研一放射生物學增敏與防護

放療化學修飾劑2015繆洪濤化學修飾劑

能改變哺乳動物細胞放射反應(yīng)的化學物質(zhì)。

分為兩大類：

放射增敏劑：不影響正常組織而選擇性地增強射線對腫瘤細胞的殺傷效果。

放射防護劑：僅保護正常組織而對腫瘤組織卻不產(chǎn)生同等的保護效應(yīng)。

臨床可使用的放射增敏劑或防護劑必須對正常細胞和腫瘤細胞具有不同的效應(yīng)特征。如果使用的藥物能同樣的影響腫瘤和正常細胞的放射敏感性，則達不到臨床“修飾”的目的。

評價一個化學修飾劑的效應(yīng)，主要有兩個定量參數(shù)：劑量修飾因子(dosemodifyingfactor,DMF):對同一組織,單純照射時產(chǎn)生某一特定的生物效應(yīng)所需的照射劑量與照射合并修飾劑后產(chǎn)生相同生物效應(yīng)所需的照射劑量比值。防護劑的防護系數(shù)：

增敏劑放射增敏劑定義理想放射增敏劑的要求放射增敏劑的分類及作用機制放射增敏劑定義放射增敏劑是指能提高射線對細胞，尤其是腫瘤組織中乏養(yǎng)細胞的殺傷力，而對受照射的正常細胞影響不大的一些化學物質(zhì)。理想增敏劑1.不易和其他物質(zhì)起反應(yīng)、性質(zhì)穩(wěn)定。2.有效劑量無毒或毒性低。3.易溶于水，便于投藥。4.專對腫瘤細胞，尤其是腫瘤乏氧細胞有較強放射增敏作用。5.有較長生物半排出期，能在體內(nèi)保持藥物特性，足以滲入整個腫瘤。6.常規(guī)分次治療中，低藥物劑量即可獲得放射增敏效果。放射增敏劑的基本目的是通過放射增敏劑使腫瘤控制曲線向低劑量方面左移，而對正常組織并發(fā)癥的曲線沒有影響或至少沒有太大的改變，最終達到把正常組織并發(fā)癥保持在能被接受的特定水平上，而又能提高腫瘤的控制率或治愈率。增敏劑分類1.乏氧細胞放射修飾劑

（1）乏氧細胞增敏劑

（2）生物還原劑2.非乏氧細胞放射增敏劑3.細胞毒類藥物4.靶向藥物5.氧6.血管生成調(diào)劑劑7.修復抑制劑8.巰基抑制劑9.中草藥10.納米材料

乏氧細胞增敏劑主要是硝基咪唑類增敏劑，根據(jù)唑環(huán)上硝基位置可分為2位、3位和5位硝基唑類等。生物還原劑包括具有雙功能的硝基雜環(huán)的化合物（RUS-1069）、雜環(huán)氮氧化合物(SR4233)和醌類化合物(MMC,絲裂霉素)。非乏氧細胞增敏劑主要包括鹵代嘧啶、硼中子俘獲治療(BNCT)。細胞毒某些金屬配位化合物，包括Ag、Cu、Zn、Hg、Rh、Ru、Co、Pt、Fe等。靶向藥物DNA拓撲異構(gòu)酶Ⅰ抑制藥劑EGFR、ATM-AMPK、PI3K/AKT信號傳導通路抑制劑環(huán)氧化酶-2抑制劑氧高壓氧，一氧化氮。修復抑制劑1-β-阿糖呋喃腺嘧啶或阿糖腺苷（ara-A）、阿糖腺一磷（ara-AMP）、蟲草素（3’-dA）、CMNa巰基抑制劑巰基耗竭劑（順丁烯二酸二乙酯DEM）和細胞內(nèi)巰基合成抑制劑（BSO）。中草藥馬藺子素、紫杉醇類、姜黃素、毛冬青提取物、地龍?zhí)崛∥?。納米材料納米金、納米尺寸的其他增敏藥物。血管生成調(diào)劑劑bevazucimab和沙利度胺等。1（1）乏氧細胞增敏劑：主要是硝基咪唑類增敏劑，根據(jù)唑環(huán)上硝基位置可分為2位、3位和5位硝基唑類等。

大部分為親電子性的硝基咪唑類化合物，主要有米索硝唑MISO(misonidazole)、沙納唑（AK2123),甲硝唑(metronidazole)、

它們能選擇性地作用于腫瘤組織中的乏氧細胞，而對有氧細胞則沒有活性。這類親電子性化合物的主要作用是轉(zhuǎn)移受電離輻射損傷的生物靶分子上的電子，使靶分子的損傷固定下來。性質(zhì)和氧一樣，能增加自由基的產(chǎn)生，固定放射損傷，防止損傷修復。

我國對甲硝唑的衍生物甘氨雙唑鈉也進行系統(tǒng)研究，并獲得上市，是目前唯一進人臨床的硝基咪唑類放射增敏藥。沈瑜等對近700例頭頸部腫瘤、食管癌和肺癌患者進行隨機雙盲分組試驗結(jié)果顯示：放療前使用甘氨雙唑鈉后，患者的完全治愈率(CR)由30．9％提高至55．9％(P<0．01)，增敏比為1．34。說明甘氨雙唑鈉對頭頸癌、肺癌、食管癌的放射治療有明顯的增敏效果，且副作用較小。

1（2）生物還原劑

生物還原物包括具有雙功能的硝基雜環(huán)的化合物（RUS-1069）、雜環(huán)氮氧化合物(SR4233)和醌類化合物(MMC,絲裂霉素)。

這類化合物能選擇性作用于氧供不足的乏氧區(qū)細胞，使乏氧細胞的敏感性增加，在體內(nèi)能還原生成一種具有細胞毒性作用的代謝產(chǎn)物。這種代謝產(chǎn)物對細胞的殺傷作用大大超過它的母體化合物，因此能直接引起腫瘤細胞的死亡。目前認為cytP450red是催化還原反應(yīng)的主要酶，生物還原藥在乏氧和還原酶作用下經(jīng)單電子還原成具有細胞毒的產(chǎn)物A；后者對氧敏感，易被氧化逆轉(zhuǎn)為原型藥物D，而對正常組織無毒性。表示如下：

絲裂霉素（MMC）是已用于臨床的抗腫瘤藥物，具有苯醌、烏拉坦及乙烯亞胺基有效基團，可使細胞的DNA結(jié)構(gòu)扭曲，阻礙DNA的復制，從而抑制癌細胞分裂，是一種細胞周期非特異性藥物，對多種動物腫瘤都有抑制作用。離體實驗表明，絲裂霉素C在乏氧條件下的毒性大于有氧時的毒性。

2.非乏氧細胞增敏劑：主要包括鹵代嘧啶、硼中子俘獲治療(BNCT)、多聚酶抑制藥和信息傳遞修飾劑

DNA前體堿基類似物

：5—鹵代嘧啶及其核苷的分子結(jié)構(gòu)與胸腺嘧啶相似，因此在DNA復制時，可取代相應(yīng)的胸腺嘧啶參入DNA鏈，抑制DNA合成或使這種被取代的DNA鏈變得比較“脆弱”，從而提高了放射敏感性。其中以溴代和碘代脫氧尿嘧啶核苷效果較好，其增敏程度與其摻入DNA的量成正比。由于它主要摻入到分裂旺盛的腫瘤細胞，因此能增加射線對腫瘤細胞的殺傷作用。嘧啶類似物

吉西他濱為新一代胞嘧啶核苷酸衍生物，是一種新型的細胞同期特異性抗腫瘤藥物，其放射增效機制可能與抑制DNA雙鏈斷裂修復有關(guān)。胡健莉等將47例中晚期宮頸癌患者分為2組，A組22例給予放射治療加吉西他濱，B組25例給予單純放射治療，用免疫活化SP法測定微血管密度(MVD)，TUNE法檢測癌組織凋亡標記指數(shù)(ALI)。結(jié)果A組MVD表達降低的程度(1600根/mm2)明顯高于B組(200根/mm2)，P＜0．01;A組誘導ALI增加0．57%，明顯高于B組的0．24%(P＜0．05)。提示吉西他濱增敏劑使宮頸癌放射治療早期血管生成減少，細胞凋亡增加，局部腫瘤體積縮小的速度加快。

3細胞毒性某些金屬配位化合物對哺乳動物細胞或細菌具有一定的放射增敏作用，包括Ag、Cu、Zn、Hg、Rh、Ru、Co、Pt、Fe等。金屬配位化合物中的金屬離子能增加輻射所引起的DNA斷裂，并在還原劑和分子氧或過氧化氫存在下，對許多細胞產(chǎn)生毒作用。鉑類順鉑，亦稱順氯氨鉑（cis-diaminedichloroplatinum,cis-DDP）

無機化合物，分子式順鉑作為增敏的理由：1、順鉑本身是細胞毒藥物，能殺傷腫瘤細胞，在釋放氯后可使DNA橫向連接，抑制細胞的修復。2、離體和整體生物實驗顯示，順鉑有放射增敏作用。3、對正常組織的放射損傷不加重。4、順鉑與照射合用，二者的毒性和副作用不疊加，并不顯著增加X射線引起的致突變作用。

4靶向藥物環(huán)氧化酶-2抑制劑

環(huán)氧化酶-2的過表達在腫瘤的發(fā)生、侵襲、轉(zhuǎn)移中扮演著重要的角色。在用人體外A549肺癌細胞小鼠轉(zhuǎn)移瘤實驗中顯示環(huán)氧化酶-2抑制劑能夠增加非小細胞肺癌骨轉(zhuǎn)移放射治療敏感性。Elizabeth等開展的臨床研究，對其毒副作用進行評估，認為其毒性可以耐受。DNA拓撲異構(gòu)酶Ⅰ抑制藥劑

羥基喜樹堿為DNA合成抑制劑，作用機制為抑制DNA拓撲異構(gòu)酶Ⅰ，聯(lián)合放射治療時，能使DNA鏈斷裂，并阻礙斷裂點的修復，有利于凋亡程序的啟動。

EGFR、ATM-AMPK、PI3K/AKT信號傳導通路抑制劑

表皮生長因子受體酪氨酸激酶抑制劑（epidermalgrowthfactorreceptortyrosinekinaseinhibitorsEGFRTKIs）可以阻斷EGFR效應(yīng)器的自體磷酸化，抑制其激活，引起細胞周期阻滯、誘導細胞凋亡、抑制放射損傷的再修復。

核仁素的特異性核酸適配體ＡＳ１４１１核仁素是核仁中含量最豐富的磷酸化蛋白，具有多種生物學功能：調(diào)控核酸體的合成與成熟，參與細胞增殖、

生長、胞質(zhì)分裂、染色質(zhì)復制、核仁的發(fā)生等。ＡＳ１４１１可與腫瘤細胞表面的核仁素特異性結(jié)合。李東梅等發(fā)現(xiàn)，ＡＳ１４１１預(yù)處理不影響由輻射引起的細胞周期阻滯，但能促進輻射誘導的Ｈｅｌａ細胞凋亡率的增長。ＡＳ１４１１通過阻止由輻射引起的ＤＮＡ損傷修復及誘發(fā)細胞凋亡增加Ｈｅｌａ細胞的輻射敏感性ＳＴＡＴ３反義寡核苷酸ＳＴＡＴ３是一種存在于細胞質(zhì)與酪氨酸磷酸化信號通道相耦聯(lián)的具有關(guān)鍵作用的雙功能蛋白，調(diào)節(jié)下游多個靶基因表達，在多種腫瘤細胞和組織中均有高表達和活化。祝寶讓等發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)阻斷ＳＴＡＴ３信號通路后，腫瘤細胞表面的促凋亡分子Ｆａｓ表達升高以及逆轉(zhuǎn)腫瘤的免疫抑制微環(huán)境及抑制微血管形成等因素的參與，加上電離輻射本身對生物大分子的損傷和液體系列功能基因改變的聯(lián)合作用，使腫瘤細胞的輻射敏感性增加，有利于在較低的輻射劑量下殺死更多腫瘤細胞。5氧

氧是最強的放射增敏劑，x或γ射線的OER為2.5~3.0。采取各種手段增加腫瘤部位的含氧量。這類抑制劑包括硝基苯及其衍生物。它們能抑制組織呼吸以增加氧在組織的擴散距離，是原來那些處于乏養(yǎng)狀態(tài)的細胞由于氧含量的增加而再養(yǎng)合，提高了射線對這部分乏養(yǎng)細胞的殺傷作用。6血管生成調(diào)劑劑腫瘤血管靶向藥物所有類型的實體腫瘤細胞都是通過釋放內(nèi)皮細胞生長因子促進新血管的形成，其中極為重要的生長因子有堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)和血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)。針對bFGF和VEGF的抗體有bevazucimab和沙利度胺等，bevazucimab最近被批準作為大腸癌治療藥物，沙利度胺被證明對卡波濟氏肉瘤、多發(fā)性骨髓瘤、前列腺癌、胰島細胞癌等有效。

7修復抑制劑這類修復抑制劑包括對潛在性致死損傷修復（PLDR）和對DNA修復酶的抑制物。發(fā)現(xiàn)1-β-阿糖呋喃腺嘧啶或阿糖腺苷（ara-A）、阿糖腺一磷（ara-AMP）等對PLDR有抑制作用。此外，蟲草素（3’-dA）、CMNa，對PLDR也有較強的抑制作用谷胱甘肽（GSH）在細胞的放射反應(yīng)中有重要的作用，腫瘤細胞內(nèi)GSH含量大小可以直接影響到放療效果。細胞內(nèi)GSH含量降低后，其有氧和乏氧狀態(tài)下放射敏感性均增高，乏氧的更為顯著。因此通過外源性巰基化學修飾劑的加入，使GSH含量減少，會提高射線對腫瘤細胞的殺滅作用。巰基抑制劑包括巰基耗竭劑（順丁烯二酸二乙酯DEM）和細胞內(nèi)巰基合成抑制劑（BSO）。8巰基抑制劑馬藺子提取物馬藺子素

其商品名為安卡，在國內(nèi)已經(jīng)被批準上市。單娟等收集120例惡性腫瘤患者，應(yīng)用馬藺子素合并放射治療對食管癌、肺癌進行放射增敏的前瞻性研究，結(jié)果顯示馬藺子素對放射增敏的近期療效顯著，綜合組完全緩解率為66．67%，單放組完全緩解率為35．00%，差異具有統(tǒng)計學意義;食管癌、肺癌及淋巴結(jié)有轉(zhuǎn)移者，遠期療效均有不同程度的提高。9中草藥紫杉醇類

紫杉醇是一種新型植物類抗微管藥物，國外研究已證明，其具有明顯放射增敏作用，并呈時間依賴性，與藥物濃度無相關(guān)性，并認為藥物濃度一旦達到細胞毒性作用水平后，提高放射增敏效應(yīng)的主要因素取決于藥物作用時間的延長而不是藥物濃度的增加。魏光敏將45例手術(shù)不能切除的Ⅲ～Ⅳ期非小細胞肺癌的患者隨機分為小劑量紫杉醇加放射治療組(A組)和單純放射治療組(B組)進行治療，結(jié)果A組有效率為78．3%，B組有效率為40．9%(P＜0．05)，差異具有統(tǒng)計學意義。10納米材料當物質(zhì)進入納米尺度后，由于其量子效應(yīng)、物質(zhì)局限性以及巨大的比表面積效應(yīng)，其物理、化學性能會發(fā)生變化，表現(xiàn)出許多特殊的功能。

紫杉醇、多西他賽等化療藥物具備放射增敏作用。其制備成納米粒子后，增敏作用大大增強。在Werner等對非小細胞肺癌放射增敏的研究中，紫杉醇納米粒子對H460細胞系和A549細胞系的放射增敏比SER（sensitizerenhancementratio）分別達到了1．12和1．23，而普通紫杉醇SER分別為1．03和1．12，紫杉醇納米粒子表現(xiàn)出更好的增敏效果。貴金屬納米粒子放射增敏

金納米粒（goldnanoparticles，GNPs）是直徑為1～100nm金的締合膠體，具有高電子密度、介電特性和催化性能，大小和形狀依賴的光學和電子特性，能與多種生物大分子結(jié)合且不影響其生物活性等理化性質(zhì)。Hainfeld等使用納米金放療增敏治療的荷顱內(nèi)惡性膠質(zhì)瘤的小鼠1年帶瘤生存率達到了50％，而單獨放療組小鼠150d內(nèi)全部死亡。表明納米金良好的放療增敏作用。

金是高原子序數(shù)的元素，金原子具有很高的電子密

度，當射線(X射線、電子束、質(zhì)子、中子或重離子)輻照到癌細胞或組織中的GNPs的表面時，GNPs表面會發(fā)生康普頓散射(主要發(fā)生在較高的輻射能量下)或是光電效應(yīng)(主要發(fā)生在較低的輻射能量下)，進生大量的次級電子和俄歇電子，兩者將大部分的能量作用于GNPs周圍的組織中，造成癌細胞DNA的直接或是間接損失，最終導致癌細胞的死亡。納米材料的生物學基礎(chǔ)EPR效應(yīng)，即實體瘤的高通透性和滯留效應(yīng)(enhancedpermeabilityandretentioneffect)指的是，相對于正常組織，某些尺寸的分子或顆粒更趨向于聚集在腫瘤組織的性質(zhì)。正常組織中的微血管內(nèi)皮間隙致密、結(jié)構(gòu)完整，大分子和脂質(zhì)顆粒不易透過血管壁，而實體瘤組織中血管豐富、血管壁間隙較寬、結(jié)構(gòu)完整性差，淋巴回流缺失，造成大分子類物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒具有選擇性高通透性和滯留性，這種現(xiàn)象被稱作實體瘤組織的高通透性和滯留效應(yīng)，簡稱EPR效應(yīng)。納米材料改進方式：1、通過表面修飾，提高生物相容性、更容易進入腫瘤細胞。2、主動靶向，通過納米材料載體將抗癌藥物直接運送到腫瘤部位。如下所示（a）Gd-UCNP(NaYF4:Yb/Er@NaGdF4),(b)Gd-UCNP@d1-SiO2,(c)Gd-UCNP@d1-SiO2@d2-SiO2,and(d)UCSNs.內(nèi)核UCNPs（NaYF4:Yb/Er@NaGdF4，Er（鉺）做激活劑，Yb（鐿）作為敏化劑）可用于UCL/T1-MR雙模式成像，外殼二氧化硅空腔可高效裝載抗癌藥物順鉑。順鉑既可以作為化療藥物，殺死腫瘤細胞，又可以作為放療增敏劑，增強X射線對乏氧腫瘤的殺傷作用，從而提高放療效果。系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，放/化協(xié)同治療效果明顯優(yōu)于任何一種單一模式或兩種單一模式的加和治療效果，從而達到協(xié)同高效治療的目的。放射防護劑放射防護劑的定義放射防護劑的作用機理放射防護劑的分類放射防護劑的臨床應(yīng)用放射防護劑的前景放射防護劑

放射防護劑：減輕射線對組織的損傷，并達到對正常組織的保護作用要大于對腫瘤組織的保護。作用機理：1.自由基的清除或鈍化2.氧化應(yīng)激的防御3.對重要蛋白和酶巰基（_SH）保護4.DNA損傷的減輕和修復的增加5.通過信號轉(zhuǎn)導降低細胞輻射敏感性。1、自由基的清除自由基

含有不配對電子的一個原子或一個原子團，它們具有很高的化學活性（R·）。自由基可以是中性，也可以帶電荷（自由基離子）。水解產(chǎn)生的HO·和H·自由基非常活潑。其性質(zhì)與水自發(fā)離解形成的OHˉ和H+離子有別，后者不具有不配對電子，并且化學性質(zhì)不活潑。

在所有被試驗的防護劑中，最有效的防護劑都有一個共同之處，即在分子的一端有一個—SH(或潛在的SH)，在分子的另一端則有一個強的堿性功能基團如胺或胍，中間由兩到三個碳原子的直鏈將它們相連。巰基化合物是對稀疏電離輻射，如x或Y射線的有效防護劑。作用機制包括自由基的清除。2、氧化應(yīng)激的防御

氧化應(yīng)激

生物有機體內(nèi)助氧化劑和抗氧化劑平衡受到破壞而處于有利于前者的一種失調(diào)狀態(tài)。電離輻射是導致氧化應(yīng)激狀態(tài)的重要因素。3、對重要蛋白和酶巰基的保護

輻射防護劑與DNA、膜、重要的蛋白質(zhì)或酶以不同的形式結(jié)合，使之穩(wěn)定，以減輕輻射傷害。

4、通過信號轉(zhuǎn)導降低細胞輻射敏感性

輻射防護劑可以看作是一類信號分子，他們作用于質(zhì)膜上的受體而發(fā)揮防護作用。

放射保護劑的研究主要集中在清除自由基方面。清除了自由基，從而使細胞膜上的脂質(zhì)不受自由基的損害。

1．維生素類如維生素E和維生素C。

2．合巰基化合物如氨基脲、硫腮等能清除羥自由基OH·。

3．超氧化物歧化酶(SOD)

能清除超氧陰離子自由基。

4．半胱氨酸衍生物

氨磷叮（WR—2721）已被應(yīng)用于臨床，也是當今研究最熱門的藥物。

放射防護劑的類型臨床應(yīng)用

WR-2721

以下兩個表列出了WR-2721對16種不同腫瘤的實驗結(jié)果，除肝癌外，WR-272