临床放射生物学[1]课件

PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT临床放射生物学临床放射生物学2024/5/18临床放射生物学1临床放射生物学2023/7/24临床放射生物学11PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT教学目的：教学目的：1、掌握肿瘤的放射生物学基础，分次放射、掌握肿瘤的放射生物学基础，分次放射治疗的生物学基础及正常组织的放射性治疗的生物学基础及正常组织的放射性损伤损伤2、熟悉电离辐射对细胞的杀灭概念，细胞、熟悉电离辐射对细胞的杀灭概念，细胞存活概念，氧效应与氧增比，靶学说与存活概念，氧效应与氧增比，靶学说与/模式，肿瘤放射治疗中生物剂量等效模式，肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型，改变放射效应的措施换算的数学模型，改变放射效应的措施3、了解电离辐射生物效应的基本过程，放、了解电离辐射生物效应的基本过程，放射线对生物体的作用，细胞生存曲线。射线对生物体的作用，细胞生存曲线。临床放射生物学1教学目的：临床放射生物学12PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT教学内容：教学内容：1、放射线对生物体的作用：、放射线对生物体的作用：2、电离辐射对细胞的杀灭概念及细胞存活、电离辐射对细胞的杀灭概念及细胞存活的概念；的概念；3、氧效应与氧增比；、氧效应与氧增比；4、靶学说、靶学说/模式；模式；5、肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数、肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型；学模型；6、肿瘤的放射生物学；、肿瘤的放射生物学；7、分次放射治疗的生物学基础；、分次放射治疗的生物学基础；8、正常组织的放射损伤；、正常组织的放射损伤；9、改变放射效应的措施。、改变放射效应的措施。临床放射生物学1教学内容：临床放射生物学13PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT授课时数：授课时数：3.0学时学时临床放射生物学1授课时数：3.0学时临床放射生物学14PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT放射治疗的地位19991999年年Tubiana Tubiana 报告报告45%45%的恶性肿瘤可以治愈的恶性肿瘤可以治愈。临床放射生物学1放射治疗的地位1999年Tubiana 报告45%的恶性肿瘤5PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT放射肿瘤学的内容放射肿瘤学的内容放射肿瘤学临床肿瘤学放射物理学放射生物学放射生物学临床放射生物学临床放射生物学实验放射生物学实验放射生物学放射治疗学放射治疗学临床放射生物学1放射肿瘤学的内容放射肿瘤学临床肿瘤学放射物理学放射生物学临床6PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT放射生物学对放射治疗的影响放射生物学对放射治疗的影响1.阐明肿瘤和正常组织辐射损伤的机制、过程2.有助于放疗的新的治疗方法的建立3.为前瞻性临床试验提供备选治疗方案临床放射生物学1放射生物学对放射治疗的影响1.阐明肿瘤和正常组织辐射损伤的机7PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT放射治疗的两大基本原则放射治疗的两大基本原则最大程度地杀灭肿瘤最大程度地杀灭肿瘤最大程度地保护正常组织最大程度地保护正常组织临床放射生物学1放射治疗的两大基本原则临床放射生物学18PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第一节第一节 电离辐射生物效应的基本过程电离辐射生物效应的基本过程电离辐射电离辐射是指能引起被作用物质电离的放射线是指能引起被作用物质电离的放射线 电磁辐射电磁辐射:X射线和射线和射线，均为光子射线，均为光子电离辐射电离辐射 粒子辐射：质子、中子粒子辐射：质子、中子电离辐射的一个重要特点电离辐射的一个重要特点 是能够在被作用物质的局部释放能量，引起被是能够在被作用物质的局部释放能量，引起被作用物质的作用物质的电离电离和和激发激发，而电离和激发又是电离，而电离和激发又是电离辐射原初作用的重要环节。辐射原初作用的重要环节。临床放射生物学1第一节 电离辐射生物效应的基本过程电离辐射是指能引起被作用9PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT二、电离和激发二、电离和激发二、电离和激发二、电离和激发(一一一一)电离作用电离作用电离作用电离作用电离作用电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后引起效应的最重要的初始过程。组织吸收后引起效应的最重要的初始过程。定义：生物组织中的分子被粒子或光子流撞击定义：生物组织中的分子被粒子或光子流撞击时，其轨道电子被击出，时，其轨道电子被击出，产生自由电子和带产生自由电子和带正电的离子正电的离子，即形成离子对，这过程称之。，即形成离子对，这过程称之。临床放射生物学1二、电离和激发(一)电离作用电离作用是高能粒子和电磁辐射的10PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(二二)激发作用激发作用 定义：当电离辐射与组织分子相互作用，定义：当电离辐射与组织分子相互作用，其能量不足以将分子的轨道电子击出时，可使其能量不足以将分子的轨道电子击出时，可使电子跃迁到较高级电子跃迁到较高级的轨道上，使分子处于激发的轨道上，使分子处于激发状态，这一过程称为激发作用。状态，这一过程称为激发作用。临床放射生物学1(二)激发作用 定义：当电离辐射与组织分子相互11PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(三三)水的电离和激发水的电离和激发 生物体是由各种物质的分子所组成，除生物体是由各种物质的分子所组成，除生物大分子和无机分子外，水占生物体重的生物大分子和无机分子外，水占生物体重的7070左右。左右。电离辐射作用于机体生物大分子的同时，电离辐射作用于机体生物大分子的同时，也作用于机体的水分子。也作用于机体的水分子。临床放射生物学1(三)水的电离和激发 生物体是由各种物质的分12PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又可进一步影响生物大分子可进一步影响生物大分子水分子受电离辐射作用时，发生电离和激发水分子受电离辐射作用时，发生电离和激发作用。作用。使水分子产生羟自由基使水分子产生羟自由基(OH)(OH)和氢自由基（和氢自由基（HH）。）。临床放射生物学1电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又可进一步影响生物大分子13PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT水的电离水的电离HOH HOH+e-HOH+H+OH.OH.+OH.=H2O2自由基自由基 free radical 在其外层轨道上有一个未配对的电子，高在其外层轨道上有一个未配对的电子，高度活跃度活跃临床放射生物学1水的电离HOH HOH+e-临床放射生物学14PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT三、自由基与放射损伤三、自由基与放射损伤临床放射生物学1三、自由基与放射损伤临床放射生物学115PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT细胞生物学基本概念细胞生物学基本概念在所有生物体中，在所有生物体中，能独立存在的最小能独立存在的最小单位是细胞。单位是细胞。细胞的结构：细胞细胞的结构：细胞核和胞浆。核和胞浆。胞浆与放射生物效胞浆与放射生物效应的关系较小，应的关系较小，细胞核是产生辐射细胞核是产生辐射效应的主要部位。效应的主要部位。临床放射生物学1细胞生物学基本概念在所有生物体中，能独立存在的最小单位是细胞16PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT细胞核的主要成分是DNADNA是辐射引起细胞死亡及损伤的主要靶区临床放射生物学1细胞核的主要成分是DNADNA是辐射引起细胞死亡及损伤的主要17PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2自由基对自由基对DNA的损伤作用：的损伤作用：自由基对自由基对DNADNA作用后果主要有三类：即作用后果主要有三类：即单双链断裂单双链断裂、无嘌呤无嘧啶位点、无嘌呤无嘧啶位点(AP(AP位点位点)和产和产生环胞和嘧啶衍生物。生环胞和嘧啶衍生物。临床放射生物学12自由基对DNA的损伤作用：自由基对DNA18PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第二节第二节 放射线对生物体的作放射线对生物体的作用用临床放射生物学1第二节 放射线对生物体的作用临床放射生物学119PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一、放射线对生物体的作用方式一、放射线对生物体的作用方式(一一)三阶段作用过程三阶段作用过程：任何生物体经照射后均产生一系任何生物体经照射后均产生一系列的变化过程，这些变化的时间过程有列的变化过程，这些变化的时间过程有很大差异，以时间过程分可分为三个时很大差异，以时间过程分可分为三个时相：相：物理过程物理过程化学过程化学过程生物阶段生物阶段临床放射生物学1一、放射线对生物体的作用方式(一)三阶段作用过程：物理过20PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 高速运转的电子以高速运转的电子以1010-18-18S S的速度的速度通过通过DNADNA分子及以分子及以1010-14-14S S的速度穿过的速度穿过哺乳动物细胞，因而产生了一系列哺乳动物细胞，因而产生了一系列的电离和激发的过程。的电离和激发的过程。DNAe-10-18S细胞细胞10-14Se-物理过程物理过程：即包括带电粒子和组成组织的即包括带电粒子和组成组织的原子之间的相互作用过程。原子之间的相互作用过程。电离、激发电离、激发临床放射生物学1 高速运转的电子以10-18S的速度通过DNA分子及以21PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT其次是其次是化学过程化学过程即即受到损伤的原子和分子受到损伤的原子和分子 细胞中细胞中其他的结构其他的结构起快速的化学反应起快速的化学反应 形成形成自由基自由基，并参予一系列的反应最，并参予一系列的反应最后导致电子负荷平衡的重建，后导致电子负荷平衡的重建，自由基反应一般在照射后千分之一秒内完自由基反应一般在照射后千分之一秒内完成。成。临床放射生物学1其次是化学过程即受到损伤的原子和分子 细胞中其他22PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT最后是最后是生物阶段生物阶段l大大量量的的占占多多数数的的损损伤伤如如DNADNA内内的的损损伤伤都都可可以成功的以成功的修复修复l仅仅有有较较少少的的损损伤伤不不能能修修复复，这这些些未未能能修修复的损伤最后导致细胞死亡。复的损伤最后导致细胞死亡。临床放射生物学1最后是生物阶段大量的占多数的损伤如DNA内的损伤都可以成功的23PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT电离辐射生物效应的时标电离辐射生物效应的时标:(The(The time-scale of effects in radiation biology)time-scale of effects in radiation biology)物理过程（物理过程（1010-15-15秒内结束秒内结束）。）。化学过程（化学过程（DNADNA残基的存在时间残基的存在时间1010-3-3 到到1010-5-5）秒秒）。）。生物学过程生物学过程（细胞死亡需数天到数月，（细胞死亡需数天到数月，辐射致癌作用需数年，可遗传的损伤需经辐射致癌作用需数年，可遗传的损伤需经数代才能观察到数代才能观察到临床放射生物学1电离辐射生物效应的时标:(The time-scale of24PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 临床放射生物学1 临床放射生物学125PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(二)放射线的生物效应n直接作用直接作用n间接作用间接作用临床放射生物学1(二)放射线的生物效应直接作用临床放射生物学126PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT直接作用 Direct actionn直接作用直接作用 射线被生物物质吸收时射线被生物物质吸收时,直接和细胞关键的靶起作直接和细胞关键的靶起作用，靶原子被电离或激发用，靶原子被电离或激发启动一系列生物事件导致启动一系列生物事件导致生物改变。破坏肌体的核生物改变。破坏肌体的核酸、蛋白质和酶等具有生酸、蛋白质和酶等具有生命功能的物质。命功能的物质。本质：射线直接造成生物大本质：射线直接造成生物大分子损伤效应分子损伤效应高高LET射线，如中子或射线，如中子或粒子粒子临床放射生物学1直接作用 Direct action直接作用高LET射线27PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT间接作用 Indirect actionu 电离辐射作用于一电离辐射作用于一个原子和分子的同时个原子和分子的同时又直接作用于水，使又直接作用于水，使水分子产生一系列原水分子产生一系列原发辐射分解产物，然发辐射分解产物，然后通过这些辐射分解后通过这些辐射分解产物再作用于生物大产物再作用于生物大分子，引起后者的物分子，引起后者的物理和化学变化理和化学变化u本质：通过水电离。本质：通过水电离。临床放射生物学1间接作用 Indirect action 电离辐射28PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT间接作用 Indirect actionn水的电离水的电离n常见，细胞常见，细胞80%80%是是水水n每个每个 DNA DNA分子，分子，含含 1.2X10 1.2X107 7 个水个水分子分子临床放射生物学1间接作用 Indirect action水的电离临床放射生29PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT delta raysIonization event(formation of water radicals)Light damage-reparableClustered damage-irreparableRadiation Damage to the DNA Water radicals attack the DNAThe mean diffusion distance of OH radicals before they react is only 2-3 nm OHe-Primary particle track临床放射生物学1 delta raysIonization event(f30PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第五节第五节 电离辐射对细胞的杀灭概念电离辐射对细胞的杀灭概念临床放射生物学1第五节 电离辐射对细胞的杀灭概念临床放射生物学131PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一、克隆源性细胞的概念：一、克隆源性细胞的概念：在正常的更新组织内，要保持体在正常的更新组织内，要保持体内一个组织的体积和组织的功能，内一个组织的体积和组织的功能，有赖于组织内存在的小部分有赖于组织内存在的小部分原始原始的的“干细胞干细胞”。临床放射生物学1一、克隆源性细胞的概念：临床放射生物学32PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTl干干细细胞胞是是有有能能力力保保持持自自己己的的数数量量，同同时时产产生生可可以分化和增殖的细胞以替代其他功能性细胞群。以分化和增殖的细胞以替代其他功能性细胞群。l一个肿瘤内干细胞仅是很小的一部分。一个肿瘤内干细胞仅是很小的一部分。l癌瘤是从这些等级组织衍生出来的，癌瘤是从这些等级组织衍生出来的，但并非肿瘤内的细胞都是恶性干细胞。但并非肿瘤内的细胞都是恶性干细胞。临床放射生物学1干细胞是有能力保持自己的数量，同时产生可以分化和增殖的细胞以33PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT 当当一一个个肿肿瘤瘤在在非非治治愈愈性性治治疗疗后后再再生生长长是是因因为为有有些些恶恶性性干干细细胞胞未未被被杀杀灭灭。为为了了弄弄清清还还有有多多少少干干细细胞胞未未被被杀杀灭灭，需需建建立立能能从从肿肿瘤瘤内内取取出出的的细细胞胞中识别出干细胞的分析方法。中识别出干细胞的分析方法。这方法一般是检测干细胞的形成这方法一般是检测干细胞的形成集落能力。这些细胞称为集落能力。这些细胞称为“克隆源性克隆源性”或或“集落形成集落形成”细胞。细胞。临床放射生物学1 当一个肿瘤在非治愈性治疗后再生长是因为有些恶性干细34PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(二二)克隆源性细胞：克隆源性细胞：在特定的生长环境内有能力在特定的生长环境内有能力形成含有形成含有超过超过5050个细胞集落个细胞集落的细胞。的细胞。以这个分裂能力作为标准来衡量细胞的繁殖能力。以这个分裂能力作为标准来衡量细胞的繁殖能力。临床放射生物学1(二)克隆源性细胞：在特定的生长环境内有能力形成含有超过5035PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT二、放射线对细胞杀灭机制二、放射线对细胞杀灭机制(一一)DNA损损伤伤和和细细胞胞杀杀灭灭：DNA是是放放射射线线作作用于细胞的最重要的靶。用于细胞的最重要的靶。1辐辐射射损损伤伤的的初初始始过过程程：在在一一个个治治疗疗剂剂量量的的照照射射后后所所产产生生的的电电离离数数量量是是非非常常大大的的，每每个个细细胞胞照照射射lGy有有大大约约105的的电电离离。照照射射lGy粗粗略略地计算可在每个细胞内造成一个致死损伤。地计算可在每个细胞内造成一个致死损伤。临床放射生物学1二、放射线对细胞杀灭机制(一)DNA损伤和细胞杀灭：DNA是36PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT大部分的电离不起作用是大部分的电离不起作用是由于以下因素：由于以下因素：自由基的清除、接近自由基的清除、接近DNADNA的电离数量很少不足以造的电离数量很少不足以造成它们的损伤以及细胞的成它们的损伤以及细胞的修复。修复。临床放射生物学1大部分的电离不起作用是由于以下因素：临床放射生物学137PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT2 2放放射射线线对对DNADNA的的损损伤伤：辐辐射射所所致致DNADNA损损伤伤主主要要是是DNADNA链链的的断断裂裂。其其有有两两种种类类型型的的链链断断裂裂：单单链链断断裂裂和和双双链链断断裂裂(两两条条互互补补链链的的断断裂裂之之间间的的距距离离不大于不大于4 4个碱基对个碱基对)。DNADNA损伤是射线杀灭细损伤是射线杀灭细胞和导致细胞突变的胞和导致细胞突变的关键。关键。临床放射生物学12放射线对DNA的损伤：辐射所致DNA损伤主要是DNA链的38PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT3 3DNADNA链断裂的分子机制：链断裂的分子机制：链断裂的形成可以直接链断裂的形成可以直接由于脱氧戊糖破坏或磷酸二酯键由于脱氧戊糖破坏或磷酸二酯键的断裂，也可以间接通过碱基的的断裂，也可以间接通过碱基的破坏或脱落所致。破坏或脱落所致。临床放射生物学13DNA链断裂的分子机制：链断裂的形成39PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(1)(1)脱脱氧氧戊戊糖糖和和磷磷酸酸二二酯酯键键的的破破坏坏：水水辐辐射射产产物物，水水合合电电子子(e(e水水合合，或或e eqqqq)羟羟自自由由基基OHOH和和氢氢自自由由基基HH可可以以分分别别作作用用于于碱碱基基双双键键上上，其其中中以以羟羟自自由由基基破破坏坏性性最最强强。由由于于羟羟自自由由基基的的高高反反应应性性，能能从从糖糖基基上上抽抽去去2020的的氢氢，因因此此DNADNA键键的的断断裂裂主主要要与与羟自由基作用有关羟自由基作用有关。临床放射生物学1(1)脱氧戊糖和磷酸二酯键的破坏：水辐射产物，水合电子(e40PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(2)(2)碱碱基基损损伤伤：碱碱基基损损伤伤可可引引起起DNADNA双双螺螺旋旋的的局局部部变变性性，特特异异的的核核酸酸内内切切酶酶能能识识别别和和切切割割这这种种损损伤伤，并并经经过过酶酶的的作作用用，产产生生链链断断裂裂。嘧嘧啶啶碱碱受受辐辐射射损损伤后较易脱落。伤后较易脱落。临床放射生物学1(2)碱基损伤：碱基损伤可引起DNA双螺旋的局部变性，特异的41PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT4 4电离辐射引起电离辐射引起DNADNA链断裂的重要特点链断裂的重要特点(1)(1)单单链链断断裂裂(SSB)(SSB)可可由由一一个个自自由由基基攻击而产生，攻击而产生，而而双双链链断断裂裂(DSB)(DSB)须须由由两两个个自自由由基引起。基引起。临床放射生物学14电离辐射引起DNA链断裂的重要特点(1)临床放射生物学42PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(2)(2)辐辐射射所所引引起起的的DNADNA内内的的损损伤伤数数比比那那些些最后导致细胞死亡的损伤数要大得多。最后导致细胞死亡的损伤数要大得多。一一个个可可导导致致平平均均每每个个细细胞胞有有一一次次致致死死事事件件的的照照射射剂剂量量将将杀杀死死6363的的细细胞胞，而而剩剩下下的的3737还还是是有有活活性性的的。这个剂量被称为这个剂量被称为平均致死剂量平均致死剂量(Do)(Do)。临床放射生物学1(2)辐射所引起的DNA内的损伤数比那些最后导致细胞死亡的损43PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTMicrobeamBiological and Environmental ResearchLow Dose Radiation Research ProgramAlpha Hits for Cell TransformationEach cell hit by one particleAverage of one particle/cellMiller et al.1999临床放射生物学1MicrobeamBiological and Enviro44PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTn实实验验发发现现细细胞胞死死亡亡的的发发生生和和射射线线所所致致的的SSBSSB数数量量没没有有相相关关性性，但但和和产产生生的的DSBDSB数数量量有较好的相关性。有较好的相关性。n可见可见DSBDSB是辐射致死细胞的是辐射致死细胞的 关键损伤关键损伤。临床放射生物学1临床放射生物学145PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(三三)细胞死亡：两种形式存在细胞死亡：两种形式存在 增殖性细胞死亡增殖性细胞死亡 间期性细胞死亡间期性细胞死亡临床放射生物学1(三)细胞死亡：两种形式存在临床放射生物学146PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT增殖性细胞死亡增殖性细胞死亡是指细胞受照射后一段是指细胞受照射后一段时间内，仍继续保持形时间内，仍继续保持形态的完整，甚至还保持态的完整，甚至还保持代谢的功能，直至几个代谢的功能，直至几个细胞周期以后才死亡。细胞周期以后才死亡。这是这是最常见的细胞死亡最常见的细胞死亡形式形式。临床放射生物学1增殖性细胞死亡是指细胞受照射后一段时间内，仍继续保持形态的完47PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT间期性细胞死亡间期性细胞死亡细胞死亡与细胞周期无关细胞死亡与细胞周期无关死亡一般发生在照射后几小时内死亡一般发生在照射后几小时内以以细胞凋亡细胞凋亡的形式出现。的形式出现。最典型的间期死亡是淋巴瘤细胞最典型的间期死亡是淋巴瘤细胞的死亡。的死亡。在临床上看到唾液腺经照射后很快在临床上看到唾液腺经照射后很快出现口腔干燥的感觉，为什么？出现口腔干燥的感觉，为什么？唾液腺的浆细胞的放射生物唾液腺的浆细胞的放射生物效应是细胞凋亡效应是细胞凋亡临床放射生物学1间期性细胞死亡细胞死亡与细胞周期无关在临床上看到唾液腺经照射48PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT两种死亡都依赖于照射剂两种死亡都依赖于照射剂量量前者与剂量呈指数性关系前者与剂量呈指数性关系细胞凋亡在剂量细胞凋亡在剂量1.5-5Gy1.5-5Gy范范围内较敏感及照射后数小围内较敏感及照射后数小时内即可发生。时内即可发生。指数关系的特点：增加一定剂量就指数关系的特点：增加一定剂量就有有一定比例一定比例的细胞而的细胞而不是数量不是数量的细的细胞被杀死胞被杀死临床放射生物学1两种死亡都依赖于照射剂量指数关系的特点：增加一定剂量就有一定49PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT第四节第四节 细胞存活曲线细胞存活曲线细胞存活曲线是定量描述细胞存活曲线是定量描述辐射吸收剂量辐射吸收剂量与与细胞存活细胞存活之间关系的曲线。之间关系的曲线。临床放射生物学1第四节 细胞存活曲线细胞存活曲线是定量描述辐射吸收剂量与细胞50PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT在放疗后的病理切片中，发现有形态完在放疗后的病理切片中，发现有形态完整的肿瘤细胞有意义吗？整的肿瘤细胞有意义吗？临床放射生物学1在放疗后的病理切片中，发现有形态完整的肿瘤细胞有意义吗？临床51PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一、细胞存活的概念和存活曲线的绘制一、细胞存活的概念和存活曲线的绘制 (一一)细胞存活的概念细胞存活的概念 对于有增殖能力的细胞，如造血细胞、对于有增殖能力的细胞，如造血细胞、离体培养细胞、肿瘤细胞等，凡是保留其离体培养细胞、肿瘤细胞等，凡是保留其增殖能力，能无限产生子代的细胞，称之增殖能力，能无限产生子代的细胞，称之为为存活细胞存活细胞。临床放射生物学对肿瘤细胞存活可定义临床放射生物学对肿瘤细胞存活可定义为为:经放射线作用后细胞仍具有经放射线作用后细胞仍具有无限增殖无限增殖能力的细胞能力的细胞。临床放射生物学1一、细胞存活的概念和存活曲线的绘制(一)细胞存活的概念临52PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT相反，细胞在照射后已失去无限增殖能力，相反，细胞在照射后已失去无限增殖能力，即便其形态仍保持完整，有能力制造蛋白即便其形态仍保持完整，有能力制造蛋白质，有能力合成质，有能力合成DNA，甚至还能再经过一，甚至还能再经过一次或两次有丝分裂，产生一些子细胞，但次或两次有丝分裂，产生一些子细胞，但最终不能继续传代者称为已最终不能继续传代者称为已“死亡死亡”细胞。细胞。临床放射生物学1相反，细胞在照射后已失去无限增殖能力，即便其形态仍保持完整，53PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTl按照细胞存活定义，放射治疗效果主要是按照细胞存活定义，放射治疗效果主要是根据根据是否残留有无限增殖能力的细胞是否残留有无限增殖能力的细胞，而，而不是要求瘤体内的细胞达到全部破坏。不是要求瘤体内的细胞达到全部破坏。l因此，在放疗后的病理切片中，发现有形因此，在放疗后的病理切片中，发现有形态完整的肿瘤细胞有意义吗？态完整的肿瘤细胞有意义吗？l不一定证明是有临床不一定证明是有临床意义的肿瘤残留。意义的肿瘤残留。临床放射生物学1按照细胞存活定义，放射治疗效果主要是根据是否残留有无限增殖能54PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(二二)细胞存活曲线的绘制细胞存活曲线的绘制细细胞胞存存活活曲曲线线的的绘绘制制方方法法主主要要依依靠靠细细胞胞培培养养，以以制制成成单单个个细细胞胞接接种种平平面面，用用不不同同剂剂量量照照射射，得得到到的的集集落落形形成成数数与与未未经经照照射射的的对对照照组组进进行行比比较较，得得出出存存活活率率。根根据据不不同同剂剂量量的不同存活率制成的曲线即为细胞存活曲线。的不同存活率制成的曲线即为细胞存活曲线。临床放射生物学1(二)细胞存活曲线的绘制 细胞存活曲线的绘制方55PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT集落形成实验取指数生长期细胞，取指数生长期细胞，0.25%胰酶消化成单细胞悬液；胰酶消化成单细胞悬液；梯度倍数稀释将梯度倍数稀释将102 105个细胞种植到直径个细胞种植到直径6cm的培养皿的培养皿中，辐射剂量分别为中，辐射剂量分别为0Gy，0.5 Gy，1 Gy，2 Gy，4 Gy，6 Gy，8 Gy(由小到大的放射剂量由小到大的放射剂量）体外培养体外培养37，5%CO2 条件下培养条件下培养10-14天后，细胞克隆形成；天后，细胞克隆形成；弃培养液，甲醇固定弃培养液，甲醇固定15min，姬姆萨应用液染色，姬姆萨应用液染色20min；流水冲洗染色液，空气干燥；流水冲洗染色液，空气干燥；计计数数每每个个培培养养皿皿中中的的集集落落数数，以以50个个细细胞胞数数作作为为一一个个集集落，计算每组均值。落，计算每组均值。计算存活率计算存活率临床放射生物学1集落形成实验取指数生长期细胞，0.25%胰酶消化成单细胞悬液56PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT临床放射生物学1临床放射生物学157PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT例如：平皿平皿A A种植种植100100个细胞。共形成个细胞。共形成7070个集落，个集落，集落形成率（集落形成率（PEPE）是）是70%70%。平皿。平皿B B是接种是接种20002000个细胞，照射个细胞，照射8GyX8GyX线后长成线后长成3232个。个。存活率存活率=照射后细胞形成的集落数照射后细胞形成的集落数/接种细接种细胞数胞数未照射细胞集落形成率（未照射细胞集落形成率（PEPE）8Gy8Gy照射细胞的存活率为？照射细胞的存活率为？A A.未照射平皿的集落生长B B.照射8GyX线后的集落生长32/2000 70%0.023临床放射生物学1例如：平皿A种植100个细胞。共形成70个集落，集落形成率（58PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTu 以不同的剂量照射细以不同的剂量照射细胞，得到各剂量组的胞，得到各剂量组的细胞存活率，以剂量细胞存活率，以剂量为横坐标，存活率为为横坐标，存活率为纵坐标，绘制细胞存纵坐标，绘制细胞存活曲线。活曲线。X射线临床放射生物学1 以不同的剂量照射细胞，得到各剂量组的细胞存活率，以剂量59PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTn对于低能中子或对于低能中子或射射线，存活曲线是直线，线，存活曲线是直线，特点：只要一个生物特点：只要一个生物学参数，即学参数，即37%37%剂量斜剂量斜率或率或D D0 0值（斜率的倒数）值（斜率的倒数）。临床放射生物学1对于低能中子或射线，存活曲线是直线，特点：只要一个生物学参60PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTn但对于但对于X X线、线、线，它线，它们的细胞存活曲线有们的细胞存活曲线有一个初始肩区，随后一个初始肩区，随后是直线部分。是直线部分。n特点：有多个生物学特点：有多个生物学参数参数：D0值、外推值值、外推值n、准阈剂量准阈剂量Dq临床放射生物学1但对于X线、线，它们的细胞存活曲线有一个初始肩区，随后是直61PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT二、细胞存活曲线的参数及其临床意义二、细胞存活曲线的参数及其临床意义 临床放射生物学中细胞存活曲线主要临床放射生物学中细胞存活曲线主要指非指数存活曲线，即有指非指数存活曲线，即有“肩段肩段”的存活的存活曲线，在此曲线中存在几个参数曲线，在此曲线中存在几个参数(图图1)1)，各，各个参数分别代表不同的生物学含义。个参数分别代表不同的生物学含义。临床放射生物学1二、细胞存活曲线的参数及其临床意义 临床放射生62PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(一一)D D0 0(平均致死剂量平均致死剂量mean lethal dose)mean lethal dose)n n D0D0D0D0表表表表示示示示图图图图中中中中直直直直线线线线部部部部分分分分的的的的斜斜斜斜率率率率K K K K倒倒倒倒数数数数(D0=I/k)(D0=I/k)(D0=I/k)(D0=I/k)，它它它它代代代代表表表表这这这这一一一一细细细细胞胞胞胞群群群群的的的的放放放放射射射射敏敏敏敏感感感感性性性性，即即即即照照照照射射射射后后后后余余余余37373737细胞所需的放射剂量。细胞所需的放射剂量。细胞所需的放射剂量。细胞所需的放射剂量。n n D0D0D0D0值值值值越越越越小小小小，即即即即杀杀杀杀灭灭灭灭63636363细细细细胞胞胞胞所所所所需需需需的的的的剂剂剂剂量量量量就就就就越越越越小小小小，曲曲曲曲线线线线下下下下降降降降迅迅迅迅速速速速(斜率大斜率大斜率大斜率大)。n n在在在在单单单单靶靶靶靶单单单单击击击击的的的的指指指指数数数数性性性性存存存存活活活活曲曲曲曲线线线线中中中中D37=D0(D37=D0(D37=D0(D37=D0(因因因因为为为为D37=D0+Dq)D37=D0+Dq)D37=D0+Dq)D37=D0+Dq)，此此此此类类类类型型型型存存存存活活活活曲曲曲曲线线线线不不不不存存存存在在在在细细细细胞胞胞胞非非非非致致致致死死死死性性性性损损损损伤伤伤伤修修修修复复复复，即即即即Dq=ODq=ODq=ODq=O，而而而而在在在在肩肩肩肩段段段段较较较较宽宽宽宽 的的的的 非非非非 指指指指 数数数数 性性性性 存存存存 活活活活 曲曲曲曲 线线线线 中中中中，D37D0D37D0D37D0D37D0。临床放射生物学1(一)D0(平均致死剂量mean lethal dose)63PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(二二)N)N值值(外外推推数数，extrapolation extrapolation number)number)uu N N N N值值值值指指指指细细细细胞胞胞胞内内内内所所所所含含含含的的的的放放放放射射射射敏敏敏敏感感感感区区区区域域域域数数数数，即即即即靶靶靶靶数数数数。它它它它也也也也是是是是表表表表示示示示细细细细胞胞胞胞内内内内固固固固有有有有的的的的与与与与放放放放射射射射敏敏敏敏感感感感性性性性相相相相关关关关的的的的参参参参数数数数，是是是是存存存存活活活活曲曲曲曲线线线线直直直直线线线线部部部部分分分分的的的的延延延延长长长长线线线线与与与与纵纵纵纵轴轴轴轴相相相相交交交交处处处处的的的的数值。数值。数值。数值。uu靶靶靶靶数数数数(即即即即N N N N值值值值)一一一一般般般般均均均均在在在在210210210210的的的的范范范范围围围围内内内内。后后后后来来来来的的的的研研研研究究究究证证证证明明明明N N N N值值值值随随随随实实实实验验验验条条条条件件件件改改改改变变变变而而而而有有有有较较较较大大大大幅幅幅幅度度度度的的的的变变变变化化化化，与与与与细细细细胞胞胞胞内内内内相相相相对对对对恒恒恒恒定定定定的靶数不符，现已少用。的靶数不符，现已少用。的靶数不符，现已少用。的靶数不符，现已少用。N N值值临床放射生物学1(二)N值(外推数，extrapolation number64PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(三三)DqDq值值(准阈剂量，准阈剂量，quasithreshold dose)quasithreshold dose)uu 代代代代表表表表存存存存活活活活的的的的肩肩肩肩段段段段宽宽宽宽度度度度，故故故故也也也也称称称称“浪浪浪浪费费费费的的的的放放放放射射射射剂剂剂剂量量量量”。肩肩肩肩宽宽宽宽表表表表示示示示从从从从开开开开始始始始照照照照射射射射到到到到细细细细胞胞胞胞呈呈呈呈指指指指数数数数性死亡所性死亡所性死亡所性死亡所“浪费浪费浪费浪费”的剂量。的剂量。的剂量。的剂量。uu在在在在此此此此剂剂剂剂量量量量范范范范围围围围内内内内，细细细细胞胞胞胞表表表表现现现现为为为为非非非非致致致致死死死死损损损损伤伤伤伤的的的的修修修修复复复复，DqDqDqDq值值值值越越越越大大大大，说说说说明明明明造造造造成成成成细细细细胞胞胞胞指指指指数数数数性性性性死死死死亡亡亡亡所需剂量越大。所需剂量越大。所需剂量越大。所需剂量越大。uu经经经经存存存存活活活活率率率率为为为为100100100100的的的的点点点点作作作作与与与与横横横横轴轴轴轴平平平平行行行行的的的的直直直直线线线线，再再再再延延延延长长长长存存存存活活活活曲曲曲曲线线线线直直直直线线线线部部部部分分分分与与与与之之之之相相相相交交交交即即即即可可可可得得得得出出出出DqDqDqDq值。值。值。值。临床放射生物学1(三)Dq值(准阈剂量，quasithreshold dos65PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(四四)S2pp S2为为2Gy照射后的细胞存活率照射后的细胞存活率。pp临临床床应应用用中中，常常需需要要了了解解肿肿瘤瘤细细胞胞对对射射线线的的敏敏感感性性，对对离离体体细细胞胞作作2Gy照照射射的的存存活活曲曲线线最最能能区区分分各各类类肿肿瘤瘤的的放放射射敏敏感感性性，故故可可以以将将此此指指标标作作为为制制定定治治疗疗计计划划的的参参考考信息。信息。临床放射生物学1(四)S2 S2为2Gy照射后的细胞存活率。临床放射生物学66PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(五五)细胞存活曲线的临床意义细胞存活曲线的临床意义1 1 1 1、研究研究研究研究细胞生物效应与放射剂量的定量关系细胞生物效应与放射剂量的定量关系细胞生物效应与放射剂量的定量关系细胞生物效应与放射剂量的定量关系；2 2 2 2比较各种因素对放射敏感性的影响；比较各种因素对放射敏感性的影响；比较各种因素对放射敏感性的影响；比较各种因素对放射敏感性的影响；3.3.3.3.观察有氧与乏氧状况下细胞放射敏感性的变化；观察有氧与乏氧状况下细胞放射敏感性的变化；观察有氧与乏氧状况下细胞放射敏感性的变化；观察有氧与乏氧状况下细胞放射敏感性的变化；4 4 4 4比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并提供理论依据；比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并提供理论依据；比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并提供理论依据；比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并提供理论依据；5 5 5 5考查各种放射增敏剂的效果；考查各种放射增敏剂的效果；考查各种放射增敏剂的效果；考查各种放射增敏剂的效果；6 6 6 6比较单纯放疗和放疗加化疗的作用；比较单纯放疗和放疗加化疗的作用；比较单纯放疗和放疗加化疗的作用；比较单纯放疗和放疗加化疗的作用；7.7.7.7.比较不同比较不同比较不同比较不同LETLETLETLET射线的生物效应；射线的生物效应；射线的生物效应；射线的生物效应；8 8 8 8研究细胞各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题。研究细胞各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题。研究细胞各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题。研究细胞各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题。临床放射生物学1(五)细胞存活曲线的临床意义1、研究细胞生物效应与放射剂量的67PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT临床放射生物学1临床放射生物学168PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT靶学说与靶学说与/模式模式第六节第六节临床放射生物学1靶学说与/模式第六节临床放射生物学169PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT肿瘤放射治疗中生物剂量等肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型效换算的数学模型第七节第七节临床放射生物学1肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数学模型第七节临床放射生物学70PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT一一、靶靶学学说说CrowtherCrowther于于19241924年年提提出出，细细胞胞受受到到电电离离辐辐射射后后，其其有有丝丝分分裂裂受受到到抑抑制制，推推论论在在细细胞胞染染色色体体中中有有一一很很小小体体积积的的结结构构中中发发生生了了一一次次电电离离而而导导致致了了细细胞胞分分裂裂抑抑制制结结果果。后后来来许许多多放放射射生生物物学学家家、物物理理学学家家及及学学者者就就靶靶学学说说的的基基本本概概念念作作了了补充和完善。补充和完善。临床放射生物学1一、靶学说Crowther于1924年提出，细胞受到电离辐射71PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(1)(1)生生物物结结构构内内存存在在对对放放射射敏敏感感的的部部分分，称称之之为为“靶靶”，其其损损伤伤将将引引发发某某种种生生物物效应；效应；(2)(2)电电离离辐辐射射以以离离子子簇簇的的形形式式撞撞击击靶靶区区，击中概率遵循泊松分布；击中概率遵循泊松分布；(3)(3)单单次次或或多多次次击击中中靶靶可可产产生生某某种种放放射射生物效应，如生物大分子失活或断裂等。生物效应，如生物大分子失活或断裂等。该靶学说要点如下该靶学说要点如下：临床放射生物学1该靶学说要点如下：临床放射生物学172PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT(一一)单击模型单击模型u在一个靶中发生一次电离事件，产生所期在一个靶中发生一次电离事件，产生所期 望的生物效应，称为一次击中或单击。望的生物效应，称为一次击中或单击。u假定生物大分子或细胞中只有一个敏感靶假定生物大分子或细胞中只有一个敏感靶区，被电离粒子击中一次，即足以引起生物区，被电离粒子击中一次，即足以引起生物大分子的失活或细胞的死亡，这就是所谓的大分子的失活或细胞的死亡，这就是所谓的单击单击(Single-hit)(Single-hit)效应效应。临床放射生物学1(一)单击模型在一个靶中发生一次电离事件，产生所期 望的生73PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT靶学说靶学说 致电离辐射对生物靶的击中是一种致电离辐射对生物靶的击中是一种相互独立的随机事件，符合相互独立的随机事件，符合泊松分布泊松分布（poisson distributionpoisson distribution）的规律）的规律 S Se-D/D0e-D/D0 S S为细胞存活分数；为细胞存活分数；e e为自然对数的为自然对数的底，数值是底，数值是2.7182.718；D D为照射剂量；为照射剂量；D0D0为为平均致死剂量，其定义是每个靶平均被平均致死剂量，其定义是每个靶平均被击中一次的照射剂量。击中一次的照射剂量。临床放射生物学1靶学说 致电离辐射对生物靶的击中是一种相74PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPTu 给予平均致死剂量的照给予平均致死剂量的照射时，射时，D=D0D=D0，S Se-1e-10.370.37。此时平均每个细。此时平均每个细胞被击中一次，似乎细胞被击中一次，似乎细胞应该全部死亡，但实胞应该全部死亡，但实际情况只有际情况只有6363的细胞的细胞死亡，死亡，3737的细胞存活。的细胞存活。Se-D/D0临床放射生物学1 给予平均致死剂量的照射时，D=D0，Se-10.3775PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT这是因为生物靶被射线击中是一个随机过程，当100个细胞平均受到1次打击时，有37个未被击中，37个被击中1次，18个被击中2次，6个被击中3次，偶有个别细胞被击中4-5次，总的次数是100，但有37的细胞幸存。u如果给予2个D0剂量的照射，则S0.370.3713.7，依次类推，这就是射线杀灭细胞的指数规律。、临床放射生物学1这是因为生物靶被射线击中是一个随机过程，当100个细胞平均受76PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT靶学说靶学说临床放射生物学1靶学说临床放射生物学177PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT靶学说靶学说u单击单靶情况只存在于生物大分子和单击单靶情况只存在于生物大分子和低级生物，如某些小病毒和细菌。低级生物，如某些小病毒和细菌。u哺乳动物细胞的辐射杀灭机制比低等哺乳动物细胞的辐射杀灭机制比低等生物复杂得多，常用生物复杂得多，常用单击多靶学说单击多靶学说来来解释，这一学说认为，在细胞内有多解释，这一学说认为，在细胞内有多个（个（n n）能够独立承受亚致死损伤的靶，）能够独立承受亚致死损伤的靶，在一次照射中直至在一次照射中直至n-1n-1个靶被击中，细个靶被击中，细胞仍能够修复其损伤而存活下去，但胞仍能够修复其损伤而存活下去，但n n个靶同时灭活则造成细胞死亡。个靶同时灭活则造成细胞死亡。临床放射生物学1靶学说单击单靶情况只存在于生物大分子和低级生物，如某些小病毒78PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT线性二次模型线性二次模型Thames和和Bentzen于于80年代提出年代提出 LQ模模型型以以DNA双双链链断断裂裂造造成成细细胞胞死死亡亡为理论依据为理论依据 由由一一个个辐辐射射粒粒子子在在通通过过相相互互靠靠近近的的DNADNA双双链链处处一一次次将将其其击击断断,这这种种方方式式产产生生的的DNADNA断断裂数直接与吸收剂量成正比裂数直接与吸收剂量成正比,S=e-D,S=e-D 两两个个辐辐射射粒粒子子途途经经DNADNA双双链链附附近近,各各产产生生一一个个彼彼此此很很靠靠近近的的单单链链断断裂裂,这这种种方方式式产产生生的的DNADNA断断裂裂数数直直接接与与吸吸收收剂剂量量的的平平方方成成正比正比,S=e,S=e-D2-D2临床放射生物学1线性二次模型Thames和Bentzen于80年代提出临床放79PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT线性二次模型 也就是说：假定辐射引起的细胞死亡：也就是说：假定辐射引起的细胞死亡：一一种种方方式式为为射射线线一一次次击击中中两两条条链链，其其生生物物效应与照射剂量成比例，以效应与照射剂量成比例，以dd表示；表示；另另一一种种方方式式为为射射线线分分别别击击中中两两条条链链，其其生生物物效效应应与与照照射射剂剂量量的的平平方方成成比比例例，以以dd2 2表示。表示。临床放射生物学1线性二次模型 也就是说：假定辐射引起的细胞死亡：临床放射生80PPTPPT文档演模板文档演模板 Office Office PPTPPT线性二次模型线性二次模型任何类型辐射效应造成的细胞杀灭都是任何类型辐射效应造成的细胞杀灭都是 总的生物效应为两者之和，即总的生物效应为两者之和，即S S S e-D e-