临床放射生物学

1. 临床放射生物学 李国权 大连医科大学附属二院 肿瘤放疗科

2. 概 述

3. 定 义 • 放射生物学：主要研究放射线对生物体的作用，观察不同质的放射线照射后的各种生物效应以及不同内、外因素对生物效应的影响。 • 大英百科全书和维基百科全书的定义：放射生物学是多学科交叉的生物学分支学科，是研究电离辐射和非电离辐射生物效应的科学领域。 • 临床放射生物学：是放射生物学的一个分支，是研究和探讨人类肿瘤及正常组织对放射线反应性的生物学因素，寻找减少放射治疗副作用的办法和措施，最终目标是从应用基础研究角度为临床放射治疗医生设计和改进治疗方案提供思路和研究依据，进而达到提高肿瘤放疗疗效，减少正常组织损伤，延长病人生命和改善生活质量的目的。

4. 与肿瘤放射治疗的关系 • 肿瘤放射治疗必不可少的三大基本支柱之一。 • 三大基本支柱： 肿瘤学 放射物理学 临床放射生物学

5. 在放射治疗中的作用 • 概念：为放射治疗提供理论基础，确认放射线对肿瘤和正常组织的作用机制及其受照射后生物体构成反应的过程。 • DNA损伤及修复 • 肿瘤乏氧细胞再氧合及肿瘤克隆源性细胞再群体化 • 治疗策略的实证研究 • 配合临床研究发展新的特异性放射治疗方法：加速放疗，超 分割、大分割放疗模式，乏氧细胞增敏剂，IMRT、高LET放 疗中的生物学问题等 ； • 对新的放疗方法的临床有效性及注意事项进行细胞、动物以 及人癌裸小鼠移植瘤水平生物效应的实测和验证。 • 个体化放射治疗方案的研究和设计 • 主要研究个体肿瘤放射敏感性预测：60多年研究有限的成功 • 有人把预测个体肿瘤的放射敏感性的艰巨性比作放射治疗中 的“圣杯”（holy grail)，说明这是一个长期追求的目标。

6. 放射生物学的简要发展历程 传统放射生物学的理论和方法大多在20世纪七、八十年代以前发展并逐渐完善

7. 辐射生物效应的时间标尺

8. 电离辐射的物理阶段

9. 基本概念 • 物理阶段：带电粒子和介质的原子之间相互作用，介质的原子和分子沿带电粒子径迹产生激发和电离的阶段。 • 基本粒子：电子、质子、光子、π介子和其他一些粒子被认为是物质结构的基本单元。 • 直接电离粒子：带电粒子电子、质子、 α粒子引起原子直接电离； • 间接电离粒子：非带电粒子光子（χ线、γ线）、中子通过它们与物质相互作用产生的带电粒子引起原子电离。 • 电离辐射：由直接电离粒子或间接电离粒子，或者两者混合组成的辐射。

10. 基本概念 • 基态：电子填充原子核外壳层时按照从低能级到高能级的顺序以保证原子处于能量最低状态，这种状态称为～。 • 激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，这种状态称为～。处于激发态的原子很不稳定，高能级电子会自发跃迁到低能级空位上而使原子回到基态。 • 电离：具有足够动能的带电粒子，如电子、质子、α粒子等，与原子中的轨道电子相互碰撞，引起一些轨道电子被逐出的过程。

11. 带电粒子与介质电子的相互作用 • 入射过程中，带电粒子与距入射径迹不同距离的电子发生大量的碰撞，随之发生能量的传递（沉积）。 • 传递能量的大小对介质的影响： • 热传递； • 激发； • 电离。 • 介质中的电子是随机分布的，能量的传递（沉积）也是不连续、分散的。

12. 吸收剂量 • 介质某一点的吸收剂量是指当射线通过介质时在该点附近沉积的能量。 • 定义：D=dĒ/dm，dĒ是电离辐射传递给质量为dm的介质的平均能量，实际上表示dm介质中产生的以电离、激发和热传递表现的能量 • 吸收剂量的单位：戈瑞（Gy） 1Gy=100cGy=1J/kg • 由于能量吸收的不连续性，只有当dm足够大，照射期间通过这一质量的粒子数及它们沉积的能量都没有统计学意义的波动时，吸收剂量才是有意义的。

13. 举 例（X线） • 单次4Gy的X射线的全身照射在许多情况下将是致死的。 • 对于70Kg的正常人，4Gy的剂量如果全部转化为热能，只相当于67cal： • 若转化为热量，只代表温度升高0.002℃这几乎没有任何危害； • 只相当于喝一口热咖啡； • 若转化为机械能做功，相当于一个人从地面举起16英寸所做的功。 • X线被生物物质吸收，能量的传递是以分散、不连续的能量包形式，非均匀的沉积下来。每个包的能量达到足以打断化学键而最终引起一系列生物学事件。

14. 微观标度下吸收剂量的局限 • 在很小的微米级标尺上，吸收剂量并不均匀的分布 • 局限于接近电离粒子径迹的部位 • 在电离粒子与介质电子之间发生随机碰撞的过程中，能量传递以不连续的方式和分散的数量发生 • 对于体积很小的细胞结构吸收能量所产生的生物效应，不均匀和非连续性的能量吸收是很重要的 • 实验证明，一个特定剂量的生物效应取决于微观水平的这种分布，亦即依赖于电离粒子的性质和能量 LET

15. 线性能量传递（linear energy transfer ， LET） • LET:单位长度径迹上能量的传递，衡量单位：每微米单位密度物质的千电子伏（keV/um) • ICRU的定义：在介质中带电粒子的线性能量传递（LET)是dE/ dL的商，dE是特定能量的带电粒子在dL的传递距离中所给予介质的局部平均能量。

16. 线性能量传递（linear energy transfer ， LET） • LET比较不同射线的质 • 根据LET值，把不同射线分为两类： • 低LET射线：X线、β线、γ线（小于10KeV/μm） • 高LET射线：快中子、负π介子及重粒子（大于100KeV/μm） • X线引起的电离密度稀疏，又称为稀疏电离辐射 • α粒子引起的电离事件密集,又称为致密电离辐射 • 中子引起的电离事件介于二者之间,被称为中等电离密度辐射

17. 相对生物效应（relative biologic effectiveness ， RBE） • 在一个特定的吸收剂量下,不同类型的射线产生不同的生物效应,主要是通过电子显微镜水平所观察到的能量沉积的情况所得出。 • RBE用来进行不同射线生物效应的比较,一般以X线为标准。 • 经典的定义:以250KV X线为参照,产生相等生物效应所需的X线剂量与被测试射线的剂量之比:RBE=D250/Dr

18. LET 的 RBE • LET的相对生物效应:指产生同等生物效应所需的低LET射线参考辐射剂量与高LET射线的辐射剂量之比. • 低LET参考射线: 250KV X射线 • 对RBE的测定，与所设定的生物效应水平及分次照射的剂量有关，因此RBE不是固定的而是随损伤水平有所变化。

19. 高LET的超杀效应

20. 辐射生物效应的时间标尺

21. 电离辐射的化学阶段

22. 概 念 • 化学阶段：指受照射的原子和分子由于电离和激发导致化学键的断裂和自由基的形成，并与其他细胞成分发生快速化学反应的阶段。 • 自由基是高度活跃的，并参与一系列的反应最终导致电荷回归平衡。 • 化学阶段的重要特点是清除反应之间的竞争，如灭火自由基的巯基化合物，以及导致生物学上重要分子稳定化学变化的固定变化。

23. 水分子的重要性 • 水大约占活组织重量的80%，一个细胞可以认为是一种水溶液。 • 电离辐射对于水的射解导致自由基的产生，主要是OH·和H·，这些自由基进而攻击生物靶分子。 • 电离辐射也可以不依赖自由基直接攻击生物靶分子。 • 传统放射生物学认为，DNA是电离辐射主要的靶分子。

24. 水的射解

25. 辐射生物效应的时间标尺

26. 电离辐射的生物阶段

27. 电离辐射对DNA及染色体的作用

28. 电离辐射诱导的DNA损伤 • DNA是电离辐射最主要的靶分子： • 带电或不带电粒子被生物物质吸收后与DNA 直接发生作用，称为辐射的直接作用，如高LET射线（中子或α粒子）； • 与其他原子或分子（主要是水）相互作用产生自由基，由这些自由基损伤DNA，称为辐射的间接作用

29. 染色体DNA是关键靶 • 经典实验 • Munro用钋（po）源短射程α粒子照射哺乳动物细胞

30. 染色体DNA是关键靶 • 染色体特别是DNA是引起细胞死亡的主要靶的证据： • 微幅射研究显示，用放射线杀死细胞时，单独照射细胞质所需的照射剂量要比单独照射细胞核大得多。 • 放射性核素（如3H、125I)参入核DNA可有效地造成DNA损伤并杀灭细胞。 • 受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密切相关。 • 当特异地把胸腺嘧啶的结构类似物，如碘脱氧尿核苷或溴脱氧尿核苷参入染色体时可修饰细胞的放射敏感性。

31. 电离辐射诱导的DNA损伤类型

32. 电离辐射诱导的DNA损伤及修复 • 单链断裂（SSB)：对于完整的DNA,单链断裂对细胞杀灭几乎没有作用，因为它们很容易以对侧的互补链为模板使损伤修复，但如果是错误修复可能发生突变。 • 双链断裂(DSB)：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；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，这时可能发生双链断裂，即染色体折成两段。两个双链断裂的相互作用可以导致细胞的死亡、突变及致癌作用。

33. 电离辐射诱导的DNA双链断裂 • DNA双链断裂被认为是电离辐射在染色体上所致的最关键损伤。 • DNA双链断裂的修复

34. 电离辐射的细胞效应

35. 细胞死亡的形式 • 有丝分裂死亡:由于染色体的致命损伤，细胞在试图进行有丝分裂时死亡，可发生在照射后的第一次或以后的几次分裂时，因此是一种增殖性死亡。这是放疗导致肿瘤细胞死亡最主要的形式。 • 间期死亡：见于淋巴细胞，少突神经胶质细胞，唾液腺、甲状腺及消化道陷窝的浆液细胞，以及毛囊细胞，往往仅需要低剂量。间期死亡是放射敏感细胞的特征，目前认为通过快速凋亡而导致死亡。

36. 细胞死亡的形式 • 凋亡：多见于淋巴细胞。凋亡不是照射诱导细胞死亡的主要机制。 • 老化：在正常组织放射损伤中起重要作用，如：纤维化。细胞存活并具有代谢活性，但失去繁殖的潜能。 • 坏死：在放化疗中常见肿瘤组织的坏死，有多种因素导致，包括有丝分裂死亡、辐射对肿瘤血管的效应导致微环境的改变。 • 自噬作用：一种非凋亡/非坏死的细胞死亡，与溶酶体对蛋白和细胞器的降级有关，目前机制不清

37. 增殖性细胞死亡 • 定义：细胞不可逆的丧失增殖能力（再增殖完整性，reproductive integrity），即在下一次或以后的有丝分裂时发生增殖性死亡。 • 增殖性死亡概念不能用于分化细胞，如神经、肌肉及分泌细胞等，这类细胞具有执行特殊功能的能力，但是在正常条件下长期不分裂，本质上就非常放射抗拒，它们的死亡常是由于对其功能和存活极为重要的间质或血管细胞受损而间接地被杀灭。

38. 辐射后的细胞存活 • 定义：鉴别细胞存活的唯一标准是：受照射后细胞是否保留无限增殖的能力，即是否具有再繁殖完整性（reproductive integrity） 。 • 克隆：在离体培养细胞实验体系中，细胞群受照射后，一个存活的细胞可以分裂繁殖成一个细胞群体（≥50个细胞），称为～。 • 克隆源性细胞：具有生成“克隆”能力的原始存活细胞，是指那些处于增殖状态的细胞而言。

39. 细胞存活曲线 • 细胞存活的临床意义 • 它反映和推测的是肿瘤控制的效果，是从实验角度评估疗效的的良好指标。 • 在这个严格定义下，提示临床必须重视这种肿瘤存活细胞，这种具有无限增殖能力的细胞是在治疗中必须根除的细胞，否则将留下导致复发和转移的隐患。 • 细胞存活曲线 • 定义：描述放射线照射剂量和细胞存活分数之间的关系，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）的影响。

40. 离体细胞存活曲线的实验方法

41. 第一条哺乳动物细胞存活曲线 1956年Puck和Marcus用Hela S3细胞株建立

42. 辐射所致细胞死亡的特性 • 指数性杀灭 • 随机性击中 • 符合泊松分布（Poisson statistics） PX=λxe-λ/X!（PX:一个靶被击中X次的几率；X:被击中次数；λ： λ个平均致死剂量；！：数字阶乘）

43. 致密电离辐射的生存曲线指数存活曲线 • 致密电离辐射没有亚致死性损伤，在半对数坐标上是一条直线，呈指数型 • 数学表达式：SF=e- αD =e-D/D0 • 特点：只有一个参数，即D0值（为斜率的倒数），通常称为平均致死剂量，它的定义是平均每靶击中一次所给予的剂量。 • 单靶单击数学模型

44. 细胞存活曲线的形状（稀疏电离辐射χ线、γ线）细胞存活曲线的形状（稀疏电离辐射χ线、γ线） • 由肩部（shoulder）和直线部分组成 • 肩部： • 存活曲线的起始直线部分：在半对数坐标上有一个有限的初斜率（即存活分数是照射剂量的指数函数）。 • 随后的向下弯曲段 • 直线部分：在高剂量存活曲线又趋于直线（存活分数又变成照射剂量的指数函数） • 如何用数学模型去拟合？

45. 常用的数学模型 • 多靶-单击（MT or TC)模式 （multi-target and single-hit or two-component model） • 线性-二次（LQ)模式 （linear quadratic model）

46. MT or TC 模式 • 细胞死亡的经典靶学说 • 认为在细胞内有n个能够独立地承受可修复亚致死性放射损伤、对同等剂量的射线敏感性相同的部位，即“靶”，一般理解为DNA双链上的核苷酸或DNA-膜复合体。 • “击”：带电粒子的打击。 • 在一次照射过程中直至n-1个靶被击中，细胞尚能修复其损伤而存活下去，但是n个靶同时击中则细胞死亡。 • 对于任何种类辐射所致的细胞死亡都是单击死亡与亚致死性损伤累积（多靶）死亡之和 • 对单击死亡的理解 • 细胞内可能有一个对其存活至关重要的、体积很小和损伤不可能修复的靶存在； • 有足够密度的电离辐射同时灭活数个有潜在修复能力的靶，相当于一个致死性打击。

47. MT or TC 模式 • 数学表达式： SF=SF(1）×SF(n)=e-(D/1D0)×[1-(1-e-(D/nD0))n] • SF(1）：单击杀灭的存活分数，等于e-(D/1D0） • SF(n) ：多靶杀灭的存活分数，等于1-(1-e-(D/nD0))n 　分解说明： e-(D/nD0)) ：在多靶杀灭机制中没有一个靶被击中的几率； 1-e-(D/nD0)：ｎ个靶中被击中一个的几率； (1-e-(D/nD0))n：ｎ个靶全部被击中导致细胞死亡的几率；

48. MT or TC 模式的参数描述 • 1D0：初始斜率倒数，指存活分数从1.0降到0.37（ｅ－１）的生存曲线起始直线部分所需的剂量 • nD0：指细存活分数从1.0降到0.37（ｅ－１）的生存曲线最后部分所需的剂量 • D0：终斜率的倒数，指在存活曲线的直线部位（存活分数０.１以下），把存活分数从Ｓ降到0.37（ｅ－１）Ｓ所需的剂量。 　　　　１/Ｄ０＝１/ 1D0＋１/ nD0 • Dq：准阈剂量，将存活曲线的直线部位反向延长，通过存活分数1.0与剂量轴相交处的剂量，用来代表存活曲线的肩宽，早期的文献用Dq来表示细胞对亚致死性损伤修复能力的大小。 • N: 外推数，代表存活曲线肩区宽度大小的另一参数。

49. 线性-二次（LQ)模式 • LQ模式是将DNA双链断裂与细胞存活联系起来的数学模式，放射生物学基础可靠，已被众多实验研究所证实。 • LQ模式已成为目前使用最广泛、发展也最快的放射生物学效应模式。 • 数学表达式：SF=e-αD-βD2

50. 线性-二次（LQ)模式 • DNA双螺旋由一个带电粒子在通过相互靠近的DNA双链处一次将其击断（单击击中），这种方式产生的DNA双链断裂数直接与吸收剂量成正比，即αD 。 • DNA双链可因两个带电粒子途径DNA双链附近、各产生1个彼此位置很靠近的断裂（双击击中，以这种方式产生的DNA双链断裂数与吸收剂量的平方成正比，即βD2