肿瘤放射生物学课件.pptx
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- 肿瘤 放射生物学 课件
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1、肿瘤放射生物学肿瘤放射生物学(Oncology Radiobiology)放射生物学研究的是辐射对生物体放射生物学研究的是辐射对生物体作用及其效应规律的一门科学。作用及其效应规律的一门科学。电离辐射对生物体的作用电离辐射对生物体的作用电离辐射的细胞效应电离辐射的细胞效应电离辐射对肿瘤组织的作用电离辐射对肿瘤组织的作用正常组织及器官的放射效应正常组织及器官的放射效应分次治疗的生物学基础分次治疗的生物学基础 放射生物学放射生物学 由于电离辐射引起损伤,故损伤后有无恢复或修复的可能性,以及怎样减少不必要的损伤等,都是放射生物学研究的内容。因此,确切的说:研究电离辐射对生物作用的机制、辐射损伤及研究电
2、离辐射对生物作用的机制、辐射损伤及其修复、放射防护等的综合性科学。其修复、放射防护等的综合性科学。电离辐射的一般概念电离辐射的一般概念 电离辐射有粒子辐射和电磁辐射。1、粒子辐射:射线、射线、带电的质子和中子的辐射;2、电磁辐射:电磁辐射:射线和射线和X射线的辐射,这类辐射线的辐射,这类辐射是光量子发射的。射是光量子发射的。电离射线的一般特点电离射线的一般特点:高能、穿透力强。它基本反映在电离射线的射程和电离密度上。不同电离射线的区别:不同电离射线的区别:射线(氦核)、质子(氢核)带电荷,中子则不带电荷;质子、中子、射线、射线的质量不同。电离射线与物质的相互作用电离射线与物质的相互作用 在电离
3、射线与物质的相互作用中,电离射线是外因,物质(包括组成生物机体的物质)是内因。外因通过内因起作用。当运动着的粒子通过物质时,其速度将逐步降低而损失能量;损失的能量主要消耗在物质的电离或激发上。带电的粒子通过物质时,和物质中原子壳层的电子碰撞,由于静电作用,使壳层电子产生加速运动,因而获得足够的能量而变成游离电子,它与正离子构成一个离子对。这就是电离作用。这就是电离作用。离子对是负离子(包括电子离子对是负离子(包括电子e)与正离子的合)与正离子的合称。称。离子对是电离作用的结果。离子对是电离作用的结果。带电粒子和光量子对物质作用的区别带电粒子和光量子对物质作用的区别 1、带电粒子和原子的作用带电
4、粒子和原子的作用:以原子点外围电子作用的可能性较大。在下例中,H2O+和e合称为离子对。H2O+H2O e H2O-形成离子对需要一定的能量。不达到这个能量水平,就不可能形成离子对。H2O 通过通过1V的电位差所获得的能量称为的电位差所获得的能量称为1电子伏特电子伏特(eV)。)。在空气中产生一对离子需要的平均能量为32.5eV。电离作用形成的离子对数量的相关因素:1)、能量高,则形成的离子对多;2)、在同一能量水平时,电荷多,形成的离子对就多;反之亦然;无电荷,则不形成离子对。粒子带电荷多,形成的离子对也就多;而射线和射线,由于带电荷少,形成的离子对就少。3)、粒子(射线)的速度大,电离密度
5、(即离子对/cm,就是在1cm行程所形成的离子对的数量)小;速度小则电离密度大。粒子带电荷多,质量较大,故电离密度大,但它运行路程短,穿透力低,而射线穿透力较强。当物质中的壳层电子所获得的能量还不足以使它成为游离电子时,电子受激发到更高的能级。即能量足够时发生电离作用,形成粒子对;能量不足能量足够时发生电离作用,形成粒子对;能量不足时发生激发作用,不形成离子对。时发生激发作用,不形成离子对。带电粒子通过物质时,因为受到原子核电场的相互作用而改变其运动方向,即所谓散射。2、中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用:只有在中子流碰撞到原子的壳层或原子核时才发生作用。中子只有在原子核相碰撞时才能把能
6、量转移给原子核。1)弹性碰撞:中子具有一个质子的质量而不带电荷。它是在原子核反应时产生的。由于中子与质子的质量相等,中子与质子(氢核,H+)相撞时发生最大的能量损失。这样的质子叫做反冲质子。反冲质子的能量质量都大于原来的质子。因此,中子很容易被许多轻元素物质(如水、石蜡)吸收,但能自由地通过重元素物质(如Pb)。中子具有一定的能量,中子撞击原子核打出的一部分叫反冲核。反冲核又具有一定的能量,能够打出其它原子,即反冲核在其行程中能使与其相撞的原子都发生电离:nAAB 2)非弹性碰撞:中子穿入原子核内,交出自己的一部分能量,使核处于激发状态。激发了的核把从中子获得的能量以一个或若干个量子的形式发射
7、出来,随后进入核内的中子就带着较小的能量从核里飞出。通常是由快中子打重元素而得。由于中子不带电荷,只有在碰撞时才能引起变化。O nn 3)辐射俘获:打进去的是慢中子,放出来的是射线。中子被核所吸收,被激发了的核以量子的形式放出其多余的能量。慢中子的能量与气体的能量差不多,故又叫热中子。它是经一系列碰撞后能量逐渐减低的结果。4)核反应:快中子打轻元素,打进去的是快中子,打出来的是质子(P)、中子等。3、光量子与物质的相互作用光量子与物质的相互作用:射线和X射线都是光量子。它们的波长更短,能量更高。射线一般是核衰变的结果,而X射线是认为发射的,是核外产生的。射线和X射线与物质的作用通常称为电磁辐射
8、。尽管光量子不是粒子,但一般认为它们是有极微小的粒子(光子、量子、光量子、光量子流)组成的。其能量E可由下式求得:E=h,式中,=c/;h为普朗光常数,h=6.625210-34J/s;为光子频率;c为光在真空中的速度;为其波长。光量子的能量很高,从几万电子伏特到几亿电子伏特。它们与物质的主要作用有3个方面:1)光电效应:光电效应:当一个光量子和原子相碰撞时,它可能将所有的能量h都交给一个电子,使电子脱离原子而运动,而光子本身被吸收。由于这种作用而释放出来的电子叫光电子。光电效应是在光量子能量较低时发生的。它与吸收体密度、原子质量数和原子序数有关。X()he光电子 2)康普敦康普敦-吴有训效应
9、吴有训效应:光量子能量中等时发生这个效应。这个效应是光量子和原子中的一个电子发生弹性碰撞相互作用。其特征是碰撞之后,光量子将一部分能量传给电子,电子即从原子空间中以与光量子的起始运动方向成角的方向射出,光量子则朝着与自己初始运动方向成角的方向散射。原子原子 量子(散射)量子(散射)e 康普敦电子康普敦电子入射光量子入射光量子散射光量子散射光量子3)电子对的形成电子对的形成:当光量子的能量大于两个电子的静电能量质量(即1.02MeV)时,形成电子对。在形成电子对时,光量子本身完全消失。电子和正电子的动能一般是不同的;它们与光量子形成的角度和也不一定相等。入射光量子入射光量子e电子电子e+正电子正
10、电子原子原子 由于光量子的能量不同,与物质发生的作用类型也不相同,如下图:光电效应康-吴效应电子对形成光量子能量低中1.02MeV剂量及其单位剂量及其单位 剂量:单位质量的被照射物质所吸收的能量。通常用公式 D=E/M(J/g)表示。剂量单位随所表示的对象不同而异。1、一般射线:伦琴 R(对X射线、射线);生物当量伦琴Reb;物理当量伦琴Rep;组织伦琴Rad,Gy)。吸收剂量与照射剂量不同。吸收剂量过去用rad(拉德)表示,现已改为Gy(戈瑞)表示。1rad=6.24103eV/g;1Gy=102rad 2、放射性核素:放射性核素的剂量单位,以放射强度表示。单位有居里(Ci),毫居里(mCi
11、)和微居里(Ci)。上述伦琴、生物当量伦琴、物理当量伦琴等均是照射剂量,它与X射线和射线产生的电离量有关,反映X射线和射线使空气产生电离作用的能力大小。1伦琴是指X射线或射线照射1ml或0.001293g空气,空气中的二级电子在空气中生成带有1静电单位的正负离子对时的照射剂量。但伦琴这个单位不适用于射线、射线和中子等粒子。组织伦琴,实际上为吸收剂量,常用单位是拉德或戈瑞。不仅使用于X射线和射线,也可用于各种粒子射线。1964年和1968年国际辐射单位及剂计量委员会建议对照射剂量和吸收剂量做出定义,用dose表示吸收剂量,而用expoure dose或expoure表示照射剂量。电离辐射的生物学
12、作用电离辐射的生物学作用 生物机体对电离辐射的反应不同于无生命物质。1、生物机体对电离辐射的反应特征生物机体对电离辐射的反应特征:1)敏感)敏感 DNA在在2.84C/kg(11000R)照射下,照射下,才引起结构变化;而在生物体内,若用才引起结构变化;而在生物体内,若用LD100/30d来来照射小鼠,只须几百伦琴就可以引起照射小鼠,只须几百伦琴就可以引起DNA结构变化。结构变化。2)射线对生物机体的作用有潜伏期。)射线对生物机体的作用有潜伏期。3)生物机体对电离辐射的反应是损伤与修复)生物机体对电离辐射的反应是损伤与修复的矛盾统一。的矛盾统一。在照射后,早期以损伤为主,后期则以修复为主。4)
13、生物机体本身由于其个体发育和系统发育的阶段性不同,也具有特殊性。就放射敏感性而言:胚胎期成年;高等动物低等动物;动物植物;原生动物病毒;幼体敏感性高;造血器官、胸腺、生殖腺敏感性高。2、电离辐射形式与生物学效应的关系电离辐射形式与生物学效应的关系:1)不同射线的生物学作用 在生物体吸收能量相等的情况下,不同射线的生物学效应的概略比值(以等效伦琴作统一单位)如下:X射线及射线 1;射线 1;射线 10-20;P(质子)10;n(快、慢中子)5-10。可见射线有很大的生物效应,但它的穿透能力低。2)剂量与剂量率 放射生物学效应是一种耗能过程。电离辐射的剂量与生物学效应之间有一定电离辐射的剂量与生物
14、学效应之间有一定的关系。以射线剂量为横坐标,机体的存活率或存的关系。以射线剂量为横坐标,机体的存活率或存活分数为纵坐标,则可得一剂量活分数为纵坐标,则可得一剂量-存活曲线。存活曲线。2)照射方式 照射方式不同,对生物体的影响也不同。(1)总剂量相同,分次照射没有一次照射那样强烈。这可能与分次照射之间发生的补偿或修复有关;(2)全身照射与局部照射,局部照射机体对射线的忍受量高;全身照射机体对射线的忍受量低。因此,在肿瘤放射治疗中,多采用局部、分次在肿瘤放射治疗中,多采用局部、分次照射。照射。(3)内照射与外照射 内照射的情况复杂,涉及放射源、半衰期和半排泄期。内照射对生物机体的危害较大。临床肿瘤
15、放疗中,多采用外照射。3、外界因素对电离辐射生物学效应的影响外界因素对电离辐射生物学效应的影响:1)水分 机体水分多,则敏感性高,反之亦然。2)氧 有氧时,生物机体对射线的敏感性高,有氧时,生物机体对射线的敏感性高,死亡率也高。照射时,有氧对生物机体的影响较大。高LET射线,如快中子、负介子、轻原子核、其生物效应受氧的影响较X射线小。随着LET的增加氧效应降低,因为高LET射线引起的损伤要比低LET射线严重得多。LET(Linear energy transfer)即传能线密度。电离发生在高速运动的带电粒子(如电子)行进的径路中,这些粒子是由于吸收了辐射能量而运动。LET是描述沿着这种粒子的径
16、路产生的电离能量密度的重要参数,即单位长度径迹上传递的能量,它表示在每单位径路长度上,在组织中所沉积的能量的多少。3)温度 低温对生物机体的辐射损伤有延缓作用。这可能是能量的吸收、传递需要时间和适当的温度等。4)化学物质化学物质 化学物质对电离辐射的生物学化学物质对电离辐射的生物学效应表现为:效应表现为:(1)可以减轻射线反应)可以减轻射线反应 如巯基化合物可以如巯基化合物可以把氢原子交给那些受射线作用的把氢原子交给那些受射线作用的DNA所产生的自由所产生的自由基,从而封闭自由基;基,从而封闭自由基;(2)可以加重射线反应)可以加重射线反应 能够提高某些肿瘤能够提高某些肿瘤细胞的放射敏感性。细
17、胞的放射敏感性。4、电离辐射对生物体损伤的机制电离辐射对生物体损伤的机制:1)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 辐射导致的辐射导致的DNA分子断裂分为两类:直接作用分子断裂分为两类:直接作用和和间接作用。间接作用。直接作用:是指射线直接作用于直接作用:是指射线直接作用于DNA分子,使分子,使DNA分子发生损伤而导致断裂。分子发生损伤而导致断裂。间接作用:是指辐射可使水分子产生自由基,自间接作用:是指辐射可使水分子产生自由基,自由基作用于由基作用于DNA分子并使之断裂。分子并使之断裂。2)电离辐射作用的三个阶段(1)物理阶段物理阶段:10-1810-12s射线照射路径上
18、的能量释放、激发和电离(2)化学阶段:化学阶段:激发电离,化学键断裂、自由基形成,分子结构破坏和修复正常(3)生物阶段:生物阶段:分子结构破坏 酶反应 修复 基因变异/癌变 DNA不能复制/细胞死亡 有丝分裂停止 3)电离辐射对DNA损伤的方式 (1)DNA双链断裂 (2)DNA单链断裂 (3)碱基丢失 (4)形成嘧啶二聚体 (5)DNA交联形成 (6)碱基改变 (7)蛋白交联 (8)氢键断裂)细胞存活曲线细胞存活曲线 细胞存活曲线是理解放射生物学许多内容和概细胞存活曲线是理解放射生物学许多内容和概念的基础。念的基础。肿瘤及正常组织对于电离辐射的生物学效应是受许多因素支配的。通过电离作用,能量
19、在活组织中沉积,从而引起一系列化学反应,导致细胞损伤并最终出现临床上可观察到的效应。正常组织和肿瘤对于辐射的反应是极为复杂的生物变化过程,当前只能从经验主义的角度来加以阐述。电离辐射,无论是电磁波还是粒子辐射,都是电离辐射,无论是电磁波还是粒子辐射,都是在细胞的各个部分沉积其能量的。在细胞的各个部分沉积其能量的。细胞内部并没有防碍能量沉积的屏障。每克组织(含有1022个分子所吸收的总能量是极少的,而且只有很少数的分子被电离。例如,400cGy(Gy的百分单位)的辐射只能引起组织吸收约4.1910-3 J/g的能量,仅有1/5107分子被电离。细胞存活曲线是用来描述辐射吸收剂量与存活辐射吸收剂量
20、与存活细胞数量之间的关系细胞数量之间的关系。细胞存活(Cell survival)和细胞死亡(CellDeath)的放射生物学定义:电离辐射后,细胞有两种主要的效应,即功能丧失和生殖能力丧失。对于已分化不再增殖的细胞,如神经细胞、肌对于已分化不再增殖的细胞,如神经细胞、肌肉细胞或分泌细胞,丧失其特殊功能便可认为是死肉细胞或分泌细胞,丧失其特殊功能便可认为是死亡;亡;而而对于增生细胞,如造血干细胞或离体培养生对于增生细胞,如造血干细胞或离体培养生长的细胞,丧失维持增生的能力,也就是失去完整长的细胞,丧失维持增生的能力,也就是失去完整的增殖能力,便称为死亡,即增殖性死亡的增殖能力,便称为死亡,即增
21、殖性死亡(reproductive death)。)。这个定义反映了放射生物学对细胞存活的狭义概念。1个细胞表面完整无损,具有生理功能,有能力制造蛋白或合成DNA,甚至还能挣扎着进行一次或两次有丝分裂,但是,由于它已经丧失了无限分已经丧失了无限分裂和产生大量子代的能力,依然是被看成死亡细裂和产生大量子代的能力,依然是被看成死亡细胞;胞;一个存活的细胞,保持着完整的增生能力,能保持着完整的增生能力,能够持续繁殖,产生大量的克隆或集落够持续繁殖,产生大量的克隆或集落,称为“克隆源性细胞”。这个定义在肿瘤的放射治疗上特殊意义:1)通)通过测定离体培养细胞的集落生长能力或测量在体内过测定离体培养细胞的
22、集落生长能力或测量在体内致肿瘤生长的能力,很容易并准确地做出评价;致肿瘤生长的能力,很容易并准确地做出评价;2)在一定意义上,只需在一定意义上,只需“杀死杀死”这些细胞,即使它不这些细胞,即使它不能能分裂、不能继续生长、不能扩散和转移,就能根治分裂、不能继续生长、不能扩散和转移,就能根治肿瘤。肿瘤。一般来说,破坏非增殖细胞的功能需要100Gy的剂量,而使细胞丧失增殖能力的平均致死剂量往往比2Gy还少。1、离体培养细胞存活曲线、离体培养细胞存活曲线 单个细胞生长成肉眼可见的大克隆,是细胞保留其完整增生能力的最有力的证明。这种增生能力这种增生能力随辐射剂量呈函数性消退的关系,随辐射剂量呈函数性消退
23、的关系,可用剂量存活曲线描述。集落和克隆:集落是指一团细胞,克隆是指含集落和克隆:集落是指一团细胞,克隆是指含50个细胞以上的细胞集落。个细胞以上的细胞集落。克隆是集落中的一类,而集落未必是克隆,尽管它们都是由1个细胞持续繁殖形成的细胞团。1个细胞只有经过连续5代以上的繁殖,才能形成一个克隆。集落形成率(plating efficiency):就是用来说明种植细胞能生长成集落的百分数种植细胞能生长成集落的百分数。如果接种100个细胞形成70个集落,其集落形成率是70%。将细胞种植在同样的瓶皿中,X线照射以8Gy,孵育1-2周,固定、染色,可观察到下列几种情况:1)一些种植的单个细胞依然以单个形
24、式存在,并不分裂;2)一些细胞挣扎着完成一次或两次分裂,形成很小的发育不全的集落;3)另外一些细胞长成大集落。这些细胞称为“存活细胞”,因为它们在平皿中保持了完整的增殖能力。若平皿中接种2000个细胞,用8GyX射线照射。在未照射前,由于PE是70%,2000个贴壁细胞中只有1400个能形成集落,而照射后只有32个集落,所以受8Gy X射线照射后的细胞存活率是:(32/1400)100%=0.023%因此,可以按下式得出细胞存活率:细胞存活率=(所计数的集落数/细胞接种数PE)100%2、细胞存活曲线的形式、细胞存活曲线的形式 电离辐射对细胞群体的效应,即照射剂量与细胞群体的存活能力之间的剂量
25、-反应关系,可借细胞存活曲线得到定量表达。细胞存活曲线又称剂量细胞存活曲线又称剂量-存活曲线存活曲线,是绘制在半对数坐标纸上的。横坐标为算术刻度,从原点向右表示各单次照射剂量的增大;纵坐标为对数刻度,表示细胞群体受不同剂量照射后的细胞存活率。对于致密的电离辐射(高LET辐射),如粒子或低能中子,存活数据从一开始就非常趋近为一条直线,受这种性质射线照射的特殊细胞,只用一个参数就完全能描述存活曲线,即直线的斜率。这个斜率用使成集落的细胞数下降到37%所需要的剂量来表达,称为37%剂量斜率,定名为D0。实际D0是在剂量-效应曲线的直线部分,使细胞存活率下降到原来的37%处(如从0.1到0.037)所
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