氧效应与肿瘤乏氧

放射治疗中的氧效应与肿瘤乏氧四川大学华西医院肿瘤中心李志平氧效应•氧效应是放射线与生物体作用中,氧对放射效应的影响.•如果有氧存在，氧就与自由基R作用而产生有机的过氧化物自由基R02。使受照射后物质的化学成分发生变化。•如没有氧存在，上述反应就不产生，而且很多被电离的靶分子可自行修复。从这一意义而言，氧可以被认为能“固定”放射损伤，这就是所谓的氧效应。氧效应发生机制氧效应发生机制Radiochemistryofrad.effect:radiationabsorption--energetic(i.e.fast)chargedparticle--ionpaircreatedT1/2ofionpairisshort(10-10sec)ionpairproducesfreeradical:OH•T1/2offreeradicalisshort(10-5sec)ionpair＋OH•:--indirecteffect--breakbonds--chemicalchanges氧效应发生机制CH3functionalgroupCH2•freeradical,unpairedelectronGenerally,thefree-radicalreactionsgolikethis:CH2•+O2CH2O2anorganicperoxide“fixes”theindirectdamageionpairsfreeradicals(oxygenhasnoimpactondirectdamage)氧效应的临床实践•临床放射学家已经重视氧效应对肿瘤辐射敏感性的影响，并已在实践中发现它对放疗具有较大的作用。•在H2O2抗癌治疗:氧化氢酶CATH202--------------→O2﹢H20↓﹢R←辐射R00氧效应的临床实践•H2O2抗癌就有了两方面机理：•①氧自由基攻击癌细胞，造成损伤；•②氧效应将定损伤固定下来。即H2O2不仅提供氧自由基，还提供氧。氧效应的临床实践•现在正在研究中的增加组织氧合的措施：①在高压氧仓中进行放射治疗。②在照射同时，在常压下，让病人吸入含95%氧与5%CO2的混合气体，可引起呼吸频率增加，促使末梢血管扩张，氧扩散增加。③采用传递修饰剂，如氟碳乳剂（FC）。由于它能携带大量的氧，并能在进入肿瘤组织的乏氧区而放出氧。氧效应的临床实践•④血红蛋白携氧能力增强化合物，如BW12C、BW589C。•⑤钙离子拮抗剂如肉桂苯哌唪、氟桂唪，通过抑制细胞呼吸而达到提高肿瘤细胞氧张力的作用。•⑥利用每次照射后乏氧细胞转变成氧合细胞的规律，采用小剂量分次照射。RBE•相对生物效应（RelativeBiologicalEffect.RBE）产生一定生物效应标准射线剂量RBE=---------------------------产生同样生物效应另一种射线剂量氧增强比•氧增强比OER(oxygenenhancementratio)表示，其意义为在乏氧情况下与有氧情况下，得到相同生物效应所需的剂量比。D0乏氧细胞OER=-------------------D0有氧细胞氧增强比•对常规x线及Y线而言，为低LET射线,OER值为2.5--3.0，此类光子束，对氧的依赖性较大。•高LET射线OER都低，如中子不过为1.6，某些带电离子OER为1，即是说它们对缺氧和有氧情况下，生物效应改变不大。NatureoftheOxygenEffectLow-LETradiationLowDoseAssay,OER=2.5HighDoseAssay,OER=3.50.010.10.70.90.81.01.0501.51.030102015252.000.53.02.5Dose(Gy)Dose(Gy)AeratedAeratedHypoxicHypoxicSurvivingFractionOtherRadiationsandtheOER0.0010.01Dose,Gy0.10.011.01.02.003.0Dose,Gyparticles0.001OER=1.00.11.00624OER=1.615MeVNeutronsHypoxicAeratedHigh-LETradiationO2ConcentrationEffectsBacteriaandmammaliansystemsshowsimilareffectsA:210,000ppm(air)B:2200ppmO2C:355ppmO2D:100ppmO2E:10ppmO20.11000624Dose(krad)0.011010.001ABCDESurvivingFractionChinesehamstercellsPhotonsRadiosensitivityandO2ConcentrationO2levels20%normal16%dizziness10%immediateunconsciousness~0.5%oxygendoubleseffectDoesn’ttakemuchforimpact照射时间对氧效应的影响•如果辐射剂量是在一段的时间给予而不是很快给予,则这个剂量所产生的效应较小.换言之,如果照射的时间愈长,则要产生相同辐射效应所需的辐射剂量愈高.•延长照射(protracted)).如果剂量是以低剂量率连续给予即称之延长照射(protracted).•分次照射(fractionated一个大剂量分为多次给予即称之为分次照射(fractionated).照射时间对氧效应的影响•分割照射时,肿瘤周边区域时相敏感的有氧细胞首先被杀伤死亡,减少了对氧的消耗,缩短了肿瘤中心区域乏氧细胞与供氧血管间的距离,改善了局部供氧情况。原来乏氧细胞转变为氧合好的细胞,提高了它们对射线的敏感性。ProcessofReoxygenationIfreoxygenationoccurs,thepresenceofhypoxiccellsdoesnotsignificantlyimpacttheoutcomeofthemulti-fractiondoseregimePercentageofHypoxicCellsTransplantablemousesarcomaInitially,allaeratedcellsarekilledRapidreoxygenation6hours,backtonearpre-irradiationlevelsSimilarresultsinothertumorsystems肿瘤乏氧•1955年Thomlinson和Gray发现恶性肿瘤内存在乏氧细胞；•1979年Brown等证实了肿瘤乏氧有急慢性之分;•许多证据表明肿瘤乏氧细胞的存在能使肿瘤对放化疗的抗拒性增强,使肿瘤更具侵袭性容易发远处转移TwoConditionsofHypoxiaChronichypoxialimiteddiffusiondistanceofO2throughrespiringtissuestumorsmayoutgrowbloodsupply,haveO2starvedregionsAcutehypoxiabloodvesselscanbetemporarilyshutdownrapidlyre-opentosupplytissueswithO2AcuteandChronicHypoxiainTissueSolidTumorsAstumorgrows,necroticcenterexpandsEstimateddiffusiondistanceofO2inrespiringtissueis70mmIn1950s,radiobiologistsfocusedonO2andeffectoftumorcellkillingalternativetreatmentswithhigh-LETparticlesnoO2effectThomlinson&Gray(1955)SolidSubcutaneousLymphosarcomaTwo-componentcurveExtrapolatingback:SF~1%;implies99%ofcellswerewelloxygenatedlow-doseresponse:killingofaeratedcellsbeginkillinghypoxiccells9GySolidtumorhasprotectedhypoxiccells(i.e.,clonogenic)normoxiccomponenthypoxiccomponentHypoxicCellFractioninTumorsPairedsurvivalcurvesDistancebetweenindicates%ofhypoxiaTheoretical;whatdoesrealdatalooklike?HypoxicCellFractioninMouseTumorAircurvemicebreathingairmixtureofhypoxicandaeratedcellsHypoxiccurvemiceasphyxiatedbybreathingN2orcellsirradiatedinvitroinN2OxiccurvecellsinvitroinO2肿瘤乏氧检测方法1侵入性检测方法—氧电极法①实测的肿瘤氧分压的平均值或中位数，一般认定＜10mmHg为乏氧；②肿瘤乏氧比例(hypoxicfraction)，即实测的肿瘤氧分压的数据内，氧分压值＜2mmHg或＜5mmHg或＜10mmHg所占的百分数；③肿瘤乏氧容积(hypoxicsubvolume,HSV),即肿瘤的容积乘肿瘤乏氧比例.肿瘤乏氧检测方法1.氧电极法测量有一定的局限性:(1)乏氧临界值的判断目前尚无一个公认的标准;(2)由于肿瘤内氧分布存在明显异质性,故需多道多点测定,如用Eppendof氧微电极测定宫颈癌含氧情况时,宜用5个测试道,每道测20～30个点;肿瘤乏氧检测方法(3)由于氧电极本身技术的局限,在测定时对信号反应率低和电极穿过基质和纤维组织时对电极末梢产生压力,故测定数据有误差(4)测定时不能区分氧电极是插入肿瘤活组织抑或坏死区,并且不能区别为急性或慢性乏氧;(5)氧电极法是一种有创检测方法。这些局限性限制了氧电极法的应用。肿瘤乏氧检测方法2生物学检测指标及方法HIF-1中是目前研究的比较多的一种细胞因子,它由两个亚单位构成———HIF-1αHIF-1β。HIF-1β随氧分压的变化不大,而HIF-1α在不同的氧环境中蛋白稳定性有很大差别,富氧时稳定性降低而乏氧时稳定性增高,以致在乏氧状态下蛋白水平增高,因此可以通过检测HIF-1α的表达水平估计组织的氧合状态肿瘤乏氧检测方法3影像学检测方法3.1彩色多普勒超声显像彩色多普勒是在频谱多普勒技术基础上发展起来的利用多普勒原理进行血流显像的技术.它可以无创、实时地提供病变区域的血流信号信息.肿瘤乏氧检测方法。彩色多普勒还可用于观察治疗效果,通过肿瘤内血管的多少和血流的变化,可以间接判断疗效。若治疗后肿瘤血管减少,异常血流信号消失,则说明疗效满意;反之,则疗效差或提示肿瘤复发肿瘤乏氧检测方法3.2核磁共振技术通过特定的磁共振技术如血氧水平依赖性(Bloodoxygenleveldependent,BOLD)MRI、overhauserMRI(OMRI)、电子顺磁共振成像(Electronparamagneticresonanceimaging,EPRI)等可反映肿瘤的供氧状态和组织的氧化还原能力。肿瘤乏氧检测方法肿瘤中不充分的灌注及混乱血管网可导致肿瘤慢性扩散障碍性乏氧,而肿瘤乏氧还可呈急性的周期性现象,因为有些肿瘤血管会定期地开放和关闭,在此过程中往往也会产生所谓的急性灌注异常性肿瘤乏氧。通过对肿瘤灌注状态的评价可间接地对其乏氧程度进行判断,此即为通过灌注成像推测肿瘤乏氧状态的理论依据。肿瘤乏氧检测方法4核医学检测方法利用放射性核素如18F、3H、123I、125I、131I、62Cu、99m