肿瘤热疗生物学原理及肿瘤治疗学定位（2）[教案]

东南大学临床医学院肿瘤教研室（南京  210009）

李苏宜

热耐受发生机制

一  热耐受现象

生物组织在加热后，会在短时间内降低对热的敏感性，这种现象称为热耐受。是所有生物组织所共有的普遍现象。表现为第一次加温后引起细胞对再次加热的抗拒现象热耐受的发生有一定的规律可循，可以衰退的。细胞的热耐受一般在初次加热后7～10H出现，12～16H达到最大，24H以后开始衰退，72H已明显衰退，120H几乎完全衰退。同一生物体的再次发生热耐受均与第一次发生规律相符合。

热耐受发生时，会大幅度减弱高热杀癌效应，这种减弱一般会持续1～3d.体外电容式射频于疗后间隔1天时，热耐受最明显，因而，临床上高热治疗间隔时间多定为3～7d.

二  发生机制

普遍认为热耐受的产生主要与细胞内热休克蛋白（HSPS）合成能力的消失有关，此外与细胞的生物氧化有关。

1.    热休克蛋白

由于热耐受不是细胞固有的遗传特性，而是一种暂时的用于保护细胞本身免受损伤的现象。热应激状态可诱导细胞合成一种蛋白质――热休克蛋白（heat shock protein,HSP）,它的基因编码末端有一段14个碱基的保守序列，可启动HSP mRAN的转录。其中，HSP70是最保守而又最普遍的一种。HSP通过形成细胞浆的骨架结构，调节细胞Na+--K+--ATP酶活性来提高对热的耐受力。HSP能够保护蛋白结构免于热诱导改变，而且具恢复受损伤蛋白质结和功能完整性作用。

2.    细胞的生物氧化

研究发现热耐受发生时与细胞生物氧化中过氧化物代谢有关的一些酶和氧化还原产物水有关。包括超氧化物歧化酶，SOD等抗氧化酶的含量和活性上升，氧游离基因减少。这些变化均有利于细胞保护，这些变化与热耐受发生衰退同步。

3.    细胞膜的变化

热力可致细胞膜的胆固醇水平增高，以减少其流动性，增加其坚固性。总之，热耐受是机体自我防护的一种本能发生机制，是多基因协同的结果，十分复杂。

三 影响因素

1.热剂量  目前尚没有严格意义的热剂量，这里是指加热温度及时间两个因素的共同作用。对于非固化性的加热来说，当达到一定热损伤水平，加温后所产生的热耐受程度几乎与加温的温度无关。而是热耐受与热损伤水平有关，热损伤的程度越高，热耐受持续的时间也越长。其次，加热持续时间越长，热耐受产生越晚，持续时间却越长。而加热速度则应以快速为妥，因为缓慢加温更容易促进热耐受的产生。

2.微环境  细胞处于低PH环境下，对热耐受的能力大打折扣，乏氧和营养不足甚至可以热耐受不发生。同一肿块内的不同区域的恶性肿瘤细胞发生热耐受的情况也不同，这主要与受热情况，乏氧情况，pH值等有关。

3.细胞的因素

Go期细胞热耐受的衰退要比非Go期显著缓慢。在非Go期细胞中，G1期细胞要比S期细胞的热耐受衰退明显缓慢。目前还推测，不同组织来源的恶性肿瘤细胞在热耐受的发生与衰退方面存在差异。

四  应用对策

1.加温剂量和速度  温度达到致死剂量，加热速度增快。

2.加温间隔  每周1～2次，两次间隔3～7天。

4.    深部肿瘤加温  使用热增敏剂

5.    与放，化疗合用。

加热治疗技术原理

一  高频电加热技术的生物热物理学基础

应用频率100kMZ以上的高频振荡电流（高频电磁波）作用于人体组织，并被组织吸收后转变为热能，使组织升温以治疗疾病的方法称为高频透热疗法。高频透热治疗恶性肿瘤与常规高频透热疗法的差别在于透热治癌比常规透热疗法的剂量大数至数十倍，使肿瘤组织的温度升高至足以杀灭癌细胞。

高频电磁波由射频和微波组成。射频又分为长波，中波，短波和超短波，微波又分为分米波，厘米波和毫米波。这是一种全波形的正弦交流电波，对肌肉，神经无兴奋作用。

1.    人体组织的电磁学性质

各种液体组织（包括血液，淋巴液，组织间液，胃液，尿液等含有大量水分子，电解质离子（K+,Na+,CHO-等）以及带电荷的蛋白质分子，这些离子，常电荷分子在溶液中可以导电，高频磁场下，会发生沿电力线方向快速移动或扭曲，振动。肌肉组织除了含有以上大量的液体外，还含有细胞膜，筋膜导电阻很高的组织。它阻挡了电磁波中直流电，低频电，中频电的通过。而高频电可以使其容抗下降，因而可以通过。这类组织在人体内还有脂肪，皮肤，肌腱，骨膜和骨皮质等，统统具有电介质的性质，均为直流电，低中频电的绝缘体。由于电介质没有自由电子，也不是离子，而是带有正负电荷数量相等的分子，对外不显电性，又称无极分子。无极分子在电场的作用下分子中带负电荷的电子向电场正电荷一侧偏移。分子中带正电荷的质子向电场负电荷一侧偏移，发生电介质的极化现象，此时的无极分子变成了有极分子，又称偶极子。这种由电磁场引发的由无极分子演变而成偶极子在电场撤除后即刻恢复为无极分子，因而又称为弹性偶极子。另一种则属真正意义的偶极子，包括水，氨基酸，短肽，核酸等，其分子结构是有极性的，只是因为排列不规则才对外不显示常电性而已，称为硬性偶极子。

人体组织还含有一些磁性成分，包括CO2，N，Fe等顺磁性物质，还有一些逆磁性物质，人体被置于磁场后，电磁感应发生，形成涡流。

2.    组织热效应机理

任何形式的电能都可以转变为热。由电能在人体组织中转变为热能.这种热称为内源热。可能的机制有3种：

1．欧姆耗损产热  人体组织中的电解质离子和带电荷的胶体微粒在高频电场的作用下，随着电场极性的变化产生高速移动，形成传导电流，电流在组织中耗损转变为热，称欧姆耗损。产热规律符合焦耳－楞次定律：Q＝0.24Ivt。公式中Q为热量（单位为卡），I为电流（安培），v为电压（伏特），t为持续时间（秒）。即组织产生的热量与电流强度，电压，通电持续时间成正比。

2．介质损耗产热  高频电磁场作用下人体组织中那些弹性偶极子和硬性偶极子产生“高速转动”形成位移电流，分子及粒子之间快速反复扭曲，振动，摩擦而耗损产热，称介质耗损产热

3．谐共振吸收热  当高频磁场频率达到很高时，包括微波频段和远红外频段，人体组织中某些成分（水分子等）的分子固有振动频率与电磁波辐射频率相近时，产生共振。放大这些微粒子的振动幅度，在运动过程中耗损转变为热。因而富含水分的组织对微波和远红外线的吸收率极高。

3.    人体组织的热场分布  高频电作用于组织所产生的热场分布决定于高频电的频率，作用方式和组织结构成分三大要素。直流电，低，中频固体被大量电介质层包围而无法导入。微波透热时，组织的热场分布在相当大的程度取决于被透热组织的含水量，入射路程含水量超过半富时，可因为谐共振吸收热而难以达到组织深度层，其中以厘米波更显著，分米波（例如433Mhz）热场分布相对均匀。在射频频段中，中频透热时，在组织电阻最高和通过电流强度最大的部位和组织产热量最大，均匀性相对超短波为差一些，这是由于后者可同时均衡性借用欧姆耗损产热和介质损耗产热。

二  高频加热的物理学基础

高频电加热根据透热热源的频率和透热技术分为射频透热和微波透热两类。

1.    射频射频常用频率为8MHZ，13.56 MHZ，27.12 MHZ和40.68 MHZ。8和13.56属中波，27.12 MHZ是短波，40.68 MHZ是超短波。

常用导入方式有三个：

电容式加热     又称电容场加热。高频电通过空气作为人体和电极之间加热的介质，两电极板之间产生电场作用于人体，使人体接受电场的作用。由于人体局部作为一种介质置两电机板之间，构成一个电容而得名。

电感式加热     又称电磁感应法。高频电流通过表皮绝缘电缆，线圈产生交变磁场，使组织受感应而产生感生电流（涡流）。涡流在人体组织中因欧姆耗损而产热。

组织间介入法   又称组织间插置入法。多用于体内实质性脏器和巨大肿块的靶区经皮插置射频电极，导入后因欧姆产热致靶区一定范围内发生热固化。

2.    微波  常用频率为433 MHZ，915 MHZ和2450 MHZ。其中433 MHZ，915 MHZ为分米波，2450 MHZ为厘米波。微波体外通过辐射方式向体内导入，通过欧姆耗损，介质耗损和谐共振吸收三种方式产热。分米波时，以欧姆耗损为主(越80％左右)，介质耗损为辅（约18％左右），谐共振吸收热甚微。厘米波时，欧姆产热与介质产热的作用份额刚好倒过来，后者可达近70％左右，谐共振吸收热也有所增加，因而厘米波深部穿透力弱。

微波导入人体的方式有以下三种：

辐射加热法：又称微波辐射法。由于微波的频率很高，已接近光波，因此微波具有光波的某些物理特性，透热时采用似灯罩状的金属反射器（辐射器）把微波像光波一样从辐射器射到治疗部位。

自然腔道插入法  类似放疗后装的做法。用于食管癌，宫颈癌，直肠癌，鼻咽癌等的放疗热增敏治疗。

组织间介入法   同射频的组织间介入法。

三：超声波生物热物理及物理特性

超声波是一种机械波，一种频率在20kmz以上的振动波。机械波的产生是通过发生源使介质中的一个点振动起来以后引发邻近质点的振动，使振动以一定速度从发生源开始由近及远的向远方传播出去，形成振动，由于质点振动方向与传播方向平行，故超声波属纵波。

1．热作用  超声波在生物体组织内传播过程中，其振动能量不断被媒介质吸收转变为热，使媒介质的温度升高。这种能量转换过程是内生热的一种。产生热量大小受下列因素影响：

超声波剂量   剂量越大，热量越高

超声波频率   频率越高，对组织穿透越浅，吸收越多，产热量也越大。

媒介质的性质   不同人体组织对超声波能量的吸收不等，因而产热量也各异。生物组织的介质粘滞性越高则半吸收层越小，组织产热量越高。一般超声产生热作用在骨表面和结缔组织最显著，脂肪和血液最小。

因而，超声波透热在组织内产热极不均匀，且有80％左右的热量被血流带走。

2. 物理特性超声波在介质中传播时，强度随传播距离而剧减，称超声波的衰减，这种现象引起的原因是介质对超声波的吸收，散射衰减和声束扩散。超声波有着明确的人体组织传导性。

介质吸收：超声波在人体介质传播过程中有一部分声能不可逆转换为其他能量形式。物理学上使用半价层（又称半吸收层）概念来表示超声波能量在人体组织中衰减一半时该组织的厚度。

散射衰减：人体组织各种密度不同，在不同介质交界面上，会有超声波聚集，同时有一部分散射衰减；

声束扩散：声波向传播轴两旁扩散引起单位面积上声波能量的减少。

超声波另一个重要特性就是可聚焦性。在物理学上的处理手段包括曲面聚焦，声透镜聚焦，声反射镜聚焦和谐共振聚焦。超声聚焦可使声束聚集在焦点上，产生巨大能量，经体外导入人体靶病灶达到热固化效果。

3.    高强度聚焦超声技术  这项技术就是利用了超声波的上述人体组织穿透性和可聚焦性，且聚焦后可形成一个大小形状均相对稳定的高能量小焦斑的特点，采用聚焦式超声波换能器将低能量超声波由体外导入体内，使聚焦点在靶病灶引起热固化坏死的病理变化。聚焦超声技术起源于1942年，以后多用于外科手术。上世纪九十年代末由中国人率先用于恶性肿瘤临床。

热固化坏死机理推测有以下几点：

1――瞬间高热  焦点区域温度瞬间升至65-100℃，使组织凝固坏死。

2――强大的机械力  聚焦后的超声波声强通常都超过300w/cm2，由于其系正玄机械波，可在瞬间对靶细胞进行施压，挤榨与膨胀交替变化，致细胞破坏。

3――空化效应：靶区组织中存在的微小气泡在强大的超声波（声强>2000w/cm2）作用下被激活，表现为振荡，生长，收缩，崩溃等一系列改变，导致细胞空化。

4――声化学效应：  声波可以改变细胞器的各种生化反应的正常进程，从而导致细胞正常代谢受到干扰。

5――抗血管效应  聚焦超声可直接破坏小于0.2mm的肿瘤血管，并导致微血栓的形成。

四：红外线生物热物理原理

红外线在电磁波谱上介与微波和可见光之间，属毫米波和微米波，波长在0.75～1000um。由于从波谱图上看，它正好位于红色可见光之外，故称红外线。红外线具有电磁波的一般属性，它可以在均匀介质中沿着直线传播，在两种不同介质的交接面上，它会受到界面的反射和折射。它在不均匀介质中传播时会受到散射。临床应用中常将红外线分为近红外线和远红外线，前者又称为短波红外线，是在光谱图上最靠近可视红光的一部分，波长<4um。相反，远离可见红光的红外线为远红外线，波长相对近红外线较长。

1.    产热机理  红外线也是一种电磁波，红外辐射的频率和分子热运动的频率相一致时，入射的红外辐射就被物体分子吸收。能够发射红外线的物体也能吸收红外线，发射本领越强，吸收本领越强。物体分子吸收红外辐射后，自身的热运动得到加强，表现为物体温度的升高。这是由于物质构成的基本元素是原子和分子，他们皆由带电粒子组成，平时保持中性的原因是由于电荷的分布通常是不均匀和无极性规则的，最典型的就是水分子和二氧化碳分子。红外辐射时，分子之间会发生相互作用，发生振动，转移和摩擦，且十分剧烈，因而产热。

2.    远红外线的传输  红外辐射在任何介质中传输都会受到介质的吸收，散射和反射。不同介质具有不同的红外辐射传输特性。在太阳光谱中，能够透过大气层到达地面的红外线仅有3个波段，即0.75～2.5um，3～5um和8～13um，这是由于大气中富含氧，氮等具有对称结构的分子在传输路径上的干扰所致，也与大气中富含二氧化碳，水蒸气和臭氧对红外线的吸收有关。

3.    红外线的人体吸收  人体对红外辐射的吸收比起大气更为复杂。人体由外向里，由皮肤，脂肪，肌肉，筋膜，内膜等多种介质组成。红外线照射体表，一部分被反射，另一部分被吸收，皮肤对红外线的反射程度与皮肤色素沉着状况有关，无色素沉着的皮肤可将入射红外线反射55～62％，有色素沉着的皮肤可将红外线反射42％左右。当皮肤充血时反射迅速降低到14％。人体皮肤对红外线的平均反射为34％，人体皮肤对红外线的散射极微可忽略不计，皮下结缔组织是一道限制红外辐射的屏障。由于人体皮肤富含水分，因此它的吸收光谱近似于水，主要有两个吸收峰，即2.5～4um和5.6～10um.依据匹配吸收理论，当红外辐射的波长和被辐射物体的吸收波长相对应时，物体分子产生共振吸收，这样，远红外辐射恰好与皮肤的吸收相匹配，形成最佳吸收，皮肤角质层和透明层的平均吸收率达到59％，颗粒层和棘细胞层则迅速下降至6.4％，真皮层则为0.6％。近红外线的半价层为皮下10mm，而远红外线仅为皮下0.5～1.0cm，在活体条件下，由于受辐照而产生的热可通过血液循环扩散到皮下，因而，可达到皮下5mm左右。因而，远红外线辐照加热只能借助于介质传导和血液循环的方式达到深部组织。

4.    红外线的热生理效应  局部接受红外辐照后会发生浅小动脉，浅毛细血管和浅静脉的扩张，血液循环速度加快，毛细管内压增高，静脉压也增高；局部组织代谢增加；淋巴形成增加；吞噬作用增加；局部免疫功能增加；肌张力降低。全身加热也表现为小动脉，毛细血管和小静脉扩张，血液循环速度加快，全身无氧酵解代谢途径加速，免疫能力增加和肌张力降低。

五：测量技术及热剂量

1.    热剂量与热损伤  热剂量是一种表示在一定温度下单位时间内发生的生物学热损伤，目前以温度和加热持续时间两项综合评估。比较突出的问题是热疗在体内剂量分布是不均匀的，目前尚五一种能够准确客观衡量热剂量的指标。人体组织受热损伤的最低临界温度是44.5+(-)0.5℃。人体各种组织对热的敏感性不同，最初级的热损伤是微血管损伤，温度上升超过45℃时，可出现组织的不可逆损伤，因而此温度被定为热损伤阈值。热损伤达到固化坏死时，“温度＋持续时间”需”43℃＋12H，70℃＋0.25s，或100℃＋0.1s。应用微波辐照加热时，应对睾丸，眼睛，肝脏，心脏，脑组织特别关注。睾丸温度低于体内2℃左右，过热易导致生精上皮变性。眼晶状体无血供，微波易使其热量积集而发生热损伤。心脏对射频的非心前区部位透热无任何反应。微波却可使其心率大幅增快，甚至会发生心肌局灶性坏死，而心肌对射频段电磁波的吸收率不高。过高的温度可引起肝脏显著充血，肝细胞肿胀变性，因而肝区透热应慎重对待。

2.    测温系统  除了热固化范围的热疗对测温的要求相对淡化以外，热疗一般情况下要行常规测温，这是基于安全和疗效两方面来考虑的，是常规高温和中温热疗的必备的匹配系统。目前常用的测温方法包括热电偶测温技术，热敏电阻测温技术，砷化镍光纤测温技术等损伤性测温技术，非损伤性测温技术尚不能满足临床需求。一种完美的测温技术应达到这样的要求即：较高的测试分辨能力，较强的空间分辨能力，较快的反应速度，不间断测温，无损伤性和简便易行。关于测温点的___问题，过于严格密集和频繁的有创测温由于会增加感染和种植转移的机会而不足取。