分次放射治疗的生物学基础课件.ppt
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- 放射 治疗 生物学 基础 课件
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1、中国医学科学院肿瘤医院放疗科中国医学科学院肿瘤医院放疗科杨伟志杨伟志临床放射生物学在放射治疗中的作用临床放射生物学在放射治疗中的作用和地位和地位n“生物学生物学”与与“医学医学”n“微观微观”与与“宏观宏观”n“经典理论经典理论”的现实意义的现实意义临床放射生物学在放射治疗中的作用临床放射生物学在放射治疗中的作用和地位和地位n从实验室到临床的桥梁从实验室到临床的桥梁n提供理论基础,阐述放射治疗的生物学提供理论基础,阐述放射治疗的生物学原理原理n治疗策略及验证治疗策略及验证n个体化放射治疗方案的研究和设计个体化放射治疗方案的研究和设计一一 辐射生物效应的时标辐射生物效应的时标:(The time
2、-scale The time-scale of effects in radiation biology)of effects in radiation biology)不同水平生物效应的发生时间、顺序、过不同水平生物效应的发生时间、顺序、过程程(细胞死亡需数天到数月,辐射致癌作用需数年,可(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遗传的损伤需经数代才能观察到n物理吸收过程(物理吸收过程(1010-15-15秒内结束秒内结束)。)。n化学过程(化学过程(DNADNA残基的存在时间残基的存在时间1010-3-3 到到1010-5-5)秒秒)。)。n生物学过程生物
3、学过程 二二.电离辐射的直接作用和间接作用电离辐射的直接作用和间接作用n电离辐射的直接作用电离辐射的直接作用n任何形式的辐射,任何形式的辐射,X X()射线射线,带电或不带,带电或不带电粒子被生物物质吸收后都可能与细胞的关键电粒子被生物物质吸收后都可能与细胞的关键靶靶DNADNA直接发生作用,直接发生作用,DNADNA本身的原子可以被本身的原子可以被电离或激发从而导致一系列生物变化的事件,电离或激发从而导致一系列生物变化的事件,这被称为辐射的直接作用。这被称为辐射的直接作用。n高高LETLET射线(如中子、射线(如中子、粒子)主要是直接作用粒子)主要是直接作用电离辐射的直接作用和间接作用电离辐
4、射的直接作用和间接作用n电离辐射的间接作用电离辐射的间接作用n辐射也可与细胞内的其它原子或分子(特别是辐射也可与细胞内的其它原子或分子(特别是水)相互作用,产生自由基,这些自由基可以水)相互作用,产生自由基,这些自由基可以扩散到足够远,达到并损伤关键靶扩散到足够远,达到并损伤关键靶DNADNA,这被,这被称为电离辐射的间接作用称为电离辐射的间接作用。n自由基是一种游离的原子或分子,外层携带不自由基是一种游离的原子或分子,外层携带不成对轨道电子成对轨道电子。从入射光子的吸收到最终生物效应的产生,从入射光子的吸收到最终生物效应的产生,X X射射线的间接作用线的间接作用:n 入射入射X X射线光子射
5、线光子n|n 快速电子快速电子n|n 离子自由基离子自由基(H H2 2o o H H2 2o o+e+e)n|n 自由基自由基(H H2 2o o+H+H2 2o o H H3 3o o+OH+OH )n|高活性高活性n 由化学键断裂引起的化学变化由化学键断裂引起的化学变化 n|n 生物效应生物效应 OHOH 插图三三.电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n分子水平分子水平nDNADNA链损伤链损伤nDNADNA链修复链修复n细胞水平细胞水平电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n辐射诱导的辐射诱导的DNADNA损伤及修复损伤及修复n研究显示:研究显示:DNADNA是引起一系列生物学效应的关是
6、引起一系列生物学效应的关键靶。键靶。nDNADNA链断裂的主要形式链断裂的主要形式n单链断裂单链断裂 n双链断裂双链断裂插图电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应nDNADNA链断裂的修复链断裂的修复nDNADNA单链断裂的修复单链断裂的修复n以对侧链为模板,是一种可完全修复的以对侧链为模板,是一种可完全修复的分子损伤分子损伤nDNADNA双链断裂的修复双链断裂的修复n可修复的可修复的双链断裂双链断裂(彼此分开间隔一段距离)(彼此分开间隔一段距离)n不可修复的不可修复的双链断裂双链断裂(发生在对侧互补碱基或仅间隔(发生在对侧互补碱基或仅间隔几个碱基对几个碱基对-染色体折成两段)染色体折成两段)电
7、离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应nDNADNA双链断裂的修复双链断裂的修复n两个基本过程两个基本过程n同源重组同源重组(Homologous recombination)Homologous recombination)n 在修复中需要未受损的在修复中需要未受损的DNADNA链参与,末端与末端经非链参与,末端与末端经非同源重组相接。同源重组相接。n非同源重组(非同源重组(nonhomologousnonhomologous(Illegitimate)Illegitimate)recombinationrecombinationn没有模板存在,无法指导缝隙的填充。因此容易发生没有模板存在,无法
8、指导缝隙的填充。因此容易发生错误。所以也称之为非法重组错误。所以也称之为非法重组n插图电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n辐射所致的细胞死亡辐射所致的细胞死亡.n两种主要形式两种主要形式n分裂间期死亡分裂间期死亡(细胞在进行下一次分裂前死亡)(细胞在进行下一次分裂前死亡)n有丝分裂死亡有丝分裂死亡 (增殖性死亡)增殖性死亡)n指由于染色体的损伤,细胞在试图分裂时发生死亡。死亡可发指由于染色体的损伤,细胞在试图分裂时发生死亡。死亡可发生在照射后的第一次或以后的几次分裂生在照射后的第一次或以后的几次分裂。是电离辐射引起细胞是电离辐射引起细胞死亡的最常见形式,死亡的最常见形式,电离辐射的细胞效应电
9、离辐射的细胞效应辐射引起细胞死亡的关键靶在细胞核辐射引起细胞死亡的关键靶在细胞核n放射性同位素(如放射性同位素(如3 3H,H,125125I I)掺入核)掺入核DNADNA可有效可有效地造成地造成DNADNA损伤并杀死细胞。损伤并杀死细胞。n受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密切受放射线照射后染色体畸变率与细胞死亡密切相关。相关。n当特异地把胸腺嘧啶类似物,如碘脱氧尿核苷当特异地把胸腺嘧啶类似物,如碘脱氧尿核苷或溴脱氧尿核苷掺入染色体时可修饰细胞的放或溴脱氧尿核苷掺入染色体时可修饰细胞的放射敏感性射敏感性电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n放射生物对细胞死亡的基本认识:放射生物对细胞死亡
10、的基本认识:n一般意义的细胞死亡(一般意义的细胞死亡(cell death)cell death),n细胞再繁殖完整性的丢失细胞再繁殖完整性的丢失(loss of reproductive loss of reproductive integrity of tumor cellsintegrity of tumor cells)n两者在概念上存在着根本意义上的不同,放射可治愈两者在概念上存在着根本意义上的不同,放射可治愈性结局的最主要依据是后者性结局的最主要依据是后者。n放射治疗对受照射后的放射治疗对受照射后的存活细胞存活细胞更加关注更加关注,因这对因这对放射可治愈性非常重要放射可治愈性非常重
11、要细胞存活曲线细胞存活曲线描述放射线照射剂量和细胞存活比之间的描述放射线照射剂量和细胞存活比之间的关系,关系,关注的是:一定剂量照射以后对克隆源细关注的是:一定剂量照射以后对克隆源细胞而不是细胞群任意细胞的杀灭胞而不是细胞群任意细胞的杀灭电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应细胞存活曲线细胞存活曲线n放射生物学规定:放射生物学规定:n鉴别鉴别“细胞存活细胞存活”的唯一标准是照射后的唯一标准是照射后细胞细胞是否保持再繁殖的完整性是否保持再繁殖的完整性,即所分,即所分析的是克隆源细胞的析的是克隆源细胞的增殖活性增殖活性而不是受而不是受照射群体中任意细胞的照射群体中
12、任意细胞的功能活性功能活性nMTT法、染料除外等方法均不被认可法、染料除外等方法均不被认可电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n克隆源细胞克隆源细胞(clonogenicclonogenic cell cell)n指具有生成指具有生成“克隆克隆”能力的原始存活细胞能力的原始存活细胞。n在离体培养细胞在离体培养细胞:这种无限增殖能力体现为形成一个这种无限增殖能力体现为形成一个完整的完整的 50个细胞的个细胞的克隆克隆n在在体内体内:体现为肿瘤体积的不断增大、复发、转移体现为肿瘤体积的不断增大、复发、转移n在这个在这个“细胞存活细胞存活”的严格定义下,提示临床必须重的严格
13、定义下,提示临床必须重视这种存活细胞,这种具有无限增殖能力的细胞是在视这种存活细胞,这种具有无限增殖能力的细胞是在治疗中必须根除的细胞治疗中必须根除的细胞电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n细胞形成克隆的能力被称为细胞形成克隆的能力被称为“细胞存活细胞存活”n辐射所致的细胞杀灭是指数性的,辐射所致的细胞杀灭是指数性的,n指数关系的特点:增加一定剂量就有指数关系的特点:增加一定剂量就有一定比例一定比例的细胞而的细胞而不是数量不是数量的细胞被杀死的细胞被杀死电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n主要实验方法和步骤主要实验方法和步骤n细胞培养,细
14、胞培养,-指数生长期或相对密度生长期(平台期)指数生长期或相对密度生长期(平台期)n测定细胞系的克隆形成率(测定细胞系的克隆形成率(Plating efficiency,PE)n测定照射后细胞的存活分数测定照射后细胞的存活分数(survivingfraction,SF)n根据各照射剂量点的存活分数作图根据各照射剂量点的存活分数作图n绘制细胞存活曲线,计算曲线参数绘制细胞存活曲线,计算曲线参数电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n实验设计原则及注意事项实验设计原则及注意事项n实验所采用的细胞系应具有一定的克隆形成率实验所采用的细胞系应具有一定的克隆形成率(50-90%)
15、n应设应设6-8个照射剂量点,肩区点要够(应包括个照射剂量点,肩区点要够(应包括0,1Gy,2Gy),以保证低剂量区效应的准确,以保证低剂量区效应的准确性性电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n根据细胞类型,高剂量区的终末剂量点根据细胞类型,高剂量区的终末剂量点应够大,是细胞杀灭达到一定数量级应够大,是细胞杀灭达到一定数量级n根据细胞周期时间确定合适的培养时间根据细胞周期时间确定合适的培养时间(9-149-14天),培养时间过长细胞会因营天),培养时间过长细胞会因营养不良而脱落养不良而脱落电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n克隆培养用容器不
16、应太小(不赞成使用孔板和克隆培养用容器不应太小(不赞成使用孔板和扩散盒等),以扩散盒等),以60-100mm60-100mm平皿最常用,容器太平皿最常用,容器太小所能容纳的细胞数不足以达到上述标准,且小所能容纳的细胞数不足以达到上述标准,且难以分散均匀。难以分散均匀。n克隆形成期间不能换液克隆形成期间不能换液,以保证克隆形成,以保证克隆形成的准确性。的准确性。电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线n应计数大于应计数大于5050个细胞以上的克隆个细胞以上的克隆n选择合适的数学模型进行曲线拟合,应注意不选择合适的数学模型进行曲线拟合,应注意不同模型间的参数不能互用同模型间的
17、参数不能互用n实验结果的分析只能采用存活曲线参数间的比实验结果的分析只能采用存活曲线参数间的比较,不能用单剂量点存活分数直接比较较,不能用单剂量点存活分数直接比较(因放因放射生物分析的是产生相等效应所需的照射剂量,不是射生物分析的是产生相等效应所需的照射剂量,不是相同剂量产生的效应差别相同剂量产生的效应差别)电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应n细胞存活曲线细胞存活曲线细胞存活曲线的形状细胞存活曲线的形状指数存活曲线指数存活曲线 对于致密电离辐射(如中子、对于致密电离辐射(如中子、粒子),照射后细胞存粒子),照射后细胞存活曲线用单靶单击数学模型拟合后,在半对数坐标上是一活曲线用单靶单击数学模型
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