【2017年整理】临床放射生物效应--放疗.doc

第二章 临床放射生物学概论 放射生物学主要是研究电离辐射对生物体的作用，而肿瘤临床放射生物学是在放射生物基础理论研究的基础上，探讨人类肿瘤及正常组织在放射治疗中的放射生物学问题的学科，例如有关电离辐射是怎样使一个肿瘤消灭的以及它的过程怎样?如何提高它的效能?又如何来减少正常组织的损伤和降低全身反应等问题。其涉及范围较广，主要从以下三方面对肿瘤放射治疗产生影响：①提供了放射治疗的理论基础，如肿瘤及正常组织的增殖和修复、氧效应的影响、辐射分子生物学与肿瘤放疗的关系等；②通过放射生物学的研究有助于放射治疗中新的治疗方法的建立，如放射增敏剂和放射防护剂的应用、不同分割照射方法的建立、高LET射线的应用等；③协助确定临床放射治疗计划，如不同分割照射中和不同剂量率照射的治疗计划转换、并用化疗或放射增敏剂等。本章只简要介绍与肿瘤放射治疗关系较为密切的问题。 第一节 电离辐射对生物体的作用 一、辐射生物效应的时间标尺 要理解辐射的生物效应应首先了解辐射生物效应的时间标尺 (the time-scale of effects in radiation biology)，即不同水平生物效应的发生时间、顺序和过程。首先是物理吸收过程(在10-15秒左右结束)，然后是化学过程(时间稍长)。DNA残基的存在时间为10-5一10-3秒,因此在生物学方面，细胞死亡需数天到数月，辐射致癌作用需数年，而可遗传的损伤需经数代才能观察到。图2-1说明了这一点。 图2-1 生物系统受照射后辐射效应的时间标尺 电离辐射对任何生物体的照射都将启动一系列的变化过程(这个变化过程时间差异非常大)，大致可分为物理、化学和生物变化三个阶段。 （一）物理阶段 主要指带电粒子和构成组织细胞的原子之间的相互作用。一个高速电子穿过DNA分子大约只需10－18秒，而穿过一个哺乳动物细胞则只用10－14秒左右。因此它主要与轨道电子相互作用，将原子中的一些电子逐出(电离)，并使原子或分子内的其他电子进人更高的能量水平(激发)。如果能量足够，这些次级电子可以激发或电离与其邻近的其他原子，从而导致级联电离事件。一个1Oμm体积的细胞，每吸收lGy的照射剂量将发生超过105次的电离。 在放射生物学中，X射线由光子构成的概念十分重要。如果X射线被生物物质所吸收，则能量就会在组织和细胞中沉积。这种能量的沉积是以分散、不连续的能量包(“packets”of　energy)形式，非均匀性地沉积下来的。一束X射线中的能量可被量子化为多个大的能量包，每个包的能量大到足以打断化学键而最终引起一系列生物学事件。电离辐射与非电离辐射的主要区别在于单个能量包的大小，而不是射线所含的总能量。一个简单的计算即可解释这一点。例如，单次4Gy的X射线的全身照射在许多情况下将是致死的。这一剂量，对一名体重7Okg的正常人而言，所代表的能量吸收只相当于67卡(caI)。这一能量的微弱还可用多种方式来说明:若转化成热量，只代表温度升高0·002℃，几乎没有任何危害。相同的能量以热的形式被吸收，只相当于喝一口热咖啡。 热能或机械能能量的吸收是均匀的，需很大的能量才能使生物体产生损伤。而X射线的潜力是它的作用不在于所吸收的总能量的大小，而在于单个能量包的大小。在光子的生物效应中，如果光子能量超过124eV(波长小于10－6cm)，就会使生物物质发生电离。 （二）化学阶段 指受损伤的原子和分子与其他细胞成分发生快速化学反应的时期。电离和激发导致化学键的断裂和自由基（free radicals）的形成(即破损的分子)。这些自由基是高度活跃的，参与一系列的反应，最终导致电荷回归平衡。自由基反应在射线照射后约lms内全部完成。化学阶段的重要特点是清除反应(scavenging reactions)之间的竞争，如灭活自由基的琉基化合物，以及导致生物学上重要分子稳定化学变化的固定反应 fixation reactions)。 （三）生物阶段 包括所有的继发过程。开始是与残存化学损伤作用的酶反应，大量的损伤，如DNA损伤都会被成功地修复，极小部分不能修复的损伤最终将会导致细胞死亡。细胞死亡需要一定时间，实际上小剂量照射以后细胞在死亡之前可以进行几次有丝分裂。 正是由于干细胞的杀灭，以及随之而来的干细胞的丢失，使正常组织在受照射后的头几周或头几个月就会出现损伤的表现，如皮肤或黏膜破损、肠黏膜裸露和造血系统损伤。在正常组织和肿瘤内都存在细胞杀灭的继发效应，即代偿性的细胞增殖；在随后的一些时间，受照射的正常组织会出现晚期反应。这包括受到照射的皮肤毛细血管扩张，各类软组织或脏器的纤维化，中枢神经(脑或脊髓)受照射部位损伤和血管损伤。更晚的放射损伤表现为出现继发肿瘤(辐射致癌)。可观察到的电离辐射效应甚至可以延长到受照射后许多年。 二、电