临床放射生物学基础

临床放射生物学是研究电离辐射对肿瘤组织和正常组织的效应以及研究这两类组织被射线作用后所引起的生物反应的一门学科。它是放射肿瘤学的四大支柱（肿瘤学、放射物理学、放射生物学和放射治疗学）之一，因此从事肿瘤放射治疗的医生必须掌握这门学科的基础知识。

第一章  物理和化学基础 

第一节   线性能量传递

一、概念

线性能量传递(linear energy transfer, LET)是指射线在行径轨迹上，单位长度的能量转换。单位是KeV/um。注意，LET有两层含义，其物理学含义为带电粒子穿行介质时能量的损失即阻止本领，而LET的生物学含义则强调带电粒子穿行介质时能量被介质吸收的线性比率。例如，γ射线在穿过细胞核时，以孤立单个的电离或激发形式将大部分能量沉积在细胞核中，引起DNA损伤，其中大部分损伤又能够被细胞核中的酶修复，1Gy的吸收剂量相当于产生1000个γ射线轨迹，故γ射线属于低LET；α粒子在穿过细胞核时产生的轨迹少，但每条轨迹的电离强度大，因而产生的损伤大，这种损伤常常累及邻近的多个碱基对，于是损伤难以修复，1Gy的吸收剂量相当于产生4个α粒子轨迹，故α粒子属于高LET。一般认为10KeV/um是高LET和低LET的分界值，LET值＜10KeV/um时称低LET射线，如X 、γ、β射线， LET值＞10KeV/um时称高LET射线，如中子、质子、α粒子。

二、 高LET射线特性

1.物理学特点：高LET存在Bragg峰，即射线进入人体后最初的阶段能量释放（沉积）不明显，到达一定深度后能量突然大量释放形成Bragg峰（即射线在射程前端剂量相对较小,而到射程末端剂量达到最大值），随后深部剂量又迅速跌落。                           

2.高LET生物效应特点：(1) 相对生物效应（RBE） 高，致死效应强，细胞生存曲线的陡度加大；(2) 氧增强比(OER)小，对乏氧细胞的杀伤力较大；(3) 亚致死性损伤的修复能力小，细胞生存曲线无肩部；(4)细胞周期依赖性小，高LET能够杀伤常规放疗欠敏感的G0 期和S 期细胞。

 

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19305.png

图01 不同LET的细胞存活曲线

如图01所示，1.相等照射剂量的情况下，随着LET值的增加，细胞杀伤作用增强，2. 随着LET值的增加，细胞存活曲线变得越来越陡峭，曲线肩部越来越小。

 

表   不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度

辐射类型	粒子动能（MeV）	传能线密度（keV/μm）	辐射类型	粒子动能（MeV）	传能线密度（keV/μm）
γ线	1.17～1.33	0.3	中子	4	17
	8	0.2		14	12
X线	250kVp	2	质子	0.95	45
	3	0.3		2.0	17
β粒子	0.0055	5.5		7.0	12
	0.01	4.0		340	0.3
	0.1	0.7	α粒子	3.4	130
	1.0	0.25		5.0	90
	2.0	0.21		27	25

 

 

第二节   相对生物效应

产生同样的生物效应时，标准射线的剂量与测试射线的剂量的比值称为相对生物效应（relative biological effect，RBE）。公式为：

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-27324.png                                         

式中，Dref是标准射线的剂量，Dtest是产生同样的生物效应的测试射线的剂量。

标准的光子线是250keV的X射线或60Coγ射线，从放疗的角度来说，以60Coγ射线作为标准射线更具有优势，因为后者杀死细胞的效应比前者低15%。250keV的X射线或60Coγ射线的RBE＝1。一般用RBE来比较高LET与低LET的辐射效应，目前RBE更多地被用来比较高剂量率X线与低剂量率X线的辐射效应。

注意，1.不同类型的射线，即使照射剂量相等，也不会产生相同的辐射效应，2.RBE的增加本身并不能使治疗获益，除非能够使得正常组织的RBE小于肿瘤。影响RBE的因素有： 辐射类型（LET大小），辐射剂量，分次剂量及照射次数，剂量率。

LET与RBE关系： RBE起初随LET的增加而增加，当LET≈100 keV/μm时，RBE达到最大值，当LET＞100 keV/μm时，由于过度杀伤作用（overkill effect）或者能量的损失（wasted energy），RBE下降。图00是LET与RBE关系示意图，表00是各种电离辐射的相对生物效应数值。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4991.png

图00  LET与RBE关系

 

 

 

表00  各种电离辐射的相对生物效应

辐射种类	相对生物效应
X，γ	1
β	1
热中子	3
中能中子	5～8
快中子	10
α	10
重反冲核	20

 

第三节    自由基

正常的细胞活动可以有自由基（free radicals）的生成与清除，少量并且控制得宜的自由基对人体是有益的，过多活性的自由基则导致人体正常细胞和组织的损伤。放射线对生物分子的损伤主要与自由基的生成密切相关。自由基是指能独立存在的，核外带有一个或一个以上未配对电子的任何原子、分子、离子或原子团。未配对电子即为单独占据原子或分子轨道的电子。简单地说，只要有两个以上的原子组合在一起，它的外围电子就一定要配对，如果不配对，它们就要去寻找另一个电子，使自己变成稳定的元素，这种不成对电子的原子或分子叫做自由基。自由基的主要特性是化学不稳定性和高反应性，其对生物分子的作用主要表现在两个方面，即对DNA的损伤和对生物膜的损伤。

第四节  氧效应与氧增强比

一、氧效应: 

1909年，Gottwald Schwarz首次发现了一种放射生物现象，试验显示镭敷料器放在动物前臂上产生了皮肤放射反应，但如果把镭敷料器紧压皮肤使局部血流减少的话，则皮肤放射反应可以减轻，他当时不知道这一现象是由于缺氧所致。1910年，Muller发现在应用热疗法增加局部组织血流时，局部组织（氧合充分）更易受辐射损害。20世纪50年代初，Gray提出乏氧是放射抗拒的主要原因。1951年，Read的研究证实分子氧通过放射化学机理的方式能够使细胞增敏。

氧效应（Oxygen effect）指细胞受到X、γ射线照射时，由于氧分子的存在与否而出现生物学效应的增减现象。电离辐射被生物体吸收产生了自由基，自由基打断了靶分子（如DNA）的化学键，从而启动了一系列引起生物损伤的事件。X线所致的生物效应有三分之二是通过自由基介导的间接作用产生的，如乏氧，DNA上的自由基引起的损伤可以得到修复，如果有分子氧的存在，DNA与自由基发生反应，那么，这种放射损伤就被固定下来或者放射损伤无法修复，称之为“氧固定假说” (oxygen fixation hypothesis)，其过程如图所示。氧固定假说的确切作用机理尚不完全了解，但氧作用于自由基这一观点被公认。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19895.png

氧固定假说的过程                     肿瘤细胞的乏氧

一、 氧增强比

氧增强比（Oxygen Enhancement Ratio, OER）：指缺氧条件下引起一定效应所需辐射剂量与有氧条件下引起同样效应所需辐射剂量的比值。

高剂量的低LET（χ、γ、β）射线的OER=3.0，当剂量≤3Gy时，OER减少。注意，这一剂量范围正好是临床分次照射的剂量范围。

氧增强比（OER）与LET的关系：OER随着LET增加而下降，当LET = 150 keV/μm时，OER=1.0。图00为低LET和高LET与OER之间的关系，图00为不同LET的氧效应比较，用细胞存活曲线表示，虚线代表氧合充分的细胞，实线代表乏氧细胞。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-918.png

图00低LET、高LET与OER之间的关系

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-15081.png

图000 X 线、中子和粒子的氧效应比较

                            第五节   治疗增益

放射治疗的目的在于肿瘤组织受到足够的照射剂量以杀死肿瘤细胞，而正常组织受到尽量低的照射剂量以免引起并发症。治疗增益（Therapeutic Ratio ，TR)是指肿瘤控制概率（tumour control probability ， TCP）与正常组织并发症概率（normal tissue complication probability， NTCP）的比值。显然，只有当TCP＞NTCP时才能达到放射治疗的目的，通常TCP ≥ 0.5 ，而NTCP≤0.05。

TR主要与以下因素有关：剂量率，射线LET，是否使用了放射增敏剂或放射保护剂等。下图是表示TCP、 NTCP与剂量关系曲线，左侧曲线表示TCP，右侧曲线表示NTCP，两条曲线的距离（即治疗窗）反映了治疗的获益。如果曲线左移，意味着获得了较高的肿瘤控制概率而正常组织并发症概率较低；如果曲线右移，意味着正常组织能够耐受较高的照射剂量而并发症较少，放射治疗应该尽量拉开两条曲线的距离。               file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-268.png

图00 治疗增益原则

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章 电离辐射生物学效应

 电离辐射将能量传递给生物体引起的任何改变，统称为电离辐射生物学效应。放射线可分为带电粒子(α,β粒子及质子)和不带电粒子(X,γ射线及中子等)，它们的生物机体作用原理是相同的, 但由于不同射线的电离能力不同, 对组织损伤的程度有所不同。中子,α和β粒子电离能力强, 在组织中电离密度大, 故产生的生物效应较相同物理当量的X射线或γ光子大得多。

第一节  细胞辐射损伤作用的方式

生物体或细胞的主要分子成份为生物大分子及其周围的大量水分子，射线作用于这些主要分子，引起生物活性分子的电离和激发，从而产生包括细胞放射损伤在内的生物效应。直接作用和间接作用主要是对重要大分子的损伤而言。

一、直接作用

直接作用（Direct action）指电离辐射直接和细胞的关键靶起作用，引起靶原子电离和激发，从而启动一系列的物理化学事件，最终破坏机体的核酸、蛋白质、酶等具有生命功能的物质。DNA是射线作用的最终靶点，高LET射线的吸收主要以直接电离的方式进行。

二、 间接作用

人体细胞中80%是水，因此一个细胞可以理解为水溶液。电离辐射首先直接作用于水，使水分子产生一系列原发辐射分解产物，辐射分解产物再作用于生物大分子，引起生物大分子的物理和化学变化。

间接作用产生如下几个效应：1.稀释效应，一定数量的电离辐射产生固定数量的自由基,如果是间接作用,失活溶质分子数与固定数量的自由基有关，与溶液浓度无关。2.氧效应， 3.保护效应，受照射生物体系中由于有其它物质的存在，使辐射对溶质的操作效应减轻。4. 温度效应，机体处于低温或置于冰冻状态可使放射损伤减轻。

注意，间接作用可以通过化学增敏剂和放射保护剂修饰。X、γ射线等低LET射线的吸收主要以这种间接电离的方式进行。

 

细胞放射反应可以分如下三个步骤或者三个过程来理解：

1.光子与组织的分子或原子相互作用（光电效应，康普顿效应，电子对效应）产生高能电子。此过程发生在物理学范畴中，生物效应的时标（Time-scale）约10-15秒。

2. 高能电子穿过组织时使水产生自由基。此过程发生在化学范畴中，生物效应的时标约10-10秒。

3. 自由基破坏DNA化学键，使DNA结构发生改变，引起生物效应。此过程发生在生物学范畴中，生物效应的时标在几小时、几天或几年。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-25104.png

DNA损伤的直接作用和间接作用

DNA分子中诱发双链断裂的能量沉积的两种可能方式

第二节   细胞放射损伤形式

1．亚致死损伤（sublethal damage），是指细胞受到照射以后出现DNA的单链断裂，这种损伤是一种完全可以修复的放射损伤，对细胞死亡的影响不大。

2．潜在致死损伤(potential lethal damage) ， 细胞在照射后置于适当条件下，损伤可以修复、细胞又可存活的现象。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。

3．致死损伤(lethal damage)， 用任何方法都不能使细胞得到修复的损伤，细胞完全丧失了分裂、增殖能力，是一种不可修复的、不可逆和不能弥补的损伤。

第三节  电离辐射对DNA的损伤

DNA损伤是指在生物体的生命过程中，DNA双螺旋结构发生的任何改变。据估计，每天人体的一个细胞中有104个DNA损伤，但绝大部分是内源性损伤。引起DNA损伤的因素主要是一些物理和化学因素，如紫外线照射，电离辐射，化学诱变剂等。DNA损伤大体上可以分为两类：单个碱基改变和结构扭曲。

DNA损伤的形式有：1.碱基和糖基的破坏，2.插入或缺失，3.DNA链断裂：包括单链断裂，双链断裂，是辐射损伤的主要形式，4.DNA交联：有DNA链间交联，DNA链内交联，DNA-蛋白质交联等。5.DNA重排：即DNA分子中较大片断的交换。

DNA辐射损伤主要有DNA的碱基损伤、DNA链断裂以及DNA的交联等形式，主要通过直接效应和间接效应两种途径实现。

 

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-852.png

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23673.png

 

 

第四节   DNA损伤的修复

　当损伤造成了机体的部分细胞和组织丧失后，机体对所缺损的细胞和组织进行修补、恢复的过程，称为医学意义上的修复。放射生物学中的修复是指大分子功能恢复的过程。

一、DNA损伤的修复方式

（一）光修复（光复活，光逆转）

通过光修复酶催化完成的，可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态，DNA完全恢复正常。这种修复功能在生物界普遍存在，但主要是低等生物的一种修复方式，对于高等生物细胞及人的组织细胞则不是主要途径。

（二）切除修复

通过识别→切除（碱基切除和核苷酸切除）→修补→再连接的方式，其特点为准确、无误、正确修复。切除修复功能是人类的DNA损伤的主要修复方式。如图

 

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-29681.png

切除修复

（三）重组修复

DNA复制－重组－再合成。损伤部位因无模板指引，复制出来的新子链会出现缺口，通过核酸酶将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，重组修复也是啮齿动物主要的修复方式。

（四）SOS修复

SOS原本是指国际海难信号，SOS修复是细胞处于危急状态下发生的一种修复，是由于DNA损伤或脱氧核糖核酸的复制受阻以至于难以继续复制，由此而出现一系列复杂的诱导反应。 

二、不同组织放射损伤的修复

不同组织放射损伤的修复

	肿瘤组织	早反应组织	晚反应组织
修复能力	低	低	强
修复速度 T 1/2	快 0.5h	快 0.5h	慢 1.5-2.5h

二、细胞辐射后的结局

电离辐射对细胞作用的最终结局有以下几种：1.细胞完好无损(没有效应)，2. 细胞分裂延迟 ，3. 凋亡 ，4.增殖性失败（Reproductive failure），5.基因组不稳性（Genomic instability），6.突变（Mutation），7. 转换（Transformation），8.旁观者效应（Bystander effects），9.适应性反应（Adaptive responses）。

第五节   细胞存活曲线

放射生物学认为，一个细胞受照射后，如果形态完整、具有生理功能、甚至还能进行一次或几次有丝分裂，若此时细胞已失去无限增殖能力的话，这个细胞称之为增殖性死亡（reproductive death），这是最常见的细胞死亡形式；反之，细胞受照射后，如果保留了完整的增殖能力，能无限分裂产生大量的子代细胞，形成集落或克隆，这些细胞称为存活细胞或克隆源性细胞。

大多数细胞经过射线照射后死亡，只有少部分细胞存活，一般用细胞存活曲线（ survival curve）来反映细胞照射后吸收剂量与细胞存活率之间的关系。Puck 和 Marcus于1956年将细胞培养方法及微生物的菌落形成方法应用到放射生物学研究中，首次描述了著名的哺乳类动物细胞存活曲线。

通常用数学模型来描述细胞存活曲线的形状，在横坐标上找出照射剂量，在纵坐标上找出存活率相对应的点，将所有的点连接起来形成一条曲线即细胞存活曲线。此曲线反映了照射剂量与细胞存活率之间的关系。

细胞存活曲线的临床意义：

1．研究各种细胞与放射剂量的定量关系。

2．比较各种因素对放射敏感性的影响。

3．观察有氧与乏氧状态下细胞放射敏感性的变化。

4．比较不同分割照射方案的放射生物学效应，并为其提供理论依据。

5．考查各种放射增敏剂的效果。

6．比较单纯放疗或放疗加化疗或/和加温疗法的作用。

7．比较不同LET射线的生物学效应。

8．研究细胞的各种放射损伤以及损伤修复的放射生物学理论问题。

下图是不同LET的剂量存活曲线，注意γ线（a）、中子（b）和α粒子（c）的曲线形状差异。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19308.png

图00不同LET的剂量存活曲线

第六节   电离辐射靶学说

　  靶学说（target theory）是揭示射线与生物体相互作用本质的基础理论之一。辐射所致的生物效应是由于在靶细胞内发生了一次电离作用或“能量沉积事件”的结果，这种效应的强度取决于辐射的性质和靶的辐射敏感性。

一、靶学说（target theory）的要点 

    1.细胞内存在着对射线特别敏感的区域，称作靶（target），射线照射在靶上即引起某种生物效应。

2. 射线与靶区的作用是一种随机过程，是彼此无关的独立事件，击中的概率遵循泊松分布（Poisson  distribution）规律； 

3. 射线在靶区内的能量沉积超过一定值便会发生效应，不同的靶分子或靶细胞具有不同的“击中”数

二、靶学说的数学模型

早在1924年，Crowther用一种数学模型力图解释X射线对细胞的影响，此后学者们提出了多个数学模型，包括：1.单击单靶模型（Single hit single – target model），2.单击多靶模型（Single hit multi – target model），3.两击单靶模型（Tow hit single – target model），4.单击单靶+单击多靶模型，5.线性二次模型（Linear quadratic formula，L-Q），其中，L-Q模型广泛应用于临床放射生物学中。下面仅介绍其中的三种。

（一）单击单靶模型

细胞内一个敏感靶区被电离粒子击中一次，引起细胞死亡，称为单靶单击失活（single hit single - target inactivation）。如果用线性坐标作图，则哺乳动物受到高LET辐射后的细胞存活曲线是一条S形的线；如果用半对数坐标作图，则曲线是一条直线，为了便于理解，一般用半对数坐标作图反映照射剂量与细胞存活率之间的关系。细胞存活率（份数）S与照射剂量D之间的关系可用下列公式表示： S = e –αD （此为单靶单击模型）,e为自然对数的底，约等于2.7，此公式可改为S = e –D/D0 , D0＝1/α。此模型表示细胞存活率S随照射剂量D的增加呈指数性下降，细胞群受到剂量D0（对数斜率）照射后，如果平均每靶被击中一次即αD0＝1, 则S ＝ e –αD0＝  e –1＝0.37,即细胞存活率（份数）为37%，也就是说有63%的靶细胞受到了致死性击中而死亡。

此模型适用于：1.能够描述某些非常敏感的人体正常组织和肿瘤组织的辐射生物效应，2.能够描述高LET辐射生物效应和在低剂量率情况下的辐射生物效应。

（二）单击多靶模型

单击多靶模型指细胞内有n个敏感靶区，但只要1次电离事件即可引起细胞死亡。细胞存活曲线有如下特点：起始部分呈凸形弯曲，叫肩区，之后是直线下斜，肩区末端、直线起始部分的对数斜率为D1，表示把存活细胞比例降低到0.37所需要的剂量，直线部分的对数斜率为D0，表示把存活率从0.1降低至0.037所需的剂量。D1值反映细胞在低剂量区的放射敏感性，D0值反映细胞在高剂量区的放射敏感性，D0值越小，意味着细胞对放射线越敏感。直线向上延伸与纵坐标相交的点称为N值（外推值）。Dq表示拟阈剂量（quasithreshold dose，Dq），是剂量存活曲线上在存活率1处、划一条与横坐标的平行线，与直线部分延长线相交，其所对应的剂量即为Dq。单击多靶模型的数学表达公式为：S ＝1-（1- e –D/D0）N或Dq＝D0㏒eN。单击多靶模型能够描述在高剂量情况下哺乳动物细胞的辐射生物效应，但不能很好地表述在低剂量（如临床上常用的分次剂量）情况下哺乳动物细胞的辐射生物效应。

由于迄今没有直接证据确定哺乳动物细胞的辐射靶，因此，单击单靶模型和单击多靶模型的靶学说都不具备现代放射生物学基础，已被线性二次模型（Linear-quadratic，L-Q）的理论取代。　

　file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-5305.png

靶学说的两种数学模型

A.单击单靶模型，B.单击多靶模型

（三）线性二次模型

目前最常用线性二次模型来拟合细胞存活曲线，解释现代放射生物学中分次放疗放射生物效应(尤其低LET 射线照射时)。

1973年，Chadwick 和Leenhouts提出了线性二次模型，其理论基础为假设细胞的死亡（即DNA双链断裂）有两种方式：一种方式是由射线一次击中二条链，造成两个链同时断裂（单击）, 其生物效应( E)与吸收剂量D成正比， 以αD 表示；另一种方式是射线分别击中二条链而引起细胞死亡（多击）, 其生物效应( E)与吸收剂量D的平方成正比， 以βD2 表示。任何辐射效应造成的细胞杀灭都是单击致死性杀灭与亚致死性损伤累计杀灭的总和。如图

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22856.png

线性二次模型

可用下列数学公式表达细胞存活曲线：S ＝ e -（αD+βD2）。其中,S 表示细胞存活率，D表示单次吸收剂量, α为单击所产生的细胞死亡，即细胞存活曲线的初斜率常数，β表示由于损伤累积而导致细胞死亡，即细胞杀灭平方项的常数。当αD＝βD2或者说上述两种效应相等时，α/β值即为两种效应相等时的剂量亦即D＝α／β。

方程S ＝e -（αD+βD2）)两边取自然对数后，则- lnS＝ αD +βD2。剂量D的生物效应( E)可以看成是由αD和βD2两部分组成。

如照射n 次,上述方程式又可改写成: - lnSn＝ n (αD +βD2 )。

假设:①放射损伤所产生的生物效应( E) 与靶细胞的死亡有关，②在每次分割照射之间细胞能完全修复损伤，③每次同等分割剂量所产生的生物效应相同，④分次照射之间,细胞增殖忽略不计,

那么： - lnSn ＝ n (αD +βD2 )，E ＝ n (αD +βD2)。

从上述L - Q 模型可变换为：

E＝α.n. D＋β.n. D2　　　　　　　　　　　　　　                                                         (1)

　方程(1)两边除以β可得：

E／β＝（α／β）.n.D＋n.D 2＝nD〔(α／β) ＋D〕                                　　　　　　　　　　(2)

　方程(2)又称为Thames模式，其中E/β称为总生物效应( TE) ,单位是Gy2 。如果放疗总剂量n1D1一种治疗方案与放疗总剂量n2D2另一种治疗方案有相同的生物效应（即两者E/β值相等），且n1， n2分别表示两种治疗方案的分次数， D1 ，D2分别表示两种治疗方案的分次照射剂量，那么代入方程(2)后，则有：

n1D1〔(α／β) ＋D1〕＝n2D2〔(α／β) ＋D2〕                  　　　　　 (3)

因此，n2D2＝n1D1[〔(α／β) ＋D1〕/〔(α／β) ＋D2〕                     (4)    　　　　　　　            

方程(1)中，在等式两边除以α可得：

 E/α＝nD﹛1 +「D/ (α/β)」﹜                                       （5）

方程(5)又称为Fowler模式， E/α称作生物效应剂量 (Biologically effective dose，BED)，单位为Gy，临床医师更习惯用此方程进行生物效应剂量的换算。实际应用时，只要知道α／β值，就可计算出生物有效剂量。切记，Fowler模式和Thames模式的应用方法和原则是等效的；尽量避免使用生物等效剂量（Biologically equivalent dose）这一术语。

1．L - Q 模型的理论意义

与经典靶学说（如单击单靶模型和单击多靶模型）相比,L-Q 模型的优越性表现在：

（1）此模型适用于直接作用和间接作用，

（2）模型充分考虑到损伤的修复问题，

（3） 此模型中没有电离粒子击中的重叠问题。

2.LQ模型的局限性

（1）没有考虑细胞增殖因素，

（2） 模型假设在分次照射间期，细胞必须完全修复亚致死性损伤，与实际情况有差距，（3） 绝大部分α／β值是动物实验的数据，人体组织α／β值还没有确切的的数据。

大量的动物实验表明在1-10Gy分割剂量范围内，L-Q模型能较好地反应分割方案的等效关系，不过在分次剂量<2Gy时，估计生物效应时有过量的危险，临床应用时必须谨慎。

3.L - Q 模型的临床应用。

　临床放疗科医师经常遇到非标准放疗方案，由于非标准放疗的分次剂量、总剂量与标准放疗的分次剂量、总剂量各自具有不同的生物剂量（物理剂量有可能相等），因此，两种方案的比较不能简单地采用物理剂量的加减法，而只能采用生物剂量等效换算的方法。

以下举例说明BED的换算方法，假定脊髓和神经组织的α／β值为1，其它晚期反应组织的α／β值为3，肿瘤组织和急性反应组织α／β值为10 。 

例（1）：75岁患者，前列腺癌伴胸段脊髓转移，脊髓病灶外照射放疗30 Gy /10次。问：2Gy分割的生物效应等效剂量为多少?(神经组织α／β值取1)。

已知d＝30 Gy/10次＝3 Gy/次，n＝10次，则BED ＝10×3[ 1 +3/ 1 ] ＝40 Gy,即 2Gy分割的生物等效剂量为40 Gy。

例（2）：头颈肿瘤患者加速超分割放疗，每天2次,1.5 Gy/次，2次间隔时间大于6小时，允许晚期反应组织的完全修复，2 Gy分割的等效生物效应剂量为50 Gy。问：加速超分割的总剂量为多少?(晚期组织的α／β值取3)。

　已知D1＝1.5Gy/次，n2D2＝50Gy，从公式（4）可知，n1×1.5=50[（3+2）/（3+1.5）],则n1×1.5=56，n1＝37。即对于晚期效应，加速超分割照射56Gy时，相当2Gy分割照射50Gy产生的生物效应。

例（3）：头颈部肿瘤患者，原计划方案是70Gy/35次，由于头6次放疗错误给量，造成了4Gy/次，而不是2Gy/次，实际给了24Gy/6次，接下来的治疗将继续用2Gy/次治疗。问保持与原方案相等的晚期损伤应用多次照射？

设纤维化的α/β=3.5 Gy

则：BED＝70×(1+2/3.5)=110

      BED1＝24×(1+4/3.5)=51.4

      BED2＝BED－BED1＝110 -51.4＝58.6

      BED2＝D2×(1+2/3.5)= 58.6

    D2＝58.6/1.57＝37.3

所以n2＝37.3/2＝18 或＝19次。

例（4）：超分割放射治疗, 已知D＝1.15Gy/次，n＝70次，每天2次，每次间隔时间8小时，共7周。问相当于D＝2Gy/次，每周5天，需要放疗多少次？已知8小时的不完全修复因子hM＝0.0248。

解：每天多次放疗，要考虑不完全修复因数，则公式（2）变为

BED＝nD[α／β+D+ D×hM]

＝70×1.15[3+1.15+1.15×0.0248] ＝384.65

384.65相当于常规放疗2×n2的等效剂量即:

384.65＝2n2 (3+2), n2＝35(次)

　        

 

 

 

 

 

 

 

第三章  分次放射治疗的生物学基础

第一节   影响局部肿瘤控制的生物学因素

局部肿瘤控制与否与许多因素有关，其生物学的影响因素包括：细胞固有放射敏感性（Radiosensitivity），修复（Repair）， 再氧合（Reoxygenation），再分布（Redistribution），再群体化(Repopulation，或Regeneration)。以上因素被Steel（1989年）称之为分次放疗的 “5R”,一般放射生物学文献中见到的“4R”指的是后4个因素,是由Withers（1975年）总结出来的。

（一） 放射敏感性

放射敏感性是指细胞、组织、器官辐射效应的强度。不同哺乳动物的放射敏感性差异不大，而在同一哺乳动物中，不同类型细胞的放射敏感性差异非常大。细胞放射敏感性一般遵循B-T定律(law of Bergonie and Tribondeau)，即组织细胞的放射敏感性与细胞增值能力成正比，与细胞分化程度成反比。细胞周期中，M期细胞的放射敏感性最高，其次G2期细胞和G1期细胞，S期细胞最不敏感。一般说来，肿瘤细胞比正常的体细胞分化快，因此对辐射更敏感。

（二）放射损伤的修复

损伤的修复从分子水平到细胞水平有多种方式，但重要的是亚致死损伤和潜在致死损伤的修复。体外试验证实亚致死损伤的修复时间一般30分钟至数小时，但不同组织的修复速率不同，因此在临床分次（Multiple fraction）放射治疗中，两次照射的间隔时间应该＞6小时，以便亚致死损伤完全修复；另外，不同组织的修复能力也不相同（见表）。从下图a可以看出，单次(Single fraction)大剂量(6Gy)照射时，细胞的对数存活率为10-2，细胞存活曲线陡峭，而多次小剂量(2Gy×3次)照射（累积剂量也是6Gy）时，细胞的对数存活率为10-1，细胞存活曲线较平坦。如这两条曲线反映在正常组织细胞，那么多分次照射与单次大剂量照射相比，前者有更多的细胞存活，因此临床多分次照射主要基于保护正常组织细胞的考虑。图b显示了正常组织与肿瘤分次照射的剂量存活曲线差异，可以看出正常组织存活曲线（虚线所示）平坦，肿瘤存活曲线（实线所示）陡峭，也就是说在分次照射时，正常组织细胞更易进行亚致死损伤的修复，留下足够多的正常细胞，而肿瘤细胞不易进行亚致死损伤的修复，肿瘤细胞有可能完全被杀灭。                           file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7915.png

单次和分次照射的细胞剂量存活曲线

不同组织放射损伤的修复

	肿瘤组织	早反应组织	晚反应组织
修复能力	低	低	强
修复速度 T 1/2	快 0.5h	快 0.5h	慢 1.5-2.5h

 

（三）肿瘤细胞的再氧合 

肿瘤细胞由两部分组成，其中大部分是含氧细胞，对辐射敏感，小部分（约30%）是乏氧细胞，对辐射不敏感。肿瘤供氧主要依赖肿瘤毛细血管内的血流将氧弥散给瘤细胞，因此靠近毛细血管的瘤细胞含氧丰富，而远离毛细血管者成为乏氧细胞。见图。直径<1mm的肿瘤是氧合充分的，超过此值便会出现部分乏氧。 如果用大剂量单次照射，肿瘤内大多数氧合的细胞将会被杀死，存活下来的细胞多为乏氧细胞，放疗后即刻的乏氧分数（hypoxic fraction）接近100%，随后乏氧分数下降并达到其初始值（氧合充分），此现象称之为再氧合。

Van putten和 Kallman做了几个有趣的试验，第一个试验测量到未经放疗的移植性肉瘤鼠中的肿瘤细胞乏氧比率为14%，第二个试验方法为予移植性肉瘤鼠放疗，每天照射一次，每次剂量1.9Gy，周一至周四，共照射4次，周五测量肿瘤细胞乏氧比率也为14%。他们的试验表明，在分次放疗期间，肿瘤乏氧细胞变成了氧合的细胞，如果不是这种情况，肿瘤细胞乏氧比率应该会明显增高。

因此，肿瘤细胞的氧合状态是动态的，而不是一成不变的。肿瘤细胞的再氧合机理目前尚未完全阐明，不过已知肿瘤细胞的乏氧现象是放疗抗拒和化疗耐药的重要原因。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4845.png

图000 肿瘤细胞氧供应状况                     肿瘤细胞再氧合过程

 

（四）细胞周期的再分布

  分次照射期间，细胞在周期时相内的行进，称为细胞的再分布。肿瘤受照射后选择性地杀伤比较敏感的细胞，使非同步化的细胞群变成相对同步化的放射抗拒的细胞群 。细胞受到亚致死性照射后，主要表现有丝分裂的延迟，从而使细胞下一周期推迟。不同增殖时相的细胞放射敏感性是不同的，一般是S期的细胞最具辐射抗拒性， M期的细胞放射最敏感，据报道，G2期和M期细胞的放射敏感性是S期细胞的三倍。上述现象的原因不太清楚。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18194.png

不同增殖时相的细胞剂量存活曲线

（五）细胞的再群体化

再群体化是大多数肿瘤细胞和早反应正常组织细胞补充放射损伤的最主要方式,但此现象在晚期反应组织中可以忽略不计。

1．正常组织 

正常组织 损伤之后，在机体调节机制作用下，组织的干细胞及子代细胞增殖、分化、恢复组织原来形态的过程称做正常细胞再群体化。如肺癌患者常规放疗大约2周后，出现进食吞咽痛的症状，经过一段时间（约4周）后，尽管放射的剂量达DT40Gy，但患者的吞咽疼痛明显减轻，其原因就是食道黏膜上皮的加速再群体化，使食道黏膜的放射损伤有不同程度的修复。

2．肿瘤组织 

 辐射可激活肿瘤内存活的克隆源细胞，使之比照射以前分裂更快，称为肿瘤细胞加速再群体化。换言之，进行分次照射时，每次照射的剂量不可能破坏全部肿瘤细胞，在此期间，肿瘤细胞可进行再群体化产生更多的肿瘤细胞。据推测，大多数头颈部肿瘤细胞的加速增殖发生在放疗的第2-4周以后。

肿瘤细胞再群体化的临床意义在于：（1）尽量不要延长总治疗时间，（2）不考虑单纯分段放疗，（3）非医疗原因所致治疗中断，需在后来的治疗当中采取补量措施，（4）增殖周期短的肿瘤可采用加速分割。

第二节   早反应组织和晚反应组织

正常组织在照射后出现反应的时间及其与剂量的关系决定于器官或组织内的干细胞、增殖性细胞和功能性增殖特点。

 早反应组织是机体内分裂、增殖活跃并对放射线早期反应强烈的组织，放射反应常在放疗早期出现，在治疗后很快恢复，如粘膜红斑、溃疡等；正常早反应组织具有较高的α/β值(10Gy左右)，存活曲线表现的弯曲程度较小。 晚反应组织指机体内那些无再增殖能力，损伤后仅以修复的方式代偿其正常功能的细胞组织，放射损伤常在放疗结束后一段时间出现，如放射性肺炎，放射性脊髓损伤、放射性肌肉萎缩等。正常晚反应组织的α/β值较低（约3Gy），可修复损伤累积引起的杀伤相对多。研究说明，晚反应组织比早反应组织对分次剂量的大小变化更敏感，加大分次剂量，晚反应组织损伤会加重，相反，减小分次剂量，晚反应组织损伤可以减轻，这也是当前采用超分割放射治疗的原因之一。晚反应组织对总治疗时间的变化不敏感，而早反应组织对总治疗时间的变化很敏感，也就是说，缩短总治疗时间，早反应组织损伤加重而晚反应组织的损伤一般不会加重，有利于克服肿瘤组织加速再增殖，这是当前采用超分割放射治疗的另一个原因。图00为两种组织细胞存活曲线，曲线B（晚反应组织）比曲线A（早反应组织）更陡倾，说明晚反应组织比早反应组织对分次剂量的影响更明显。

file:///C:/Users/yaobin/AppData/Local/Temp/ksohtml/wps_clip_image-30109.png

图000 早、晚反应组织的细胞存活曲线

第三节     临床放射治疗中常规分割和非常规分割治疗

临床放射治疗通常采用分次给剂量的方式，但每次分割剂量、总剂量、放疗间隔时间、总疗程对肿瘤组织，早反应组织和晚反应组织均有明显的影响。见表。

一、常规分割（conventional fractionation ，CF）

又可称为标准放疗方案（Standard radiation therapy regimens），由法国人Coutard于1930年代首次提出，指每天照射一次，每周照射5次，每次剂量1.8～2GY，照射总剂量DT60-70GY/6-7周。

常规分割理由如下：1.多次分割使得肿瘤细胞再分布和再氧合，因而增加了对肿瘤的损伤。2.多次分割通过正常细胞亚致死损伤的修复及再群体化机制，保护了正常组织。3.该方法在肿瘤控制与早反应正常组织损伤、晚反应正常组织并发症方面取得了较好的平衡即每次小剂量的照射保护晚反应组织，而多次分割可以使得肿瘤细胞再氧合以及有利于早反应组织再增殖。

二、非常规分割治疗

（一）超分割放射治疗(Hyperfractionation Radiation Therapy,HRT  )

每天照射2次,每次1.1-1.3 GY，，两次间隔时间＞6小时，每周照射5天。其目的是进一步分开早反应组织和晚反应组织的效应差别，最大限度地保护晚反应组织，提高肿瘤剂量。

1．加速超分割放疗（Hyperfractionation Accelerated Radiation Therapy，HART ）

每天照射2-3次（间隔6h以上），每次剂量和总剂量低于常规分割。如方案36次/12天，每天3次间隔6小时，1.4-1.5Gy/次，总剂量50.4-54Gy。主要目的抑制增殖快的肿瘤细胞的再群体化，降低分次剂量以减轻晚期反应。缺点是靶区内正常组织急性反应较重。

2.同期小野加量放射治疗（Concomitant boost Radiation Therapy，CB）

M. D. Anderson医院于20世纪70-80年代首次采用此方法。文献中同期小野加量放射治疗方法有多种，这里只介绍其中的一种方法，就是加量不在疗程结束后而在大野常规放射治疗的某一时期，即在一天内大野常规分割，对大野内的小野进行强化照射，大野每次2 Gy，小野每次1-1.5 Gy， 间隔6小时以上， 总剂量69-72 Gy/6周。

（二）低分割照射(Hypofractionation)

增加单次照射剂量，减少每周分割次数。通常为每周3次，每次3-5 Gy，隔日照射。其生物学基础为假设当肿瘤组织的分次剂量反应比早反应正常组织低时，低分割增加治疗增益。实际上肿瘤组织与早反应正常组织α/β值相差不大，因此增加单次照射剂量不一定能够获得治疗增益，反而可能加重正常组织损伤。

不同组织对分次方案的影响因素

	肿瘤组织	早反应组织	晚反应组织
分割剂量	影响小	影响小	影响大
间隔时间	影响小	影响小	影响大> 6 h
疗程时间	影响大	影响大	影响小
总剂量	影响大	影响大	影响大

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第四章    放疗与化疗联合应用的生物学基础

一、机制

放疗与化疗相互作用的分子生物学机制包括DNA/染色体损伤的增强和细胞修复的抑制，细胞周期的同步化，细胞凋亡反应的增强，肿瘤细胞的再氧合和细胞再增殖的抑制等。

二、放疗与化疗相互作用的形式

（一）空间协同作用   

 放疗与化疗综合治疗的主要生物学原理是两者的空间协同作用即放疗集中照射肿瘤原发灶与区域淋巴引流区，而对照射野以外的转移灶无法控制；化疗可以有效地控制转移灶，但难以控制较大的原发灶，也就是说两者作用于同一疾病的不同解剖部位。局限期小细胞肺癌的放疗与化疗综合治疗就是典型的空间协同作用的例子，既控制肿瘤原发灶与区域淋巴引流区，又有效地控制潜在转移灶。

（二） 独立的肿瘤杀灭效应 

 如果两个有效的治疗方案（放疗与化疗）不存在交互作用，且均给予根治剂量的话，则联合应用的肿瘤杀灭效应要大于其中的任何一个方案。理想的情况下，放疗与化疗的毒性不能重叠，化疗也不应该加重照射野内正常组织的损害，即相互独立的毒性（independent toxicity）。

（三）细胞与分子的相互作用 

  放疗与化疗在细胞或分子水平相互作用，两者杀灭肿瘤的净效应要大于两个独自效应简单相加的总和（1+1＞2）。这可以在细胞存活曲线中体现出来，即放疗与化疗联合后的曲线初始斜率比单独放疗或单独化疗均陡峭。 

三、放疗与化疗联合应用的方法
（一）同期或称同步放化疗

同期或称同步放化疗（concomitant or concurrent chemoradiation）指化疗的当天同步放射治疗。

（二）序贯或新辅助放化疗

序贯（sequential chemoradiation）或新辅助放化疗(neoadjuvant chemoradiation) 指放疗前进行化疗的一种治疗方法。

（三）交替放化疗

交替放化疗（alternating chemoradiation）指放疗与化疗两种方法交替进行。

（四） 辅助化疗

辅助化疗（adjuvant chemotherapy ）指放疗完成后再行化疗。

四、各种方案的优缺点

各种方案的优缺点

联合方案	优点	缺点
序贯化放疗	毒性最小化  全身化疗作用最大化 诱导后肿瘤体积缩小，照射野相应变少	延长治疗时间  没有局部协同作用
同步化放疗	缩短治疗时间  放疗增益	全身化疗作用相对减弱  毒性增加  缺少肿瘤体积缩小环节
交替化放疗	早期应用了两种治疗方法 可能减少毒性	延长治疗时间
辅助化疗	两种治疗方法能独立完成，放疗可根治原发灶和区域淋巴结，化疗可治疗残存病灶和转移灶	增加转移几率