临床放射生物学

1. 临床放射生物学 李国权 大连医科大学附属二院 肿瘤放疗科

2. 临床放射生物学的4Rs概念 • 细胞放射损伤的修复 repair of radiation damage • 周期内细胞的再分布 redistribution within the cell cycle • 氧效应及乏氧细胞的再氧合 oxygen effect and reoxygenation • 再群体化 repopulation

3. 细胞放射性损伤的修复 • 细胞放射损伤的类型 • 亚致死性损伤（sublethal damage）：指受照射以后，细胞的部分靶而不是所有靶内所积累的电离事件，通常指DNA的单链断裂，是一种可修复的放射损伤，对细胞死亡影响不大。 • 潜在致死损伤（potential lethal damage）：指正常状态下应当在照射后死亡的细胞，若在照射后置于适当条件下由于损伤的修复又可存活的现象。但若得不到适宜的环境和条件则将转化为不可逆的损伤使细胞最终丧失分裂能力。 • 致死损伤（lethal damage）：指受照射后细胞完全丧失了分裂繁殖能力，是一种不可修复，不可逆和不能弥补的损伤。

4. 细胞放射性损伤的修复 • 亚致死损伤的修复：指假如将某一既定单次照射剂量分成间隔一定时间的两次时所观察到的存活细胞增加的现象。 • 亚致死损伤修复的影响因素 • 放射线的性质：低LET射线照射后有亚致死性损伤和修复。高LET射线没有亚致死性损伤和修复。 • 细胞的氧合状态：处于慢性乏氧环境的细胞比氧合状态好的细胞对亚致死性损伤的修复能力差。 • 细胞群的增殖状态：未增殖的细胞几乎没有亚致死损伤的修复。 • 亚致死损伤半修复时间：Tr ；临床非常规分割照射，两次照射之间间隔应>6小时

5. 细胞放射性损伤的修复 • 潜在致死损伤的修复：指照射以后改变细胞的环境条件，因潜在致死损伤的修复或表达而影响既定剂量照射后细胞存活比的现象。 • 潜在致死损伤修复的影响因素 • 放射线的性质：高LET射线没有潜在致死性损伤和潜在致死性损伤的修复。 • 细胞的氧合状态 • 细胞密度接触 • 细胞所处的周期时相 • 潜在致死损伤半修复对临床放射治疗有重要意义，某些放射耐受的肿瘤可能与它们的潜在致死损伤的修复能力有关。

6. 周期内细胞的再分布 • 离体培养细胞实验表明，处于不同周期时相的细胞放射敏感性是不同的。

7. 周期内细胞的再分布 • 对非同步化的细胞群进行单次照射之后的总效应是倾向于细胞群体的同步化，留下的细胞主要是处于相对放射耐受时相的细胞。 • 分次放射治疗中存在处于相对放射抗拒的时相的细胞向放射敏感时相移动的再分布现象，这有助于提高放射线对肿瘤细胞的杀伤效果；但如果未能进行有效的细胞周期内时相的再分布，则可能成为放射耐受的机制之一。

8. 氧效应及乏氧细胞的再氧合 • 氧的重要性：早期的研究发现，细胞对电离辐射的效应强烈的依赖于氧的存在： • 氧效应：氧在放射线和生物体相互作用中所起的影响。 • 氧增强比（oxygen enhancement ratio，OER):把在乏氧及空气情况下达到相等生物效应所需的照射剂量之比，用来衡量不同射线氧效应的大小。

9. 氧效应机制：“氧固定假说” • 即当带电粒子穿过生物物质时产生许多电子对，生物物质吸收了放射线后形成自由基，进而攻击靶分子（DNA），在有氧存在的情况下，氧与自由基R.作用形成有机过氧基（RO2.)，并最终在靶分子上形成ROOH，它是靶物质的不可逆形式，于是损伤被化学固定下来，因此认为氧对放射的损伤起了“固定”作用。

10. 氧效应及乏氧细胞的再氧合 • 乏氧细胞的再氧合：研究表明，直径<1mm的肿瘤是充分氧合的，超过这个大小便会出现乏氧。如果用大剂量单次照射肿瘤，肿瘤内大多数放射敏感的氧合好的细胞将被杀死，剩下的那些活细胞是乏氧的。因此照射后即刻的乏氧细胞将会接近100%，然后逐渐下降并接近初始值，这种现象称为再氧合。 • 乏氧细胞再氧合的发生机制不甚清楚

11. 氧效应及乏氧细胞的再氧合 • 再氧合对临床放射治疗的重要意义 • 因此可采用分次放射治疗的方法使其不断氧合并逐步杀灭之

12. 再群体化 • 再群体化：损伤之后，组织的干细胞在机体调节机制的作用下，增殖、分化、恢复组织原有形态的过程。主要指正常组织。 • 加速再群体化：照射或使用细胞毒性药物后，可启动肿瘤内存活的克隆源细胞，使之比照射或用药以前分裂得更快，这称为～。 • 受照射组织的再群体化反应的启动时间在不同组织之间有所不同。

13. 再群体化 • 再群体化的概念也用于肿瘤，但涵义有所不同。照射或使用细胞毒性药物后，可启动肿瘤内存活的克隆源性细胞，使之比照射或用药前分裂得更快，这称为加速再群体化。 • 头颈部肿瘤干细胞的再群体化在开始治疗后的28天左右开始加速； • 在常规分割放疗期间，大部分早反应组织有一定程度的快速再群体化，而晚反应组织由于它的生物学特性，一般认为疗程中不发生再群体化。

14. 非常规分割放射治疗的研究 • 超分割放射治疗：主要目的是在早反应相同或轻度增加的情况下，进一步减轻晚反应而肿瘤的控制与常规相同或更好 • 加速放疗：主要目的是抑制快增殖肿瘤细胞的在群体化 • 连续加速超分割放射治疗：主要目的是降低分分割剂量以减轻晚期反应，缩短总治疗时间以抑制肿瘤增殖

15. 肿瘤及正常组织的剂量效应关系

16. 放射治疗中的剂量-效应关系 • 临床放射生物学关注的是既定物理吸收剂量与放射生物效应结果及影响因素之间的关系，我们在临床上所看到的是一个很宽的剂量范围，在这个范围内特定类型放射效应的发生率随照射剂量的增加从0%增至100%，这就是剂量-效应关系 • 剂量-效应曲线的形状：电离辐射的剂量-效应曲线呈“S”形。随着剂量趋于“0”，放射效应的发生率也趋于“0”；在高剂量时放射效应趋于“100%”。 • 放射效应：肿瘤控制概率（TCP） 正常组织并发症概率（NCTP）

17. 剂量-效应曲线

18. 对剂量-效应曲线的描述 • 对于肿瘤，TCD50(radiation dose for 50% tumor control）：产生50%肿瘤控制所需的放射剂量 • 对于正常组织，ED50:产生50%效应所需的放射剂量，ED5:产生5%效应所需的放射剂量。 • 剂量-效应曲线陡度：γ

19. 治疗窗（theraputic window）

20. 剂量-效应曲线的临床分析

21. 对剂量-效应曲线的拟合 • 肿瘤 • 泊松剂量-效应模型 • 逻辑剂量-效应模型 • 概率剂量-效应模型 • 正常组织 • Lyman模型 • 广义线性（GLM)模型

22. 泊松剂量-效应模型 • 理论基础：放射治疗肿瘤的目的是损伤和破坏每一个潜在恶性细胞的扩展使其不能增殖。基于这种考虑以及射线杀灭细胞的随机性，提出由N个相同细胞组成的肿瘤照射以后的的肿瘤控制率（TCP),这个概率只与每个肿瘤存活克隆源性细胞的平均数有关。 • 数学表达式：TCP=e-X=e-（SF·M) X：照射后每个肿瘤存活的克隆源性细胞的平均数 SF:存活分数 M:最初的细胞数量

23. 泊松剂量-效应模型 • 如果一个肿瘤包含1010个克隆源性细胞，存活分数降到10-10将会剩下1个克隆源性细胞存活， TCP=e-X=e-（ 1010 · 10-10) =0.37=37%。 • TCP=10%，则2.3个存活细胞。 • TCD50(肿瘤控制率50%所需的剂量），则存活0.69个克隆源性细胞。 • TCP=60%，则存活0.5个存活克隆源性细胞。 • TCP=90%，则0.1个存活细胞。

24. Lyman模型 • 式中：D50为某种损伤的50%并发症概率所需要的剂量；D50（v=1）、D50（v）分别为整个体积、部分体积v受照射时引起某种损伤的50%并发症概率所需要的剂量。 • n 为“体积效应”因子，体积效应与n成正比，n值越大，体积效应越大，对应于“并型”组织和器官；n值越小，接近于零，体积效应较小，对应于”串联“组织和器官。 • m 表示NTCP剂量效应曲线的斜率。

25. 用于多分割方案的有效存活曲线 • 当各个同等剂量分割照射的间隔时间足以让亚致死性损伤在两次剂量之间修复则有效存活曲线就成为剂量的指数函数。 • 有效存活曲线从一开始就是一条直线，并通过在单次照射的存活曲线上的一个相当于每日分次剂量的点。 • SF=e-D/D0 10-1=e-D10/D0 →D10=2.3D0

26. 例 题 • 一个含有109克隆源性细胞的肿瘤，有效剂量效应曲线（每分割剂量2Gy）的D0是3Gy。如要达到90%的肿瘤治愈机会，需要多少总剂量？ • 一个含有109 细胞的肿瘤受到40Gy的放疗，如D0是2.2Gy，将会剩下多少肿瘤细胞？

27. 例 题 答 案 • D10=6.9Gy，10×６.9=69Gy • D10=5Gy，40/5=8，剩余细胞数109× 10-8=10

28. 线性二次（LQ)模型的存活曲线 • LQ模型的存活曲线是两种曲线结合的产物： • 指数性曲线： e-αd（单击击中死亡） • 连续弯曲性曲线： e-βd2（双击击中死亡） • α/β：单击击中和双击击中对细胞死亡的贡献相等时的剂量。 • 在临床相关的低剂量区，主要是单击击中导致的细胞死亡，因此曲线的起始是直线部分，斜率是α。随着剂量的增加，双击击中导致的细胞死亡开始出现，曲线进入连续弯曲的曲线部分。曲线的直线部分与弯曲部分分界处的剂量：Df（flexure dose）：大约是α/β 的1/10。

29. 早、晚反应组织的区别 • α/β越小（晚反应组织），Df越小，直线部分越短，生存曲线弯曲度越大。 • α/β越大（早反应组织），Df越大，直线部分越长，生存曲线弯曲度越小。 • 剂量的改变（A-B),对晚反应组织影响更大。

30. 线性二次（LQ)模型的有效存活曲线 • 在分割放疗方案中，随着分割剂量的减少： • 有效存活曲线的斜率越来越小； • 双击击中对死亡的贡献部分越来越小； • 最终，曲线将完全由直线部分组成，双击击中导致的损伤将完全可以修复； • βd2受分割剂量变化的修饰

31. 双击击中（βd2）与亚致死性损伤 • 距离 • 时间

32. 剂 量 率 效 应

33. 按剂量率物理量值大小划分 • ICRU38报告 • 低剂量率（0.4-2Gy/h，LDR) • 高剂量率（> 12Gy/h，HDR) 事实上现代HDR后装治疗机通常剂量率在100-300Gy/h之间 • 中剂量率（2-12Gy/h，MDR) • 超低剂量率（0.01-0.3Gy/h，ULDR) 125I粒子置入

34. 按剂量率效应划分 • 急速照射：>2Gy/min（120Gy/h） • 在多数真核细胞系统中有生物意义的照射剂量将在数 分钟内给完，在照射过程中极少发生或不发生DNA单链断裂的修复，也看不见剂量率效应 • 临床外照射常用的剂量率（1-5Gy/min） • 慢速照射： <2×10-3Gy/min （0.12Gy/h） • 在多数真核细胞系统中，有生物意义的照射剂量需要 数小时才能给完， DNA单链断裂的修复大致是完全的 • 迁延性照射：介于急速和慢速之间的照射

35. 剂量率效应的机制 • 高剂量率急性照射时存活曲线有一个明显的初始肩，随着剂量率的下降和治疗时间的延长，越来越多的亚致死损伤在受照射时能被修复，继之存活曲线逐渐的变浅（D0变大）而肩趋向于消失。 • 当达到一点所有亚致死损伤都被修复，就形成一个被限制的斜率。 • 有些细胞系中，剂量率的进一步下降可让细胞在周期内前进并积聚在G2期，所以存活曲线又变得较陡峭，这就是反向剂量率效应。 • 剂量率进一步下降将允许细胞通过G2期阻滞并分裂，如果剂量率足够低，而且照射时间比分裂周期长，则在照射期间出现增殖。 • 剂量率再进一步下降，将导致生物效应下降，因为细胞的增殖将平衡细胞的死亡，存活曲线变得较平。

36. 剂量率效应的描述 • 线性二次模式 ：SF=e-αD-βD2 • αD:表示单击击中，无法修复 • βD2：表示双击击中，受分割剂量及剂量率的修饰 • 剂量率改变时，仅影响βD2（双击击中）对细胞的损伤 • 随着剂量率的降低， βD2（双击击中）的份额逐渐变小，逐渐变为亚致死性损伤（单链断裂）而修复，细胞的死亡逐渐以αD（单击击中）份额为主，曲线斜率变小。 • 剂量率>10Gy/h时，照射时间短， βD2（双击击中）没有变化；剂量率<0.25Gy/h，细胞死亡完全由无法修复的单击击中支配，变得与剂量率变化无关；剂量率的有效变化范围： 0.25Gy/h- 10Gy/h • 近距离照射低、中、高剂量率区段的划分应主要依据生物效应的特征，而不是物理剂量率量值

37. 等效生物剂量

38. 生物剂量的概念 • 临床意义上的放射剂量学中的物理学涵义和生物学涵义有所不同，各自侧重的角度不同。 • 根据国际原子能委员会第30号报告定义： 生物剂量：指对生物体辐射反应程度的测量。 • 生物剂量和物理剂量是两个不同的概念 • 刘泰福教授曾指出：单野下的等剂量曲线，实际生物效应剂量（Gy）与物理剂量并不一致。这是由于随每次剂量的大小，生物效应也发生变化。根据Fowler公式，每次剂量越大，生物效应越大，尤其是晚反应组织；相反也如此。 • 在比较不同放疗计划的优劣采用的是生物剂量。

39. 生物剂量等效换算模式 • 立方根规则 • 名义标准剂量（nominal standard dose，NSD) • 线性-二次模型 （linear quadratic modle，LQ）

40. 线性-二次模型（LQ） • SF=SF=e-αD-βD2 • E=αD +βD2 • 等效换算的基本公式。 • 外推耐受剂量（ETD) • 总效应（total effect，TE) • 生物效应剂量（biological effective dose，BED) • TE=E/β=D(α/β+D）,单位：（gray2） • BED=E/α=D+D2/α/β,单位：（gray）

41. 剂量率作用的理论公式 • SF=SF=e-αD-GβD2 →E=αD+GβD2 • 高剂量率： G→1 • 低剂量率： G→0 • 亚致死性损伤修复因子：G=2[1-(1-e-μT）/μT ]/ μT • μ: 修复速率常数，且μ= 0.693/Tr • Tr ：亚致死性损伤半修复时间，大部分实验表明：Tr值接近1小时 • 当T > >Tr, μT >1 则 1-(1-e-μT）/μT →1 则 G= 2/μT=2Tr/0.693T

42. 剂量率作用的理论公式 • E=αD+GβD2 • TE=E/β=D(α/β+GD） =D(α/β+ 2Tr/0.693T﹒RT) =D(α/β+ 2×Ｒ×Tr/0.693) = D(α/β+ 2×Ｒ×Tr/ln2) 　Ｒ:剂量率　Tr ：亚致死性损伤半修复时间 • 两种不同剂量（D1、D2）和剂量率（R1、R2）条件下取得等同的疗效： D2/D1= [α/β+ 2×Ｒ1×Tr/ln2]/ [α/β+ 2×Ｒ2×Tr/ln2]

43. 例 题 • 某肿瘤组织照射总剂量D1为60Gy，在低剂量率R1为0.42Gy/h条件下，需连续照射6天，即144小时，试计算早反应组织（ α/β=10Gy）和晚反应组织（ α/β=3Gy）在Tr=1h，R2提高到0.83Gy/h（20Gy/d）的对应的等效剂量

44. 答 案 • 答案：D2早=54Gy，D2晚=47Gy • 晚反应组织对剂量率变化较早反应组织更敏感 • 提高剂量率，缩短治疗时间，晚反应组织的剂量变化幅度比早反应组织大，必将加重晚期反应的程度，因此改变治疗方案应以晚反应组织的耐受程度为依据

45. 低剂量率照射和分割照射的等效性 • 当分割照射时，分割数增加，分割剂量减小，分割剂量之间的时间足够让亚致死损伤完全修复，则总等效剂量增加； • 连续低剂量率可看作无数的无穷小分割剂量的分次照射

46. 低剂量率照射和分次照射的等效性及其疗效的关系低剂量率照射和分次照射的等效性及其疗效的关系 • 用剂量率R=D/t做近距离连续LDR照射，与之对应的产生相同效应的分次照射的分次数用N表示，分次剂量d=D/N: • N = μT / 2[1-(1-e-μT）/μT] • T > >Tr, μT >1 则 1-(1-e-μT）/μT →1 则 N = μT / 2, μ= 0.693/Tr=ln2/Tr 则 N =1/2×ln2/Tr×Ｔ • d=D/N=RT/N= 2/ln2×Tr×Ｒ≈2.89TrＲ • 当Tr=1h时，d在数值上等于2.89Ｒ

47. 应用TE进行等效换算 • 基本公式：TE=E/β=D(α/β+D）=nd（α/β+d） • 不同分割剂量的放疗计划，若TE相等，则 D1(α/β+d1）=D2(α/β+d2) • D2/D1= (α/β+d1）/ (α/β+d2)

48. 例 题 • 例：不考虑再增殖因素，建立连续照射60Gy/6天（R=0.42Gy/h）与分次剂量为2Gy的分次照射等效转换关系 （α/β=10Gy、α/β=3Gy分别计算）

49. 答 案 • 连续照射60Gy/6天（R=0.42Gy/h）相当于50次分次剂量d1=1.2Gy的分次照射 • 当α/β=10Gy，D2=60(10+1.2)/(10+2)=56=28×2Ｇy • 当α/β=3Gy，D2=60(3+1.2)/(3+2)=50=25×2Ｇy • 在相同疗效前提下，近距离连续照射全程只用6天，而分次照射需要几周时间，可见对于可实施近距离放疗的肿瘤部位和类型，近距离连续照射较外照射有很大的优越性。

50. 例 题 • 例：某分割治疗总剂量为50Gy，5次/周，2Gy/次，随后进行3天20Gy近距离照射，试求它对应的等效单纯分割照射方案（α/β=10Gy，分割剂量2Gy）