8.1引言

鉴于放射外科已积累的大量临床经验，系统地探讨聚焦照射的病理基础效应似乎是当务之急。对放射生物学的更好理解将提高放射外科治疗的结果。本研究的目的是探讨伽玛刀立体定向放射外科治疗(GK SRS)后，单次高剂量照射引起的不同的人脑肿瘤和实验动物的短期和长期组织反应。组织病理学研究表明，GK SRS在照射靶体的实质、基质和血管中产生退行性和增生性组织反应。伽玛射线损伤有三种主要的组织学类型:

不同肿瘤的急性、亚急性和慢性组织反应变化与肿瘤的个体发生性质无关。GK-SRS治疗后诱发的组织学反应形态特征与时间间隔无明显关系。

在不同肿瘤中，病理病变发生的相对时间和环境自主性具有相似的组织学图像，表明在单个肿瘤中，或是血管机制，或是由高剂量光子辐射的电离能引起的独特变化。

实验研究支持，血管壁内皮细胞的损伤似乎是辐照后伴随周围脑组织凋亡活性增加最早的形态学变化之一。这些病理生理过程可能导致间质血管阻塞和肿瘤实质坏死，并可能促进立体定向放射外科辐射效应引起的细胞死亡。

8.2背景

1958年，Larsson等人在《自然》杂志上报道，在动物的中枢神经系统中，“通过高能质子，可以在任何想要的位置造成边界清晰的损伤”。

高能电离辐射在神经组织中造成的基本组织病理学病变是靶体积内的凝固性坏死，根据靶区外的急剧辐射衰减，坏死与相邻正常结构之间围绕着明显的界限。

当最大剂量大于100 Gy时，靶坏死是目标，而几乎所有的人类肿瘤都是以更低、更能抑制细胞生长的剂量照射的。400 Gy和200 Gy的剂量分别照射第3天和第9天，脊髓出现早期病变。它们轮廓分明，和射线束的宽度差不多。在大脑半球，200 Gy照射14天后发现最早的改变，2 - 8周之间的变化类似。这些病变的一个显著特征是坏死边缘细胞反应少，离病变较远的组织似乎未受损伤。然而，400 Gy的照射产生了非常不同的损伤。受照射的动物半球明显肿胀，中线结构移位。坏死区域周围的脑体积至少是坏死区域本身的大小。大脑的其他部分没有显示出病理变化。这是单次高剂量照射后的早期实验观察结果。辐射后反应的这一阶段称为坏死期。术后下一阶段的变化是再吸收阶段。该阶段的特征是细胞碎片的吸收、巨噬细胞反应和病变周围初始胶质瘢痕的形成。这些变化在山羊身上被观察到。大剂量照射后18至28个月。晚期的组织学特征是残余空洞周围有明显的胶质瘢痕形成。

放射外科，既是一个术语也是Lars Leksell教授描述的一个领域，在过去的60年里，放射外科已经成为神经外科武器库中一种成功的治疗方式。自1967年，第一个颅咽管瘤患者在斯德哥尔摩的一家拥有原型伽玛刀的医院，索菲亚王后医院接受治疗以来，全世界有超过150万例患者接受了GK-SRS治疗。还有许多患者使用直线加速器或带电粒子设备进行其他放射外科治疗。由于放射外科的治疗指标和治疗患者的数目逐年增加，接近每年10万例以上，对放射外科的放射病理背景的探讨变得越来越重要。这些研究试图解释放射生物学和病理生理机制，导致有益的治疗效果和并发症，或不希望的放射副作用。未来放射外科的技术进步将建立在对放射生物学基础的更好理解以及将其应用于新的疾病上。医学是建立在经验之上的。正如古代所发生的那样，临床指征的发展远快于对放射外科疾病病理生物学机制的探索。考虑到放射外科在过去几十年的巨大临床经验，现在是系统回顾单次高剂量照射影响的病理基础的时候。

放射外科一词是指电离辐射能在实验生物学或临床医学中的任何一种应用，其目的是精确和完全地破坏含有健康和/或病理细胞的选定靶结构，而不会对邻近组织产生显著的伴随或后期辐射损伤。因此，放射病理学的目标应该是通过组织学、电镜、组织培养和生物生化方法研究高剂量、聚焦照射对神经组织及其病理的短期和长期影响。放射病理学聚焦于其范围和显微镜下的组织，细胞，遗传和分子的变化，在人体和实验动物，或在细胞系和其他体外实验，从放射外科设备产生的电离辐射。更好地理解放射生物学过程将提高放射外科的质量，并集中适应证和新的应用，以造福有需要的患者。

8.3 材料和方法

我们对曾接受过Leksell伽玛刀放射外科(LGK RS)治疗的病人行手术切除的脑肿瘤标本进行了组织病理学研究。这些患者有放射影像学和临床进展，需要通过开颅手术切除病变。肿瘤包括转移瘤、星形细胞瘤、脑膜瘤、前庭神经鞘瘤和血管母细胞瘤。LGK RS使用LGK- C型(瑞典斯德哥尔摩Elekta Instruments AB)进行。剂量规划是基于磁共振(MR)和计算机断层扫描(CT)成像。经处理的体积介于266至25.600mm³(中位4.700 mm³)。肿瘤在30%-60%等剂量线(中位50%)接受12-20 Gy的边缘剂量(中位数16 Gy)，最大剂量24-40Gy(中位32Gy)。

切除的标本在10%中性缓冲甲醛中固定，常规处理，嵌入石蜡，除常规苏木精-伊红染色和Masson三色染色外，我们获得GFAP、vimentin、S100、神经丝、突触素、上皮膜抗原(EMA)、pankeratin、CK7、CK20、CAM5.2、CD3、CD20、CD31和CD68(PGM1)抗原的免疫组化染色来表征肿瘤细胞的表型性质，并确定肿瘤组织周围或浸润性肿瘤组织的反应性细胞群。用Ki67和p53反应评价肿瘤细胞的增殖活性。生物素-链霉亲和素-过氧化物酶复合物（Biotin-streptavidin-peroxidase complex）方法按照标准方案在5 μm石蜡切片上进行。

采用伽玛刀专用的小动物立体定向放射外科框架，按照标准方案对大鼠进行实验性放射外科。用10%中性增黄甲醛（10% neutral buffered formaldehyde）灌注固定。切除全脑，切成5毫米切片，如上所述进行组织学处理。

8.4 结果

不同肿瘤中提示辐射效应的各种病变的形态学表现相似，但与肿瘤的组织病理学或LGK RS与开颅手术的时间间隔无关。组织的变化可以分为即刻反应(毫秒到小时)、早期反应(几天到几周)和延迟反应(暴露后数月到数年)。综合来看，病理和临床变化可分为急性、亚急性或慢性。急性组织反应可能以早期或延迟的方式发展，但慢性组织反应只以延迟的方式发展。

肿瘤实质、结缔组织间质及血管内均发生放射瓦克治疗所致的组织病理改变。这些改变不是退行性的就是增生性的。退行性改变主要发生在不同肿瘤的实质，增生过程首先发生在肿瘤的结缔组织间质和血管中。高剂量辐射的电离能所导致的基本组织病理学改变是与周围组织边界分明的病变，与周围组织有明显的分界。关于这些伽玛射线损伤的组织学和细胞组成，主要有三种类型。在急性型反应中，凝固性坏死是由嗜酸纤维样物质和无定形均匀组织碎片组成的网状结构（ a network of acidophilic fibrinoid material and amorphous homogeneous tissue debris）(图8.1)。坏死的核周围有一个脱细胞反应，或少量嗜碱性过浓凋亡细胞，其特征是核碎裂和固缩，混杂着分散的多形核白细胞和一些扩张的毛细血管后小静脉。没有明显的噬细胞或淋巴细胞浸润、反应性胶质细胞增生或瘢痕组织形成。急性型病变在放射外科治疗早期或放射外科治疗后的延迟时间内均可观察到类似的组织学图像。这些实质性改变伴随着坏死核心周围间质血管的改变，其特征为内皮破坏、纤维样坏死、弹性内膜波动并空泡化，以及血管壁内嗜酸性物质的聚集(渗出)[These parenchymal changes were accompanied with alterations of stromal vessels around the necrotic core characterized by endothelial destruction, fibrinoid necrosis, undulation of the internal elastic membrane with vacuolation, and accumulation of eosinophilic material (transudation) in the vessels’ wall.]。

图8.1急性伽玛射线损伤:GK-RS治疗后4个月肿瘤实质内边界清晰的凝固性坏死苏木精-伊红[H&E]， ×200)。

第二组伽玛射线损伤具有亚急性病理改变的特点，在放射外科治疗后数月至数年观察到。这些病变的主要组织学特征是炎症组织反应。中央凝血坏死核心被巨噬细胞边缘包围(图8.2)。这些巨噬细胞具有吞噬活性。CD68 (PGM1)有时也有CD31免疫组化反应。与聚焦照射外的其他坏死肿瘤区域相比，靶区域的坏死通常是有界限的，均匀的，与周围残留的肿瘤组织有明显的界限。这些区域呈不规则多灶表现，并有包围的肿瘤岛。肉芽组织区延伸至巨噬细胞层之外，包含丰富的小血管、毛细血管、小动脉和小静脉，伴炎性细胞、纤维细胞和表达波形蛋白阳性的成纤维细胞（A granulation tissue zone extended beyond the macrophage layer and contained abundant small vessels, capillaries, arterioles, and venules accompanied by inflammatory cells, fibrocytes, and fibroblasts expressing vimentin positivity.）。放射后中央坏死区周围也可见血管病变。GFAP染色显示，由星形细胞成分和丰富的胶质纤维组成的反应性胶质瘢痕套膜包被并构成放射性损伤的外边界（A reactive gliotic scar mantle formed by astrocytic elements and abundant glial filaments coated and constituted the outer border of the radiolesion as it was revealed by GFAP staining.）。

图8.2亚急性组织反应:GK-RS治疗后7个月，中央坏死被炎性细胞反应包围，主要由巨噬细胞组成(H&E，×300)。

第三种是放射治疗后数年出现的慢性(终末期)病理反应。放射损伤的中心部分被细胞减少的疤痕组织取代，伴有退行性改变，包括透明质沉积和/或与周围任何肿瘤组织界限分明的局灶性钙化(图8.3)。致密胶原束周围可见散在的纤维细胞、成纤维细胞和散在的局灶性淋巴细胞浸润。肿瘤抗原样的免疫组化标记物S100反应或神经丝反应显示这些区域明显减少。晚期放射后血管病变伴内皮下纺锤状细胞增生和透明样变性，导致管腔大部甚至完全闭塞。

图8.3慢性(“终末期”)病变，包括GK-RS治疗15个月后转移瘤中伴有透明样变性的低细胞疤痕组织(H&E， ×300)。

放射治疗后2-17个月(中位11个月)发现急性组织学改变。LGK-RS后4-59个月(中位16个月)发生亚急性组织反应，观察慢性组织反应。放射治疗后18-82个月(中位32个月)。 

照射后的早期大鼠实验性RS模型显示辐照后血管壁内皮破坏和周围脑组织凋亡活性增强。RS后约1年发生晚期放射后血管病变，伴有通道管腔变窄，甚至缺血性中风（Late postirradiation vasculopathy with narrowed channels’ lumina and even ischemic stroke occurred approximately 1 year after RS.）。

8.5 讨论

立体定向放射外科技术的不断改进和新适应证的治疗需要广泛的放射生物学和病理学研究来确定这种治疗干预的价值，并增强未来减少不良副作用。放射外科最初的目的是治疗功能障碍，但在其引入后不久，动静脉畸形(AVM)和脑肿瘤成为高危手术区域的主要靶体。

脑肿瘤放射治疗的实验基础已经很完善，为高剂量照射的有效性提供了证据。人类病理病例报告和综述支持实验结果。本综合研究的目的是比较评价对实验动物和一系列具有不同组织类型和不同时间间隔的人类脑肿瘤进行伽玛刀放射外科治疗的效果。

在人类脑肿瘤中，放射性损伤的形态似乎与实验动物中发现的相似。本研究证实，高聚焦电离辐射可导致所研究的脑肿瘤发生退行性或增生性组织病理学改变。在退行性改变中，肿瘤实质发生坏死和凋亡，破坏肿瘤细胞，而结缔组织间质和血管壁主要出现透明样、纤维样和钙沉积。肿瘤间质和血管内存在肉芽组织形成、炎症反应、巨噬细胞侵袭、纤维细胞-纤维母细胞增殖、瘢痕组织产生等增殖过程。这种炎症反应提供了一种“清除”功能，有助于清除被破坏的肿瘤组织(坏死碎片)，并最终用疤痕组织替代。疤痕组织由透明变性的胶原束和具有一定收缩倾向的胶质原纤维组成。这种收缩增强了肿瘤的体积缩小，这在后续影像学研究中经常被注意到。

本研究描述了三种主要的LGK RS的组织病理学反应。急性伽玛放射性损伤以坏死为特征，表现为早期或延迟出现。亚急性放射性损伤在早期或延迟发作时表达吸收活性。慢性病变有修复倾向，但仅在迟发期有。这些变化似乎是连续的，与肿瘤的组织学类型或照射后的时间间隔没有明显的关系。唯一一致的观察是，根据这些变化是终末期改变的概念，慢性病变以延迟的方式被注意到。

放射外科治疗可以通过直接的、早期的细胞毒性作用(凝血坏死、细胞凋亡)或晚期的血管变化破坏或失活靶向肿瘤细胞的增殖。有人认为，良性肿瘤的放射生物学机制是细胞毒性和血管效应的结合。直接的细胞影响可能是溶酶体膜损伤释放各种细胞质水解酶导致细胞坏死的结果。这可能是集中的电离能导致深刻的间接DNA损伤在交叉的会聚伽马射线。这种对小靶体积的高剂量导致下一个细胞周期开始时细胞死亡(凋亡;例如，程序化的细胞死亡)。正因为如此，与生长缓慢、增殖率较低的良性肿瘤相比，快速增殖、细胞有丝分裂率高的肿瘤，如转移瘤或恶性胶质瘤，对放射外科治疗反应较早。无增殖性的靶区，如AVM，的反应有较长的潜伏期。放射外科的晚期血管效应可能是由异常血管壁的反应所介导的。临床实践中使用的典型放射外科剂量通常不会影响靶区附近的正常脑血管。相比之下，肿瘤或血管畸形的异常血管似乎对放射外科的高剂量光子辐射能量有较高的敏感性。这种血管反应的差异为肿瘤和非肿瘤性脑靶体(如动静脉畸形)的选择性放射外科治疗提供了病理生理学基础。

本文通过组织病理学研究，探讨放射外科治疗后脑肿瘤的形态变化。放射外科治疗后的手术病理或解剖标本调查相对较少，主要原因是该方法成功率高。此前的研究发现，肿瘤细胞数目减少、纤维间质增多、中央坏死、巨噬细胞边缘、淋巴细胞浸润、血管改变和反应性星形细胞增多等改变。Jagannathan等得出结论，放射性坏死和肿瘤放射耐药是导致脑转移瘤患者放射外科治疗后需要外科切除的最常见原因。他们发现，发现存活肿瘤的患者的生存率明显低于只看到坏死的患者。Kano等人报道，从立体定向放射外科到切除的间隔越短，标本证实肿瘤复发的可能性越高。当是在放射外科治疗2个月内切除，病理均显示有肿瘤细胞。我们的组织病理学和免疫组化研究结果表明，放射外科可引起脑转移瘤及其血管间质坏死改变，并伴有无菌炎症反应。在不同的转移灶中观察到3种组织学类型的组织反应。组织反应揭示了一定的时间发展，但与肿瘤的组织学起源没有显著的相关性。炎症反应在肿瘤局部控制过程中起着重要作用。放射外科治疗<5个月后，肿瘤复发需要开颅手术,有轻度至无炎症反应。放射治疗后局部肿瘤得到控制>5个月的肿瘤表现出中等至强烈的炎症反应。免疫组化显示，亚急性型病变中CD68阳性的巨噬细胞占优势，慢性型组织反应中CD3阳性的T淋巴细胞占优势。(那些需要在<5个月内接受开颅手术的患者)低反应性转移瘤中稀疏的炎症反应带来了这样的问题:这些肿瘤对放射外科治疗的反应可能存在固有延迟，或者这些患者的免疫系统可能存在损伤。放射外科治疗脑转移瘤所引起炎症反应的病理生理机制可能来自于治疗过的肿瘤细胞或血管内皮。例如，电离辐射可能破坏血-瘤屏障，使血液中的细胞成分，特别是白细胞，穿过血管壁，渗入周围的肿瘤实质。这一理论得到了组织病理学观察的支持，许多炎性细胞浸润似乎起源于和传播于肿瘤周围血管间隙和周围脑组织。也有可能是聚焦照射刺激了大脑的免疫系统，类似于在放疗后的AVMs等其他病理状况中所观察到的情况。中枢神经系统免疫特权的最初概念已经得到修正，各种研究表明，正常中枢神经系统中既有传入免疫通路，也有传出免疫通路。

8.6 结论

在目前的研究中，我们提出了一个组织病理学分类系统，用于观察在放射外科治疗后进展的脑肿瘤患者的组织反应，并需要随后的开颅手术。我们观察到单次高剂量照射引起三种形式的组织学反应，即急性、亚急性和慢性类型。不同组织学亚型的各种脑肿瘤，其最初表现为凝固性坏死，通常伴有炎症反应和血管改变，随后形成疤痕组织。这些组织病理反应随着时间的推移从急性到亚急性再到慢性形态。我们还在分析的肿瘤中发现了不同程度的放射后血管病变。放射治疗对肿瘤更有利的反应与更活跃的CD68阳性和CD3阳性细胞反应有关。

不同肿瘤和不同患者的放射损伤形态相似，提示其诱发的组织病理反应可能与高剂量聚焦辐射的直接生物学效应有关。我们认为这些组织反应包括直接的细胞效应和血管机制。急性效应表明损伤时释放的细胞因子直接影响细胞损伤。放射外科电离能引发的炎症级联可能介导亚急性和慢性效应。我们的人体病理观察结果与遗传学和药理学研究结果是一致的。这些研究揭示了辐射诱导的微血管和肿瘤细胞损伤的关键作用，这两者都构成了肿瘤对辐射反应的基本要素。未来的放射生物学研究应关注这些通路的刺激，以提高放射外科治疗的疗效和选择性。

LGK RS是一种安全的颅内肿瘤原发或辅助治疗方法。其具体作用与肿瘤组织学高度相关。区分适当的治疗反应和放射副作用具有重要的临床意义。在放射外科治疗后需要最终手术切除的小比例患者中，病理分析可以极大地补充我们对临床影像学改变的解释（In the small percentage of patients who require eventual surgical resection after radiosurgery, pathological analysis can greatly supplement our interpretation of clinical imaging changes）。