電離輻射的細胞和組織效應課件

電離輻射的細胞和組織效應臨床放射生物學在放射治療中的作用和地位“生物學”與“醫(yī)學”“微觀”與“宏觀”“經典理論”的現(xiàn)實意義臨床放射生物學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，闡述放射治療的生物學原理治療策略及驗證個體化放射治療方案的研究和設計

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吸收后都可能與細胞的關鍵靶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胞內的其它原子或分子（特別是水）相互作用，產生自由基，這些自由基可以擴散到足夠遠，達到并損傷關鍵靶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.電離輻射的細胞效應分子水平DNA鏈損傷DNA鏈修復細胞水平

電離輻射的細胞效應輻射誘導的DNA損傷及修復研究顯示：DNA是引起一系列生物學效應的關鍵靶。DNA鏈斷裂的主要形式單鏈斷裂雙鏈斷裂

電離輻射的細胞效應DNA鏈斷裂的修復DNA單鏈斷裂的修復以對側鏈為模板，是一種可完全修復的分子損傷DNA雙鏈斷裂的修復可修復的雙鏈斷裂（彼此分開間隔一段距離）不可修復的雙鏈斷裂（發(fā)生在對側互補堿基或僅間隔幾個堿基對--染色體折成兩段）電離輻射的細胞效應DNA雙鏈斷裂的修復兩個基本過程同源重組（Homologousrecombination)在修復中需要未受損的DNA鏈參與，末端與末端經非同源重組相接。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

電離輻射的細胞效應輻射引起細胞死亡的關鍵靶在細胞核放射性同位素（如3H,125I）摻入核DNA可有效地造成DNA損傷并殺死細胞。受放射線照射后染色體畸變率與細胞死亡密切相關。當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胞的放射敏感性電離輻射的細胞效應放射生物對細胞死亡的基本認識：一般意義的細胞死亡（celldeath)，細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，放射可治愈性結局的最主要依據是后者。放射治療對受照射后的存活細胞更加關注，因這對放射可治愈性非常重要細胞存活曲線描述放射線照射劑量和細胞存活比之間的關系，關注的是：一定劑量照射以后對克隆源細胞而不是細胞群任意細胞的殺滅電離輻射的細胞效應電離輻射的細胞效應細胞存活曲線克隆源細胞（clonogeniccell)指具有生成“克隆”能力的原始存活細胞。在離體培養(yǎng)細胞：這種無限增殖能力體現(xiàn)為形成一個完整的50個細胞的克隆在體內：體現(xiàn)為腫瘤體積的不斷增大、復發(fā)、轉移在這個“細胞存活”的嚴格定義下，提示臨床必須重視這種存活細胞，這種具有無限增殖能力的細胞是在治療中必須根除的細胞電離輻射的細胞效應細胞存活曲線細胞形成克隆的能力被稱為“細胞存活”輻射所致的細胞殺滅是指數性的，指數關系的特點：增加一定劑量就有一定比例的細胞而不是數量的細胞被殺死電離輻射的細胞效應細胞存活曲線主要實驗方法和步驟細胞培養(yǎng)，--指數生長期或相對密度生長期（平臺期）測定細胞系的克隆形成率（Platingefficiency,PE)測定照射后細胞的存活分數(survivingfraction,SF)根據各照射劑量點的存活分數作圖繪制細胞存活曲線，計算曲線參數電離輻射的細胞效應細胞存活曲線根據細胞類型，高劑量區(qū)的終末劑量點應夠大，是細胞殺滅達到一定數量級根據細胞周期時間確定合適的培養(yǎng)時間（9-14天），培養(yǎng)時間過長細胞會因營養(yǎng)不良而脫落電離輻射的細胞效應細胞存活曲線克隆培養(yǎng)用容器不應太?。ú毁澇墒褂每装搴蛿U散盒等），以60-100mm平皿最常用，容器太小所能容納的細胞數不足以達到上述標準，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確性。電離輻射的細胞效應細胞存活曲線指數存活曲線的數學模型單靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)數學表達式：SF=e-De為自然對數的底；為與射線的質及放射敏感性有關的常數曲線參數：D0平均致死劑量電離輻射的細胞效應細胞存活曲線非指數存活曲線的數學模型多靶單擊模型（single-hitmulti-targetmodel)由Elkind和Whitmore提出，其數學表達式為：SF=1-(1-e-kD)N曲線參數：D0平均致死劑量Dq準閾劑量N外推數電離輻射的細胞效應細胞存活曲線線性二次模型（linear-quadraticmodel)線性二次模型假設，輻射殺滅細胞有兩部分，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。數學表達式S=e-D-D2S是照射劑量為D時的細胞存活，和是常數。細胞周期時相與放射敏感性細胞周期的基本概念一個世紀以前，人們已了解到多細胞動物細胞繁殖的基本機制是有絲分裂哺乳動物細胞通過有絲分裂繁殖和傳代一個細胞分裂時會產生2個子細胞（每個子細胞都攜帶一套與母細胞完全相同的染色體兩次有效的有絲分裂之間的時間，稱為細胞周期。細胞周期時相與放射敏感性細胞周期、時相顯微鏡觀察（早期）---有絲分裂期細胞分裂間期細胞放射自顯影術（1953）--細胞周期時相細胞光度術（1948）流式細胞術----細胞周期時相細胞周期時相

細胞周期時相與放射敏感性細胞周期中不同時相細胞的放射敏感性有絲分裂細胞或接近有絲分裂細胞最放射敏感（G2和M期的細胞是最放射敏感的）晚S期的細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期細胞在分裂前沒有充足的時間修復放射損傷）Sinclair和Morton（1965）

不同周期時相倉鼠細胞的放射敏感性變化細胞周期時相與放射敏感性細胞周期再分布的意義一般認為，分次放射治療中存在著處于相對放射抗拒時相的細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胞的殺傷效果。如果未能進行有效的細胞周期內時相的再分布，則也可能成為放射抗拒的機制之一。四.電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的增殖動力學腫瘤的細胞動力學層次(cellkineticcompartmentsofatumor)根據動力學特性分4個層次：第一層次：由活躍分裂的細胞組成(也稱“P”細胞）所有細胞都將通過細胞周期可用細胞標記技術進行辨認該層次細胞在整個腫瘤細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第二層次

由靜止（G0)細胞組成非增殖細胞的層次(Q細胞或靜止細胞）G0細胞可再進入細胞周期有些G0細胞是克隆源細胞（可再群體化出一個腫瘤）第三層次由分化的終末細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胞組成細胞從一個層次向另一個層次的轉化是連續(xù)發(fā)生的Q層次向P層次的移動成為再補充（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：1.腫瘤的體積倍增時間（tumorvolumedoublingtime,Td)由3個主要因素決定：細胞周期時間（thecellcycletime)生長比例(thegrowthfraction)細胞丟失速率（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)指假設在沒有細胞丟失情況下腫瘤細胞群體增加一倍所需的時間（Steel,1977)。TsTpot=_______LITs：s期持續(xù)時間，LI：標記指數，：校正系數（0.7-1.0）電離輻射對腫瘤組織的作用腫瘤的生長速度3.細胞丟失因子（celllossfactor)

Tpot細胞丟失因子=1–---------

Td許多人腫瘤生長較慢，主要是因為細胞丟失率高。細胞丟失的主要機制：壞死分化腫瘤生長速度

人腫瘤典型的動力學參數---------------------------------------------------------細胞周期時間（--2天）生長比例（--40%）}潛在倍增時間（--5天）細胞丟失（--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--效應關系劑量--效應關系的概念指即定物理吸收劑量與放射生物效應結果及影響因素之間的關系。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的風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--效應關系劑量--效應曲線的形狀電離輻射的劑量--效應曲線呈“S”形隨劑量趨于“0”，輻射效應的發(fā)生率也趨于“0”在高劑量時輻射效應趨于“100%”劑量--效應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--效應關系描述劑量--效應曲線的3個標準模式有許多數學公式被設計用于描述電離輻射劑量效應關系的這種特性，但只有3個標準模式作為TCP和NTCP公式的基礎被使用著。泊松劑量--效應模式（Thepoissondose-responsemodel)邏輯劑量--效應模式(Thelogosticdese-responsemodel)概率劑量--效應模式(Theprobitdose-responsemodel)五.從在體實驗腫瘤的放射生物學研究中得出的一些結論腫瘤的體積效應大腫瘤比小腫瘤難治（主要是需要殺滅的克隆源細胞數多）。療程結束克隆源細胞的存活比約10-9時可以治愈在大腫瘤中的克隆源細胞對治療的敏感性更小從在體實驗腫瘤的放射生物學研究中得出的一些結論再群體化加速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