電離輻射的細(xì)胞和組織效應(yīng)臨床放射生物學(xué)在放射治療中的作用和地位“生物學(xué)”與“醫(yī)學(xué)”“微觀”與“宏觀”“經(jīng)典理論”的現(xiàn)實意義臨床放射生物學(xué)在放射治療中的作用和地位從實驗室到臨床的橋梁提供理論基礎(chǔ)，闡述放射治療的生物學(xué)原理治療策略及驗證個體化放射治療方案的研究和設(shè)計

二.電離輻射的直接作用和間接作用電離輻射的直接作用任何形式的輻射，X（）射線，帶電或不帶電粒子被生物物質(zhì)吸收后都可能與細(xì)胞的關(guān)鍵靶DNA直接發(fā)生作用，DNA本身的原子可以被電離或激發(fā)從而導(dǎo)致一系列生物變化的事件，這被稱為輻射的直接作用。高LET射線（如中子、粒子）主要是直接作用電離輻射的直接作用和間接作用電離輻射的間接作用輻射也可與細(xì)胞內(nèi)的其它原子或分子（特別是水）相互作用，產(chǎn)生自由基，這些自由基可以擴(kuò)散到足夠遠(yuǎn)，達(dá)到并損傷關(guān)鍵靶DNA，這被稱為電離輻射的間接作用。自由基是一種游離的原子或分子，外層攜帶不成對軌道電子。插圖三.電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)分子水平DNA鏈損傷DNA鏈修復(fù)細(xì)胞水平

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)輻射誘導(dǎo)的DNA損傷及修復(fù)研究顯示：DNA是引起一系列生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵靶。DNA鏈斷裂的主要形式單鏈斷裂雙鏈斷裂

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)DNA鏈斷裂的修復(fù)DNA單鏈斷裂的修復(fù)以對側(cè)鏈為模板，是一種可完全修復(fù)的分子損傷DNA雙鏈斷裂的修復(fù)可修復(fù)的雙鏈斷裂（彼此分開間隔一段距離）不可修復(fù)的雙鏈斷裂（發(fā)生在對側(cè)互補(bǔ)堿基或僅間隔幾個堿基對--染色體折成兩段）電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)DNA雙鏈斷裂的修復(fù)兩個基本過程同源重組（Homologousrecombination)在修復(fù)中需要未受損的DNA鏈參與，末端與末端經(jīng)非同源重組相接。非同源重組（nonhomologous(Illegitimate)recombination沒有模板存在，無法指導(dǎo)縫隙的填充。因此容易發(fā)生錯誤。所以也稱之為非法重組插圖

電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)輻射引起細(xì)胞死亡的關(guān)鍵靶在細(xì)胞核放射性同位素（如3H,125I）摻入核DNA可有效地造成DNA損傷并殺死細(xì)胞。受放射線照射后染色體畸變率與細(xì)胞死亡密切相關(guān)。當(dāng)特異地把胸腺嘧啶類似物，如碘脫氧尿核苷或溴脫氧尿核苷摻入染色體時可修飾細(xì)胞的放射敏感性電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)放射生物對細(xì)胞死亡的基本認(rèn)識：一般意義的細(xì)胞死亡（celldeath)，細(xì)胞再繁殖完整性的丟失(lossofreproductiveintegrityoftumorcells)兩者在概念上存在著根本意義上的不同，放射可治愈性結(jié)局的最主要依據(jù)是后者。放射治療對受照射后的存活細(xì)胞更加關(guān)注，因這對放射可治愈性非常重要細(xì)胞存活曲線描述放射線照射劑量和細(xì)胞存活比之間的關(guān)系，關(guān)注的是：一定劑量照射以后對克隆源細(xì)胞而不是細(xì)胞群任意細(xì)胞的殺滅電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線克隆源細(xì)胞（clonogeniccell)指具有生成“克隆”能力的原始存活細(xì)胞。在離體培養(yǎng)細(xì)胞：這種無限增殖能力體現(xiàn)為形成一個完整的50個細(xì)胞的克隆在體內(nèi)：體現(xiàn)為腫瘤體積的不斷增大、復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移在這個“細(xì)胞存活”的嚴(yán)格定義下，提示臨床必須重視這種存活細(xì)胞，這種具有無限增殖能力的細(xì)胞是在治療中必須根除的細(xì)胞電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線細(xì)胞形成克隆的能力被稱為“細(xì)胞存活”輻射所致的細(xì)胞殺滅是指數(shù)性的，指數(shù)關(guān)系的特點(diǎn)：增加一定劑量就有一定比例的細(xì)胞而不是數(shù)量的細(xì)胞被殺死電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線主要實驗方法和步驟細(xì)胞培養(yǎng)，--指數(shù)生長期或相對密度生長期（平臺期）測定細(xì)胞系的克隆形成率（Platingefficiency,PE)測定照射后細(xì)胞的存活分?jǐn)?shù)(survivingfraction,SF)根據(jù)各照射劑量點(diǎn)的存活分?jǐn)?shù)作圖繪制細(xì)胞存活曲線，計算曲線參數(shù)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線根據(jù)細(xì)胞類型，高劑量區(qū)的終末劑量點(diǎn)應(yīng)夠大，是細(xì)胞殺滅達(dá)到一定數(shù)量級根據(jù)細(xì)胞周期時間確定合適的培養(yǎng)時間（9-14天），培養(yǎng)時間過長細(xì)胞會因營養(yǎng)不良而脫落電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線克隆培養(yǎng)用容器不應(yīng)太?。ú毁澇墒褂每装搴蛿U(kuò)散盒等），以60-100mm平皿最常用，容器太小所能容納的細(xì)胞數(shù)不足以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，且難以分散均勻?？寺⌒纬善陂g不能換液，以保證克隆形成的準(zhǔn)確性。電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線指數(shù)存活曲線的數(shù)學(xué)模型單靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)數(shù)學(xué)表達(dá)式：SF=e-De為自然對數(shù)的底；為與射線的質(zhì)及放射敏感性有關(guān)的常數(shù)曲線參數(shù)：D0平均致死劑量電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線非指數(shù)存活曲線的數(shù)學(xué)模型多靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)由Elkind和Whitmore提出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：SF=1-(1-e-kD)N曲線參數(shù)：D0平均致死劑量Dq準(zhǔn)閾劑量N外推數(shù)電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)細(xì)胞存活曲線線性二次模型（linear-quadraticmodel)線性二次模型假設(shè)，輻射殺滅細(xì)胞有兩部分，一部分與照射劑量成比例，另一部分與照射劑量的平方成比例。數(shù)學(xué)表達(dá)式S=e-D-D2S是照射劑量為D時的細(xì)胞存活，和是常數(shù)。細(xì)胞周期時相與放射敏感性細(xì)胞周期的基本概念一個世紀(jì)以前，人們已了解到多細(xì)胞動物細(xì)胞繁殖的基本機(jī)制是有絲分裂哺乳動物細(xì)胞通過有絲分裂繁殖和傳代一個細(xì)胞分裂時會產(chǎn)生2個子細(xì)胞（每個子細(xì)胞都攜帶一套與母細(xì)胞完全相同的染色體兩次有效的有絲分裂之間的時間，稱為細(xì)胞周期。細(xì)胞周期時相與放射敏感性細(xì)胞周期、時相顯微鏡觀察（早期）---有絲分裂期細(xì)胞分裂間期細(xì)胞放射自顯影術(shù)（1953）--細(xì)胞周期時相細(xì)胞光度術(shù)（1948）流式細(xì)胞術(shù)----細(xì)胞周期時相細(xì)胞周期時相

細(xì)胞周期時相與放射敏感性細(xì)胞周期中不同時相細(xì)胞的放射敏感性有絲分裂細(xì)胞或接近有絲分裂細(xì)胞最放射敏感（G2和M期的細(xì)胞是最放射敏感的）晚S期的細(xì)胞通常具有較大的放射耐受性若G1期較長，G1早期較G1晚期相對放射耐受（G2期細(xì)胞在分裂前沒有充足的時間修復(fù)放射損傷）Sinclair和Morton（1965）

不同周期時相倉鼠細(xì)胞的放射敏感性變化細(xì)胞周期時相與放射敏感性細(xì)胞周期再分布的意義一般認(rèn)為，分次放射治療中存在著處于相對放射抗拒時相的細(xì)胞向放射敏感時相移動的再分布現(xiàn)象，這有助于提高放射線對腫瘤細(xì)胞的殺傷效果。如果未能進(jìn)行有效的細(xì)胞周期內(nèi)時相的再分布，則也可能成為放射抗拒的機(jī)制之一。四.電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的增殖動力學(xué)腫瘤的細(xì)胞動力學(xué)層次(cellkineticcompartmentsofatumor)根據(jù)動力學(xué)特性分4個層次：第一層次：由活躍分裂的細(xì)胞組成(也稱“P”細(xì)胞）所有細(xì)胞都將通過細(xì)胞周期可用細(xì)胞標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行辨認(rèn)該層次細(xì)胞在整個腫瘤細(xì)胞群體中所占的比例成為生長比例（growthfraction,GF)

電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的增殖動力學(xué)第二層次

由靜止（G0)細(xì)胞組成非增殖細(xì)胞的層次(Q細(xì)胞或靜止細(xì)胞）G0細(xì)胞可再進(jìn)入細(xì)胞周期有些G0細(xì)胞是克隆源細(xì)胞（可再群體化出一個腫瘤）第三層次由分化的終末細(xì)胞組成不再具有分裂能力第四層次由死亡和正在死亡的細(xì)胞組成細(xì)胞從一個層次向另一個層次的轉(zhuǎn)化是連續(xù)發(fā)生的Q層次向P層次的移動成為再補(bǔ)充（recruitment)電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的生長速度描述腫瘤生長速度的3個參數(shù)：1.腫瘤的體積倍增時間（tumorvolumedoublingtime,Td)由3個主要因素決定：細(xì)胞周期時間（thecellcycletime)生長比例(thegrowthfraction)細(xì)胞丟失速率（therateofcelllose)電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的生長速度2.潛在倍增時間（potentialdoublingtime,Tpot)指假設(shè)在沒有細(xì)胞丟失情況下腫瘤細(xì)胞群體增加一倍所需的時間（Steel,1977)。TsTpot=_______LITs：s期持續(xù)時間，LI：標(biāo)記指數(shù)，：校正系數(shù)（0.7-1.0）電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的生長速度3.細(xì)胞丟失因子（celllossfactor)

Tpot細(xì)胞丟失因子=1–---------

Td許多人腫瘤生長較慢，主要是因為細(xì)胞丟失率高。細(xì)胞丟失的主要機(jī)制：壞死分化腫瘤生長速度

人腫瘤典型的動力學(xué)參數(shù)---------------------------------------------------------細(xì)胞周期時間（--2天）生長比例（--40%）}潛在倍增時間（--5天）細(xì)胞丟失（--90%）體積倍增時間（--60天）-----------------------------------------------------------電離輻射對腫瘤組織的作用放射治療中的劑量--效應(yīng)關(guān)系劑量--效應(yīng)關(guān)系的概念指即定物理吸收劑量與放射生物效應(yīng)結(jié)果及影響因素之間的關(guān)系。我們在臨床上所看到的是一個廣泛的劑量范圍，在這個范圍特定類型放射反應(yīng)的風(fēng)險隨照射劑量的增加從0%--100%，電離輻射對腫瘤組織的作用放射治療中的劑量--效應(yīng)關(guān)系劑量--效應(yīng)曲線的形狀電離輻射的劑量--效應(yīng)曲線呈“S”形隨劑量趨于“0”，輻射效應(yīng)的發(fā)生率也趨于“0”在高劑量時輻射效應(yīng)趨于“100%”劑量--效應(yīng)曲線的形狀電離輻射對腫瘤組織的作用放射治療中的劑量--效應(yīng)關(guān)系描述劑量--效應(yīng)曲線的3個標(biāo)準(zhǔn)模式有許多數(shù)學(xué)公式被設(shè)計用于描述電離輻射劑量效應(yīng)關(guān)系的這種特性，但只有3個標(biāo)準(zhǔn)模式作為TCP和NTCP公式的基礎(chǔ)被使用著。泊松劑量--效應(yīng)模式（Thepoissondose-responsemodel)邏輯劑量--效應(yīng)模式(Thelogosticdese-responsemodel)概率劑量--效應(yīng)模式(Theprobitdose-responsemodel)五.從在體實驗?zāi)[瘤的放射生物學(xué)研究中得出的一些結(jié)論腫瘤的體積效應(yīng)大腫瘤比小腫瘤難治（主要是需要?dú)绲目寺≡醇?xì)胞數(shù)多）。療程結(jié)束克隆源細(xì)胞的存活比約10-9時可以治愈在大腫瘤中的克隆源細(xì)胞對治療的敏感性更小從在體實驗?zāi)[瘤的放射生物學(xué)研究中得出的一些結(jié)論再群體化加速1969年，Hermens和Barendsen即已指出：那些在照射中存活下來的克隆源細(xì)胞可以使腫瘤很快再群體化。加速再群體化。大鼠橫紋肌肉瘤的生長曲線，A.曲線1是未照射的對照組的生長曲線；曲線2是照射后即刻的腫瘤生長曲線；B.照射以后不同時間克隆源細(xì)胞的比例變化。單次20GyX射線照射后大鼠移植瘤腫瘤消退和再生長的總生長曲線。值得重視的是，在這段時間里腫瘤還在明顯皺縮和消退著