放射生物學(xué)基礎(chǔ)課件

放射生物學(xué)基礎(chǔ)課件第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)第四節(jié)、細(xì)胞周期時相與放射敏感性（1）細(xì)胞周期：兩次有效的有絲分裂之間的時間，稱為有絲分裂周期時間（mitotic-cycletime），通常叫做細(xì)胞周期時間。細(xì)胞周期時間＝分裂期（M期）＋間期；間期又包括DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）、DNA合成后期（G2期）。普通光學(xué)顯微鏡只能觀測到M期，其它時相無法區(qū)分。第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)1953年Howard和Pelc使用放射自顯影技術(shù)，用含有3H的TdR培養(yǎng)細(xì)胞，細(xì)胞中摻入放射性胸腺嘧啶，洗去多余的3H-TdR，進(jìn)行固定、染色和觀察，第一次揭示出了細(xì)胞周期各個時相。利用流式細(xì)胞光度術(shù)測定細(xì)胞DNA含量，并測算細(xì)胞周期時相，細(xì)胞固定、熒光染色、以特定波長激光激發(fā)、細(xì)胞發(fā)出熒光，，期強(qiáng)度與DNA含量成正比，然后分析數(shù)據(jù)?？蓹z測細(xì)胞周期：第一蜂：G1期，第2蜂：S期，第3蜂：G2+M期。第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)（2）細(xì)胞周期時相與放射敏感性離體培養(yǎng)分裂細(xì)胞的同步化，通過細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)和藥物進(jìn)行干預(yù)，在一定時間內(nèi)使離體培養(yǎng)細(xì)胞群體中的所有細(xì)胞處于細(xì)胞周期的同一時相內(nèi)。細(xì)胞周期同步化后在不同時間進(jìn)行照射，就可得到不同時相細(xì)胞的劑量效應(yīng)。細(xì)胞周期中不同時相細(xì)胞的放射敏感性不同。第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)①有絲分裂期細(xì)胞或接近有絲分裂期的細(xì)胞最敏感。②晚S期細(xì)胞有較大抗拒性。③G1早期細(xì)胞相對輻射抗拒，其后逐漸敏感，G1期末相對更敏感。④G2期細(xì)胞較敏感，其敏感性與M期的細(xì)胞相似。⑤G0期細(xì)胞輻射抗拒。第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日第二章電離輻射的細(xì)胞效應(yīng)（3）細(xì)胞周期時相效應(yīng)在放射治療中的意義：①對非同步化細(xì)胞進(jìn)行單次放射線照射，不同時相細(xì)胞放射敏感性不同。②敏感細(xì)胞被殺滅，一次照射后總效應(yīng)是細(xì)胞群體的同步化。③留下來的細(xì)胞處于對射線相對耐受的時相，分次照射之間，細(xì)胞通過周期進(jìn)入更敏感的時相（再分布），增加了分次放療方案中以后照射的放射敏感性。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用第一節(jié)、腫瘤的增殖動力學(xué)一、腫瘤的細(xì)胞動力學(xué)層次①活躍分裂的細(xì)胞。是所有新生細(xì)胞來源。稱為P細(xì)胞或增殖細(xì)胞。生長比例（growthfraction,GF）：該層次細(xì)胞在整個腫瘤細(xì)胞群中所占的比例。②靜止的G0期細(xì)胞，G0期細(xì)胞通常稱為Q細(xì)胞或靜止細(xì)胞。G0期細(xì)胞可再進(jìn)入細(xì)胞周期，有些G0期細(xì)胞是克隆源性的，危險，治療中需殺滅它。③分化的終末細(xì)胞，不再具有分裂的能力，對病人無嚴(yán)重威脅，但可構(gòu)成一定的體積，產(chǎn)生占位或壓迫。④已死亡及正在死亡的細(xì)胞。特征：腫瘤壞死。第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用以上是腫瘤實質(zhì)細(xì)胞，其它參與形成腫瘤包塊的主要是間質(zhì)，包括纖維細(xì)胞、血細(xì)胞、血管組織等，有時腫瘤間質(zhì)比腫瘤實質(zhì)成分還多。臨床上實質(zhì)成分多質(zhì)軟，間質(zhì)成分多質(zhì)硬。腫瘤細(xì)胞從一個層次向另一個層次轉(zhuǎn)化是持續(xù)發(fā)生的，在一些治療的進(jìn)行期間或之后出現(xiàn)細(xì)胞從Q層向P層次移動，稱作再補(bǔ)充（recruitment）。從P到Q的轉(zhuǎn)化也同時存在；另有一些細(xì)胞因營養(yǎng)不良而不能繼續(xù)分裂；有些細(xì)胞由于自然分化進(jìn)程不能夠進(jìn)入分化層次；細(xì)胞丟失：活性的轉(zhuǎn)移、死亡細(xì)胞吸收。第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用二、腫瘤的生長速度①腫瘤體積倍增時間（tumorvolumedoublingtime,Td）是描述腫瘤生長速度的重要參數(shù)，由三個主要決定因素所決定：細(xì)胞周期時間（thecellcycletime,Tc）；生長比例（thegrowthfraction,GF）；細(xì)胞丟失率（therateofcellloss）。如果細(xì)胞周期時間短、生長比例高、細(xì)胞丟失少，則腫瘤增長速度塊。②潛在倍增時間（potentialdoublingtime,Tpot），用來描述腫瘤生長速度的理論參數(shù)，定義：假設(shè)在沒有細(xì)胞丟失的情況下，腫瘤細(xì)胞群體增加一倍所需要的時間。這取決于細(xì)胞周期時間和生長比例。潛在倍增時間可以通過測定胸腺嘧啶標(biāo)記數(shù)（LI）或S期比例（S-Phasefraction）獲得：Tpot＝λ×Ts/LI③細(xì)胞丟失因子（celllossfactor），腫瘤細(xì)胞的丟失可以通過計算細(xì)胞丟失因子來表達(dá)。細(xì)胞丟失因子=1-Tpot/Td第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用（2）腫瘤的指數(shù)性生長和非指數(shù)性生長指數(shù)性生長：腫瘤體積在相等的時間間隔內(nèi)以一個恒定的比例增加。

V=exp(0.693·T/Td)0.693是Ln2，T是時間。腫瘤體積的對數(shù)隨時間呈線性生長，這是最簡單的生長模式，理論上必需滿足：所有細(xì)胞均在增殖，并且沒有細(xì)胞丟失，也就是說腫瘤倍增時間等于細(xì)胞周期時間。實際上腫瘤生長的倍增時間要長于細(xì)胞周期時間，因為存在細(xì)胞丟失和去周期化，腫瘤生長是非指數(shù)性的。第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用表3-3-1人腫瘤的典型動力學(xué)參數(shù)細(xì)胞周期時間（～2天）潛在倍增時間（～5天）生長比例（～40％）體積倍增時間（～60天）細(xì)胞丟失（～90%）第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用（3）人體腫瘤的生長速度原發(fā)灶、轉(zhuǎn)移造、不同類腫瘤，不同病例類型腫瘤，不同宿主以及生長在同一宿主的不同部位，人體腫瘤體積倍增時間均不相同，時間范圍非常寬。腫瘤患者的疾病進(jìn)程依賴于腫瘤的生長速度和治療的有效性。第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日第三章輻射對腫瘤組織的作用第二節(jié)、從實驗?zāi)[瘤的放射生物學(xué)研究中得到的一些結(jié)論①腫瘤體積效應(yīng),

大腫瘤比小腫瘤難治愈。大腫瘤內(nèi)克隆源細(xì)胞數(shù)多。大腫瘤中的克隆源細(xì)胞對治療的敏感性更小。②再群體化的加速,在照射后存活下來的克隆源性細(xì)胞可能使腫瘤很快再群體化。腫瘤體積不能很好地反映克隆源性細(xì)胞的殺滅情況。③瘤床效應(yīng)④乏氧和再氧合第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)相對于腫瘤組織而言，正常組織細(xì)胞的增殖是有規(guī)律的，細(xì)胞的增殖是受控制的。成人組織正常狀態(tài)下細(xì)胞繁殖和細(xì)胞丟失是平衡的，更新快的細(xì)胞（腸粘膜上皮細(xì)胞）被稱為轉(zhuǎn)化組織或結(jié)構(gòu)等級制約組織，細(xì)胞丟失因子是1；而有絲分裂后組織（神經(jīng)細(xì)胞），細(xì)胞丟失因子是0。正常組織細(xì)胞之間形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，細(xì)胞的生、死維持著精確的平衡，使機(jī)體的組織結(jié)構(gòu)及構(gòu)成組織的細(xì)胞保持在穩(wěn)定狀態(tài)。第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)第一節(jié)、正常組織的結(jié)構(gòu)組分（1）正常組織中的細(xì)胞分化層次第一種類型：結(jié)構(gòu)等級制約組織（hierarchicaltissue)，在這種組織中干細(xì)胞群、擴(kuò)增細(xì)胞群、功能細(xì)胞群之間有清楚的界限。①干細(xì)胞（stemcell）:指可以分裂很多次并形成有一定分化特征的可辨認(rèn)的干細(xì)胞和即將分化的細(xì)胞。干細(xì)胞具有自我繁殖能力，它能避開細(xì)胞分裂與細(xì)胞分化之間的聯(lián)系。而其他細(xì)胞在每次有絲分裂后就會失去部分分化潛能而最終分化成不分裂的功能性細(xì)胞。干細(xì)胞大部分處于G0期，受到刺激后很快進(jìn)入細(xì)胞周期。第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)②分化或功能細(xì)胞（differentiatedorfunctioncells），是與干細(xì)胞完全不同的另一層的細(xì)胞（如血液循環(huán)中的粒細(xì)胞和小腸粘膜絨毛細(xì)胞），這些細(xì)胞沒有分裂能力，最終衰老死亡。③正在成熟的細(xì)胞（maturatingcells），在干細(xì)胞和分化的功能細(xì)胞之間存在著一個由正在成熟細(xì)胞組成的中間層次。分化的干細(xì)胞后代在分化進(jìn)程中倍增，如骨髓中的幼紅細(xì)胞（erythroblats）和成熟粒細(xì)胞（granuloblats）。第二種類型：靈活組織（flexibletissue），特點是細(xì)胞層次間沒有明顯界限，其中至少有一部分功能性細(xì)胞具有自我更新能力。第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)（2）早期組織和晚期反應(yīng)組織①早反應(yīng)組織和晚反應(yīng)組織，根據(jù)正常組織不同的生物學(xué)特性及對電離輻射的不同反應(yīng)，將正常組織分為：早反應(yīng)組織（earlyoracuterespondingtissue）和晚反應(yīng)組織（sloworlateeffectstissue），目的是為了進(jìn)行生物劑量的等效換算。早反應(yīng)組織特點：細(xì)胞更新快，照射后的損傷很快就表現(xiàn)出來；a/β比值高（8-10）；損傷后以活躍的細(xì)胞增殖來維持細(xì)胞數(shù)量進(jìn)而使損傷得到恢復(fù)。晚反應(yīng)組織的特點：組織中細(xì)胞群體更新很慢（如神經(jīng)組織）；損傷很晚才表現(xiàn)出來；a/β比值低（2-3）。損傷后往往需要臨近結(jié)構(gòu)其它組織細(xì)胞來修復(fù)。第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)早、晚反應(yīng)組織與分次放療：兩種組織在分次效應(yīng)上存在差別，晚反應(yīng)組織比早反應(yīng)組織對分次劑量變化更敏感。加大分次劑量晚反應(yīng)組織損傷加重，當(dāng)分次劑量大于2Gy時，晚期并發(fā)癥明顯增加。早、晚反應(yīng)組織與治療時間：由于晚反應(yīng)組織更新慢，放療期間不發(fā)生代償性增殖，因此對治療時間變化不敏感，縮短治療時間會增加對腫瘤細(xì)胞的殺滅，但不會增加晚期并發(fā)癥。早反應(yīng)組織對治療時間反應(yīng)敏感，縮短治療時間早反應(yīng)組織損傷加重。早反應(yīng)組織對射線的反應(yīng)類似于腫瘤組織。第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)第二節(jié)、早期和晚期放射反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制（1）早期放射反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制，反應(yīng)的發(fā)生由等級制約系統(tǒng)產(chǎn)生，反應(yīng)發(fā)生時間取決于分化了的功能細(xì)胞的壽命，反應(yīng)的嚴(yán)重程度反映了死亡與干細(xì)胞再生之間的平衡。（2）晚期放射反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制-經(jīng)典及分子機(jī)制經(jīng)典概念：晚期反應(yīng)是指實質(zhì)細(xì)胞耗竭后無力再生而最終導(dǎo)致的纖維化。分子機(jī)制：靶細(xì)胞受到照射后，由于它是多細(xì)胞的，因此導(dǎo)致細(xì)胞因子級聯(lián)效應(yīng)的產(chǎn)生，是細(xì)胞得以恢復(fù)和表達(dá)晚期效應(yīng)信息的擴(kuò)增載體。目前認(rèn)為：受照射后由于細(xì)胞因子和生長因子所介導(dǎo)的各種細(xì)胞群之間的相互作用，最終導(dǎo)致了晚期放射損傷形成。細(xì)胞因子和生長因子的識別是一個即刻時間的過程，同時也是雙向的，提示某些細(xì)胞因子結(jié)合物的抑制或擴(kuò)增最終將決定臨床事件的過程。死亡的靶細(xì)胞決定臨床過程的方向，但存活細(xì)胞通過細(xì)胞因子的級聯(lián)效應(yīng)決定晚期可觀察到的臨床表現(xiàn)。第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)對于早反應(yīng)組織而言，靶細(xì)胞的特征清楚，相反晚反應(yīng)組織潛伏期較長。有些組織同時存在早期、晚期反應(yīng)發(fā)生機(jī)制。早、晚反應(yīng)組織的區(qū)分對腫瘤治療意義重大，早期損傷治療期間即可觀察到，治療期間對劑量進(jìn)行調(diào)整，以保持有足夠的干細(xì)胞進(jìn)行修復(fù)。晚反應(yīng)組織損傷表現(xiàn)較晚，多沒有足夠的干細(xì)胞來修復(fù)，取代以纖維化瘢痕，可產(chǎn)生嚴(yán)重的并發(fā)癥。第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日第四章正常組織及器官的放射效應(yīng)第三節(jié)、正常組織的體積效應(yīng)①組織結(jié)構(gòu)耐受（structuraltissuetolerance），結(jié)構(gòu)性組織耐受取決于細(xì)胞的放射敏感性以及內(nèi)在限定體積內(nèi)使成熟細(xì)胞群保持臨界水平以上的干細(xì)胞活力。②功能性耐受（functionaltolerance），功能性耐受取決于作為一個整體的器官是否能耐受繼續(xù)行使功能。③受照射體積對臨床耐受性可能有重要決定性，存在著一個受照射的閾值體積。第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月