放射生物學

放射（或輻射）生物學是一門邊緣學科，主要研究放射線對生物體的作用，觀察不同質的放射線照射後的各種生物效應以及不同內、外因素對生物效應的影響。範圍涉及放射線對生物體作用的原初反應及其以後一系列的物理、化學和生物學方面的改變，臨牀放射生物學或腫瘤放射生物學是放射生物學的一個分支，它又是放射腫瘤學（放射治療學）的四大支柱（腫瘤學、放射物理學、放射生物學和放射治療學）之一。因此，世界上絕大多數國家在對放射治療醫生進行培訓、資格考核或晉級都要求有臨牀放射生物學的內容。

臨牀放射生物學是在輻射生物學基本理論的基礎上，結合對臨牀放射治療時腫瘤及正常組織的放射生物特性以及治療中和以後諸因素髮生變化的研究，以及在以上認識的基礎上，利用結合放射生物行為特點從分子、細胞、組織直至整體水平實驗研究的獨特手段，探討提高放療療效的辦法或手段，以達到不斷提高腫瘤治療效果和病人生存質量的目的。

隨着生命科學的迅速發展，臨牀放射生物學的研究內容和技術也不斷的得到發展、充實和更新。毫無疑問，深入理解臨牀放射生物學的基礎知識和概念，掌握臨牀放射生物學研究動態並加以運用，對腫瘤放射治療的改進和提高腫瘤治療效果有極重要的意義。

為什麼射線能夠殺死細胞，這和射線的電離特性有關。電離射線通過直接和間接效應對生物體發生作用，使細胞受損或死亡。目前多認為放射損傷的靶細胞是DNA，是由於射線對DNA造成損害，而使細胞分裂受到阻礙，導致細胞分裂失敗或細胞損傷。

放射使細胞損傷產生的結局

⑴ 凋亡：凋亡使細胞受到一個較小的劑量照射後就可，如淋巴細胞和精原細胞。

⑵ 流產分裂：流產分裂使由於細胞受到致死劑量照射後，細胞不是立刻死亡，而是進入下一個分裂週期，但是由於DNA受損，DNA雙鏈斷裂，以至細胞分裂失敗，最後細胞死亡。

⑶ 子代細胞畸變

⑷ 形態學上無任何變化：有一類細胞在受到射線照射後，雖然它們的DNA受損，但是由於這一類細胞使休止期細胞，不進入分裂週期或已喪失了增殖能力，如中樞神經中的神經原細胞和成熟的肝細胞，它們的放射損傷並不能表現出來，在形態上仍正常，並具有原有的功能，如神經 原細胞仍有傳導功能，肝細胞仍可以合成蛋白和各種酶的功能，這並不是説放射不能夠殺死這些細胞，當照射劑量達到一定程度時，也會出現功能受損和細胞凋亡。

⑸ 有限的分裂而死亡：大多數細胞在受到致死劑量照射後都時表現為有限的分裂死亡。儘管它們的DNA雙鏈斷裂，但是仍可勉強分裂成功，但是斷裂的DNA在分裂過程中多次複製，損傷在子代細胞中逐漸積累，最終導致細胞死亡。

⑹ 生存：少數細胞在非致死劑量照射後，細胞能夠修復受損的DNA，並能夠分裂，在子代細胞中沒有或僅留下輕微的改變。

細胞經過射線照射後大多數死亡，也有少部分細胞存活，用什麼來反應細胞照射後的存活情況呢？

⑴定義：根據不同的劑量和相應的不同生存率繪製出來的曲線，即為細胞存活曲線。這曲線既可以通過體外細胞培養，也可以通過體內試驗獲得。

⑵細胞存活曲線繪製：由於射線對生物體的損傷是隨機的，細胞對射線的敏感度不同，我們可以看到細胞的存活曲線可出現兩種情況。細胞的生存曲線是一條直線，説明細胞對射線敏感的表現，也就是説，細胞DNA被一次擊中就發生死亡。但是大多數細胞並非這種情形，在低劑量區時，存活曲線有一個肩區，當劑量較大時，才成直線。因此生存曲線是一個二次曲線，我們常用線性二次方程來描述。生存曲線的肩區，是由於細胞受到射線照射後不是就可以導致細胞死亡的這個細胞必須還要受到射線的照射才能死亡，因此在低劑量區時有一個放射損傷的積累過程。

D0平均致死量，代表着這一細胞羣的放射敏感性，直線越陡，即D0值越小，殺滅63%細胞所需要的劑量就越小。

N值指細胞內所含的放射敏感區的域數，即靶數。

Dq代表存活的肩寬寬度，在此劑量範圍內，細胞表現為非致死損傷的修復，Dq值越大，造成細胞指數死亡所需要的劑量越大。

S2為照射2Gy後細胞的存活率。

需注意細胞存活曲線僅代表細胞水平的，與組織水平的放射生物效應還有一定距離，離體培養的細胞和複雜的人體也有較大的區別。

⑶細胞存活曲線的意義：是一切放射生物學研究的基礎。① 研究各種細胞生物效應與放射劑量的定量關係

② 比較各種因素對放射敏感性的影響。

③ 觀察有氧和乏氧情況下細胞放射敏感性的變化

④ 比較不同放射分割方案的放射生物學效應。

⑤ 考察各種放射增敏劑的效用

⑥ 比較單純放療和放療綜合治療的作用

⑦ 比較不同LET射線的生物學效應

⑧ 研究細胞的各種放射損傷

由於分割方式的不同，相同的總劑量可產生不同的放射效應。在1971年Ellis就提出了放射等效應的數學模型，但臨牀實踐已證實，此數學模型僅適用於皮膚，不適用於所有組織，特別是晚反應組織，Thames和Bentze在本世紀80年代提出的L-Q模式交好的評估不同的分割劑量的臨牀放射效應，不僅適用於腫瘤，也適用於早反應和晚反應組織。該模型認為電離輻射作用於靶細胞並造成細胞的損傷是由α和β兩個損傷概率複合組成，當一個電離粒子通過DNA雙鏈斷裂，發生靶細胞損傷的概率是α，它和劑量是線性關係。由兩個電離粒子通過DNA產生DNA雙鏈斷裂，其發生靶細胞的概率是β，它和劑量是平方函數關係。引申的公式是：BED=D（1+d/（α/β））。

LQ公式的限度：L-Q方程是建立在每次照射後SLD修復完全，療程中沒有細胞再增殖的假設基礎之上，因此還必須考慮到不完全修復因子（Hm）和實踐因子（T/Tpot）。大量的動物實驗表明在1-10Gy分割劑量範圍內，L-Q方程能較好地反應分割方案的等效關係，在分次劑量<2Gy時，估計生物效應由有過量的危險，真正應用於臨牀非常規放療時必須謹慎。

臨牀意義：

預測劑量分割方式的生物效應。

不同劑量分割方式的等效轉換。

生物等效劑量（BED-Biological Equralent Dose）為了使腫瘤中心物理劑量與其他點的劑量差異（即劑量不均質性）以及物理劑量與生物效應之差異（也稱為生物效應差異）這雙重差異的結果能最後表達出來，在放射生物學上對這種雙重差異效應統一，稱之為生物等劑量（BED）。過去臨牀醫生僅憑經驗及臨牀效果來猜測，它要達到對腫瘤區的根治劑量，又要對周圍正常組織的保護，為了接近腫瘤實際，故又提出了腫瘤可控幾率TCP(Tumor Contral Probability）和不可控幾率NTCP(Non Tumor Control Probability），以TCP/NTCP數值來衡量BED和腫瘤治療幾率。

深入研究了細胞週期，即增殖期(G1-S-G2-M）和靜止期（G0）的關係，為此提出了4個R：即是修復（Repair），再氧化（Reoxygenation），再分佈（Redistribution），再增殖（Regeneration）作為指導放射生物中克服乏氧等問題的研究要點，放射生物學推進到目的明確，針對性強的有效研究中去。

當細胞受到非致死放射劑量照射後，細胞通過自身的修復機制修復放射損傷，這種非致死放射性損傷包括：潛在性致死性放射損傷；亞致死性放射損傷。在20世紀60年代Elkind發現受到PLD損傷的細胞，如果處於一個抑制細胞分裂的環境，這個環境有助於細胞的修復。體外培養試驗也證實在放療後2-4小時內細胞已修復了大部分SLD，然而不同的細胞的修復動力學也不一樣，組織的修復動力學的研究表明SLD的修與照射後的時間呈指數關係，常用半修復時間1/2T表示。分割劑量和細胞修復動力學的關係目前還不十分清楚，但有資料表明分割劑量大，細胞的修復能力弱。

細胞的放射損傷修復和凋亡是一對矛盾。如果腫瘤細胞有較強的修復PLD能力，則喪失了凋亡反應。一些研究發現在細胞的DNA受損後，一些基因和癌基因能影響細胞的凋亡過程，這些基因包括bcl-1,bcl-x,p53等.

放射治療後的腫瘤細胞再氧化

接受放療後，腫瘤組織中的乏氧細胞比例明顯增加，經過24小時後，細胞由乏氧狀態向氧合狀態發展。乏氧細胞再氧合的機制：

① 腫瘤細胞羣總量減少，血管沒有損失，血管密度相對增加。

② 對放射敏感的富氧細胞選擇性殺滅，遠離血管的乏氧細胞和血管的距離縮短。

③ 細胞死亡使總耗氧量減少。

④ 血管的分流導致血流循環的改變。

⑤ 腫瘤細胞的遷移。

（

放射過程中的細胞再分佈

在分割放射中有一個有趣的現象，即細胞羣會產生分裂時相同步化，其原因可能是放射能是G2/M期細胞阻滯。當放射損傷修復後，受阻的細胞同步在同一分裂週期中。此時第二個放射劑量的給予時機對細胞羣的生存至關重要。如同步化的細胞處於抗放射時相，則放射效應不強，如處於放射敏感時相，則可獲得較大的殺滅效應。然而，同步化的現象是短暫的，細胞羣很快按固有的比例重新分佈。分裂週期中不同時相細胞的放射敏感性：在分裂週期中不同時相的細胞對放射殺滅的敏感性不一樣已得到證實，對放射敏感性的順序是M>G2>G1>S。S期細胞對放射呈抵抗性，在有較長的G1期的細胞，G1的早期也顯示抵抗性。

在臨牀工作中我們可觀察到這麼一個現象，如肺癌放療過程中大約2周時，病人出現進食吞嚥痛的症狀，經過一段時間後，大約4周，儘管放射的劑量還繼續累加，但病人的吞嚥同明顯減輕，其原因就是食道黏膜上皮的加速再增殖，使食道黏膜的放射損傷有不同程度的恢復。這種在放療過程中，細胞的增殖速率不一，在某一階段內出現加速增殖的現象，稱之為加速再增殖。在放療區內發生增殖的細胞有兩種，一是從放射區外遊走進入放射治療區進行克隆，例如皮膚、口腔黏膜、消化道黏膜放射損傷後就是通過此方式修復。另外就是照射體積內的細胞進行克隆，腫瘤細胞就是通過這樣的方式產生更多的腫瘤細胞，因而就需要額外的劑量來殺滅加速增殖產生的細胞。

對於正常組織而言，促進細胞增殖的因素有：1放射損傷死亡的細胞能分泌刺激殘存的細胞分裂因子；2細胞的死亡，殘存細胞之間的接觸抑制現象消失，分裂加快。正常細胞的加速再增殖有利於急性放射性損傷的恢復。然而腫瘤細胞的加速再增殖卻不利於腫瘤的控制。發生加速增殖的基本條件是血供的改善，促使腫瘤再增殖的原因和正常組織相似，雖然腫瘤之間的接觸抑制現象弱於正常組織，但多數組織仍存在此現象。腫瘤通過以下三個途徑實現再增殖：1增加增殖細胞的比例；2縮短細胞週期時間；3減少細胞丟失比例；4變非對稱性分裂為對稱性分裂。在分割放療中，目前還不能確切地知道細胞增殖動力學地規律，從臨牀資料來看，腫瘤開始加速再增殖地時間是在臨牀上腫瘤體積開始退縮之前。對大多數頭頸部上皮源腫瘤而言，腫瘤加速增殖始於放療後2-4周。臨牀和實驗已證明，正常組織再增殖地能力強於腫瘤組織。放射線在殺滅腫瘤組織地同時損害了周圍的正常組織，但由於周圍正常組織的恢復能力強，腫瘤更容易被控制。正常組織不同程度的損傷可留下部分後遺症。

從分子生物學角度來看，目前認為放射主要作用於細胞核DNA（如MAR區域）、細胞膜（如鞘磷脂酶—神經酰胺）和胞漿內一些蛋白（如Apaf－1/IAP等）。DNA損傷主要表現為鏈斷裂（單鏈和雙鏈），其修復有二條路徑：同源重組和非同源末端連接。

放射後腫瘤內部分細胞獲得放射阻抗也和一些因激活而致細胞修復能力改變相關。放射後的胞膜和胞漿可啓動不同傳導路徑，通過誘導一些轉錄因子，來調節細胞因子、生長因子及細胞週期相關基因的表達。除此之外，放射也可改變酪氨酸激酶傳導路徑。

許多體內外實驗顯示，在放療前或放療後，由於腫瘤細胞生長環境不同於周圍正常組織，細胞常處於基因不穩定狀態，大多分子靶向治療都是針對腫瘤內異常表達的基因，通過抑制其活性來關閉該基因的傳導路徑。

根據46屆ASTRO會議上的報告，可將分子靶向治療大致歸納為主要針對以下幾條與放射相關的路徑：細胞內傳導路徑、細胞死亡路徑、細胞週期和腫瘤內血管形成及COX2阻斷。這些研究結果表明，放射和分子靶向治療相結合可改變腫瘤細胞放射敏感性。

研究已證實，腫瘤內乏氧細胞比例與腫瘤的侵犯性及治療結果相關。腫瘤細胞在乏氧的過程中可激活一些基因，HIF－1a是其中之一，它的激活可改變基因穩定性以及血管形成和腫瘤細胞的代謝。另一方面，腫瘤細胞在乏氧狀態下，其細胞基因不穩定。

因此，努力探索乏氧細胞的生物標誌十分必要。半乳凝素－1被認為是乏氧誘導的蛋白之一，目前研究表明，這種新蛋白和體外細胞及臨牀頭頸鱗癌組織內的氧化程度密切相關，但在患者血漿中檢測不到。

隨着影像學技術的迅速發展，確定腫瘤內不同亞羣細胞具有不同克隆源性氧飽和度、增殖率及放射敏感性的空間分佈已成為可能。結合這些數據與逆向治療計劃系統及調強手法，在治療前預計治療增益比已提到議事日程上。

此外，本次會議還較大篇幅地報告了放療結合根據射線的分子靶向遴選的藥物試圖改變分割放射生物的5R’s，為放射分子生物學研究開拓了一個新的平台。

一、實驗動物在放射生物學研究中的作用

進行放射生物學研究是實驗醫學中最複雜的任務之一。因為在放射生物學實驗研究中，不僅要求工作人員遵守相應的措施，免受超允許劑量的照射或沾染，而且還要得到能客觀反應輻射與生物對象互相作用真實情況的穩定結果。這就必須同時滿足許多條件，其中最重的條件之一，就是要選擇適於研究課題需要的動物種類、建立實驗模型。

超過一定劑量的高能輻射作用於機體，可引起體一系列全身性綜合病症，稱為放射病，或稱為急性放射綜合症（Acute Radiation Syndrome）。這種病在平時極少見到，只有在核戰爭和核事幫情況下才可見到該病。因此研究這種疾病眩要是在實驗室內選擇各種實驗動物來進行研究的。今天我們對輻射損傷的大部分知識，不是來自方廣島或長畸，也不是來自幾個出過事故的反應堆，大量的知識是通過選用各種實驗動物進行動物實驗積累起來的。關於輻射的遠期遺傳效應至今只有動物實驗的材料。

由於在實驗室可以隨時選擇各種實驗動物並使其接受不同劑量的照射，可以複製成病變相似、病例多量的不同類型的放射病或輻射損傷，這就為放射生物學研究提供了極為便利的條件，對放射醫學的發展起到了極大的推動作用。

二、實驗動物對輻射效應的影響

同樣種類和劑量的輻射以相同的方式作用於機體時，所出現的後果往往用動物的種類、年齡、性別、機體狀況等而異，即有不同的輻射反應。放射生物學研究中常用放射敏感性（Radiosensitivity）的概念來觀察個體組織、細胞的敏感程度。放射敏感性，是指當一切照射條件完全嚴格一致時，機體或其組織成部分在射線作用下發生的某種變化的程度和速度，若變化大且其發生迅速，則表明其敏感性高，反之，則相反。一般文獻資料中多以細胞、組織的形態學損傷或機體的死亡作為判斷放射敏感性的依據。下面所指的放射敏感性，都是以此為準的。

核輻射是原子核從一種結構或一種能量狀態轉變為另一種結構或另一種能量狀態過程中所釋放出來的微觀粒子流或能量。輻射源有天然的和人造的兩類。而輻射分為兩大類：電磁輻射和離子輻射，電磁波穿過空間而傳遞能量叫電磁輻射。γ射線：來自核的轉變，能量範圍≥0.1Mev；X射線：來自核外電子的相互作用，包括軔致輻射和特徵X射線，能量範圍1Kev～0.1Mev；紫外線：能量比X射線和γ射線低得多，能量範圍1ev～0.1Kev。離子輻射又分為帶電粒子輻射和不帶電離子輻射。