亡。增殖性细胞死亡是最常见的细胞死亡形式，受照射后损伤何时表达与不同的组织有关，也与组织的更新速度有关。2间期性细胞死亡(interphase deathapoptosis) 间期性细胞死亡与细胞周期无关，它不同于增殖性细胞死亡，其一般发生在照射后几小时内，这造成一种印象，似乎这种死亡形式的细胞放射敏感性较高，在临床上，最典型的间期性死亡的细胞是淋巴细胞。（二）、细胞死亡的机制1DNA是关键靶 相对于细胞浆而言，辐射引起细胞死亡的敏感部位是在细胞核。实验发现:细胞浆受到大量的粒子(相当于25OGy)照射，对细胞增殖几乎没有影响，相反只要很少的粒子(射程1一2m)进入细胞核就能导致细胞死亡。有证据显示，核膜也可能是作用部位。实际上这两种观点并不互相排斥，因为一部分DNA在细胞周期的某些时相与核膜是紧密相连的。2凋亡 (apoptosis) “凋亡”一词，首先被Kerr wllie和Curri所使用，作为放射所引起的细胞死亡形式，它是高度细胞类型依赖性的。淋巴细胞更易于通过凋亡途径发生放射后的快速细胞死亡。而在大多数肿瘤细胞照射后是否丧失了再繁殖完整性则是最重要的。三、细胞存活曲线毫无疑问，放射线照射后可以引起大量细胞的死亡，但放射治疗却对受照射后的“存活细胞”更加关注，因为这对放射可治愈性非常重要。细胞存活曲线：描述放射线照射剂量和细胞存活分数（surviving fraction SF）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，reproductive integrity）的影