放射生物学的基础理论

放射生物学的基础理论临床放射生物学放射生物学是一门边缘科学，主要研究放射线对机体的作用。内容涉及从放射线对机体作用的原初反应，及其后一系列的物理、化学改变，乃至生物学方面的改变。范围由分子水平直到细胞水平、整体水平。临床放射生物学是在放射生物学研究的基础上，探讨人类肿瘤及正常组织在放射中的放射生物学课题。放射线的生物效应o1、放射线的“直接作用”（directaction）：任何射线在被生物物质所吸收时，是直接与细胞关键的靶起作用，靶的原子被电离或激发从而导致一系列生物改变。在中子和a粒子等高ＬＥＴ中是处于显著地位的过程。2、放射线的“间接作用”（indirectaction）：射线在细胞内可能和另一个原子或分子相互作用产生自由基，它们可以扩散一定范围达到一个关键的靶并造成损伤。Ｘ线r线和电子线细胞的杀灭机制染色体DNA是细胞杀灭的主要靶放射敏感性和放射可治愈性放射可治愈性指的是在肿瘤的原发部位或区域把肿瘤清除掉。放射敏感性表达对照射的反映（肿瘤缩小的程度和速度）肿瘤分为：放射敏感（如淋巴瘤、精原细胞瘤）；中度敏感（大部分上皮原性肿瘤）或放射抗拒（如原于间质、软组织、骨组织）细胞的放射敏感性1．细胞存活曲线——细胞剂量效应曲线。最终斜率D0：是指在剂量效应曲线的直线部分使细胞存活从0.1下降到0.037或从0.01下降到0.0037所需的剂量。D0是最终斜率的倒数。它反映每种细胞在相对高剂量区对射线的敏感性，D0值愈大，细胞对放射愈抵抗。同一种细胞，D0值的改变，标记着细胞放感性的变化。外推数N值：将存活曲线的直线部分延长，使之与纵轴相交所得的数。准阈值剂量Dq：是反映肩区大小的参数。将存活曲线的直线部分延长，与通过存活曲率为1的横轴相交点的剂量就是Dq。它表明亚致死性损伤修复能力的大小。Dq值小，表明细胞对亚致死性损伤修复能力弱，很小的剂量便可使细胞进入致死损伤的指数性存活曲线部分。2.影响细胞放射敏感性的因数：①细胞分化程度与放射敏感性成反比②细胞内CAMP的水平，CAMP水平愈低，放射敏感性愈强，研究表明细胞分裂相越多，细胞CAMP水平越低。③电镜下线粒体数量与放射敏感性线粒体数量越少，越敏感，淋巴细胞线粒体少，心肌细胞线粒体多④具有多种归属的结缔组织细胞在发展的不同阶段有不同的敏感性，纤维母细胞最敏感（瘢痕组织），内皮细胞（血管内皮细胞：血管肉瘤胸膜内皮细胞：见皮瘤）为中度敏感，纤维细胞（纤维瘤）低敏感。⑤恢复能力强的细胞较敏感：小肠隐窝细胞、唾液腺细胞、肝细胞、肾细胞、具有内分泌的腺体⑥恒定细胞：照射后无修复能力，只能有其他组织代替。神经细胞由神经胶质代替横纹肌由结缔组织代替，为低敏感。⑦细胞周期的放射敏感性：Ⅰ：以细胞死亡为标准，M期最敏感，其敏感性是S期的2.6倍，无亚致死性损伤。Ⅱ：以细胞分裂延迟为指标，以G1、G2期最敏感。如阻断G2期，使细胞进入M期Ⅲ：以畸变为指标，S期最敏感Ⅳ：以染色体损伤为指标，G2期最敏感3．细胞放射损伤在修复：（1）亚致死性损伤的修复：亚致死性损伤是指细胞受到照射后，能完全修复的损伤（2）潜在致死性损伤的修复：潜在致死性损伤是指细胞受到照射后，如有适宜的条件或环境，这种损伤就可以修复，如果得不到适宜的条件和环境，这种损伤将转为不可逆的损伤，从而使细胞最终丧失分裂能力。低敏感细胞（3）致死性损伤：是指细胞所受的损伤在任何情况下都不能恢复的损伤。M期细胞或大剂量照射４.细胞死亡1）、立即死亡：经万级CGy照射，产生蛋白凝固2）、间期死亡：除M期外，在下次M期之前死亡，千级CGy照射一次，照射后细胞停止代谢，细胞核浓缩、蹦解、溶解。3）分裂死亡：经百级CGy照射后，细胞还可进行若干次有丝分裂后，形成多核巨细胞，直至死亡。氧效应1．氧效应的性质•氧增强比（OER）：在有氧及无氧情况下达到同样生物效应所需要的照射剂量之比2．氧效应作用机制和作用时间3．起作用氧的浓度：•0.5%(0.4kpa)4.肿瘤生长方式与乏氧细胞•1955年英国学者GRAY发现•距离血管100-150um以内为氧合细胞•150-180um为乏氧细胞•〉180um为肿瘤坏死组织5.氧分压与放射敏感性•细胞内氧分压为放射敏感的主要因素，细胞内氧分压为20mmHg，放射最敏感临床放射生物学的进展及展望•目标:提高肿瘤放疗疗效•减少正常组织损伤一、加强射线对肿瘤的杀伤力•放射增敏剂•吸入高压氧减轻对正常组织的损伤•放射防护剂•吸入低氧线性平方模式(α-β概念)的生物学基础及临床应用一、靶学说目前普遍认为DNA为辐射损伤主要的靶。射线和物质相互作用可产生DNA的单链或双链段裂。前者损伤大致能修复，而后者则可能产生细胞的死亡。据此可以假定辐射损伤可以用单靶单击，单靶多击或单击多靶等理论来解说。二、细胞存活曲线照射后，细胞的损伤呈随机性。细胞存活曲线由肩区及线性二部分组成，肩区为亚致死性损伤的积累而致。细胞存活曲线可由Ｄ０值，n值及Ｄq值组成．三、L-Q模型的基本概念（一）生物剂量，物理剂量和等效剂量：物理剂量即所谓处方剂量，而生物剂量则与组织和细胞的损伤有关系。等效剂量即是产生相同生物效应所需的剂量。（二）Strandqvist曲线：主要表达了时间因素和等效剂量之间的相互关系．（三）NSD模式：总剂量（Ｄ）＝NSD※Ｎ０.２４※Ｔ０.１１评价：１、是经验公式，缺乏生物学基础。２、把各种治疗归结为单次照射的生物剂量，不符合临床上治疗情况。３、不同组织具有不同的放射敏感性，因而不能应用单一的指数０.２４来代表所有的修复情况。４、不同的分割剂量照射，其指数不一致。５、没有考虑到正常组织照射后产生的加速细胞增殖，另外，也与肿瘤细胞照射后经过一段潜伏期，干细胞增殖速度加快的生物学现象不一致。（四）单靶单击与单靶多击细胞的死亡或者来自于单次致死性的击中细胞中的靶或者来至于分成２次击中所产生的亚致死性损伤的相加。前者以ad表示，后者以βd2表示。因而其最终的细胞存活率为：Ｓ＝e-(ad+d2)。可以分别把它们简称为a型细胞杀灭及β型杀灭．它们的单位分别为Gy-1和Gy-2。它们的比值即α／β＝d（Gy）。当细胞存活曲线肩区较大时，则α／β值小，而肩区小时则α／β值较高。α／β值相当于a型细胞杀灭和β型杀灭二者生物效应相等时所需的剂量。Ｓ＝e-(ad+d2)即是所谓的线性－平方模式。在临床工作中，若以Ｅ代表某一种生物效应，我们可以把Ｌ－Ｑ模式进行以下转换：Ｓ＝e-(ad+βd2)lnS=-(ad+βd2)-lnS=ad+βd2设Ｅ＝-lnS，Ｅ＝ad+βd2。若以分割次数n次进行照射，则Ｅ＝n(ad+βd2)，Ｅ＝nd(a+βd),E=D(a+βd),其中，Ｄ为总剂量，d为分次剂量，A和β代表单击和双击所产生的细胞损伤。（五）Ｌ－Ｑ模式仅在下列条件下才能应用：１、每次照射后的亚致死性损伤的修复必须完全；２、每次照射所产生的生物效应相似３、没有把时间因素即细胞增殖考虑在内４、细胞周期自我致敏忽略不计（六）、Ｌ－Ｑ模式及它的衍生公式在临床上应用１、ＥＴＤ和ＢＥＤＥＴＤ即外推耐受剂量ＢＥＤ即等效生物剂量Ｅ／a=nd(1+β/ad)=ETDorBED2、带有时间因子的ＬＱ等效换算公式Ｐ３３９３、带有不完全修复因子的ＬＱ等效换算公式Ｐ３３９４、应用ＬＱ模式设计非常规分割照射方案应注意以下原则：（１）为使晚反应组织的损伤相对低于肿瘤的杀灭，每分次剂量应小于１.８－２.０Ｇy。（２）每天的最高分次照射总量应小于４.８－５.０Ｇy。（３）每分次照射间隔时间应大于６小时。（４）在不致引起严重急性反应的情况下，尽量缩短总的治疗时间。（５）给予不致引起严重晚期损伤的最高总剂量，但不论何种方案，两周内给予的总剂量不应超过５５Ｇy。