临床放射生物学基础

正常组织的临床放射生物学中山大学肿瘤医院放疗科韩非前言放射肿瘤学的内容放射肿瘤学临床肿瘤学放射物理学放疗技术学放射生物学实验放射生物学临床放射生物学实验生物学与临床生物学的关系§争论: 增殖能力与生存能力§我国研究现状§我科研究现状放射肿瘤学的发展特点§放射治疗技术的改进，放射物理学的迅猛发展，肿瘤诊断水平提高，治疗效果“越来越好”–肿瘤（尤其头颈部癌）的局控率明显增加–生存时间延长–生活质量在治疗效果的评价方面日益重要放射生物学的意义§放射治疗的两大基本原则–最大程度地杀灭肿瘤–最大程度地保护正常组织§正常组织的放射生物学效应对放疗方案的设计、实施和修改影响巨大复发是最严重的并发症?§Eagle§Pigeon目的§掌握和熟悉正常组织在放射治疗中和放射治疗后的生物学效应，是临床医师更好运用各种放射治疗方案所必须考虑的重点之一§如何使正常组织和重要器官在接受放射治疗时能够避免或尽量减少照射剂量是当今放射肿瘤学的一个重要内容正常组织的增殖动力学各组成细胞群的动力学为基础§人体正常组织受一种自动稳定控制系统的控制，正常情况下细胞群的增殖相当于细胞群的丢失§当组织处于稳定状态时，新生和死亡的细胞数相等§但当某一细胞群失去平衡时这种自动控制作用将使细胞加快增殖，以迅速补充缺损不同组织的细胞群按增殖和生长活动可分为四大类§快更新组织（fast renew tissue）–具有未分化的干细胞（undifferentiated stem cell，USC），包括造血细胞、小肠上皮、表皮、输精上皮和淋巴生成细胞等§慢更新组织（slow renew tissue）–更新时间很长，包括肝、肾、呼吸道、内分泌器官和结缔组织等§非更新组织–偶有分裂，在成年人这种分裂不足以自我更新，包括骨、脂肪和平滑肌等§无更新组织–细胞完全没有分裂，组织无法更新，包括神经细胞、睾丸的足细胞和心肌细胞等放射损伤的决定因素§损伤的表现取决于细胞内干细胞的耗尽程度§损伤发展的过程、程度及严重性取决于–干细胞中前体细胞的分化速度和方式–干细胞增殖速度放射损伤的组织效应模式§结构等级制模式(hierarchical model)–至少存在两个层次的细胞：干细胞层次和成熟细胞层次–与照射剂量无关–大多数上皮性早反应组织经历的模式§灵活模式（flexible model)–无明确细胞分化层次和严格细胞等级制度–与照射剂量相关§混合模式早反应组织和晚反应组织§临床上将正常组织分为两大类：早反应组织（early response tissue）和晚反应组织（late response tissue）§分类基础–增殖动力学–靶细胞存活公式对α/β比值的推算§两者在放射损伤的表现方面有明显的区别早反应组织§快更新组织–主要表现为放射急性反应–照射损伤出现时间较早–主要通过同源干细胞增殖、分化来补充§大多数正常组织与肿瘤组织都属于早反应组织晚反应组织§慢更新组织§主要表现为放射晚期反应–一般都有纤维细胞和其他结缔组织过度增生–广泛纤维化–血管内皮细胞的损伤造成血供减少–器官功能的缓慢丧失§损伤后不是干细胞增殖分化的结果，而是由附近的功能细胞进入分裂周期，通过细胞复制来代偿加速再增殖理论§经射线照射后可引起细胞群的再增殖§在一定的剂量作用下可能存在加速再增殖§加速再增殖在其他治疗方式（例如外科、化疗、加温治疗等）所致的损伤时很少出现或根本没有§不同组织加速再增殖的开始时间存在较大的差异3“A”学说（Dorr）§治疗一段时间后，组织细胞在接受一定损伤刺激，正常组织和肿瘤内部会出现三种情况–干细胞加速分裂（Accelerated stem cell division）–不对称丢失（Asymmetry loss）–流产分裂（Abortive division）§它们相互影响，使组织发生比治疗前要快几倍的再增殖临床上加速再增殖的表现有§分段放疗的疗效比连续放疗的疗效差§肺肿瘤治疗后短期内复发，复发时间远远小于肿瘤倍增时间§头颈肿瘤的放疗时间延长，肿瘤复发比例增加§头颈肿瘤放疗前与放疗中的肿瘤细胞倍增时间由最初的60天左右缩短至4天左右§正常组织加速再增殖理论上应该存在且与肿瘤组织类似§常规分割，单纯放疗的鼻咽癌患者，在放疗DT40Gy以后，口腔粘膜反应程度会有所减轻正常组织放射敏感性放射敏感性定义§放射敏感性是指一切照射条件完全严格一致时，机体器官或组织对辐射反应的强弱或速度快慢不同；若反应强、速度快，其敏感性就越高，反之则低§细胞放射生物学角度来看，放射敏感性定义为造成一次击中所需的辐射量（剂量）越小，放射敏感性越高§B－T 定律为四大类（1）§高度敏感组织–剂量范围为1000～2000cGy–包括生殖腺——卵巢、睾丸，发育中的乳腺，生长中的骨和软骨，骨髓等§中度敏感组织–剂量范围为2000～4500cGy–胃，小肠，结肠，肾，肺，肝，甲状腺，垂体，生长中的肌肉，淋巴结等为四大类（2）§低度敏感组织–剂量范围5000～7000cGy–皮肤，口腔粘膜，食管，直肠，唾液腺，胰腺，膀胱，成熟的骨和软骨，中枢神经系统，脊髓，眼，耳，肾上腺等§不敏感组织–剂量范围7500cGy以上–输尿管，子宫，成人乳腺，成人肌肉，血液，胆道，关节软骨和周围神经，肺尖可耐受6000～9000cGy的剂量，常规剂量放疗对这些组织基本不发生严重并发症组织放射敏感性的放射生物学因素§再增殖和加速再增殖§氧效应（再氧化）§再修复§细胞周期再群体化放射线对正常组织的影响放射线生物损伤的机理§放射线作用于组织，组织内细胞群会发生一系列物理、化学和生物反应§射线作用于生物体，产生了大量的快速运动电子，许多电子能够使吸收介质的其他原子电离，破坏机体内不可缺少的化学键，造成一系列后果，最终表现为生物损伤生物损伤的表现§生物损伤–微观上表现为细胞死亡，细胞内结构和细胞连接组成的改变–宏观上表现为组织功能暂时或永久的丧失§不同类型细胞其死亡的定义也有不同–已分化不再增殖的细胞，如神经细胞、肌肉细胞、分泌细胞指功能的丧失–增殖性细胞，指丧失持续增殖的能力，即失去完整的增殖能力基于放射损伤的器官分类（1）§Ⅰ类器官§包括骨髓、肝、胃、小肠、脑、脊髓、心脏、肺、肾和胎儿等§多为人体的重要器官，如果受到照射的话，在一定剂量下可能会产生严重的放射损伤，甚至影响患者的生命§临床计划设计时应尽量避免不照射或少照射基于放射损伤的器官分类（2）Ⅱ类器官§包括皮肤、口腔、咽部、食管、直肠、唾液腺、膀胱、子宫、睾丸、卵巢、生长期软骨、儿童骨、成人软骨、成人骨、眼（视网膜、角膜、晶体）、内分泌腺（甲状腺、肾上腺、垂体）、周围神经、耳（中耳、内耳）等§可以耐受一定的放射剂量，产生中度的放射损伤，损伤后可能导致一定的功能障碍，但基本对生命无严重影响§临床计划设计可在肿瘤剂量充足的条件下考虑减少此类器官的照射量基于放射损伤的器官分类（3）§Ⅲ类器官§包括肌肉、淋巴结和淋巴管、大动静脉、关节软骨、子宫、阴道、乳腺等§组织的耐受量大多高于肿瘤的致死量，照射后一般不产生或产生轻度的放射损伤§临床计划设计时常优先考虑肿瘤的致死量，而不着重考虑此类器官的耐受和损伤问题正常组织器官的耐受量§定义：产生临床可接受的综合症的剂量§最小耐受量（TD5/5）–是指在标准治疗条件下，照射后5年内放射合并症发生率不超过5％（实际工作中指发生率为1％～5％）所对应的放射剂量§最大耐受量（TD50/5）–是指标准治疗条件下，照射后5年内放射合并症发生率不超过50％（实际工作中指发生率为25％～30％）所对应的放射剂量标准治疗条件§超高压治疗（1～6MeV）§1000cGy/周，每天1次，治疗5次，休息2天§整个治疗根据总剂量在2～8周内完成耐受剂量的正确认识§只能代表一种几率§非标准条件的照射方式的影响§再程放疗的影响§精确设计和精确治疗§年龄的影响§全身性疾病的影响§其他治疗手段的影响（化疗、生物修饰剂甚至手术）§医生记录及评价标准的影响正常组织的放射耐受量（cGy ）全部或部分晶体1 200500白内障晶体全角膜>6 0005 000角膜炎角膜全眼10 0005 500全眼炎，出血眼全垂体20 000～30 0004 500功能低下垂体10cm 5 5004 500梗死，坏死脊髓全脑干6 5005 000梗死，坏死脑干25％8 0007 000梗死，坏死全脑7 0006 000梗死，坏死脑100cm 27 0005 500溃疡，严重纤维化皮肤设野面积或长度TD50/5TD5/5损伤组织器官正常组织的放射耐受量（cGy ）全肺2 5001 500100cm 23 5003 000急、慢性肺炎肺100cm 28 0006 000溃疡，狭窄直肠100cm 26 5004 500溃疡，狭窄结肠100cm 26 5005 000溃疡，穿孔，出血小肠100cm 25 5004 500溃疡，穿孔，出血胃75cm 27 5006 000食管炎，溃疡，狭窄食管喉全甲状腺15 0004 500功能低下甲状腺50cm 27 0005 000口腔干燥唾液腺50cm 27 5006 000溃疡，粘膜炎症口腔粘膜全前庭7 0006 000梅尼埃病耳（前庭）全中耳7 0006 000严重中耳炎耳（中耳）设野面积或长度TD50/5TD5/5损伤组织器官正常组织的放射耐受量（cGy ）全肾上腺－>6 000功能低下肾上腺全肾条状照射2 0001 500全肾2 5002 000急、慢性肾炎肾脏全肝4 5003 500肝功能衰竭，腹水全肝条状照射2 0001 500全肝4 0002 500急、慢性肝炎肝脏全乳>10 000>5 000萎缩，坏死乳腺（成人）全乳1 5001 000不发育乳腺（儿童）60％5 5004 500心包炎，全心炎心脏设野面积或长度TD50/5TD5/5损伤组织器官正常组织的放射耐受量（cGy ）全身骨髓450200再生不良骨髓关节整块骨或10cm 210 0006 000坏死，骨折硬化骨、软骨（成人）整块骨或10cm 23 0001 000生长受阻，侏儒骨、软骨（儿童）全胎儿400200死亡胎儿全阴道>10 0009 000溃疡，瘘管阴道全子宫>20 000>10 000坏死，穿孔子宫全卵巢625～1200200～300永久不育卵巢(5cGy/天,散射)全睾丸400100永久不育睾丸尿道5～10cm 10 0007 500狭窄输尿管全膀胱8 0006 000挛缩膀胱设野面积或长度TD50/5TD5/5损伤组织器官正常组织的放射耐受量（cGy ）10cm 210 0006 000神经炎周围神经整块肌肉8 0006 000纤维化肌肉（成人）整块肌肉4 000～5 0002 000～3000萎缩肌肉（儿童）整个淋巴结>7 0005 000萎缩，硬化淋巴结（管）10cm 2>10 000>8 000硬化大静脉10cm 2>10 000>8 000硬化大动脉7 000～10 0005 000～6000扩张，硬化毛细血管设野面积或长度TD50/5TD5/5损伤组织器官剂量体积与放射耐受量串联器官与并联器官§正常器官组织的耐受量–剂量和体积–正常组织放射并发症的发生概率（NTCP）依赖于组织的放射性类型§各器官损伤实质是射线破坏了器官的“功能元单位”，根据“功能元单位”的性质，可以将全身器官分成以下四种类型⑴串联器官§器官的功能单位呈“串行”相连接，其中一个单位的损伤会导致其它功能单位的功能障碍§如脊髓、脑干、视神经等，这类器官的损伤程度与全结构中最大剂量相关⑵并联器官§器官的功能单位以“并行”形式相连接，某一功能单位的损伤不会引起周围功能单位的功能障碍§如肝脏、肺脏，腮腺，颞叶等等。

间接作用：水的辐射反应的产物跟溶质分子间的作用BT定律：一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而其分化程度成反比的结论放射增比剂（OER）：缺氧条件下产生一定效应的剂量/有效条件下产生同样效应的剂量传能线密度（LET）：电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量间期死亡：当细胞受到大剂量（100Gy或更大）照射时，细胞未经分裂就在间期立即死亡，这种死亡方式称为间期死亡铅当量：把达到与一定厚度的某屏蔽材料相同屏蔽效果的铅层厚度，称为该一定厚度屏蔽材料的铅当量屏蔽防护：是指在放射源和人员之间，放置能有效吸收放射线的屏蔽材料，从而衰减或取消射线对人体的危害放射损伤：由放射线照射引起的机体组织的损害原子能级：原子具有的能量是不连续的，这种不连续的能量状态，称为原子的能级时间防护：是指在不影响工作质量的前提下，尽量缩短人员受照射的时间危险度：即器官或组织接受单位当量剂量照射引起随机性损害效应的几率1．X线的防护的原则有哪些①X射线检查的正当化和最优化②X射线工作者与受检者防护兼顾③固有安全防护为主与个人防护为辅④合理降低个人受照剂量与全民检查频率2.光电效应的利与弊利：①不产生散射线，大大减少了照片的灰雾②可增加人体不同程度和造影剂对射线的吸收差别，产生高对比度的X线照片，对提高诊断的准确性很有好处③在放疗中，光电效应可增加肿瘤组织的剂量，提高其疗效。

弊：①入射X线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。

3.宫内照射的有害效应包括哪些①胚胎死亡②畸形③智力低下④诱发癌症4.细胞周期各时相的放射敏感性①放射敏感性最高的时相是M和G2期②LS期放射抗性最强③若G1期想当长则G1早期有抗性，G1末期敏感④细胞内的巯基化合物较多，不敏感⑤S期后部的抗性通常最高5.辐射根据本质和作用的分类，并举例按粒子辐射：本质是一些高速运动的粒子。

本粒子带电粒子：a粒子，b粒子，质子（+），π介子，重离子质不带电的中性粒子：中子分电磁辐射：本质是一种电磁波（光子）如x射线，r射线，紫外线等。

放疗名词解释放疗名词解释：1、放射生物学：临床放射生物学是在放射生物基础理论研究的基础上，探讨人类肿瘤及其正常组织在放射治疗过程中放射生物学效应问题的一门科学,是肿瘤放射治疗技术学的重要基础之一。

2、相对生物效应：是指要达到同样生物效应时的标准射线(250KV X射线)所用剂量和某种射线所用剂量的比值。

3、直接作用：指放射线直接作用于生物组织细胞中的生物大分子，使其产生电离和激发，并最终导致其发生放射性损伤称之为电离辐射的直接作用。

高LET射线以直接作用为主。

4、间接作用：指在放射线与生物组织作用、尤其是与生物组织内水分子作用产生自由基，这些自由基再与生物大分子作用使其损伤。

这种放射性损伤称之为电离辐射的间接作用。

5、核衰变：放射性核素自发地发出一种或一种以上的射线并转变成另一种核素的过程称为核衰变。

核衰变是放射性核素的一种属性。

衰变必然伴随有放射。

6、放射性活度：指单位时间内原子核衰变的数目，其单位为1/秒。

专用名：贝可Bq7、放射性同位素：不稳定的同位素具有放射性。

这种不稳定性主要是由于原子核中的质子和中子不平衡性造成的。

随着原子序数的增加，一种元素的同位素越来越多。

元素周期表后面的重元素都具有天然放射性。

8、放射源：在没有特别说明的情况下，一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心。

9、照射野中心轴：射线束的中心对称轴线，临床上一般用放射源S与穿过照射野中心的连线作为照射野的中心轴。

10、等中心:是准直器旋转轴(假定为照射野中心)和机架旋转轴的相交点，与机房中所有激光灯出射平面的焦点相重合。

此点到放射源的距离称源轴距11、肿瘤的致死剂量：通过放射治疗使绝大部分的肿瘤细胞死亡而达到控制肿瘤，局部治愈的放射剂量即为肿瘤的放射剂量。

12、正常组织耐受量：各种不同组织接受射线照射后能够耐受而不致造成不可逆性损伤所需要的最大剂量为该组织的耐受量。

13、组织量：所谓组织量是指患者受照射组织在一定深度的射线吸收剂量。

大分割照射的临床生物学基础Basic Clinical Radiobiology of Hypofractionation Radiotherapy易俊林中国医学科学院肿瘤医院放疗科国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林临床放射生物学●研究对象： 肿瘤患者●研究核心： 剂量-效应关系时间-剂量-分割模式（TDF ） ●评价指标： 肿瘤控制 &正常组织损伤●研究目标： 寻找最大肿瘤控制和最小正常 组织损伤之间的最佳平衡●放疗的理论基础 相当于内科的药理学 国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林深部X-线机放射治疗学科的发展C0-60机IMRT&IGRT 1950年以前2000年以后直线加速器 1930年以前1960年代以后 二维三维IMRT四维及生物靶区国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林治疗分割模式的发展国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射vs 手术 引起关注STARS and ROSEL 研究，58 pts cT1–2a (<4 cm), N0M0 SABR 31例， 18Gyx3 /12.5Gyx 4 或 12Gy x 5F 肺叶切除+纵隔淋巴结清扫或取样 27例国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Therapeutic Ratio LossGain 国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林分次照射的敏感性特定照射靶区,相同正常组织损伤前提下, 分次数与肿瘤控制率的关系国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割临床应用时正常组织a/β的计算◆正常组织（肺/脊髓）BED 计算时，是基于均匀剂量分布/全部体积照射的◆这种情况在临床实践中几乎不会发生，特别是在小体积/非均匀照射为特征的大分割的情况下◆在计算生物学效应时需要考虑 正常组织的构成 （串联/并联）和照射体积的 因素◆在大分割时，正常组织的等效a/β就尤为重要国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 的计算等效a/β基于L-Q 公式,考虑正常组织的构成和剂量分布均匀性最简单的情形，正常组织接受100%的均匀剂量照射国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 的计算非均匀照射时，以及正常组织并联/串联的构成时◆等效a/β值与正常组织的平均剂量负相关◆如果等效a/β值越高，越接近肿瘤组织（10），也就是说正常组织的单次剂量越低，越能从大分割照射中获益国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 和组织构成的关系n 表示组织构成 串联-并联轴， 0代表串联器官，1代表并联器官国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系(1)前列腺癌周围型肺癌椎体转移瘤肿瘤α/β小于周围组织，周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织，周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织，周围重要器官 串行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系（2） 脑转移瘤肿瘤包埋于周围组织，a/β多种多样，周围组织为串行组织脑转移瘤的治疗决策因素： 1. KPS 2. 部位 3. 大小 4. 数目5. 临床症状6. 病理(乳腺癌/肺癌/肾癌/其他)7. 颅外病变控制情况国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林不同组织的α/β值-前列腺癌大分割 肿瘤组织的BED 获益比周围正常组织高, 治疗比>1, 有利于缩短治疗时间, 提高肿瘤细胞杀灭1999年~，17个 研究，9 EB-LDR ，1 EB-HDR ， 5 EB ，2 离体实验前列腺癌国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林相同物理剂量对不同α/β值的组织的BEDHD-BT 54 Gy/9FEBRT 46Gy/23F+ 19.5 Gy/2F38 Gy/4F52.5 Gy/20F78 Gy/39F66 Gy/33F70.2 Gy/39F国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林前列腺癌大分割照射结果-SBRTFFBF, 无生化复发率; H,高危组; I, 中危组；L, 低危组国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林前列腺癌大分割照射结果（HDR-BT ）国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林乳腺癌加速分割照射结果-局控和生存国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林乳腺癌加速分割照射结果-美容效果和毒副作用国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系（2）前列腺癌周围型肺癌椎体转移瘤肿瘤α/β小于周围组织，周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织，周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织，周围重要器官 串行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射结果-SABR国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射-SABR vs 手术STARS and ROSEL 研究，58 pts clinical T1–2a (<4 cm), N0M0 31 to SABR ， 27 to 肺叶切除+纵隔淋巴结清扫或取样 18Gyx3 /12.5Gyx 4 或 12Gy x 5F国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射毒副作用国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射结果-BED/EQD2国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林BED 与TCP （NSCLC ）左图：来自临床数据，不同分给模式的（2年局部控制率）与BED 的关系 右图：消除不同研究人数不同的情况下，计算出的TCP 与BED 的关系 实线：根据L-Q 模型拟合的TCP 与BED 的关系提示：SBRT/SRS 能够得到好的控制率，在于这些技术能够给予肿瘤更高的BED国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌局部控制率与BED 的关系-常规分割国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Chi ， BioMed Research International Volume 2013, Article ID 391021, /10.1155/2013/391021周围型肺癌肿瘤α/β大于周围组织，周围组织为并行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊Chi ， BioMed Research International Volume 2013,Article ID 391021, /10.1155/2013/391021●新的模型 universal survival curve (USC) 模型●基于肿瘤细胞杀灭的多靶学说来预测细胞存活的模型 Park,C. IJROBP , 2008, 70,847–852国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊L-Q 模型过高估计了高剂量条件下细胞杀灭效应2v假设α/β =8.6Gy时L-Q模型的细胞存活曲线LQL模型（线性-二次-线性模型）USC：万有曲线模型提示：在高剂量照射时，细胞或组织能够耐受比L-Q预测的更多的剂量国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林NSCLC 的α/β值计算数据来源Chi ， BioMed Research International Volume 2013,国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林分次剂量与局部控制率的关系, 3FChi ， BioMed Research International Volume 2013,国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Tumor iso BED with differernt α/β ratios & LC in NSCLCChi ， BioMed Research International Volume 2013,不同α/β值计算出的BED 均与LC 正相关，α/β取值>10时，相关性更好。