放射生物學基礎2課件.ppt

1、放射生物學基礎,南方醫(yī)院放療科 石玉生,第二章 電離輻射的細胞效應,第四節(jié)、細胞周期時相與放射敏感性 （1） 細胞周期：兩次有效的有絲分裂之間的時間，稱為有絲分裂周期時間（mitotic-cycle time），通常叫做細胞周期時間。細胞周期時間分裂期（M期）間期；間期又包括DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）、DNA合成后期（G2期）。普通光學顯微鏡只能觀測到M期，其它時相無法區(qū)分。,第二章 電離輻射的細胞效應,1953年Howard和Pelc使用放射自顯影技術，用含有3H的TdR培養(yǎng)細胞，細胞中摻入放射性胸腺嘧啶，洗去多余的3H-TdR，進行固定、染色和觀察，第一次揭示出了細胞周

2、期各個時相。利用流式細胞光度術測定細胞DNA含量，并測算細胞周期時相，細胞固定、熒光染色、以特定波長激光激發(fā)、細胞發(fā)出熒光，期強度與DNA含量成正比，然后分析數(shù)據(jù)?？蓹z測細胞周期：第一蜂：G1期，第2蜂：S期，第3蜂：G2+M期。,第二章 電離輻射的細胞效應,第二章 電離輻射的細胞效應,（2） 細胞周期時相與放射敏感性 離體培養(yǎng)分裂細胞的同步化，通過細胞培養(yǎng)技術和藥物進行干預，在一定時間內使離體培養(yǎng)細胞群體中的所有細胞處于細胞周期的同一時相內。細胞周期同步化后在不同時間進行照射，就可得到不同時相細胞的劑量效應。細胞周期中不同時相細胞的放射敏感性不同。,第二章 電離輻射的細胞效應,有絲分裂期細胞

3、或接近有絲分裂期的細胞最敏感。 晚S期細胞有較大抗拒性。 G1早期細胞相對輻射抗拒，其后逐漸敏感，G1期末相對更敏感。 G2期細胞較敏感，其敏感性與M期的細胞相似。 G0期細胞輻射抗拒。,第二章 電離輻射的細胞效應,第二章 電離輻射的細胞效應,（3）細胞周期時相效應在放射治療中的意義： 對非同步化細胞進行單次放射線照射，不同時相細胞放射敏感性不同。 敏感細胞被殺滅，一次照射后總效應是細胞群體的同步化。 留下來的細胞處于對射線相對耐受的時相，分次照射之間，細胞通過周期進入更敏感的時相（再分布），增加了分次放療方案中以后照射的放射敏感性。,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,第一節(jié)、 腫瘤的增殖動力學

4、一、腫瘤的細胞動力學層次 活躍分裂的細胞。是所有新生細胞來源。稱為P細胞或增殖細胞。生長比例（growth fraction ,GF）：該層次細胞在整個腫瘤細胞群中所占的比例。 靜止的G0期細胞，G0期細胞通常稱為Q細胞或靜止細胞。G0期細胞可再進入細胞周期，有些G0期細胞是克隆源性的，危險，治療中需殺滅它。 分化的終末細胞，不再具有分裂的能力，對病人無嚴重威脅，但可構成一定的體積，產生占位或壓迫。 已死亡及正在死亡的細胞。特征：腫瘤壞死。,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,以上是腫瘤實質細胞，其它參與形成腫瘤包塊的主要是間質，包括纖維細胞、血細胞、血管組織等，有時腫瘤間質比腫瘤實質成分還多。臨床

5、上實質成分多質軟，間質成分多質硬。 腫瘤細胞從一個層次向另一個層次轉化是持續(xù)發(fā)生的，在一些治療的進行期間或之后出現(xiàn)細胞從Q層向P層次移動，稱作再補充（recruitment）。從P到Q的轉化也同時存在；另有一些細胞因營養(yǎng)不良而不能繼續(xù)分裂；有些細胞由于自然分化進程不能夠進入分化層次；細胞丟失：活性的轉移、死亡細胞吸收。,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,二、 腫瘤的生長速度 腫瘤體積倍增時間（tumor volume doubling time ,Td）是描述腫瘤生長速度的重要參數(shù)，由三個主要決定因素所決定：細胞周期時間（the cell cycle time ,Tc）；生長比例（the grow

6、th fraction ,GF）；細胞丟失率（the rate of cell loss）。如果細胞周期時間短、生長比例高、細胞丟失少，則腫瘤增長速度塊。 潛在倍增時間（potential doubling time ,T pot），用來描述腫瘤生長速度的理論參數(shù)，定義：假設在沒有細胞丟失 的情況下，腫瘤細胞群體增加一倍所需要的時間。這取決于細胞周期時間和生長比例。 潛在倍增時間可以通過測定胸腺嘧啶標記數(shù)（LI）或S期比例（S-Phase fraction）獲得：T potTs/LI 細胞丟失因子（cell loss factor），腫瘤細胞的丟失可以通過計算細胞丟失因子來表達。細胞丟失因子=

7、1- T pot/Td,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,（2）腫瘤的指數(shù)性生長和非指數(shù)性生長 指數(shù)性生長：腫瘤體積在相等的時間間隔內以一個恒定的比例增加。 V=exp(0.693T/Td) 0.693是Ln2，T是時間。 腫瘤體積的對數(shù)隨時間呈線性生長，這是最簡單的生長模式，理論上必需滿足：所有細胞均在增殖，并且沒有細胞丟失，也就是說腫瘤倍增時間等于細胞周期時間。實際上腫瘤生長的倍增時間要長于細胞周期時間，因為存在細胞丟失和去周期化，腫瘤生長是非指數(shù)性的。,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,表3-3-1 人腫瘤的典型動力學參數(shù) 細胞周期時間（2天） 潛在倍增時間（5天） 生長比例（40） 體積倍增時

8、間（60天） 細胞丟失（90%）,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,（3）人體腫瘤的生長速度 原發(fā)灶、轉移造、不同類腫瘤，不同病例類型腫瘤，不同宿主以及生長在同一宿主的不同部位，人體腫瘤體積倍增時間均不相同，時間范圍非常寬。 腫瘤患者的疾病進程依賴于腫瘤的生長速度和治療的有效性。,第三章 輻射對腫瘤組織的作用,第二節(jié)、從實驗腫瘤的放射生物學研究中得到的一些結論 腫瘤體積效應, 大腫瘤比小腫瘤難治愈。大腫瘤內克隆源細胞數(shù)多。大腫瘤中的克隆源細胞對治療的敏感性更小。 再群體化的加速, 在照射后存活下來的克隆源性細胞可能使腫瘤很快再群體化。腫瘤體積不能很好地反映克隆源性細胞的殺滅情況。 瘤床效應 乏氧和

9、再氧合,第四章 正常組織及器官的放射效應,相對于腫瘤組織而言，正常組織細胞的增殖是有規(guī)律的，細胞的增殖是受控制的。成人組織正常狀態(tài)下細胞繁殖和細胞丟失是平衡的，更新快的細胞（腸粘膜上皮細胞）被稱為轉化組織或結構等級制約組織，細胞丟失因子是1；而有絲分裂后組織（神經細胞），細胞丟失因子是0。 正常組織細胞之間形成復雜結構，細胞的生、死維持著精確的平衡，使機體的組織結構及構成組織的細胞保持在穩(wěn)定狀態(tài)。,第四章 正常組織及器官的放射效應,第一節(jié)、 正常組織的結構組分 （1）正常組織中的細胞分化層次 第一種類型：結構等級制約組織（hierarchical tissue)，在這種組織中干細胞群、擴增細胞

10、群、功能細胞群之間有清楚的界限。 干細胞（stem cell）: 指可以分裂很多次并形成有一定分化特征的可辨認的干細胞和即將分化的細胞。干細胞具有自我繁殖能力，它能避開細胞分裂與細胞分化之間的聯(lián)系。而其他細胞在每次有絲分裂后就會失去部分分化潛能而最終分化成不分裂的功能性細胞。干細胞大部分處于G0期，受到刺激后很快進入細胞周期。,第四章 正常組織及器官的放射效應,分化或功能細胞（differentiated or function cells）， 是與干細胞完全不同的另一層的細胞（如血液循環(huán)中的粒細胞和小腸粘膜絨毛細胞），這些細胞沒有分裂能力，最終衰老死亡。 正在成熟的細胞（maturating

11、 cells），在干細胞和分化的功能細胞之間存在著一個由正在成熟細胞組成的中間層次。分化的干細胞后代在分化進程中倍增，如骨髓中的幼紅細胞（erythroblats）和成熟粒細胞（granuloblats）。 第二種類型：靈活組織（flexible tissue），特點是細胞層次間沒有明顯界限，其中至少有一部分功能性細胞具有自我更新能力。,第四章 正常組織及器官的放射效應,（2） 早期組織和晚期反應組織 早反應組織和晚反應組織，根據(jù)正常組織不同的生物學特性及對電離輻射的不同反應，將正常組織分為：早反應組織（early or acute responding tissue ）和晚反應組織（slow

12、 or late effects tissue），目的是為了進行生物劑量的等效換算。 早反應組織特點：細胞更新快，照射后的損傷很快就表現(xiàn)出來；a/比值高（8-10）；損傷后以活躍的細胞增殖來維持細胞數(shù)量進而使損傷得到恢復。 晚反應組織的特點：組織中細胞群體更新很慢（如神經組織）；損傷很晚才表現(xiàn)出來；a/比值低（2-3）。損傷后往往需要臨近結構其它組織細胞來修復。,第四章 正常組織及器官的放射效應,早、晚反應組織與分次放療：兩種組織在分次效應上存在差別，晚反應組織比早反應組織對分次劑量變化更敏感。加大分次劑量晚反應組織損傷加重，當分次劑量大于2Gy時，晚期并發(fā)癥明顯增加。 早、晚反應組織與治療時

13、間：由于晚反應組織更新慢，放療期間不發(fā)生代償性增殖，因此對治療時間變化不敏感，縮短治療時間會增加對腫瘤細胞的殺滅，但不會增加晚期并發(fā)癥。早反應組織對治療時間反應敏感，縮短治療時間早反應組織損傷加重。早反應組織對射線的反應類似于腫瘤組織。,第四章 正常組織及器官的放射效應,第二節(jié)、早期和晚期放射反應的發(fā)生機制 （1） 早期放射反應的發(fā)生機制，反應的發(fā)生由等級制約系統(tǒng)產生，反應發(fā)生時間取決于分化了的功能細胞的壽命，反應的嚴重程度反映了死亡與干細胞再生之間的平衡。 （2）晚期放射反應的發(fā)生機制-經典及分子機制 經典概念：晚期反應是指實質細胞耗竭后無力再生而最終導致的纖維化。分子機制：靶細胞受到照射后

14、，由于它是多細胞的，因此導致細胞因子級聯(lián)效應的產生，是細胞得以恢復和表達晚期效應信息的擴增載體。目前認為：受照射后由于細胞因子和生長因子所介導的各種細胞群之間的相互作用，最終導致了晚期放射損傷形成。細胞因子和生長因子的識別是一個即刻時間的過程，同時也是雙向的，提示某些細胞因子結合物的抑制或擴增最終將決定臨床事件的過程。死亡的靶細胞決定臨床過程的方向，但存活細胞通過細胞因子的級聯(lián)效應決定晚期可觀察到的臨床表現(xiàn)。,第四章 正常組織及器官的放射效應,對于早反應組織而言，靶細胞的特征清楚，相反晚反應組織潛伏期較長。有些組織同時存在早期、晚期反應發(fā)生機制。 早、晚反應組織的區(qū)分對腫瘤治療意義重大，早期損傷治療期間即可觀察到，治療期間對劑量進行調整，以保持有足夠的干細胞進行修復。晚反應組織損傷表現(xiàn)較晚，多沒有足夠的干細胞來修復，取代以纖維化瘢痕，可產生嚴重的并發(fā)癥。,第四章 正常組織及器官的放射效應,第三節(jié)、正常組織的體積效應 組織結構耐受（structural tissue tolerance），結構性組織耐受取決于細胞的放射敏感性以及內在限定體積內使成熟細胞群保持臨界水平以上的干細胞活力。 功能性耐受（functional tolerance），功能性耐受取決于作為一個整體的器官是