临床放射生物学基础

临床放射生物学基础 赣南医学院第一附属医院放疗科 郭海亮252775074 放射生物学的基本概念 临床放射生物学是放射生物基础理论研究的基础上 探讨人类肿瘤及其正常组织在放射治疗过程中放射生物学效应问题的一门学科 研究领域正常组织放射生物学肿瘤放射生物学 放射生物学的基本概念 生物体受辐射后变化的三个阶段物理阶段化学阶段生物反应阶段 电离和激发 电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物组织吸收后 引起生物效应的最重要的原初过程 生物组织中的原子被粒子或光子撞击时 轨道电子被击出 产生自由电子和带正电的离子 既形成离子对 这过程称为电离 当电离辐射与组织原子相互作用 其能量不足以将原子的轨道电子击出是 可使电子跃迁到较高能级的轨道上 使原子处于激发态 这一过程为激发作用 水的电离和激发 直接作用 直接作用射线被生物物质吸收时 直接和细胞关键的靶起作用 靶原子被电离或激发启动一系列生物事件导致生物改变 高LET射线 如中子或 粒子 间接作用 自由基与活性氧 自由基对DNA这一细胞最重要靶点作用产生DNA损伤自由基对脂类过氧化作用与生物膜作用产生细胞膜损伤自由基和抗氧化酶和其他抗氧化物质作用 放射治疗实现的可能性 B T定律 细胞的放射敏感性高低和细胞增长速率成正比和细胞的分化程度成反比恶性肿瘤细胞增长快 分化差和正常组织相比 放射敏感性更高 辐射的细胞生物学效应 细胞死亡 1 增殖性死亡分裂几次后死亡 临床表现 肿瘤受照后 体积不立即缩小 甚至出现临时性增大 以后 随着肿瘤细胞的不断死亡 肿瘤才缩小 2 间期性细胞死亡受照几小时内 肿瘤细胞死亡 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存活之间关系的曲线 细胞克隆 细胞存活曲线 细胞克隆实验法 细胞存活曲线 细胞剂量效应曲线 doseresponsecurve 细胞存活曲线 cellsurvivalcurve 某剂量照射后形成克隆数存活率 种植细胞数 空白组集落形成 PE 细胞存活曲线 高LET线细胞存活曲线 指数性曲线曲线公式S e kD低LET线细胞存活曲线 非指数性曲线肩部反映低剂量下损伤修复直线部分反映高剂量下指数性杀灭曲线公式为一次二元方程式S 1 1 e kD n K为直线部分的斜率 D0 1 K D0为平均致死剂量 S 1 1 e D D0 n曲线几个重要参数 D0 n值 Dq值 细胞存活曲线单击单靶模型 细胞存活曲线单击单靶模型 e 1 0 37 e 2 0 14 e 3 0 05 细胞存活曲线单击多靶模型 细胞存活曲线线性二次模型 Thames和Bentzen于80年代提出LQ模型以DNA双链断裂造成细胞死亡为理论依据由一个辐射粒子在通过相互靠近的DNA双链处一次将其击断 这种方式产生的DNA断裂数直接与吸收剂量成正比 S e D两个辐射粒子途经DNA双链附近 各产生一个彼此很靠近的单链断裂 这种方式产生的DNA断裂数直接与吸收剂量的平方成正比 S e D2 细胞存活曲线线性二次模型 任何类型辐射效应造成的细胞杀灭都是单击致死性杀灭 型 与亚致死性损伤累积杀灭 型 之和 总的生物效应为两者之和 即S S S e D e D2 e D D2 当一次照射引起的上述两种效应相等时 则 D D2 D 因此 代表的是这样一个剂量 在此剂量照射时线性部分 D 对放射效应的贡献与平方部分 D2 的贡献相同 其单位是Gy 细胞存活曲线线性二次模型 细胞存活曲线线性二次模型 分次剂量照射的细胞存活曲线 分次照射时 细胞存活曲线肩区的每次照射重建 细胞动力学的改变 细胞的放射敏感性不同细胞群体的放射敏感性 不断分裂和更新的细胞敏感 不分裂的细胞抗拒 不同细胞周期时相的放射敏感性差异 不同环境中的细胞敏感性特别是氧分压不同对敏感性的影响 不同细胞群体的放射敏感性 不断分裂和更新的细胞群体 敏感性较高不分裂的细胞群体 对放射性抗拒细胞群体在一般状态下基本不分裂或分裂速率很低 受刺激后迅速分裂 放射敏感性增高 细胞时项的放射敏感性 M和G2期为放射性敏感期G1和S期对放射线相对抗拒 电离辐射对细胞周期的影响 照射引起G2阻滞 细胞周期时相的再分布 电离辐射对细胞周期的影响 time 细胞的再增殖 正常组织增殖Hopewell 1991 的实验资料表明 10天内照射猪皮肤 未见再增殖 如疗程延长到38天 则要达到相同的生物效应 总剂量需要增加38 临床观察到正常组织再增殖的情况 在一个总疗程为5周或更长时 在疗程后期大部分早反应组织有一定程度的再增殖 证据 1 口咽粘膜在治疗的5 6周时其反应程度变轻2 严重皮肤反应在治疗后期出现上皮克隆 细胞的再增殖 肿瘤再增殖实验证明肿瘤内残存1 的存活克隆源性细胞于肿瘤消退时已开始其初始的加速再增殖 一些临床观察证实了人体肿瘤的克隆源性细胞也有再增殖反应 细胞的再增殖 加速再增殖 acceleratedrepopulation 原因 正常组织 受放射损伤后死亡的细胞分泌刺激残存细胞分裂的因子 促使残存细胞分裂 由于细胞的死亡使残存细胞间的接触抑制现象减弱 分裂加快 肿瘤组织 肿瘤生长过程中细胞自然丢失率很高 肿瘤存在异质性 依据 细胞的再增殖 1 复发时间 肿瘤大部分在12个月内复发1个细胞 30次倍增 临床可发现复发灶1万个细胞 15 17次倍增 肿瘤体积倍增时间一般为27天至166天 头颈部鳞癌时间平均为60天倍增从60天 缩短 12天 反映了快速再增殖 细胞的再增殖 2 总疗程时间与肿瘤局控率的关系头颈部鳞癌如在常规治疗及分程治疗中用同样总剂量 对任何一期的肿瘤分程治疗的控制率都比常规治疗低 多种肿瘤放疗总疗程时间和肿瘤局控率的关系 细胞的再增殖 肿瘤再增殖有重要临床意义1 不必要延长治疗 2 如急性反应重 治疗期间必须有一个间断 应尽量短 3 不考虑单纯分段放疗 4 由于非医疗原因的治疗中断 有时需采取措施 赶上 5 增殖周期短的肿瘤可采用加速分割 辐射所致细胞的损伤及修复 细胞放射性损伤 致死性损伤 LD 亚致死性损伤 SLD 潜在致死性损伤 PLD 细胞放射性损伤修复 潜在致死性损伤的修复亚致死性损伤的修复 低剂量区肩区的形成原因 早反应组织和晚反应组织 早反应组织与晚反应组织的放射生物学差别早期反应严重程度取决于被放射杀灭的细胞数目 晚期反应的发生还与进行性继发损伤有关的其他过程影响 如组织中的缺血和纤维化 早反应组织SLD出现早 修复能力差 在常规分割放疗过程中可出现加速再增殖 晚反应组织SLD出现较晚 修复能力强 在常规分割放疗过程中不出现加速再增殖 早反应组织一般在治疗开始就出现急性反应 处理后可很快恢复 晚期反应则在治疗90天后发生 早晚反应组织不同放射生物学效应的临床意义 晚反应组织比早反应组织对分次剂量的变化更加敏感 加大分次剂量时 晚反应组织的损伤加重 要想取得最大的潜在治疗效果 其晚反应组织的SLD修复必须完全 每天多次照射 MFD 的分次间隔时间要大于6小时晚反应组织对总治疗时间变化不敏感 缩短总治疗时间不会加重晚反应组织的损伤 但早反应组织的损伤则会加重 放射反应与损伤 放射反应与损伤影响因素与每次照射量和总剂量成正比与照射体积成正比各器官耐受剂量不同个体差异热敏效应手术 药物协同相关 氧效应与氧增强比 受照的组织和细胞或生物大分子的辐射效应随其周围介质中氧浓度的升高而增加 这种现象为氧效应 乏氧细胞再氧合 肿瘤很小时 没有乏氧细胞 肿瘤长大后乏氧细胞比例保持恒定 一般为1 50 一次大剂量照射后肿瘤内氧合好的细胞明显减少 同时由于对放射相对抗拒 乏氧细胞减少程度较少 因此乏氧细胞比例几乎上升接近100 随着时间推移 细胞从乏氧 氧合好 乏氧细胞比例又下降到照射前水平 Putten和Kallman证实 分次治疗时 肿瘤内乏氧细胞比例过24hrs就可恢复到照射前水平 乏氧细胞再氧合 normaloxygen hypoxicviable anoxic necrotic 70m O2 O2 O2 capillary aeratedcells hypoxiccells survivorsafterirradiation reoxygenation reoxygenation reoxygenation Reoxygenation 乏氧细胞再氧合是临床肿瘤放射治疗中小剂量分次照射方案制定的基础 射线质的影响 LET 射线传能线密度 1 高LET射线细胞存活曲线中肩区基本不存在 细胞死亡来源于 型细胞杀灭 2 高LET射线辐射生物学效应对分子氧和细胞不同周期的依赖程度低于低LET射线 3 高LET射线照射后细胞不再有能力对辐射损伤进行修复 4 低LET射线中存在的分次照射生物学基础和剂量率效应在高LET中不再存在 放射治疗的时间剂量分割模式 临床放射生物学中的4R理论 晚反应组织对分割剂量的变化比早反应组织更为敏感 修复亚致死损伤的时间也较长 分次照射期间 细胞周期时相再分布对快速增殖组织有增敏作用 分次照射期间乏氧细胞再氧合是迅速的 起到肿瘤组织自身增敏作用 早反应组织和肿瘤组织都有很强的再增殖能力 但是前者的加速再增殖发生得更早 峰值更高 临床放射生物学中的4R理论 redistribution repopulation repair reoxygenation sensitive resistant 分次照射杀灭肿瘤细胞和保护正常细胞原理 分次放疗中 正常组织通过再群体化和亚致死损伤修复得到保护 肿瘤组织通过细胞周期的再发布和乏氧细胞的再氧合提高其辐射敏感性 从而提高治疗比 分次照射中的时间剂量因素 单次剂量晚反应组织比早反应组织对分次剂量的变化更加敏感 加大分次剂量时 晚反应组织的损伤加重照射间隔时间治疗间隔时间取决于靶区内晚反应组织多长时间才能完成亚致死损伤的修复 一般为6h总治疗时间增加总治疗时间能减轻正常组织的急性反应 但降低大部分肿瘤控制率 常规分割照射 单次剂量1 8 2 0Gy 每天一次 每次间隔24小时 每周照射5天 周六周日不照射 避免急性反应太重 根据肿瘤类型和情况决定照射总剂量 照射次数等于总剂量除于单次剂量 疗程当中没有特殊原因不中断治疗 非常规分割照射的生物学基础 临床上主要有三种类型 超分割放疗 hyperfractionatedradiationtherapy HRT 加速超分割放疗 hyperfractionatedacceleratedradiationtherapy HART 后程加速超分割放疗 超分割放疗 超分割放疗的基本原理是使用小于常规的分割剂量 提高后期反应组织的耐受剂量 在不增加后期反应组织损伤的基础上提高总剂量 使肿瘤受到更高生物效应剂量的照射 根据这一原理 只有肿瘤的 值大于周边危及器官后期反应组织的 值时 才适合超分割放疗 多数人类肿瘤增殖较快 值较大 但也有例外 如恶性黑色素瘤和滑膜肉瘤 欧洲协作组EORTC头颈部肿瘤超分割临床实验 超分割80 5Gy 70次 7周 1 15Gy 2 d 与常规70Gy 35次 7周相比 肿瘤控制和5年生存率升高为40 59 疗效提高 而没有明显的增加副作用 此方案对口咽癌的优点明显 单次剂量的选择应该在剂量效应曲线弯曲部分以上 来进一步减轻晚期损伤 超分割放疗 超分割放疗的益处还包括增加细胞周期再分布机会和降低细胞杀灭对氧的依赖性 从而提高了肿瘤的放射敏感性 由于早期反应组织和多数肿瘤一样具有较高的 值 在肿瘤杀灭效应提高的同时 急性反应不可避免地有所加重 加速超分割放疗 加速超分割放疗的基本原理是缩短总疗程以克服放疗中肿瘤细胞加速再增殖 同时降低分割剂量以保护后期反应组织 在分次间隔时间足够长的前提下 总疗程时间与后期放射损伤的关系不大 急性反应由于每周剂量增加而明显加重 因而成为这种分割方式的剂量限制性因素 EORTC头颈部肿瘤随机前瞻临床研究 方案是 72Gy 45次 5周 1 6Gy 3 d 中间休息2周 常规方案是2Gy 35次 70Gy 7周 结果 1 局部控制率提高15 但生存率无明显优点2 急性反应增加3 晚期反应增加 包括致死性并发症 4 纯粹的加速治疗在极端小心的情况下才能被使用 加速超分割放疗 连续加速超分割放疗 continuoushyperfractionationacceleratedradiationtherapy CHART 是目前疗程最短 周剂量最高的分割方案 试图在肿瘤加速再增殖尚未开始或程度较轻时结束治疗 同时降低总剂量以减轻急性反应 同期小野加量加速超分割放疗 concomitantboosthyperfractionationacceleratedradiationtherapy CBHART 在大野 包括原发灶和淋巴引流区 照射的某一时期加用小野 仅包括临床肿瘤灶 疗程缩短限于临床肿瘤 通过减少加速放疗中正常组织的受照体积来减轻急性反应 CHART临床实验 英国MountVernon医院和Gray实验室合作项目方案 36次 12天 每天3次间隔6小时 1 4 1 5 次 总剂量50 4 54Gy 按常规标准它的总剂量偏低 治疗时间很短 这一方案的思路是降低分次剂量以减轻晚期反应 缩短总治疗时间以抑制肿瘤的增殖 CHART临床实验的特点和结果 CHART方案特点 1 小剂量每次 36次2 总治疗时间短 连续12天3 治疗期间无休息 3次 d 间隔6小时4 1 4 1 5Gy 次 总剂量50 4 54Gy结果 1 肿瘤局部控制率是好的 因总治疗时间短2 急性反应明显 高峰在治疗完成后3 大部分晚期反应可以接受4 脊髓是例外 在50Gy出现严重的放射性脊髓病 因为6小时间隔时间对脊髓而言太短 加速超分割放疗 分段加速超分割放疗 split coursehyperfractionationacceleratedradiationtherapy SCHART 总疗程短于常规放疗 疗程中插入休息时间以减轻急性反应 后程加速超分割放疗 late coursehyperfractionatedacceleratedradiationtherapy LCHART 有资料显示肿瘤加速再增殖主要发生在后半疗程 因此 疗程前半段采用常规分割 后程缩野加速超分割照射 同时前半段常规放疗刺激正常早期反应组织加速增殖 有利于后程耐受加速放疗 L Q模型的假设前提和局限性 L Q模型的前提假设分次照射期间 细胞的亚致死性损伤完全修复 且细胞没有再增殖 L Q模型不完全修复的修正 再L Q模型中加入不完全修复系数 hm 对于晚反应组织L Q模型只适用分次剂量为1 8Gy的范围 肿瘤组织中多种不确定因素 如坏死 乏氧 均会影响 的准确性 生物剂量 剂量单位只是一个物理量 生物剂量是指生物体辐射反应程度的测量 物理剂量不能直接反应出生物效应不同治疗中心计划的优劣是所用的是生物剂量 这些是物理剂量不能表达的因为我们的重要器官耐受量和肿瘤致死量都是在常规分割方式 通过放射生物实验得出的 所以开展一个新的治疗模式或者改变原有治疗方案应与常规治疗进行生物剂量等效换算 以获得最好的治疗增益 LQ模型推导 E 即为等效生物剂量 biologicallyequivalentdose BED 单位Gy 式中影响放射生物效应的因素有总剂量D 分割剂量d和 值 E nd 1 d D nd 不同分割方式达到同样的生物效应 则各方式的等效生物剂量相等 总剂量对放射效应的影响不言而喻 分割剂量对放射生物效应的影响与组织的 值密切相关 式中d 反映的是分割剂量的变化对不同 值组织的影响 即分割放射敏感性 称为单位剂量相对生物效应 relativeeffectivenessperunitdose RE LQ模型的衍生公式 LQ模型的基本公式仅在以下假设成立时方可应用 每次照射后的亚致死性损伤完全修复 每次照射产生的生物效应相似 在疗程中没有细胞的增殖 细胞周期的自我增敏忽略不计 LQ模型的衍生公式 LQ模型必须加入不完全修复因子 Hm 和反映细胞增殖因素的时间因子f T 才符合临床放疗的实际情况不完全修复BED D 1 d 1 Hm 时间因子S e nd d f T E nd d f T E nd 1 d f T BED D 1 d f T BED D 1 d 0 693 T Tk Tpot LQ模型的衍生公式 总的效应BED D 1 d 1 Hm 0 693 T Tk TpotT为总疗程时间 TK为从第一次照射到加速再增殖开始的时间 文献报道为1 30天 通常取14天 Tpot为潜在倍增时间 Hm为未修复损伤 这个由T1 2时间决定 LQ模型的衍生公式 Tpot为潜在倍增时间 各部位肿瘤Tpot中位天数和范围如下 头颈部癌4 2和5 5 1 8 30 头颈部鳞癌DNA整倍体7 35 2 9 15 非整倍体4 35 2 1 8 宫颈癌4 5 2 9 6 结直肠癌5 9 2 25 食管癌6 8 2 7 9 肺癌7 4 2 30 胃癌9 8 6 8 14 值在0 2 0 4Gy 1 一般取0 3Gy 1 LQ模型的临床应用 LQ模型在临床上的应用主要是在考虑不同时间 剂量 分割放疗方案时 计算各种组织的等效剂量 目的是根据正常组织尤其是后期反应组织和肿瘤组织之间 值的差异 在改变分割方案时改进治疗比 动物实验表明在1 10Gy分割剂量范围内 L Q方程能较好地反映不同分割方案的等效应关系 LQ模型的临床应用 临床应用LQ模型进行等效应换算时必须非常谨慎 原因如下 衍生公式中加入了不完全修复因子和时间因子 但是细胞周期时相再分布造成的放射敏感性差异没有考虑在内 LQ模型假设每次照射产生的生物效应相等 由于G2 M阻滞和随后的细胞周期再分布以及乏氧细胞氧合等因素 使得这一假设与实际情况存在差异 LQ模型的临床应用 LQ模型最主要的参数 Hm和Tpot大部分来自动物实验 由于肿瘤异质性的客观存在和实验方法和技术尚有不完善之处 这些数据难以标准化和个体化 理论推导的非常规分割放疗方案与临床实际应用结果之间有时缺乏一致性 BED公式的临床应用计算过程 例1 既往治疗肺癌脑转移常使用每次2 0Gy 每天1次 每周5天 总剂量40Gy的常规分割方案 现欲改为每天1次 每周5天 总疗程3周的短疗程方案 问 在保持相同的肿瘤放射生物效应时 新方案的每次剂量和总剂量是多少 BED公式的临床应用计算过程 解 每天1次照射间隔为24小时 查表得Hm因子为0 肺癌 取50 两个方案肿瘤放射生物效应相等 故有 BED1 BED2BED1 D 1 d 1 Hm 0 693 T Tk Tpot 40 1 2 1 0 50 0 693 0 3 25 14 4 40 1 04 6 353 35 247BED2 D 1 3 1 0 50 0 693 0 3 18 14 4 D 1 06 2 31 35 247 BED1 D 35 43Gyd 35 43 15 2 36Gy答 总疗程3周 每次2 36Gy 总剂量35 43Gy时 对肿瘤的生物效应与常规分割40Gy相等 BED公式的临床应用计算过程 例2 RTOG采用每次1 2Gy 每天2次 间隔6小时 每周5天 总疗程6周 总剂量72Gy的超分割方案 假设受剂量限制的后期反应组织 3 T1 2 1 5小时 作为后期放射损伤等效的常规分割方案 2Gy 次 天 的总剂量是多少 BED公式的临床应用计算过程 解 由于后期反应组织在疗程中很少或没有细胞增殖 故时间因素忽略不计 BED1 D 1 d 1 Hm 72 1 1 2 1 0 0625 3 101 52BED2 D 1 2 1 0 3 D 5 3 101 52 BED1 D 60 9Gy答 常规分割照射总剂量60 9Gy时 所考虑的后期反应组织损伤与超分割方案相等