临床放射生物学

临床放射生物学是研究肿瘤放射治疗中，各种质的放射线，在不同条件下对生物体（包括正常组织及肿瘤组织）的作用，是一门边缘学科。它需要放射物理学、分子生物学、细胞生物学、普通生物学以及医学等方面的知识。
自从1895年Roentgen发现X线以后，就有人注意到X线照射能使正常人脱发及正常组织出现放射反应。近20多年来，原子能应用日益广泛，肿瘤临床放射治疗工作也需要基础研究促其发展。研究放射线对人类的影响有如下两个方面： 一方面是研究各种质的放射线在不同情况下对正常人体的影响及其诊断与防治，即与人的急、慢性放射病有关的实验研究，一般称为放射医学；另一个方面研究与肿瘤放射治疗有关的放射生物现象，称临床放射生物学。二者不能完全分开但又各有其特点。随着分子生物学及细胞生物学的发展，临床放射生物学现主要从事以下工作： 射线对生物大分子及细胞的效应与损伤的修复，射线对细胞及细胞群增殖动力学的影响，正常及肿瘤组织经照射后的动力学反应，氧效应对正常及肿瘤组织放射效应的影响，乏氧细胞的放射增敏，放射线质或剂量率的改变对从分子、细胞到机体各类组织及肿瘤组织的影响，分次放射治疗在组织及肿瘤中引起的变化，时间-剂量-分次因子最佳方案的探索，正常组织近期及远期放射效应的预防及治疗。总的目的是如何提高放射线对肿瘤组织的杀伤力，同时避免或减少正常组织的损伤。
放射的生物物理效应 放射的生物物理效应即放射线的一个入射光子或中子在组织内衰减导致产生电子对及自由基，相互作用造成化学键的断裂及各种生物效应。由于生物体有70～90%的水，因此相互作用中水的放射化学非常重要，用公式表示如下：
H₂O—→H₂O++e
H₂O⁺—→H++OH
H₂O+e—→H₂O-
H₂O-—→OH-+H
在有氧存在的情况下可有下列反应H+O_2—→HO2HO2+H—→H₂O₂高线性能量传递射线(高LET射线)照射时，能进一步产生下列反应：
H₂O₂+OH—→H₂O+HO2
H₂O₂+HO2—→H₂O+OH+O₂
HO2+HO2—→H₂O₂+O₂
如以RH代表人体组织的有机分子，当射线直接作用于有机分子而产生自由基R时就是“直接效应”
RH—→RH⁺
RH^+—→R+H⁺。
“间接效应”主要是射线对人体组织内的水发生电离，产生H和OH自由基， 这些自由基再和有机分子作用
RH+OH—→R+H₂O
RH+H—→R+H₂。
有机自由基R的产生可导致不可逆的损伤。 这种损伤又可因巯基化合物的作用而修复R+SH—→RH+S(-S自由基是惰性的)。 从生物学角度而言，直接效应或间接效应所造成的分子损伤，对生物效应的影响并无不同。人体生物靶有含水的特性，使这两种效应几乎有同等的重要性。
放射治疗的4个“R” 肿瘤细胞群在分次放射治疗的过程中出现一系列的变化。这些变化可归纳成4个“R”，即放射损伤的修复(repair of radiation damage)、细胞周期的再分布(redistribution or reassortment of cellsin cycle)、组织的再繁殖(repopulation of the tissue)、乏氧细胞的再氧合 (reoxygenation of the hypoxiocells)。以下分别说明：
(1)放射损伤的修复： 包括亚致死损伤及潜在致死损伤的修复。
❶在正常组织及肿瘤组织内都存在亚致死损伤的修复。不同组织的修复能力各有差别。肿瘤组织修复亚致死损伤的能力一般均较相应的正常组织为小。
❷潜在致死损伤的修复，主要存在于G0期及相对静止的G₁期细胞中。
(2) 细胞周期的再分布： 照射能选择性地明显减少细胞周期内对放射最敏感期别的细胞，留下较大比例的处于对放射较抗拒细胞周期期别的细胞，出现相对同步化现象。因同步化的程度不大，在分次治疗中，对改变肿瘤组织及正常组织间放射效应差异的影响不大。
(3)组织的再繁殖： 正常组织在出现放射损伤后，繁殖程度增加，一直到愈合为止。肿瘤组织内生长比率，在照射后虽然也有所增加，但由于营养不足，细胞丢失仍较大；因此，肿瘤组织的细胞减少仍比正常组织为多。这一现象有利于增加治疗增益率。
(4) 乏氧细胞的再氧合： 大部分肿瘤在分次治疗中很重要的一个过程就是乏氧细胞的再氧合。一个肿瘤在生长过程中，干细胞内的乏氧细胞比率逐渐增加，各种动物实体瘤中乏氧细胞比率可达到1%～50%。一次照射后，很大一部分氧合好的细胞被杀死；照射造成的一时性水肿影响肿瘤的微循环。死亡的细胞短时间内尚未被移去，细胞的再氧合相对较差。因此，紧接着一次照射，乏氧细胞比率可以几乎高达100%。然后，在一系列相互作用(死亡细胞的移去、组织内氧消耗相对减少、存活细胞与微循环间关系改善、水肿吸收、肿瘤体积缩小、组织张力减少等)的影响下，氧合条件改善，乏氧细胞比率下降，甚至可达到比照射前还低的水平。这种氧合情况可持续到细胞开始继续繁殖，并出现再生长。此时，肿瘤内的乏氧细胞又继续稳定地增加到原来的比率（见图）。乏氧细胞再氧合的比率，取决于被杀灭的含氧细胞数和肿瘤体积的缩小程度，后者又决定于照射剂量的大小和死亡细胞的消亡程度。目前，对人体肿瘤内乏氧细胞再氧合的时间及变化尚不够了解。

肿瘤生长时及照射后乏氧细胞比例改变示意图

相对生物效应 相对生物效应(relative biologiceffect,RBE) 即不同质的射线造成生物体一定生物效应所需剂量，与造成同样生物效应所需的X线剂量的比可用同一细胞株在不同质射线照射下形成的存活曲线的D₀值作比较，即：RBE=。 当同一类型细胞的两条存活曲线的外推数相差太大时，RBE就不能单纯以D₀计算，而是不同的存活水平有不同的RBE。（见表）
X线及中子照射HeLa细胞不同存活水平的RBE

存活水平(%)	中子剂量(rad)	X线剂量(rad)	RBE
90 80 70 60 50 40 30 20 10 3	15 30 45 60 80 100 125 160 210 300	65 115 160 200 240 280 335 400 515 695	4.3 3.8 3.6 3.8 3.0 2.8 2.7 2.4 2.4 2.3

照射剂量率 单位时间的曝射量为剂量率。剂量率可分为四大范围：
❶超高剂量率： 用μs (microsecond,1μs=10-⁶秒)或ns (nanosecond,1ns=10-9秒)计算脉冲的照射，在10¹¹～10¹³rad/min的剂量率范围，主要用于放射生物实验研究。超高剂量率可使受照射细胞内的氧以放射化学的形式很快地消耗掉。
❷高剂量率的范围在100～1000rad/min。是目前放射治疗所用的剂量率。在这个范围内，生物效应的差别不大。
❸低剂量率的范围在0.1～10rad/min或10～100rad/h。用于组织间或腔内照射。
❹极低剂量率为1～100rad/天，用于放射生物实验研究。连续照射生物体几周、几个月，甚至几年，观察长期小剂量慢性照射对生物体的近期及远期影响。
放射生物效应的改变，主要在1～100rad/min范围间。随剂量率的变小，离体细胞存活曲线的斜率也变小。高于100rad/min或低于1ad/min时，剂量率的改变对存活曲线的影响较小，而且变化也较慢。剂量率效应的差别主要根据照射期间亚致死损伤修复的情况，在1rad/min以下的剂量率，基本没有什么剂量率效应。因为所有的亚致死损伤实际上在照射期间已经修复，表现出来的是不能修复的损伤效应。在10rad/h，生物体处于长时间很低剂量率的照射下，被照射组织的细胞可以不断地进行分裂。因此，人体肿瘤用低剂量的组织间或腔内放疗时，应预计使细胞分裂处于最低水平。一般剂量率应超过30rad/h。目前国际上已开始用Gy作为放射剂量单位。100rad=1Gy。