放射腫瘤學基礎(chǔ)

1、第十二章,主講：王珍琦衛(wèi)生部放射生物學重點實驗室吉林大學 放射生物學教研室2014年11月17日,,放射腫瘤學基礎(chǔ)或腫瘤放射生物學是放射生物學的重要分支，是在放射生物學研究的基礎(chǔ)上，探討腫瘤組織對電離輻射局部作用的反應特點，為臨床放射治療提供理論基礎(chǔ)，其目的是設(shè)計合理的治療方案，以提高射線對腫瘤的殺傷作用，減輕正常組織的損傷，從而提高腫瘤放射治療的效率。,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學 第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應第三

2、節(jié) 腫瘤放射敏感性第四節(jié) 放射治療中的分次照射,第十二章 放射腫瘤學基礎(chǔ),前 言,研究腫瘤細胞群的增殖動力學，是觀察細胞的運動，以形容一個細胞群的生長來說明腫瘤細胞總數(shù)的變化，而不是個體細胞的循環(huán)；由于正常細胞群和腫瘤細胞群增殖動力學的差異，射線對它們產(chǎn)生不同的影響和損傷，通過改變影響因素，擴大損傷差異，為提高腫瘤治療療效提供細胞學基礎(chǔ)。,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群二、腫瘤細胞動

3、力學參數(shù)三、腫瘤細胞增殖動力學特點四、人類腫瘤的生長動力學,,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群,腫瘤是生物體內(nèi)按自身規(guī)律增殖的細胞群，它的增殖不受機體的正常穩(wěn)定控制系統(tǒng)約束。增殖細胞（proliferating cell, P細胞） ： 由活躍的具有分裂增殖能力的細胞組成，是腫瘤體積增長的主要來源。增殖細胞占整個腫瘤細胞群體的比例稱為生長比例；能不斷增殖的腫瘤細胞稱為克隆源性細胞（clonogenic cell）

4、，其特性是能夠不斷分裂增殖。靜止細胞（quiescent cell, Q細胞） ：G0期細胞，保持生長能力，復發(fā)根源由分化的終末細胞組成的細胞群 ：無增殖能力的衰老細胞，從腫瘤治療角度看已死亡。由已死亡或正在死亡的細胞組成的細胞群：即將從細胞群內(nèi)排除的細胞群,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群二、腫瘤細胞動力學參數(shù)三、腫瘤細胞增殖動力學特點四、人類腫瘤的生長動力學,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),（一）

5、細胞周期各時相的定量估算 （二）細胞周期各時相時間測定,有絲分裂指數(shù)（mitotic index, MI） 有絲分裂時間占細胞周期時間的比例 MI=Tm/Tc Tm為有絲分裂時間；Tc為細胞周期時間 標記指數(shù)（labeling index, LI） DNA合成時間(Ts)占細胞周期時間(Tc)的比例 LI= Ts/ Tc,（一）細胞周期各時相的定量估算,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),LI的3H-Td

6、R法測定,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),（一）細胞周期各時相的定量估算 （二）細胞周期各時相時間測定,標記有絲分裂百分率法（PLM）：原理是對測定細胞進行脈沖標記、定時取材、利用放射自顯影技術(shù)顯示標記細胞，通過統(tǒng)計標記有絲分裂細胞百分數(shù)的辦法來測定細胞周期。,（二）細胞周期各時相時間測定,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),Tc=TG1+Ts+TG2+Tm,待測細胞經(jīng)3H-TDR標記后，所有S 期細胞均被標記。S期細胞經(jīng)G2期才進入M期，所以

7、一 段時間內(nèi)PLM=0。開始出現(xiàn)標記M期細胞時，表示處 于S期最后階段的細胞，已渡過G2 期，所以從PLM=0到出現(xiàn)PLM的時 間間隔為TG2。S期細胞逐漸進入M期，PLM上升， 到達到最高點的時候說明來自處于S 最后階段的細胞，已完成M，進入 G1期。所以從開始出現(xiàn)到PLM達到 最高點（≈100%）的時間間隔就是 TM。當PLM開始下降時，表明處于S期最 初階段的細胞也已進入M

8、期，所以 出現(xiàn)PLM到PLM又開始下降的一段 時間等于TS。從PLM出現(xiàn)到下一次PLM出現(xiàn)的時 間間隔就等于TC，根據(jù) TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的 TG1長度。,,,,,,TG2,Tm,TC,TS,TG1+ TG2,a,b,c,d,e,f,g,h,i,a,b,c,d,e,f,,,,,,,Tc=TG1+Ts+TG2+Tm,,待測細胞經(jīng)3H-TDR標記后，所有S期細胞均被標記。S期細胞經(jīng)G2期才進入M

9、期，所以一段時間內(nèi)PLM=0。開始出現(xiàn)標記M期細胞時，表示處于S期最后階段的細胞，已渡過G2期，所以從PLM=0到出現(xiàn)PLM的時間間隔為TG2。S期細胞逐漸進入M期，PLM上升，到達到最高點的時候說明來自處于S最后階段的細胞，已完成M，進入G1期。所以從開始出現(xiàn)到PLM達到最高點（≈100%）的時間間隔就是TM。當PLM開始下降時，表明處于S期最初階段的細胞也已進入M期，所以出現(xiàn)PLM到PLM又開始下降的一段時間等于TS。從PL

10、M出現(xiàn)到下一次PLM出現(xiàn)的時間間隔就等于TC，根據(jù)TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1長度。,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),曲線峰值,50%處水平距離,有把握確定的點只有曲線峰值和50%處水平距離第一峰的寬度相當于Ts: 即由曲線上升段的50%處到曲線下降段50%處之間的時間。整個周期時間Tc為相繼兩個峰值之間的時間。用另外的實驗可計算有絲分裂指數(shù)（MI）。因為MI = Tm/Tc，Tc已知，所以Tm可由計算求得。從脈沖標

11、記開始到曲線上升段50%處的時間為TG2 + Tm/2時間，因為Tm已知，所以可由計算求得TG2。此時，由于Tc及其它各時相時間均已知，則可由前式求得TG1值,,,離體培養(yǎng)細胞和實驗動物腫瘤細胞周期及其組成部分,二、腫瘤細胞動力學參數(shù),第一節(jié) 腫瘤細胞動力學,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群二、腫瘤細胞動力學參數(shù)三、腫瘤細胞增殖動力學特點四、人類腫瘤的生長動力學,三、腫瘤細胞增殖動力學特點,細胞周期時間：不同類型腫瘤細胞的

12、細胞周期時間（TC）不同；同一腫瘤在不同情況下也有TC的不同。在人類腫瘤中，許多研究指出，細胞周期時間在15h到＞100 h，平均2.3d 。生長分數(shù)（growth fraction）：細胞群體中有增殖能力的細胞數(shù)與細胞總數(shù)之比值： 上述的標記指數(shù)（LI）大體上等于細胞群體的生長分數(shù)。盡管實體瘤因來源物種、分化程度和組織類型不同，但大體處于30% ~ 50%之間。,確定腫瘤生長速率主要考慮以下因素：,細胞丟失系數(shù)（Φ）：

13、代表腫瘤潛在生長能力的丟失情況。代表細胞丟失率與新的細胞產(chǎn)生率之比。 Φ=1-Tp/TdTp: 潛在腫瘤倍增時間，在此時間內(nèi)，腫瘤體積增加一倍；Td：實際腫瘤倍增時間。變化幅度大：0-90%，細胞丟失是影響腫瘤生長的重要因素。,細胞的生長與丟失,三、腫瘤細胞增殖動力學特點,腫瘤的生長速率是細胞增殖與細胞丟失相平衡的結(jié)果。多數(shù)情況下，腫瘤的生長速率比已知的腫瘤細胞周期時間和生長分數(shù)所應有的生長速率要慢得多。這個差

14、別是由于細胞丟失所造成的。,細胞丟失 途徑：營養(yǎng)不良性壞死 遠離血管的細胞；細胞增殖死亡死于免疫打擊轉(zhuǎn)移脫落 結(jié)論 如果細胞周期時間短、生長分數(shù)較高、細胞丟失少，那么腫瘤生長較快 。,三、腫瘤細胞增殖動力學特點,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群二、腫瘤細胞動力學參數(shù)三、腫瘤細胞增殖動力學特點四、人類腫瘤的生長動力學,四、人類腫瘤的生長動力學,人體腫瘤的倍增時間差異很大，隨人

15、而異。相同組織類型的腫瘤發(fā)生在不同病人身上，其生長速率有很大差異。相反，發(fā)生在同一病人身體上的不同轉(zhuǎn)移癌卻具有相近似的生長速率。同時觀察到，腫瘤生長速率與組織學類型之間也有一定的聯(lián)系。 倍增時間依次為：胚胎瘤27 d，惡性淋巴瘤29 d，腸系膜肉瘤41 d，鱗狀上皮癌58 d，腺癌82 d。 倍增時間還似乎與分化程度有關(guān)，低分化癌通常增長較快。 90%腫瘤的細胞周期時間為15 ~ 125 h。 惡性細胞的

16、周期時間遠比對應的正常組織細胞周期短（源于迅速增殖的正常組織的腫瘤除外，如白血病或胃腸道腫瘤則不在此列）。與轉(zhuǎn)移癌相比較，原發(fā)癌的生長明顯緩慢。,表14-2 原發(fā)人體腫瘤與同體轉(zhuǎn)移瘤倍增時間的比較,括號內(nèi)為病人數(shù),表中數(shù)據(jù)表明，與轉(zhuǎn)移癌相比，原發(fā)癌的生長明顯緩慢,本次課內(nèi)容,一、根據(jù)腫瘤細胞增殖動力學劃分的細胞群二、腫瘤細胞動力學參數(shù)三、腫瘤細胞增殖動力學特點四、人類腫瘤的生長動力學,重 點,腫瘤細胞增殖動力學特點,

17、要求掌握的內(nèi)容,一、解釋下列術(shù)語：有絲分裂指數(shù)（MI） ，標記指數(shù)（LI）， 標記有絲分裂百分率法（PLM）,生長分數(shù)（GF）, 丟失系數(shù)（Φ）：二、回答下列問題：試述決定腫瘤生長速率的因素.,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學 第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應第三節(jié) 腫瘤放射敏感性第四節(jié) 放射治療中的分次照射,第十二章 放射腫瘤學基礎(chǔ),由于正常細胞群和腫瘤細胞群（cell population）在增殖動力學上的差異，以及其

18、在損傷恢復能力上、結(jié)構(gòu)特點上的不同，使其對輻射反應不同。也就是說，射線可以對這兩種細胞群產(chǎn)生不同的影響和損傷，并且可以通過不同影響因素擴大損傷的差距。認真研究腫瘤細胞對輻射反應的特點及其與正常細胞的差異，是提高腫瘤臨床放射治療效果的基礎(chǔ)。,前 言,第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應,一、腫瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,SF是D劑量照射后的細胞

19、存活率，α和β是常數(shù)。當αD=βD2或D=α/β時，細胞殺死與劑量成正比例和與劑量平方成正比例的組成部分相等。既線性和二次細胞殺滅的貢獻相等時的劑量等于α與β的比值。參數(shù)α代表起始斜率，決定低劑量照射下?lián)p傷的程度，參數(shù)β代表效應的超線性部分，它的貢獻隨劑量增加而加大。當線性部分和二次方部分對殺滅的細胞貢獻相等時其劑量等于α和β的比值，即α/β。,線性二次方程：SF=e -αD-βD2,,,一、腫瘤快增殖細胞反應,早反應組織（early

20、response tissue)亦稱快更新組織（fast renew tissue)，是指那些分裂、增殖活躍，對射線早期反應強烈的正常組織和大多數(shù)腫瘤組織。早反應組織主要表現(xiàn)為急性反應，有些組織內(nèi)的干細胞在放療開始1 ~ 2 d內(nèi)就開始增殖，一般為照射后2到3周開始再生，如粘膜、小腸絨毛細胞、皮膚、骨髓和精原細胞等。應適當延長放射治療的時間。因為治療速度過快會引起早反應組織的嚴重反應，影響療效。 晚反應組織（late respon

21、se tissue)亦稱慢更新組織(slow renew tissue)，是一些已經(jīng)分化的緩慢更新器官，無再增殖能力，損傷后僅以修復代償其正常功能的細胞組織，一般都有纖維細胞和其它結(jié)締組織的過度生長，形成廣泛的纖維化。另外，還有內(nèi)皮細胞的損傷，最終造成血供減少及器官特定功能的緩慢喪失。在晚反應正常組織中，肺臟、脊髓、膀胱、腦、肝臟、腎臟和骨骼組織受照射后的損傷往往由鄰近細胞的復制（功能細胞進入分裂周期）來代償，而不是干細胞分裂分化成終末

22、細胞的結(jié)果。如果腫瘤周圍是晚反應組織，則增加分次照射的次數(shù)，以得到縮短總治療時間，加速治療的目的。,一、腫瘤快增殖細胞反應,大多數(shù)腫瘤都含有相當比例的快增殖細胞（fast proliferation cell），因此屬于早反應組織，其反應類似于早反應的正常組織。放射反應的速度并不能衡量腫瘤的放射敏感性。 放射反應的速度取決于 ①腫瘤內(nèi)克隆原性細胞的增殖動力學

23、 ②腫瘤細胞的壽命。所有腫瘤一次照射后都有腫瘤體積的縮小，照射前生長慢的腫瘤照射后體積縮小到最小的時間長，隨后又有一個較前更快的生長使腫瘤體積再次增大，有的腫瘤照射后的體積倍增時間比照射前加快5倍，隨后慢慢恢復到原來的增長速度。,第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應,一、腫瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,二、腫瘤細胞群反

24、應,腫瘤細胞群依其增殖動力學分為增殖細胞、靜止細胞、由分化的終末細胞組成的細胞群。腫瘤細胞受電離輻射照射后，有自己的、與正常細胞不同的反應系統(tǒng)，在不同腫瘤之間的反應也極為不同。這種對射線反應上的差別是臨床上能夠利用射線治療腫瘤的理論基礎(chǔ)。,二、腫瘤細胞群反應,多數(shù)腫瘤細胞周期較短，處于增殖期的細胞較多，生長比率較大，對射線敏感，因此受致死性損傷或其它損傷較正常細胞多 。照射后細胞群內(nèi)細胞周期再分布可以改變細胞群的敏感性。正常細胞一般

25、增殖比較緩慢，PLD明顯；腫瘤細胞增殖比較活躍，PLD較少。分次照射之間的細胞再增殖可部分抵消照射的殺傷作用。有一些腫瘤增長較慢，是由于細胞丟失率太高造成的。 腫瘤組織受照射縮小后，可能有再生長加速現(xiàn)象，因此療程不宜過長；腫瘤細胞受照后恢復較慢，實驗腫瘤在照射后可見G2期有顯著延長，這可能是由于腫瘤組織內(nèi)一部分細胞處于慢性乏氧狀態(tài)，亞致死性損傷修復較慢的原因。,影響腫瘤細胞群對電離輻射反應的相關(guān)因素：,G2/M,G1,ES,LS

26、,G1,S,G2,M,G2/M,G1,ES,LS,>,>,>,二、腫瘤細胞群反應,結(jié)論：對人體腫瘤的觀察發(fā)現(xiàn)細胞增殖率及細胞丟失率和放射敏感性之間有明顯的關(guān)系，凡平均生長速度快、生長比例及細胞更新率高的腫瘤對放射較敏感。,第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應,一、腫瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,三、腫瘤內(nèi)血管的反應,腫瘤血管生成的過程

27、,新生血管形成與惡性腫瘤,,,,,,,,,,,,,,,,,腫瘤細胞產(chǎn)生,腫瘤組織形成,腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移和浸潤,原癌基因和抑癌基因突變,分泌血管生長因子,分泌蛋白酶水解酶,三、腫瘤內(nèi)血管的反應,腫瘤與血管生成的關(guān)系： 腫瘤組織大于1mm3時，需要生成新的血管為其繼續(xù)增殖提供足夠的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，排除代謝產(chǎn)物，同時腫瘤細胞通過血管向四周組織和器官侵入，發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，新血管的生成是腫瘤迅速增殖和轉(zhuǎn)移的重要條件。,三、腫瘤內(nèi)血管的反應,

28、首先，原來造成靜脈和淋巴管閉塞的膨脹壓力，以及可能存在的反射性循環(huán)變慢或絞窄的病理變化，均能得到緩解。其次．當腫瘤繼續(xù)縮小時，組織中毛細血管密度增加，可以使腫瘤內(nèi)血管成份從10% ~ 25%增加到25% ~ 30%，反過來又可以使腫瘤細胞有較好的血運及氧合。腫瘤進一步縮小時，毛細血管大多數(shù)會消失，僅留一纖維瘢痕。放射抗拒的腫瘤，腫瘤細胞的丟失很可能是間接的后果。,電離輻射引起腫瘤內(nèi)血管的改變：,第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應,一、腫

29、瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,四、照射后腫瘤組織的恢復與生長,由于正常組織有自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)，因此每次照射后正常組織及腫瘤組織的恢復及生長情況都不同：正常組織受照射后細胞增殖周期的恢復較腫瘤細胞為快。實驗腫瘤照射后可見G2期有顯著的延長，這是由于腫瘤組織內(nèi)一部分細胞處于慢性乏氧狀態(tài)，因此亞致死損傷的修復較慢； 照射后腫瘤可能有暫時的加速生長，

30、但這種生長速度比不上正常組織為填補損傷而出現(xiàn)的增殖加速。腫瘤細胞群內(nèi)的生長比例原來就較正常組織為大，處于細胞周期活動的細胞多，受致死損傷的就比正常組織多，受其它不同程度損傷的也較正常組織多。,第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應,一、腫瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,（一）S形劑量-存活曲線,腫瘤局部控制率的正常組織并發(fā)癥

31、發(fā)生率與劑量的關(guān)系,即在較小劑量時無致死效應，隨著劑量增高，致死效應迅速增大；在腫瘤致死效應約80% ~ 90%處的照射劑量能使腫瘤細胞全部被消滅，該劑量點以上，劑量顯著增大而致死效應只略為增高。當照射劑量達到一定數(shù)值雖可使腫瘤細胞全部死亡，但該劑量往往已超過正常組織的耐受量。,,,,五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,第1相（A）的存活率主要與腫瘤的有氧細胞有關(guān)；第2相（B）的存活率主要與乏氧細胞有關(guān)。表明有氧細胞的輻射敏感性比

32、乏氧細胞強。,（二）體內(nèi)照射的劑量存活曲線,WHT/Ht小鼠的鱗狀上皮癌的存活曲線,,,,A,,B,,C,,五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,體內(nèi)腫瘤照射后腫瘤細胞的存活曲線是雙相性。第一相的存活率主要與腫瘤的有氧細胞有關(guān)；第二相的存活率主要與乏氧細胞有關(guān)。小劑量照射——死亡的細胞大部分是有氧細胞，乏氧細胞則死亡不多，所以存活率主要與有氧細胞的改變有關(guān)；大劑量照射——有氧細胞幾乎全部死亡，所以在此情況下，存活率主要取決于乏氧細胞的變化

33、。,（二）體內(nèi)照射的劑量存活曲線,本次課內(nèi)容,一、腫瘤快增殖細胞反應二、腫瘤細胞群反應三、腫瘤內(nèi)血管的反應四、照射后腫瘤組織的恢復與生長五、腫瘤的輻射劑量-效應曲線,要求掌握的內(nèi)容,一、解釋下列術(shù)語： 早反應組織，晚反應組織二、回答下列問題：試述腫瘤的輻射劑量-效應曲線的特點。,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學 第二節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應第三節(jié) 腫瘤放射敏感性第四節(jié) 放射治療中的分次照射,第十二章 放

34、射腫瘤學基礎(chǔ),第三節(jié) 腫瘤放射敏感性,一、腫瘤放射敏感性二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素三、放射敏感性的預測,一、腫瘤放射敏感性,① 腫瘤的組織來源不同對放射線的敏感程度不同，起源于對放射線敏感組織的腫瘤，較起源于對放射線抗拒組織的腫瘤對放療敏感程度高。惡性淋巴瘤、精原細胞瘤 ② 腫瘤細胞的分化程度不同放療敏感程度也不同，同一類腫瘤的分化程度越差，即惡性程度越高，增殖能力越強，也即生長越快對放療越敏感。如Ⅰ級星形細胞瘤對放療不敏

35、感，而Ⅱ和Ⅲ級星形細胞瘤則相對敏感。③ 腫瘤生長方式對放療敏感性也有影響，凡向表面生長的腫瘤，如表淺型和菜花型，對放療較敏感，而向深部浸潤生長的如浸潤型和潰瘍型腫瘤，敏感性差。④ 病程的早晚對放療敏感也有影響，早期腫瘤體積小，血運好、乏氧細胞少或無，對放療敏感而易于被殺滅；當腫瘤已屬晚期，體積增大，腫瘤血運較差，乏氧細胞增多，有時甚至出現(xiàn)中心部缺氧壞死、液化，放療敏感性則降低，治療效果差。,腫瘤細胞的組織來源、分化程度、生長方式和病

36、程早晚的不同可以影響放射敏感性：,一、腫瘤放射敏感性,第三節(jié) 腫瘤放射敏感性,一、腫瘤放射敏感性二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素三、放射敏感性的預測,前 言,影響腫瘤放射敏感性的差別還包括所處的微環(huán)境，其中最重要的就是腫瘤細胞的氧合狀態(tài)，即乏氧細胞在腫瘤內(nèi)的比例變化。然而，在任何情況下，氧效應都不足以解釋臨床所見的所有差異，還必須考慮一些其他的因素，如增殖動力學的差異、腫瘤干細胞及表觀修飾、DNA損傷及修復、細胞周期以及腫瘤

37、內(nèi)在的放射敏感性差異等。,二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,1. 乏氧細胞及組織氧合2. 乏氧細胞形成機制 3. 乏氧引起放射抗拒的機制4. 靶向乏氧提高放療效果,（一）氧合狀態(tài),乏氧細胞,normoxiccomponent,hypoxiccomponent,,,,,Lymphosarcoma,Two-c

38、omponent curve,第一部分D0: 1.1Gy第二部分D0: 2.6Gy,一部分含氧細胞，對輻射敏感一部分乏氧細胞，對輻射不敏感,乏氧細胞,概念,特點,結(jié)局,解決途徑,是指氧含量非常低、對輻射敏感性極低的細胞。,腫瘤乏氧細胞在新陳代謝、分子遺傳學及病理生理方面發(fā)生改變, 對放療和化療抗拒導致腫瘤局部復發(fā)、遠處轉(zhuǎn)移和預后不良。,使乏氧細胞再氧和。,乏氧細胞比例一般在10%-20%,也有高達50%和少于1%者；其比例高低與腫

39、瘤的細胞學類型及增長速率有關(guān), 通常比例隨腫 瘤體積增大而增加。,乏氧細胞,Diffusion of oxygen through a capillary in tumor tissue,,乏氧細胞,慢性乏氧細胞：Thomlinson和Gray在觀察大量人支氣管癌切片標本中發(fā)現(xiàn)，在瘤索半徑超過200 μm時，中心部有壞死，半徑小于160 μm的瘤索無壞死。在兩者之間有一層氧張力較低的細胞，稱之為乏氧細胞，由于它們距離血管較遠，

40、氧和營養(yǎng)物質(zhì)的供應不足，細胞失去增殖能力。腫瘤內(nèi)這些乏氧細胞一般稱為慢性乏氧細胞。急性乏氧細胞：當實驗需要，采用人為方法（如機械方式阻斷或減慢血流）使原來氧充分的細胞造成乏氧，或在離體實驗需要時通入純氮氣使細胞乏氧，稱為急性乏氧細胞。,,Acute and Chronic Hypoxia in Tissue,,,,,,,,乏氧細胞,實驗腫瘤的乏氧細胞百分比,乏氧細胞,乏氧細胞的比例高低與腫瘤的細胞學類型及增生速率有關(guān)，通常比例隨腫瘤體

41、積增大而增加，據(jù)報道當腫瘤體積由200 mm3增大到2000 mm3時，小鼠纖維肉瘤KHT肉瘤中乏氧細胞比例可由12%增加到23%，但RIF-1腫瘤中則只由0.9%增加到1.7%，而人的OWI腫瘤中乏氧細胞的比例則無明顯變化。,乏氧細胞,1 Air curvemice breathing airmixture of hypoxic and aerated cells2 Hypoxic curvemice asphyxiat

42、ed by breathing N2 or cells irradiated in vitro in N23 Oxic curvecells in vitro in O2,1,2,3,Hypoxic Cell Fraction in Mouse Tumor,組織氧合,含不同百分比的乏氧細胞單次照射后的存活曲線,0.001%乏氧,100%乏氧,10%乏氧,0. 1%乏氧,完全有氧,完全乏氧,,,組織氧合,Hewitt和Wilson設(shè)

43、計了含有不同比例乏氧細胞存活率的實驗，繪出了含有不同百分比的乏氧細胞在單次照射時的細胞存活曲線。圖中清楚地表明，當乏氧細胞的百分含量減少時，在相同的照射劑量下，細胞的存活數(shù)也減少，也就是說當組織合氧狀況良好時，乏氧細胞含量降低，在同一劑量的射線照射下，細胞的存活率下降，即細胞對射線的敏感性增加。根據(jù)這些實驗，用改變組織氧合的方式，來提高臨床上對腫瘤放射治療的治愈率。,1. 乏氧細胞及組織氧合2. 乏氧細胞形成機制 3. 乏氧引起放射

44、抗拒的機制4. 靶向乏氧提高放療效果,（一）氧合狀態(tài),2. 乏氧細胞形成機制,幾乎所有的實體瘤中均有乏氧細胞存在。乏氧細胞比例一般在10% ~ 20%左右，也有高達50%和少于1%者；其比例高低與腫瘤的細胞學類型及增生速率有關(guān)，通常比例隨腫瘤體積增大而增加。 主要通過慢性乏氧和急性乏氧產(chǎn)生乏氧細胞。 慢性乏氧：即腫瘤細胞因超過了氧的有效彌散距離（100 ~ 150 μm）而處于乏氧狀態(tài)，即由于超過了功能性血管有效供氧范圍而

45、引起的乏氧； 急性乏氧：而由于腫瘤血管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能異?；蚰[瘤組織間液壓升高使血管內(nèi)血流暫時減少或阻滯，也會導致血管周圍細胞缺氧，這種由血管原因所致短暫血流中斷、血管周圍細胞乏氧稱為急性乏氧。,1. 乏氧細胞及組織氧合2. 乏氧細胞形成機制 3. 乏氧引起放射抗拒的機制 4. 靶向乏氧提高放療效果,（一）氧合狀態(tài),3. 乏氧引起放射抗拒的機制,乏氧引起腫瘤對放療產(chǎn)生抗拒性的可能機制有：乏氧使細胞增殖能力降低；乏氧處血管

46、形成異常，且乏氧細胞遠離血管；乏氧腫瘤細胞生長緩慢或處于G0期；乏氧環(huán)境通過誘導基因點突變、缺失及DNA 鏈斷裂和增加基因組不穩(wěn)定性等機制，使一些原癌基因激活或抑癌基因失活，如抑癌基因p53缺失和凋亡抑制蛋白Bcl-2過表達，使腫瘤細胞凋亡減少，從而產(chǎn)生輻射抗拒性。研究發(fā)現(xiàn)，短期缺氧對細胞成活無明顯影響，但隨著缺氧時間的延長和凋亡細胞數(shù)的增多，缺氧可降低細胞對射線的敏感性。,1. 乏氧細胞及組織氧合2. 乏氧細胞形成機制 3.

47、乏氧引起放射抗拒的機制 4. 靶向乏氧提高放療效果,（一）氧合狀態(tài),4. 靶向乏氧提高放療效果,（1）增強組織氧合 （2）乏氧細胞增敏劑：乏氧細胞增敏劑是一種能提高腫瘤內(nèi)氧含量、減少乏 氧細胞產(chǎn)生的方法。 （3）生物還原劑 ：生物還原劑也稱作乏氧細胞毒物，可在腫瘤乏氧區(qū)產(chǎn)生對 乏氧細胞有毒的產(chǎn)物，具有細胞毒性和射線增敏雙重功效。 （4）特異性調(diào)控

48、靶基因的放療增敏 ：此方法調(diào)控DNA修復能力和細胞周期進 程，并促進凋亡有關(guān)基因或因子的作用，如自殺基因、ATM 基因和轉(zhuǎn)錄 因子NF-кB等。,4. 靶向乏氧提高放療效果,（1）增強組織氧合： 在高壓氧倉中進行放射治療，增加血液中氧濃度，使乏氧細胞變成有氧細胞；在照射同時，在常壓下，讓病人吸入含95%氧與5% CO2的混合氣體，可引起呼吸頻率增加，促使末梢血管擴張，氧擴散增加；

49、采用傳遞修飾劑，如氟碳乳劑（FC）能攜帶大量的氧，并能在進入腫瘤組織的乏氧區(qū)而放出氧；血紅蛋白攜氧能力增強化合物，如BW12C和BW589C；鈣離子拮抗劑（如肉桂苯哌唪、氟桂唪）通過抑制細胞呼吸而達到提高腫瘤細胞氧張力的作用；利用每次照射后乏氧細胞轉(zhuǎn)變成氧合細胞的規(guī)律，采用小劑量分次照射。,二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞

50、內(nèi)在放射敏感性,（二）增殖動力學差異,3種因素,,,,組織類型,生長比例,細胞丟失,B-T定律：即一種組織的放射敏感性與其分裂活躍程度成正比，與其分化程度成反比。,增殖動力學的差異,（二）增殖動力學差異,分次治療時，由于腫瘤體積縮小很快，從而改善了血運及再氧合，使快速生長腫瘤的放射敏感性增加；細胞周期不同時相中的細胞分布受細胞增殖速度的影響，鑒于在不同細胞時相時的放射敏感性是變化的，從而影響放射敏感性；潛在致死損傷的修復對有大量靜止

51、細胞的腫瘤更為重要，在實驗腫瘤中已證明了這一點，當腫瘤體積增加時，生長比例下降，因而體積大的腫瘤比體積小的腫瘤有較多的潛在致死損傷的修復；靜止的細胞比處于增殖周期內(nèi)的細胞具有輻射抗拒性，因此體積非常小的腫瘤（幾毫米直徑）細胞存活曲線的斜率具有同一腫瘤生長到1 cm3的體積而其氧合水平仍與體積小時一樣陡的斜率。,比較不同組織類型的腫瘤，可以很清楚地看到增殖細胞百分比很高及細胞丟失率很高的腫瘤放射最敏感，也最易被放射治愈，其原因：,二、影

52、響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,（三）腫瘤干細胞,是指在腫瘤中占非常小比例、具有無限增生的潛能，在啟動腫瘤形成和生長中起著決定性的作用的細胞。此外，腫瘤干細胞還具有可增殖分化、自我更新和不對稱分裂等特征 。,腫瘤干細胞（cancer stem cell, CSC）,由間質(zhì)細胞、細胞外基質(zhì)、血管及炎癥細胞構(gòu)成。,腫瘤干細

53、胞微環(huán)境（microenviroment or niche，又稱干細胞龕）,（三）腫瘤干細胞,腫瘤干細胞的再增殖和再分布；DNA損傷修復的增強；細胞周期控制的上調(diào)；腫瘤干細胞處在乏氧環(huán)境；微環(huán)境中間質(zhì)的相互作用。微環(huán)境在腫瘤干細胞自我更新、多向分化、持續(xù)存活及在腫瘤的轉(zhuǎn)移中都發(fā)揮重要的作用。腫瘤干細胞微環(huán)境的一個最重要的特征就是低氧存在，氧缺乏能夠誘導一系列的細胞學及分子生物學功能的變化，進而改變腫瘤干細胞增殖、凋亡及損傷修復

54、等功能。,腫瘤干細胞是導致腫瘤放療抗拒的一個主要原因,二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,（四）DNA損傷及修復,DNA是電離輻射的主要靶分子，輻射的直接作用和間接作用共同導致DNA損傷，DNA損傷修復能力的高低是影響放射敏感性的重要因素，與修復功能相關(guān)的基因突變、多態(tài)性及表觀修飾均使放射敏感性存在差異。,（四）DN

55、A損傷及修復,潛在致死損傷修復（PLDR）的能力較強是腫瘤細胞放射抗拒的另一個原因。從臨床放射抗拒腫瘤所得到的細胞系中證實，其修復能力很強，其平均細胞存活能力明顯增加；而在放射可治愈的腫瘤細胞中PLDR較少。亞致死損傷的修復（SLDR）的速度在不同的細胞系也是不同的，這可以解釋高劑量率（1 Gy/min）照射放射敏感性類似的細胞照射后和低劑量率照射后的細胞存活有差別的現(xiàn)象。,二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖

56、動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,G2/M,G1,ES,LS,G1,S,G2,M,G2/M,G1,ES,LS,>,>,>,（五）細胞周期,周期依賴性蛋白激酶（cyclin-dependent kinases, CDK）、相關(guān)周期蛋白（cyclin） cyclin起正調(diào)節(jié)作用周期蛋白依賴性蛋白激酶抑制因子（cyclin-dependent kina

57、se inhibitor, CDKI ） CDKI起負調(diào)節(jié)作用細胞周期調(diào)控是放射敏感性最重要的決定因素。,二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DNA損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,放射敏感性的差別在放射治療中起著很重要的作用。這就解釋了為何不同組織類型腫瘤以及某一類型的腫瘤不同個體之間的放射敏感性的差異。不能忽視，由于

58、長時間的給藥或延擱的放射治療有可能造成放射抗拒的產(chǎn)生。,（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,細胞內(nèi)在的放射敏感性伯基特淋巴瘤和神經(jīng)母細胞瘤>小細胞肺癌和成神經(jīng)管細胞瘤>乳腺癌和宮頸癌>結(jié)腸癌、直腸癌和胰腺癌>黑色素細胞瘤、骨肉瘤及膠質(zhì)母細胞瘤,注：① 假設(shè)在每次照射后的存活比例是恒定的，也沒有再群體化；② 括號內(nèi)為觀察的腫瘤數(shù)；,不同類型的人體腫瘤細胞離體放射敏感性,細胞內(nèi)在的放射敏感性,,,第三節(jié) 腫瘤放射敏感性,一

59、、腫瘤放射敏感性二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素三、放射敏感性的預測,前 言,大量的觀察已證實，要提高任何一種腫瘤放射治療的療效，還存在腫瘤內(nèi)在異質(zhì)性的問題。因此，以往那種對患某種腫瘤的所有病人都采取同樣的治療措施，所得到的效果不太理想。而目前放射治療的做法又未能達到像其他一些疾病那樣，根據(jù)每個病人的具體情況，有針對性地制訂具體的放射治療方案。為此，有必要尋找能了解具體腫瘤對放射線反應性的可靠方法。,三、放射敏感性的預測,（一

60、）腫瘤細胞SF2的測定 （二）腫瘤細胞增殖的測定（三）腫瘤乏氧的測定（四）腫瘤放射損傷及修復的測定,三、放射敏感性的預測,很多報道證實這一指標能很好地反映個體腫瘤的放射敏感性。然而未能在臨床推廣應用，其原因是測定結(jié)果的時間太長，一般需要兩周左右。不能讓病人因此而等待太久才開始治療。,（一）腫瘤細胞SF2的測定,SF2是指離體腫瘤培養(yǎng)細胞經(jīng)2 Gy照射后的細胞存活分數(shù) （survival fraction at 2 Gy）。,三

61、、放射敏感性的預測,（一）腫瘤細胞SF2的測定 （二）腫瘤細胞增殖的測定（三）腫瘤乏氧的測定（四）腫瘤放射損傷及修復的測定,三、放射敏感性的預測,潛在倍增時間（potential doubling time, Tpot）增殖細胞核抗原 （proliferating cell nuclear antigen, PCNA）,（二）腫瘤細胞增殖的測定,三、放射敏感性的預測,（一）腫瘤細胞SF2的測定 （二）腫瘤細胞增殖的測定（三）

62、腫瘤乏氧的測定（四）腫瘤放射損傷及修復的測定,三、放射敏感性的預測,氧電極測定：這是近年來臨床應用最廣泛的方法之一，是唯一能直接測定腫瘤乏氧的方法，極譜氧微電極技術(shù)現(xiàn)在被認為是測定腫瘤乏氧狀況的“金標準”，較多報道認為其檢測結(jié)果基本可以反映腫瘤的放射敏感性；組織形態(tài)分析：通過分析腫瘤內(nèi)毛細血管間距、血管密度和組織壞死程度及周圍正常組織內(nèi)的血管與腫瘤相近的距離等指標，以間接方式估計腫瘤的乏氧狀況，是最早應用于臨床的方法。,（三）腫瘤乏

63、氧的測定,三、放射敏感性的預測,乏氧標記物測定：腫瘤乏氧細胞還原能力強，具有電子親和力的硝基咪唑主動擴散透過細胞膜，在細胞內(nèi)硝基還原酶的作用下，硝基被還原，還原產(chǎn)物與大分子物質(zhì)不可逆結(jié)合，滯留在組織內(nèi)，而正常含氧細胞親電子硝基咪唑還原產(chǎn)物立即被氧化，故可用硝基咪唑類化合物代謝程度來反映腫瘤的乏氧情況。,（三）腫瘤乏氧的測定,三、放射敏感性的預測,（三）腫瘤乏氧的測定,影像學檢測方法：用磁共振顯影的手段測出腫瘤內(nèi)的乏氧程度；核醫(yī)學顯像方

64、法：核醫(yī)學顯像是目前乏氧檢測研究最為集中的技術(shù)，利用放射性核素，如18F、3H、123I、62Cu和99mTc 等對顯影劑進行標記后行SPECT 或PET 顯影，可對組織的乏氧狀況進行定性和定量檢測，還能同時用于腫瘤的診斷和分期的判斷，并可使放療照射野更加精確。,三、放射敏感性的預測,（一）腫瘤細胞SF2的測定 （二）腫瘤細胞增殖的測定（三）腫瘤乏氧的測定（四）腫瘤放射損傷及修復的測定,三、放射敏感性的預測,DNA的損傷與修復：

65、 最常用的方法是脈沖凝膠電泳，主要是測定DNA的雙鏈斷裂（DSB）及其修復（DSBR）情況。 微核率分析法 一直被作為人體受輻射后的生物劑量計，認為這方法從另一個水平反映細胞損傷修復的情況，并能較好地反映有些腫瘤放療的預后。,（四）腫瘤放射損傷及修復的測定,本次課內(nèi)容,一、腫瘤放射敏感性二、影響人體腫瘤放射敏感性的因素三、放射敏感性的預測,本次課內(nèi)容,（一）氧合狀態(tài)（二）增殖動力學差異 （三）腫瘤干細胞（四）DN

66、A損傷及修復（五）細胞周期（六）細胞內(nèi)在放射敏感性,影響人體腫瘤放射敏感性的因素,,重 點,腫瘤放射敏感性及其預測,要求掌握的內(nèi)容,一、解釋下列術(shù)語： 乏氧細胞二、寫出下列縮寫的中、英文全稱：Tpot, PCNA三、回答下列問題：試述影響人體腫瘤放射敏感性的因素。試述腫瘤放射敏感性的預測方法。乏氧引起放射抗拒的機制。簡述提高腫瘤放療治愈率，用以改變組織氧合的方式。,第一節(jié) 腫瘤細胞動力學 第二

67、節(jié) 腫瘤對電離輻射的反應第三節(jié) 腫瘤放射敏感性第四節(jié) 放射治療中的分次照射,第十二章 放射腫瘤學基礎(chǔ),前 言,在臨床放射治療中，為了達到腫瘤控制，需要給予一定的照射劑量，而正常組織的耐受性常是限制照射劑量的原因。利用一些物理因素，擴大射線對正常組織和腫瘤組織作用的差距，減少正常組織損傷，是放射治療腫瘤的一項重要措施，而分次照射就是其中重要措施之一。自20世紀30年代以來，以臨床實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)建立起來的分次照射

68、治療方法（每周5次，每次2 Gy）已被認為是標準方法。,第四節(jié) 放射治療中的分次照射,一、分次照射中的生物因素二、放療中分次照射的原則,一、分次照射中的生物因素,臨床放射治療醫(yī)生在設(shè)計分次照射治療方案時，應注意把握兩個要點： ① 生物學的合理性和處方劑量設(shè)定的科學性； ② 必須了解影響分次放射治療的生物學因素。 正常組織和腫瘤組織分次照射的生物學因素可以從以下4個方面考慮，又稱4個“R”。,一、分次照射中