持續(xù)低劑量率照射對(duì)血管損傷的研究進(jìn)展(一)

1、持續(xù)低劑量率照射對(duì)血管損傷的研究進(jìn)展(一)【摘要】 全文從持續(xù)低劑量率放療的物理學(xué)特點(diǎn)、生物學(xué)特點(diǎn)以及對(duì)血管的損傷等方面對(duì)其生物學(xué)效應(yīng)作了初步闡述。與傳統(tǒng)的外照射相比近距離照射具有局部劑量高，達(dá)到邊緣后劑量突然下降；照射范圍內(nèi)劑量分布不均勻，近源處最高；照射時(shí)間短，采取一次連續(xù)照射或數(shù)次照射完成治療等特點(diǎn)。持續(xù)降低照射劑量率，許多細(xì)胞系中細(xì)胞的死亡率并不是隨劑量率的降低平行下降。而是當(dāng)劑量率下降到某一個(gè)臨界值時(shí)，繼續(xù)降低劑量率，細(xì)胞的死亡率反而明顯的增加，產(chǎn)生所謂的“反劑量率效應(yīng)（inverse dose rate effect ）”。持續(xù)低劑量率照射對(duì)血管的損傷是照射區(qū)域炎癥反應(yīng)；血管內(nèi)皮細(xì)

2、胞以及血管平滑肌細(xì)胞增殖抑制、凋亡增加綜合作用的結(jié)果。 【關(guān)鍵詞】 血管損傷近距離放療應(yīng)用于臨床治療雖已有100多年的歷史，但應(yīng)用之初由于對(duì)其放射生物學(xué)效應(yīng)知之甚少，加之防護(hù)困難、有限的治療效果和較重的組織損傷，使這種治療方法在之后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)處于停滯的狀態(tài)。20世紀(jì)80年代，新型的放射性核素125I和103Pa進(jìn)入臨床。由于這兩種核素與以往所使用的226Ra、222Rn以及192Ir相比具有低劑量率以及低能、射程短等獨(dú)特的物理學(xué)優(yōu)勢(shì)，臨床上防護(hù)簡(jiǎn)單；利用計(jì)算機(jī)三維治療計(jì)劃系統(tǒng)制定治療計(jì)劃，在影像系統(tǒng)的引導(dǎo)下布源，從而使得靶區(qū)劑量分布均勻，周?chē)＝M織損傷很??；與以往常規(guī)放療相比在比較短的

3、時(shí)間內(nèi)就能完成整個(gè)治療計(jì)劃。目前，在臨床上某些腫瘤如前列腺癌等的治療中取得了很好的治療效果，顯示了廣闊的應(yīng)用前景1。1 持續(xù)低劑量率放療的物理學(xué)特點(diǎn)“近距離治療”（brachytherapy）一詞來(lái)源于希臘文brachy，是“近”的意思。它與希臘文tele“遠(yuǎn)”一詞相對(duì)。與傳統(tǒng)的外照射相比近距離照射具有局部劑量高，達(dá)到邊緣后劑量突然下降；照射范圍內(nèi)劑量分布不均勻，近源處最高；照射時(shí)間短；采取一次連續(xù)照射或數(shù)次照射完成治療這些特點(diǎn)。近距離治療的模式根據(jù)參考點(diǎn)劑量率的不同劃分為以下幾個(gè)區(qū)段和類(lèi)別：低劑量率(low dose rate，LDR2Gy/h4Gy/h）；中劑量率（middle dose

4、rate，MDR，4Gy/h12Gy/h）；高劑量率（high dose rate，HDR，12Gy/h）；脈沖劑量率（pulse dose rate，PDR，指劑量率在1Gy/h3Gy/h，照射間隔1次/h，每次治療10min左右的模式）1，2。2 持續(xù)低劑量率放療的生物學(xué)特點(diǎn)臨床上之所以將近距離治療的模式根據(jù)參考點(diǎn)劑量率的不同劃分為幾個(gè)區(qū)段和類(lèi)別是因?yàn)樵诓煌膭┝柯氏聦?duì)應(yīng)的生物效應(yīng)各不相同。HDR是指劑量率12Gy/h，即劑量率高到足以在很短時(shí)間內(nèi)（短于亞致死性損傷的修復(fù)，即1h）完成照射，從而使在1min或5min內(nèi)所實(shí)施的照射劑量效應(yīng)差別不大，當(dāng)照射時(shí)間長(zhǎng)于15min20min時(shí)生物效

5、應(yīng)下降。而LDR具有三個(gè)主要特點(diǎn)：照射的實(shí)施是在腫瘤內(nèi)或腫瘤附近，因此通?？梢赃_(dá)到理想的劑量分布；它是在一段時(shí)間以?xún)?nèi)持續(xù)進(jìn)行照射，因此在治療期間可發(fā)生亞致死性損傷的修復(fù)；通常在較短的時(shí)間內(nèi)完成治療，總治療時(shí)間大大短于外照射3。2.1 持續(xù)低劑量率放療時(shí)的劑量率效應(yīng)通常所說(shuō)的劑量率效應(yīng)是指：實(shí)施放射治療時(shí)，每單位劑量生物效應(yīng)隨劑量率降低而下降，這是由于在較長(zhǎng)的照射期間發(fā)生了亞致死損傷的修復(fù)。當(dāng)劑量率2Gy/min時(shí)，在多數(shù)真核細(xì)胞系統(tǒng)中有生物學(xué)意義的照射劑量將在數(shù)分鐘內(nèi)完成，在照射過(guò)程中極少發(fā)生或不發(fā)生DNA單鏈斷裂的修復(fù)，也觀察不到劑量率效應(yīng)。當(dāng)劑量率210-3Gy/min時(shí)，在多數(shù)真核細(xì)胞系

6、統(tǒng)中有生物學(xué)意義的照射劑量將在數(shù)小時(shí)內(nèi)才能完成，DNA單鏈的修復(fù)大致是完全的。當(dāng)劑量率低于2Gy/min高于210-3Gy/min時(shí)，有生物學(xué)意義的照射劑量的給出時(shí)間和DNA單鏈斷裂的修復(fù)速率常數(shù)差不多，可以觀察到劑量率效應(yīng)，表現(xiàn)為劑量率變化時(shí)生物效應(yīng)關(guān)系也隨之變化。這種變化可以用“4R”來(lái)描述，所謂“4R”是指：亞致死損傷的修復(fù)（repair of sublethal damage）：細(xì)胞受照射發(fā)生亞致死損傷的修復(fù)，它的速率一般為30min到數(shù)小時(shí)當(dāng)劑量率從1Gy/min下降到0.1Gy/min時(shí)，修復(fù)將會(huì)修飾放射效應(yīng)。在LDR治療時(shí)，由于總治療時(shí)間的關(guān)系，亞致死性損傷的修復(fù)是最重要的因素。

7、周期內(nèi)細(xì)胞的再分布（redistribution within the cell cycle）：快增殖組織在幾天內(nèi)發(fā)生周期細(xì)胞的再分布，再分布的影響相對(duì)次要。再分布可能只與用相對(duì)長(zhǎng)的半衰期的放射性核素（如125I半衰期59.6天）的植入有關(guān)。再群體化（repopulation）：再群體化是一個(gè)很慢的過(guò)程，人體腫瘤或正常組織的再群體化不會(huì)低于一天，可能是幾天到幾周。當(dāng)劑量率在很低的范圍（低于2cGy/min），照射時(shí)間將持續(xù)幾周時(shí)，單次照射會(huì)發(fā)生有意義的再群體化從而影響放射效應(yīng)。乏氧細(xì)胞的再氧合（reoxygenation）：它對(duì)于腫瘤細(xì)胞而言是一個(gè)很重要的生物學(xué)因素。再氧合在LDR比HDR更有

8、效，特別是那些只進(jìn)行近距離治療的病人，這是由于LDR與HDR相比，用LDR乏氧細(xì)胞所受的損傷大于分次HDR治療；而用HDR氧合的腫瘤細(xì)胞所受的損傷大于氧合的正常細(xì)胞1，2。2.2 持續(xù)低劑量率放療時(shí)的反劑量率效應(yīng)在LDR放射治療中，每單位劑量生物效應(yīng)隨劑量率降低而下降，但臨床經(jīng)驗(yàn)和大量的研究都顯示，持續(xù)降低照射劑量率，許多細(xì)胞系中細(xì)胞的死亡率并不是隨劑量率的降低平行下降。而是當(dāng)劑量率下降到某一個(gè)臨界值時(shí)，繼續(xù)降低劑量率，細(xì)胞的死亡率反而明顯增加，產(chǎn)生所謂的“反劑量率效應(yīng)”（inverse dose rate effect ）。Mitchell CR等4報(bào)道，當(dāng)給予一個(gè)低于30cGy/h的持續(xù)低

9、劑量率照射時(shí)可以觀察到明顯的反劑量率效應(yīng)，他以T98G人類(lèi)膠質(zhì)細(xì)胞作為研究材料進(jìn)一步研究了當(dāng)給予一個(gè)LDR預(yù)照射是否會(huì)消除通常觀察到的反劑量率效應(yīng)。結(jié)果是當(dāng)給予一個(gè)30cGy/h60cGy/h，總量5Gy（使用60Co）的預(yù)照射后，馬上用240-KVpX-射線給予持續(xù)低劑量率照射時(shí)反劑量率效應(yīng)沒(méi)有出現(xiàn)，但間隔4h后重新出現(xiàn)；當(dāng)給予5cGy/h10cGy/h，總量2Gy的預(yù)照射時(shí)，反劑量率效應(yīng)不受影響。當(dāng)預(yù)照射總量從5Gy逐漸下降到2Gy時(shí)，反劑量率效應(yīng)也在逐漸增強(qiáng)。關(guān)于反劑量率效應(yīng)的產(chǎn)生，目前有如下幾種假說(shuō)：“G2期阻滯”，有些細(xì)胞系如Hela細(xì)胞系，在1.54Gy/h的照射后，細(xì)胞被阻滯在周

10、期的不同時(shí)相而停止分裂。當(dāng)劑量率降至0.37Gy/h時(shí)，細(xì)胞在周期內(nèi)前進(jìn)并被阻滯于輻射敏感的G2期，因此在持續(xù)低劑量率照射時(shí)，一個(gè)本來(lái)非同步化的細(xì)胞群體變成了一個(gè)G2的細(xì)胞群體5。但Mitchell CR等6觀察以前已被證實(shí)對(duì)低劑量敏感的前列腺癌細(xì)胞PC-3，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤T98G和AT細(xì)胞系，用60Co-線照射，發(fā)現(xiàn)在劑量率0.02Gy/h1Gy/h表現(xiàn)出反劑量率效應(yīng)，分析細(xì)胞周期，未發(fā)現(xiàn)反劑量率效應(yīng)與G2/M期積累或其他周期阻滯呈相關(guān)性。DNA損傷傳感器失活。Collis SJ等7通過(guò)研究認(rèn)為，細(xì)胞內(nèi)存在一種對(duì)細(xì)胞損傷的探測(cè)機(jī)制，當(dāng)輻射引起的DNA DSB（輻射可以引起多種類(lèi)型的細(xì)胞DNA損

11、傷：包括單鏈斷裂（single strand breaks，SSB），雙鏈斷裂（double strand breaks，DSB），堿基損傷和蛋白交聯(lián)等）的數(shù)量達(dá)到一定閾值時(shí)，DNA損傷傳感器激活，啟動(dòng)細(xì)胞的修復(fù)機(jī)制，使部分細(xì)胞損傷得以修復(fù)，從而降低細(xì)胞的損傷。在LDR放療時(shí)，隨著劑量率的降低，DNA DSB的數(shù)量減少。當(dāng)劑量率下降到某一個(gè)閾值時(shí)，他所導(dǎo)致的DNA DSB的數(shù)量已不足以激活DNA損傷傳感器，沒(méi)有DNA損傷修復(fù)，最終結(jié)果是細(xì)胞損傷的數(shù)量反而超過(guò)劑量率高于該閾值時(shí)的數(shù)量，產(chǎn)生所謂的反劑量率效應(yīng)。3 持續(xù)低劑量率放療對(duì)血管的損傷Fajardo LF8總結(jié)了電離輻射導(dǎo)致血管損傷的形態(tài)和

12、病理改變：電離輻射主要導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞致死性和亞致死性損傷，造成微血管（毛細(xì)血管和血管竇）的破裂及血栓形成；中等直徑的血管主要表現(xiàn)為新內(nèi)膜增生、纖維素樣壞死、血栓形成以及急性動(dòng)脈炎；射線對(duì)大血管的損傷比較少見(jiàn)，而且靜脈損傷多于動(dòng)脈，主要有新內(nèi)膜增生、動(dòng)脈瘤、血栓形成以及管壁破裂。血管的最初形成是由內(nèi)皮細(xì)胞(vescular endothelial cell，VEC)的激活、遷徙以及增殖來(lái)完成的。正常的VEC和毛細(xì)血管的特點(diǎn)在許多病理狀態(tài)下都發(fā)生了明顯的變化。Mao9定量研究了電離輻射對(duì)VEC和毛細(xì)血管網(wǎng)形成的作用。通過(guò)體外試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，他評(píng)估了VEC在不同的照射劑量下（2Gy6Gy）功能和動(dòng)力學(xué)方面的

13、變化。與對(duì)照組相比，在受照24h后 VEC出現(xiàn)了呈時(shí)間和劑量依賴(lài)的丟失；高劑量時(shí)血管的生成明顯受阻；受照的VEC群停留在G1期的細(xì)胞比例增加；一個(gè)呈劑量依賴(lài)的DNA鏈損傷亦出現(xiàn)。這些結(jié)果表明：輻射誘導(dǎo)的VEC損傷破壞了血管的結(jié)構(gòu)，而凋亡增加可能是VEC損傷的分子機(jī)制。3.1 電離輻射對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的影響治療性照射被廣泛地應(yīng)用于腫瘤治療，放射治療的成功不僅取決于腫瘤細(xì)胞的放射敏感性，同時(shí)也取決于腫瘤組織血管內(nèi)皮細(xì)胞的放射敏感性。Kumar P等10發(fā)現(xiàn)p38 MAPK介導(dǎo)輻射引起的內(nèi)皮細(xì)胞（VEC）的凋亡，而血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）通過(guò)磷酸肌醇-3激酶（PI3K）-AKt-Bcl-2途徑來(lái)保

14、護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞。他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)p38 MAPK的抑制劑（PD169316）或拮抗劑可以顯著提高VEC對(duì)射線的耐受，而PI3K-AKt-Bcl-2途徑的抑制可以明顯增加射線介導(dǎo)的p38 MAPK的活性，導(dǎo)致VEC凋亡增加。Bcl-2的表達(dá)在受照后的VEC內(nèi)顯著降低，而經(jīng)VEGF處理后的受照VEC內(nèi)Bcl-2表達(dá)維持在一個(gè)更高的水平。抑癌基因p53主要調(diào)控DNA損傷后細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制和凋亡程序。Scott S等11研究發(fā)現(xiàn)p53在輻射致血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）DNA損傷時(shí)具有活性，而在其他原因如血管球囊擴(kuò)張術(shù)等引起的VSMCs的損傷中沒(méi)有活性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)在上述兩種損傷中p53表達(dá)是一致的

15、，但對(duì)兩類(lèi)損傷卻產(chǎn)生了完全不同的生物效應(yīng)：只在受照后的VSMCs中導(dǎo)致了細(xì)胞生長(zhǎng)抑制和凋亡增加。同時(shí)在受照后的VSMCs中由于DNA的損傷而引起的細(xì)胞周期蛋白D降解增加。因此，他們認(rèn)為：在受照后的VSMCs中p53表達(dá)和功能是正?；蛟黾?，p53引起受照后的VSMCs的生長(zhǎng)抑制和凋亡增加主要是由于細(xì)胞周期蛋白D這一關(guān)鍵的生長(zhǎng)介質(zhì)降解增加反作用于p53的結(jié)果。最近，Kaliski A等12的研究表明，當(dāng)射線照射黑色素瘤細(xì)胞系B16 時(shí)，可以上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）的表達(dá)，進(jìn)而促使其下游效應(yīng)分子VEGF的分泌 ，結(jié)果導(dǎo)致瘤體內(nèi)人微血管

16、內(nèi)皮細(xì)胞（human microvascular endothelial cell，HMEC）增殖和侵襲力增加，瘤體內(nèi)血管生成。3.2 電離輻射對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞增殖的影響Fareh J等13報(bào)道，線照射抑制血管平滑肌細(xì)胞增殖，且呈劑量依賴(lài)。血管內(nèi)皮細(xì)胞的ED50（半數(shù)有效劑量）為2.150.10Gy, 血管平滑肌細(xì)胞ED50為1.080.12Gy。血管平滑肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞的ED50比較顯示；在一定輻射劑量條件下，輻射對(duì)血管平滑肌細(xì)胞增殖的抑制更大，對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞抑制較小。Henning E等14研究了188Re所釋放的和線對(duì)于人血管壁細(xì)胞增殖抑制的劑量特點(diǎn)，照射對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞（endothelial

17、 cells，EC）和人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（human aortic smooth muscle cell，haSMC）的生長(zhǎng)和克隆形成能力均有明顯的抑制，而且呈劑量依賴(lài)關(guān)系：受照8Gy時(shí)haSMC的生長(zhǎng)被完全抑制，而EC在受照16Gy時(shí)仍有部分增殖能力。Scott NA等15觀察了低壓X射線對(duì)血管平滑肌細(xì)胞和外膜細(xì)胞的抑制作用：和射線一樣，低壓X射線對(duì)這兩種細(xì)胞的增殖也產(chǎn)生了明顯的劑量依賴(lài)的抑制作用，與對(duì)照組相比受照射后24h96h內(nèi)，停留在細(xì)胞周期S期的細(xì)胞上升了65%，同時(shí)p53和p21（細(xì)胞周期抑制因子）的表達(dá)明顯增加。因此，他們認(rèn)為持續(xù)低劑量率照射能有效抑制血管平滑肌細(xì)胞和外膜細(xì)胞的增

18、殖。這種抑制作用主要是對(duì)細(xì)胞分裂周期阻滯的結(jié)果，其分子機(jī)制是照射導(dǎo)致了細(xì)胞分裂周期抑制因子的表達(dá)增加。3.3 電離輻射對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞與白細(xì)胞黏附的影響輻射導(dǎo)致血管通透性增加，產(chǎn)生血管周?chē)[和血管萎縮，微循環(huán)障礙影響血流和能量供應(yīng)，從而導(dǎo)致缺血和代謝障礙、區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)的破壞。研究表明：電離輻射在體內(nèi)外均可引起白細(xì)胞與受照血管內(nèi)皮細(xì)胞的黏附增加，而這正是上述病理改變的分子基礎(chǔ)，細(xì)胞間黏附分子（ICAM-1）及E-選擇素等表達(dá)上調(diào)可能是其重要機(jī)制。黏附分子（adhesion molecule，AM）是一類(lèi)介導(dǎo)細(xì)胞與細(xì)胞，細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)間粘附作用的膜表面糖蛋白，目前主要分五大類(lèi)：選擇素家族，免疫球蛋白超

19、家族，整合素家族，黏蛋白樣家族，鈣離子依賴(lài)的細(xì)胞黏附素家族。目前研究表明，與照射后白細(xì)胞和受照血管內(nèi)皮細(xì)胞之間粘附增加有關(guān)的黏附分子有三類(lèi)：選擇素家族；免疫球蛋白超家族和整合素家族。轉(zhuǎn)錄因子NF-B可調(diào)節(jié)這些黏附分子的表達(dá)，正常情況下NF-B與拮抗劑B（I-B）結(jié)合滯留在細(xì)胞質(zhì)中，在電離輻射或其他炎癥介質(zhì)的刺激下，I-B磷酸化而失活，允許NF-B進(jìn)入細(xì)胞核而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄活性，造成照射區(qū)域強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。最近的研究表明NF-B的激活提高了細(xì)胞存活、對(duì)抗外部刺激（如電離輻射）的能力16。4 小 結(jié)血管內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞是構(gòu)成血管的主要結(jié)構(gòu)，其中血管內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)單層排列以及細(xì)胞間的連接形成血管內(nèi)表

20、面，其不僅是構(gòu)成血管與組織間屏障的主要成分，而且具有多種重要的生理調(diào)節(jié)功能，在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。電離輻射對(duì)血管的損傷從細(xì)胞角度看主要是對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞的損傷，具體表現(xiàn)在這兩種細(xì)胞的凋亡增加，增殖抑制以及各種細(xì)胞因子炎癥介質(zhì)和炎性細(xì)胞引起組織受照區(qū)的炎性反應(yīng)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 王俊杰, 修典榮, 冉維強(qiáng), 等. 放射性粒子組織間近距離治療腫瘤M. 第2版. 北京: 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)出版社, 2004. 20-25.2 殷蔚伯,谷銑之. 腫瘤放射治療學(xué)M. 第3版. 北京:中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué)出版社, 2002. 71-78,321-326.3 Ragde H, Korb IJ

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