临床放射生物学
放射生物学
H2O* 激发 H 2O
H3O+
自由基与放射损伤
自由基的概念：能独立存在的，含一个或一个以上不配对电子的任何原子、分子、 自由基的概念：能独立存在的，含一个或一个以上不配对电子的任何原子、分子、离子 或原子团。 或原子团。 的损伤： 一 对DNA的损伤： 的损伤 通过加成反应造成DNA链中嘧啶和嘌呤碱的损伤。 链中嘧啶和嘌呤碱的损伤。 （1） H• 和 •OH通过加成反应造成 ） 通过加成反应造成 链中嘧啶和嘌呤碱的损伤 加成反应：自由基可在烯键或芳香环中心加成，形成有机自由基， 加成反应：自由基可在烯键或芳香环中心加成，形成有机自由基， 例如 •OH+RH ROH• H• +R RH• 与核酸碱基的加成反应是电离辐射间接作用引起DNA碱基损伤的主要原 （2） H• 和 •OH与核酸碱基的加成反应是电离辐射间接作用引起 ） 与核酸碱基的加成反应是电离辐射间接作用引起 碱基损伤的主要原 理。 也可与DNA分子中的戊糖作用，抽取氢离子，随之迅速氧化形成氧自由基。进 分子中的戊糖作用， （3）•OH也可与 ） 也可与 分子中的戊糖作用 抽取氢离子，随之迅速氧化形成氧自由基。 一步分解使糖磷酸键断裂，碱基释放。 一步分解使糖磷酸键断裂，碱基释放。
直接作用与间接作用
构成生物体基本单位的细胞可以近似地看做是一个由水 和各种溶质分子组成的溶液体系。受到电离辐射的生物体， 和各种溶质分子组成的溶液体系。受到电离辐射的生物体， 其生物大分子和水处于电离粒子径迹上， 其生物大分子和水处于电离粒子径迹上，不可避免的要发生 电离现象， 电离现象，出现生物大分子的直接损伤和水辐解产物对大分 子的间接损伤。 子的间接损伤。 一、直接作用 电离辐射 破坏 电离、 核酸、蛋白质、 生物大分子 电离、激发 核酸、蛋白质、酶 二、间接作用 电离辐射 H• •OH e-水和 H2 水
3第二章临床放射生物学
细胞死亡： 1.增殖性死亡：几个细胞周期以后才死 即失去无限增殖能力
亡，
2.间期性死亡(凋亡)：几个小时内就死亡，细 胞对放射敏感性较高，比如淋巴细胞 细胞凋亡:是基因控制的细胞自主有序的死亡， 是主动争取的一种死亡过程。就像树叶或花自然 凋落一样。
辐射所致细胞死亡
几百戈瑞的大剂量照射之后，所有细胞机能都中止，最终发生细 胞溶解，这种情况被认为是细胞即刻死亡或间期死亡； 用较低的几个戈瑞照射正在分裂或还能进行分裂的细胞（如骨髓 细胞系、皮肤或小肠隐窝），此时部分细胞丧失其分裂或增殖能力。 另一方面，存活细胞或能够生存发育的细胞是指保持细胞增殖能力， 并能够因此而形成集落或克隆的细胞，这些细胞称为克隆源性细胞。 在体内，肿瘤和正常组织只有一小部分细胞属于克隆源性细胞，受照 后期数量迅速减少。 上述细胞死亡定义对放射治疗具有特殊意义，因为肿瘤细胞即使全都 依然存在，但失去了无限增殖能力，并因此而失去了局部浸润或远地 转移的能力，这样也就达到局部控制的目的。 同样，对于正常组织，大多数急性和慢性放射效应都发生在丧失生存 发育能力的情况下。
三.细胞存活曲线
受照射的细胞保留完整的增殖能力，能无限分裂 产生大量子代细胞形成一个集落或克隆的干细胞 称为细胞存活
细胞存活曲线：用来定量描述辐射吸收剂量与存 活细胞数量的相关性的一种方法。
指数性存活曲线：
细胞存活率与照射剂量成指数性反比关系，即在细 胞放射敏感性不变时，剂量越大，细胞死亡越多； 而敏感度越低，细胞存活率越高； 以同一剂量照射放射敏感与放射抗拒的细胞，其存 活率不同。根据指数性反比关系，即使照射剂量达 到极大时（临床一般不可能用这么高的剂量），也 会有少数细胞存活。p40图 用密集电离辐射如中子、a粒子为放射源，可有这 种放射效应。
放射生物学的基础理论讲解
⑦细胞周期的放射敏感性： Ⅰ：以细胞死亡为标准，M期最敏感，其敏感性是S 期的2.6倍，无亚致死性损伤。 Ⅱ：以细胞分裂延迟为指标，以G1、G2期最敏感。 如阻断G2期，使细胞进入M期 Ⅲ：以畸变为指标，S期最敏感
（四）单靶单击与单靶多击
细胞的死亡或者来自于单次致死性的击中细胞中的 靶或者来至于分成２次击中所产生的亚致死性损伤 的相加。前者以ad表示，后者以βd2表示。因而其最 终的细胞存活率为：Ｓ＝e-(ad+d2)。可以分别把它们 简称为a型细胞杀灭及β型杀灭．它们的单位分别为 Gy-1和Gy-2。它们的比值即α／β＝d（Gy）。当细胞 存活曲线肩区较大时，则α／β值小，而肩区小时则 α／β值较高。 α／β值相当于a型细胞杀灭和β型杀灭 二者生物效应相等时所需的剂量。Ｓ＝e-(ad+d2)即是 所谓的线性－平方模式。
４、应用ＬＱ模式设计非常规分割照射方案应注意以下原则： （１）为使晚反应组织的损伤相对低于肿瘤的杀灭，每分 次剂量应小于１.８－２.０Ｇy。 （２）每天的最高分次照射总量应小于４.８－５.０Ｇy。 （３）每分次照射间隔时间应大于６小时。 （４）在不致引起严重急性反应的情况下，尽量缩短总的 治疗时间。 （５）给予不致引起严重晚期损伤的最高总剂量，但不论 何种方案，两周内给予的总剂量不应超过５５Ｇy。
评价：１、是经验公式，缺乏生物学基础。 ２、把各种治疗归结为单次照射的生物剂量， 不符合临床上治疗情况。 ３、不同组织具有不同的放射敏感性，因而 不能应用单一的指数０.２４来代表所有的修复情况。 ４、不同的分割剂量照射，其指数不一致。 ５、没有考虑到正常组织照射后产生的加速 细胞增殖，另外，也与肿瘤细胞照射后经过一段潜 伏期，干细胞增殖速度加快的生物学现象不一致。
临床放射生物学基础
临床放射⽣物学基础临床放射⽣物学基础临床放射⽣物学是研究电离辐射对肿瘤组织和正常组织的效应以及研究这两类组织被射线作⽤后所引起的⽣物反应的⼀门学科。
它是放射肿瘤学的四⼤⽀柱（肿瘤学、放射物理学、放射⽣物学和放射治疗学）之⼀，因此从事肿瘤放射治疗的医⽣必须掌握这门学科的基础知识。
第⼀章物理和化学基础第⼀节线性能量传递⼀、概念线性能量传递(linear energy transfer, LET)是指射线在⾏径轨迹上，单位长度的能量转换。
单位是KeV/um。
注意，LET有两层含义，其物理学含义为带电粒⼦穿⾏介质时能量的损失即阻⽌本领，⽽LET的⽣物学含义则强调带电粒⼦穿⾏介质时能量被介质吸收的线性⽐率。
例如，γ射线在穿过细胞核时，以孤⽴单个的电离或激发形式将⼤部分能量沉积在细胞核中，引起DNA损伤，其部分损伤⼜能够被细胞核中的酶修复，1Gy的吸收剂量相当于产⽣1000个γ射线轨迹，故γ射线属于低LET；α粒⼦在穿过细胞核时产⽣的轨迹少，但每条轨迹的电离强度⼤，因⽽产⽣的损伤⼤，这种损伤常常累及邻近的多个碱基对，于是损伤难以修复，1Gy的吸收剂量相当于产⽣4个α粒⼦轨迹，故α粒⼦属于⾼LET。
⼀般认为10KeV/um 是⾼LET和低LET的分界值，LET值＜10KeV/um时称低LET射线，如X 、γ、β射线， LET 值＞10KeV/um时称⾼LET射线，如中⼦、质⼦、α粒⼦。
⼆、⾼LET射线特性1.物理学特点：⾼LET存在Bragg峰，即射线进⼊⼈体后最初的阶段能量释放（沉积）不明显，到达⼀定深度后能量突然⼤量释放形成Bragg峰（即射线在射程前端剂量相对较⼩,⽽到射程末端剂量达到最⼤值），随后深部剂量⼜迅速跌落。
2.⾼LET⽣物效应特点：(1) 相对⽣物效应（RBE）⾼，致死效应强，细胞⽣存曲线的陡度加⼤；(2) 氧增强⽐(OER)⼩，对乏氧细胞的杀伤⼒较⼤；(3) 亚致死性损伤的修复能⼒⼩，细胞⽣存曲线⽆肩部；(4)细胞周期依赖性⼩，⾼LET能够杀伤常规放疗⽋敏感的G0 期和S 期细胞。
临床放射生物学基础
放射治疗实现的可能性
• B-T定律：
细胞的放射敏感性高低和细胞增长 速率成正比和细胞的分化程度成反比
恶性肿瘤细胞增长快，分化差和正 常组织相比，放射敏感性更高
辐射的细胞生物学效应
• 细胞死亡
（1）增殖性死亡
分裂几次后死亡，临床表现，肿瘤受照后 ，体积不立即缩小，甚至出现临时性增大，以 后，随着肿瘤细胞的不断死亡，肿瘤才缩小
存活率=
(PE)
种植细胞数空白组集落形成
细胞存活曲线
• 高LET线细胞存活曲线----指数性曲线 曲线公式 S=e-kD
• 低LET线细胞存活曲线----非指数性曲线 肩部反映低剂量下损伤修复 直线部分反映高剂量下指数性杀灭 曲线公式为一次二元方程式 S=1-(1-e-kD )n ( K 为直线部分的斜率) D0=1/K (D0 为平均致死剂量) S=1-(1-e-D/ D0 )n
细胞存活曲线 线性二次模型
分次剂量照射的细胞存活曲线
• 分次照射时，细胞存活曲线肩区的 每次照射重建。
细胞动力学的改变
细胞的放射敏感性
• 不同细胞群体的放射敏感性，不断分裂和更新 的细胞敏感，不分裂的细胞抗拒。
• 不同细胞周期时相的放射敏感性差异。 • 不同环境中的细胞敏感性特别是氧分压不同对
曲线几个重要参数: D0 ,n值,Dq值
细胞存活曲线 单击单靶模型
细胞存活曲线 单击单靶模型
e-1 = 0.37 e-2 = 0.14 e-3 = 0.05
细胞存活曲线 单击多靶模型
细胞存活曲线 线性二次模型
• Thames和Bentzen于80年代提出 • LQ模型以DNA双链断裂造成细胞死亡为理论依
临床放射生物学基础
临床放射生物学基础临床放射生物学是研究电离辐射对肿瘤组织和正常组织的效应以及研究这两类组织被射线作用后所引起的生物反应的一门学科。
它是放射肿瘤学的四大支柱（肿瘤学、放射物理学、放射生物学和放射治疗学）之一，因此从事肿瘤放射治疗的医生必须掌握这门学科的基础知识。
第一章物理和化学基础第一节线性能量传递一、概念线性能量传递(linear energy transfer,LET)是指射线在行径轨迹上，单位长度的能量转换。
单位是KeV/um。
注意，LET有两层含义，其物理学含义为带电粒子穿行介质时能量的损失即阻止本领，而LET的生物学含义则强调带电粒子穿行介质时能量被介质吸收的线性比率。
例如，γ射线在穿过细胞核时，以孤立单个的电离或激发形式将大部分能量沉积在细胞核中，引起DNA损伤，其部分损伤又能够被细胞核中的酶修复，1Gy的吸收剂量相当于产生1000个γ射线轨迹，故γ射线属于低LET；α粒子在穿过细胞核时产生的轨迹少，但每条轨迹的电离强度大，因而产生的损伤大，这种损伤常常累及邻近的多个碱基对，于是损伤难以修复，1Gy的吸收剂量相当于产生4个α粒子轨迹，故α粒子属于高LET。
一般认为10KeV/um是高LET和低LET的分界值，LET值＜10KeV/um时称低LET射线，如X、γ、β射线，LET 值＞10KeV/um时称高LET射线，如中子、质子、α粒子。
二、高LET射线特性1.物理学特点：高LET存在Bragg峰，即射线进入人体后最初的阶段能量释放（沉积）不明显，到达一定深度后能量突然大量释放形成Bragg峰（即射线在射程前端剂量相对较小,而到射程末端剂量达到最大值），随后深部剂量又迅速跌落。
2.高LET生物效应特点：(1)相对生物效应（RBE）高，致死效应强，细胞生存曲线的陡度加大；(2)氧增强比(OER)小，对乏氧细胞的杀伤力较大；(3)亚致死性损伤的修复能力小，细胞生存曲线无肩部；(4)细胞周期依赖性小，高LET能够杀伤常规放疗欠敏感的G0期和S期细胞。
临床放射生物学基础
水的电离和激发
直接作用
直接作用 射线被生物物质吸 收时,直接和细胞关 键的靶起作用，靶 原子被电离或激发 启动一系列生物事 件导致生物改变。
高LET射线，如中子 或α粒子
间接作用
自由基与活性氧
自由基对DNA这一细胞最重要靶点作用产生 DNA损伤 自由基对脂类过氧化作用与生物膜作用产生细胞 膜损伤 自由基和抗氧化酶和其他抗氧化物质作用
非常规分割照射的生物学基础
临床上主要有三种类型
① 超分割放疗（hyperfractionated radiation therapy, HRT）
②加速超分割放疗（hyperfractionated accelerated radiation therapy, HART）
③后程加速超分割放疗
超分割放疗
乏氧细胞再氧合
capillary
normal oxygen hypoxic viable anoxic - necrotic
aerated cells
hypoxic cells
乏氧细胞再 氧合是临床肿 瘤放射治疗中 小剂量分次照 射方案制定的 基础。
Reoxygenation
survivors after irradiation
中用同样总剂量，对任何一期的肿瘤分程 治疗的控制率都比常规治疗低。
多种肿瘤放疗总疗程时间和肿瘤局控 率的关系。
细胞的再增殖
肿瘤再增殖有重要临床意义 1.不必要延长治疗； 2.如急性反应重，治疗期间必须有一个间断，
应尽量短； 3.不考虑单纯分段放疗； 4.由于非医疗原因的治疗中断，有时需采取
措施“赶上”； 5.增殖周期短的肿瘤可采用加速分割。
细胞存活曲线 线性二次模型
任何类型辐射效应造成的细胞杀灭都是单击致死性杀灭 （型）与亚致死性损伤累积杀灭（型）之和。 总的生物效应为两者之和，即S＝S· S＝e-αD· eβD2＝e -(αD＋βD2) 当一次照射引起的上述两种效应相等时，则D=D2， /＝D。因此，/代表的是这样一个剂量，在此剂量 照射时线性部分（D）对放射效应的贡献与平方部分 （βD2）的贡献相同，其单位是Gy。
临床放射生物学的名词解释
临床放射生物学的名词解释临床放射生物学作为一门交叉学科，是研究放射照射对生物体产生的生物效应和放射防护的科学原理与方法的学科。
它涉及到很多专业术语和名词，以下将对一些常见的名词进行解释，以便更好地理解和应用临床放射生物学知识。
1. 放射生物学：放射生物学是研究放射照射对生物体产生的生物效应的科学。
它探讨放射线对细胞、组织、器官和整个生物体的影响，旨在揭示放射线对生物体的损伤机制和影响程度。
2. 生物效应：生物效应是指放射线照射对生物体产生的生理、生化和分子水平上的改变。
这些效应包括辐射疾病（如白血病、肿瘤等）、基因突变、DNA损伤、遗传效应以及其他可能引起组织器官功能障碍的不良影响。
3. 剂量：剂量是指放射线吸收的量，用来衡量生物体所受到的放射照射。
常用的剂量单位包括雷诺（Roentgen，R）、吉里（Gray，Gy）、希沃特（Sievert，Sv），用于表示照射的强度、吸收的能量以及损伤的潜在影响。
4. 辐射损伤：辐射损伤是指放射线照射后引起的细胞、组织、器官或整个生物体的变化与损伤。
辐射损伤主要表现为基因突变、DNA损伤、细胞凋亡、细胞周期紊乱和组织器官功能异常，可导致放射疾病的发生。
5. 放射防护：放射防护是指采取一系列防护措施，以减少或防止人体受到放射照射的危害。
放射防护措施包括工作场所的防护设计、个人防护装备的使用、放射源的合理布置和管理，旨在保障操作人员、公众和环境的安全。
6. 总剂量效应：总剂量效应是指生物体受到一定剂量的放射线照射后可能出现的一系列不良效应。
这些效应包括急性效应和慢性效应，如急性炎症反应、恶性肿瘤、生殖功能障碍等。
7. 反应剂量效应：反应剂量效应是指生物体对照射剂量的可感知、可测量、可评估的生理和生物学响应。
这些响应是剂量依赖性的，它既可以是有益的，也可以是有害的。
8. 遗传效应：放射线照射对细胞和生殖细胞的遗传物质（DNA）产生的变异和损伤所引起的基因突变，导致遗传信息的传递出现变异。
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间接作用 Indirect action
水的电离 常见，细胞80%是
水 每个 DNA分子，
含 1.2X107 个水 分子
Radiation Damage to the DNA
Ionization event (formation of water radicals)
Primary particle track
(三)水的电离和激发
生物体是由各种物质的分子所组成，除 生物大分子和无机分子外，水占生物体重的70 ％左右。
电离辐射作用于机体生物大分子的同时， 也作用于机体的水分子。
电离辐射作用于水分子而产生的活性产物又 可进一步影响生物大分子
水分子受电离辐射作用时，发生电离和激发
作用。
使水分子产生羟自由基(·OH)
第二节 放射线对生物体的作 用
一、放射线对生物体的作用方式
(一)三阶段作用过程：
任何生物体经照射后均产生一系 列的变化过程，这些变化的时间过程有 很大差异，以时间过程分可分为三个时 相：
物理过程化学ຫໍສະໝຸດ 程生物阶段物理过程：
DNA
10-18S
e-
即包括带电粒子和组成电组离织、的激发
原子之间的相互作用过程。
放射治疗的两大基本原则
最大程度地杀灭肿瘤 最大程度地保护正常组织
第一节 电离辐射生物效应的基本过程
电离辐射是指能引起被作用物质电离的放射线
电磁辐射:X射线和γ射线，均为光子
电离辐射
粒子辐射：质子、中子
电离辐射的一个重要特点 是能够在被作用物质的局部释放能量，引起
被作用物质的电离和激发，而电离和激发又是电 离辐射原初作用的重要环节。
和氢自由基（H·）。
水的电离
HOH → HOH+ + e HOH+ → H+ + OH. OH. + OH . = H2O2
自由基 free radical 在其外层轨道上有一个未配对的电子，高
度活跃
三、自由基与放射损伤
细胞生物学基本概念
• 在所有生物体中， 能独立存在的最小 单位是细胞。
教学内容：
1、放射线对生物体的作用： 2、电离辐射对细胞的杀灭概念及细胞存活
的概念；
3、氧效应与氧增比； 4、靶学说α/β模式； 5、肿瘤放射治疗中生物剂量等效换算的数
学模型；
6、肿瘤的放射生物学； 7、分次放射治疗的生物学基础； 8、正常组织的放射损伤； 9、改变放射效应的措施。
授课时数：3.0学时
• 细胞的结构：细胞 核和胞浆。
• 胞浆与放射生物效 应的关系较小，
• 细胞核是产生辐射 效应的主要部位。
细胞核的主要成分是DNA
• DNA是辐射引起细胞 死亡及损伤的主要 靶区
2．自由基对DNA的损伤作用：
自由基对DNA作用后果主要有三类：即 单双链断裂、无嘌呤无嘧啶位点(AP位点)和产 生环胞和嘧啶衍生物。
放射治疗的地位
放疗18% 手术22% 化疗5% 未治愈55%
1999年Tubiana 报告45%的恶性肿瘤可以治愈。
放射肿瘤学的内容
放射肿瘤学
临床肿瘤学
放射物理学
放射生物学
放射治疗学
临床放射生物学
实验放射生物学
放射生物学对放射治疗的影响
1.阐明肿瘤和正常组织辐射损伤的机制、过程 2.有助于放疗的新的治疗方法的建立 3.为前瞻性临床试验提供备选治疗方案
二、电离和激发 (一)电离作用
电离作用是高能粒子和电磁辐射的能量被生物 组织吸收后引起效应的最重要的初始过程。
定义：生物组织中的分子被粒子或光子流撞击 时，其轨道电子被击出，产生自由电子和带 正电的离子，即形成离子对，这过程称之。
(二)激发作用
定义：当电离辐射与组织分子相互作用 ，其能量不足以将分子的轨道电子击出时，可 使电子跃迁到较高级的轨道上，使分子处于激 发状态，这一过程称为激发作用。
本质：射线直接造成生物大 分子损伤效应
高LET射线，如中子或α粒子
间接作用 Indirect action
电离辐射作用于一 个原子和分子的同时 又直接作用于水，使 水分子产生一系列原 发辐射分解产物，然 后通过这些辐射分解 产物再作用于生物大 分子，引起后者的物 理和化学变化
本质：通过水电离。
最后是生物阶段
大量的占多数的损伤如DNA内的损伤都 可以成功的修复
仅有较少的损伤不能修复，这些未能修 复的损伤最后导致细胞死亡。
电离辐射生物效应的时标:(The
time-scale of effects in radiation biology)
物理过程（10-15秒内结束）。 化学过程（DNA残基的存在时间10-3 到
Light damagereparable
delta rays
eWater radicals attack
the DNA OH•
Clustered damageirreparable
The mean diffusion distance of OH radicals before they react is only 2-3 nm
e-
细胞
10-14S
高速运转的电子以10-18S的速度
通过DNA分子及以10-14S的速度穿过
哺乳动物细胞，因而产生了一系列
的电离和激发的过程。
其次是化学过程
即受到损伤的原子和分子
细胞中
其他的结构起快速的化学反应
形成自由基，并参予一系列的反应 最后导致电子负荷平衡的重建，
自由基反应一般在照射后千分之一秒内完 成。
10-5）秒）。 生物学过程（细胞死亡需数天到数月，
辐射致癌作用需数年，可遗传的损伤需经 数代才能观察到
(二)放射线的生物效应
直接作用
间接作用
直接作用 Direct action
直接作用—
射线被生物物质吸收时, 直接和细胞关键的靶起作 用，靶原子被电离或激发 启动一系列生物事件导致 生物改变。破坏肌体的核 酸、蛋白质和酶等具有生 命功能的物质。
临床放射生物学
广西医科大学附属肿瘤 医学院放疗科 黄江琼
教学目的：
1、掌握肿瘤的放射生物学基础，分次放射 治疗的生物学基础及正常组织的放射性 损伤
2、熟悉电离辐射对细胞的杀灭概念，细胞 存活概念，氧效应与氧增比，靶学说与 α/β模式，肿瘤放射治疗中生物剂量等效 换算的数学模型，改变放射效应的措施
3、了解电离辐射生物效应的基本过程，放 射线对生物体的作用，细胞生存曲线。