放射生物学基本原理

 

要了解立体定向放射外科(SRS)独特的放射生物学方面，必须首先了解基本的放射生物学概念和细胞死亡的机制。

这些基本概念通常被称为放射生物学的5Rs(修复、再分布、再氧合、再增生和放射敏感性[(repair,  redistribution, reoxygenation, repopulation, and radiosensitivity) of radiation biology.]。

4.4.1修复

虽然辐射暴露会导致许多细胞效应，但放射引起的DNA损伤是最重要的影响。DNA损伤，可以是单链断裂或双链断裂，导致重大的染色体改变。双链DNA断裂是放射致死性损伤最常见的原因。单链DNA断裂可以累积，最终导致致命的细胞损伤。然而，细胞有多个检查点和通路来检测和修复DNA损伤。G1-S和G2-M检查点检测DNA损伤并启动进程，使细胞处于静止模式并激活修复机制。目前已经确定了多种已知的修复机制，包括错配修复、核苷酸切除修复、基底切除修复等，这些修复机制在放疗诱导的DNA损伤中不太常见（Multiple known repair  mechanisms have been identified, including mismatch  repair, nucleotide excision repair, base excision repair, and  others, which are less commonly activated for radiotherapyinduced DNA damage）。

双链DNA断裂是最常见的直接和不可逆的损伤原因，并导致多种修复机制的激活响应DNA损伤。研究最广泛的修复机制是非同源末端连接(non-homologous end joining, NHEJ)和同源重组（ homologous recombination）。在非同源末端连接（NHEJ）中，可以发生在细胞周期的任何阶段，断裂的DNA末端直接连接。然而，这种修复机制容易出现重大错误，从而导致DNA序列发生变化。在同源重组中，从姐妹染色单体修正DNA断裂，因此更不容易出错和改变DNA序列。同源重组只发生在细胞周期的后期S期和G2期，在DNA合成发生之后。例如，乳腺癌易感基因BRCA1和BRCA2参与调控同源重组。因此，BRCA1/2突变使患者更易患几种不同类型的恶性肿瘤，包括乳腺癌。

4.1.2再分布

 

细胞周期再分布强调肿瘤内的细胞通常处于细胞周期的不同阶段。在S期晚期，细胞可以利用同源重组和非同源末端连接(NHEJ）来修复致命的DNA断裂，被认为具有较强的抗放射能力。然而，在G1期和早期S期，细胞只能利用NHEJ(更容易出错)，使它们对放射更敏感。因此，常规分割放疗允许每天的每次分割优先导致处于相对放射敏感期的细胞死亡，同时允许其他细胞在细胞周期的其余部分循环，直到它们在分割放疗过程的第二天达到更敏感的阶段。

4.1.3再氧合

当电离放射产生自由基时，会产生间接的DNA损伤，这种损伤持续不到一秒就会消失。氧是一种重要的放射性增敏剂，因为它稳定自由基，允许自由基有时间造成DNA的损伤（Oxygen is an important radiosensitizer as it stabilizes the free radicals, allowing time for the free  radicals to cause DNA damage）。此外，乏氧的癌细胞往往比富氧的细胞更耐放射。在分割放疗过程中，氧合良好的癌细胞首先死亡，从而改善其余乏氧的中心细胞的氧合。因此，分割放射治疗被认为可以使中枢乏氧细胞更好地再氧合，使它们更容易受到DNA损伤和死亡的影响。这一概念被称为氧增强比( the oxygen enhancement ratio，OER)，定义为在乏氧条件下杀死一群细胞所需的剂量大于在正常氧条件下杀死同一细胞所需的剂量。据估计，大多数癌细胞的OER范围在2.5 - 3之间，表明乏氧细胞需要比正常氧细胞多2 - 3倍的剂量才能产生相同的结果。

4.1.4再增生

再增生是指细胞在暴露于放射后，不会导致细胞死亡的再增生。在不同的正常组织和癌细胞中，再增生率是不同的。放射治疗的中断可能导致肿瘤细胞再增生，导致某些类型癌症治疗失败的风险更高。在鳞状细胞癌中尤其如此，如头颈部、颈部和肛门。对于正常组织来说，再增生可以使正常组织愈合，因此，急性副作用通常是由于快速分裂的细胞死亡，这些细胞也愈合得更快(如胃肠道黏膜)。相比之下，再增生缓慢的细胞，如神经元，需要大量的时间来愈合，因此放射治疗产生的神经毒性通常是晚期的副作用。

4.1.5放射敏感性

不同类型的细胞具有不同的先天放射敏感性。此外，同一类型细胞的放射敏感性也可能因个体的遗传成分而不同。某些类型的细胞是高度放射敏感的，低剂量的放射治疗足以造成暂时甚至永久的功能丧失(例如，性腺细胞)。虽然大多数肿瘤细胞被认为是放射敏感的，但有些是耐放射的，因此，低剂量的放射不会造成足够的伤害以杀死它们或停止其生长。所以，可以利用较高的放射总剂量或每次分割剂量(如在SRS中提供的剂量)来克服固有的放射抵抗性。

4.2不同放射技术的放射生物学考虑

放射引起的细胞死亡有直接或间接的机制。电离放射通过从光子或粒子轨道中沉积能量来促进细胞死亡。单位轨道长度的平均能量沉积量为线性能量转移(LET)[The average energy deposited per unit length of track is referred to linear energy transfer (LET)]。这些电离产生自由基，破坏DNA和其他重要的生物分子所需的细胞功能。自由基进一步与其他分子相互作用，导致二次电离反应，形成更多的自由基。临床上有几种类型的电离放射。最常用的类型包括高能X射线、伽马射线、电子和重离子粒子疗法。光子(X射线和伽马射线)是一种电磁波，具有非常相似的特性(但来源不同)，而且没有质量。电子和重离子粒子具有不同的特性，因此被分开分类。光子和质子被认为是低LET形式的放射，因为它们在每个单位轨道上沉积相对较低的能量。重离子粒子，如碳或中子，是密集电离的，被认为是高LET形式的放射。相对生物有效性(Relative biological effectiveness，RBE)是一个用来描述不同类型电离放射的生物有效性的术语。RBE是使用250-kVp X射线达到生物终点的剂量与使用不同LET放射的剂量之比。这转化为RBE与电离放射的LET成正比。对于低LET放射，RBE值通常等于1。对于质子，RBE通常在1.1左右，这是由Bragg峰区引起的。高LET放射通常比低LET放射具有较大的RBE。例如，碳离子RBE约为2－5，这取决于剂量模式、布拉格峰位置、受照射组织和生物数学模型（ carbon ion RBE is approximately 2–5 depending on the dose pattern, location of Bragg peak, tissue being irradiated, and biomathematical modeling）。

4.2.1放射致细胞损伤的类型

 

由于水是细胞中最常见的分子，由羟基自由基(OH-)产生的级联电离导致DNA损伤，被称为间接DNA损伤。据估计，三分之二的DNA损伤是通过OH-自由基的间接作用发生的，三分之一是通过放射直接电离DNA发生的。DNA和其他生物分子放射诱导的损伤可导致细胞周期或增殖的改变，导致生长停滞，最终有丝分裂细胞死亡。电离和自由基的形成几乎在辐射暴露后立即发生(皮秒picoseconds)。同样，DNA损伤也会在几分之一秒内发生。一旦DNA发生损伤，细胞就开始部署多种修复机制，通常在几个小时到几天的时间内发生。如果受损细胞不经历有丝分裂细胞死亡和DNA损伤持续，细胞可能经历永久生长停滞或衰老。然而，当损伤不能修复时，细胞死亡要么发生坏死，凋亡，或有丝分裂灾难。早期放射生物学家将DNA损伤分为致死性的、亚致死性的或潜在致死性的。这些术语在确定放射照射后不同类型的DNA损伤和修复机制之前进行了描述。致死性损伤（Lethal damage），顾名思义，意味着暴露在放射中的细胞受到严重影响，无法持续修复，这通常被认为是双链DNA断裂的结果。亚致死性损伤是指细胞损伤，但不足以引起细胞立即死亡。然而，亚致死性损伤被认为具有累加效应，累积亚致死性损伤可导致细胞死亡。亚致死性损伤有助于解释细胞生存曲线中可见的低剂量放射肩（ the low-dose radiation shoulder）(图4.1)。这就解释了为什么在低剂量下，一些细胞会受到一些不足以导致细胞死亡的损伤。经过数次剂量的分割放射治疗后，累积的DNA损伤导致细胞死亡。值得注意的是，亚致死性损伤间接揭示存在亚致死性DNA损伤修复。关键的发现是治疗分割，以平衡杀死肿瘤细胞所需要的较高的总剂量，同时又提供足够的每日剂量，以使治疗比例最大化和正常组织损伤最小化（The key finding is treatment fractionation that balances higher total dose needed to kill tumorcells while delivering sufficient daily dose to maximize the therapeutic ratio and minimize normal tissue damage）。这一概念导致了一种误解，认为分割放疗比单次高剂量(例如SRS/SBRT)放疗的治疗比例更大，这一误解没有得到临床或新兴的放射生物学证据的支持（This 　concept led to the misconception that fractionated radiation provides bigger therapeutic ratio than a single high dose (e.g., SRS/SBRT) radiation, which has not been supported by clinical or emerging radiobiological evidence. ）。值得注意的是，正常组织细胞存活曲线上的肩部比许多癌细胞的存活曲线要小。分割之间再氧合的分割时间和增加放射敏感性的理论优势，将在后面的章节中讨论。放射治疗的时间间隔对于正常组织的DNA修复也很重要。不同器官的DNA修复速度不同，有些器官修复得很快，而有些则需要更多的时间。例如，脊髓具有缓慢修复动力学，半衰期约为4小时。潜在致死损伤修复(Potential lethal damage repair, PLDR)是指放射损伤修复，通过放射或细胞微环境的交替(如改变pH值或温度)引起细胞休眠或失活。

 

图4.1细胞对数存活率随剂量(Gy)的变化曲线。请参阅文中有关α/β比值的描述。细胞存活曲线的“肩部”区域表示造成亚致死DNA损伤的辐射剂量。在“肩部”区域分割放射治疗将能让正常组织修复DNA损伤。由于肿瘤细胞由于修复机制错误而无法修复DNA损伤，因此肿瘤细胞对下一剂量的辐射仍然敏感。

辐射暴露也会导致染色体的明显变化，这可能会导致细胞的几种结果之一。一些变化包括易位、倒转、染色体部分或全部丢失、形成DNA环或双微小染色体（Some changes include translocation, inversions, chromosomal partial or total loss, formation of DNA rings or double minute chromosomes.）。不涉及必需DNA物质损失的染色体畸变不会导致细胞死亡。然而，仍然有可能发生染色体变异，使细胞具有“功能获得”突变并驱动癌症进展。此外，还有一些特定的干预措施可以减少辐射对细胞的影响。例如，自由基清除剂可以用来减少DNA损伤，改变DNA损伤修复或细胞周期的药物可以用来增强辐射敏感性。

一种限制正常组织暴露于辐射的替代机制是通过改善多叶准直器的放射治疗照射，有效的固定，患者摆位和治疗摆位的可重复性（An alternative mechanism to limit normal tissue exposure to radiation is by improving radiation treatment delivery with multileaf collimators, effective immobilization,），从而减少被照射的正常组织的体积。先进的计划策略可以用来为患者制定一个最佳的计划，允许最大限度地治疗肿瘤体积，同时最大限度地减少正常组织的受照射体积。通常使用多种不同的射线束来达到足够高的剂量，以控制肿瘤细胞， 且以高的适形性，避免对周围正常组织产生副作用。先进的病人体位，图像引导，治疗交付计划，和质量保证(QA)软件允许优化的放射照射。此外，能够在短时间内提供大剂量的放疗，例如当使用非均整过滤器( flattering filter free，FFF)的治疗技术时，利用立体定向技术，如SRS，允许对小靶区进行有效的放疗。

4.2.2放射对组织器官的影响

当放射肿瘤时，疾病周围的微环境是一个重要的考虑因素。这些正常组织在放射敏感性和副作用风险方面各不相同。从放射生物学的观点来看，器官分为串行或平行结构（serial or parallel structures）。串行排列的器官，例如脑干和脊髓，通常是通过功能的串行传导而运作的结构（Serially arranged organs are usually structures operating by serial conduction of function）。对于这些器官，照射小体积的最大剂量(Dmax)可预测毒性和潜在的器官功能障碍［For these organs, the maximal dose given to a small volume (Dmax) predicts toxicity and potential organ dysfunction］。例如，放射外科治疗后的放射性脊髓病变与Dmax密切相关。同样的情况也适用于脑干，其Dmax耐受量为15 Gy，限制在1cc体积内。随着脑干受照射剂量和体积的增加，放射性坏死的风险也随之增加。平行排列的器官通常由平行的功能单元组成，如肾和肺。在这些器官中，功能单位的数量决定了整个器官的功能；因此，只要有足够的功能单元储备，一小部分功能单元的损伤并不会损害整个器官的功能。因此，在平行器官中，整个器官的平均剂量比Dmax更重要（in parallel organs, the mean or average dose of the entire organ is more important compared to the Dmax）。需要注意的是，根据大脑的不同区域，大脑是串行和并行功能单元的混合体。小区域内受照的高剂量超过脑所耐受的(Dmax)可能会增加放射坏死和功能单位丧失的风险。研究正在进行中，以了解大脑的功能单位，初步数据显示，大脑中的干细胞迁移到放射损伤的区域，以帮助修复。一般来说，电离辐射会引起两大类副作用，可分为早期和晚期。早期副作用通常影响快速分裂的细胞，如皮肤(引起红斑和脱屑)和胃肠道(引起腹泻)。在大脑中，炎症也可能是一种早期副作用，表现为颅内压升高的迹象，如头痛、恶心、呕吐或功能障碍，这取决于肿瘤的位置。当缓慢分裂或静止的细胞试图复制时，临床表现为晚期副作用。晚期副作用的发生既与每次分割剂量有关，也与总剂量有关。在中枢神经系统，晚期副作用可表现为神经认知障碍、神经内分泌障碍、神经和脊髓病变。对组织的后期副作用也与患者的年龄有关。儿童患者的骨骼生长发育可能会因为放射而受到损害，而老年人的骨骼则会因为放射而受损，从而导致骨折。这是一个重要的考虑因素，因为每个SRS分割更高的剂量与脊柱SRS治疗后压缩性骨折的风险增加有关。

4.3细胞存活模型

经典的放射生物学是基于细胞存活模型的，该模型描述了在被辐射前具有复制能力（the ability to replicate）的细胞或组织在辐射后形成的群落数量（ the number of colonies formed）。它通常被绘制成辐射后存活细胞的功能。用体外和体内的分析来确定所形成群落的数量作为功能的辐射剂量递增的函数（ In-vitro and in-vivo assays were used to determine the number of colonies formed as a function of escalating radiation doses.）。值得注意的是，这些传统的放射生物学模型是在现代分子学和的对癌症生物学更详细了解之前发展起来的。然而，这些模型被广泛接受，并在本节中重点介绍。在这些模型中，克隆生存模型是目前公认的评价辐照致细胞死亡的“金标准”（ the clonogenic survival model is currently accepted “gold standard” for evaluating cell kill by irradiation.）。然而，这些模型未能纳入目前在癌症细胞生物学中被接受的重要的新概念，首先是细胞-细胞和细胞-细胞基质相互作用（ the first being the cell-cell and cellextracellular matrix interactions.）。细胞与细胞的相互作用，包括癌细胞与免疫系统、内皮细胞、癌症相关的纤维母细胞等细胞的相互作用，以及细胞与细胞外基质的相互作用，有助于肿瘤的生长或对治疗的反应。此外，克隆生存模型没有考虑到具有自我更新、分化和再现肿瘤能力的癌细胞癌症干细胞（ the clonogenic survival model does not account for cancer stem cells, which are cancer cells that have the ability to self-renew, differentiate, and recapitulate the tumor）。研究认为，与非干细胞癌细胞相比，这些细胞构成了治疗耐药性最重要的因素，对治疗具有高度的适应能力。因此，肿瘤干细胞被认为是肿瘤治疗的重要靶点。尽管概念更新，传统的放射生物学模型在临床环境中仍然有用，在常规放疗和SRS治疗中有重要意义。

4.3.1常规放疗

肿瘤控制的概率是由被辐射杀死或影响而不再维持肿瘤的克隆细胞的比例所决定的（The probability of tumor control is determined by the proportion of clonogenic cells killed or affected by radiation so   that they can no longer maintain the tumor.）。该概率由泊松分布推导（This probability   is derived from the Poisson distribution ），所用公式为P = e⁻ⁿ，其中P为肿瘤控制的概率，n为放射后存活群落的平均数量（P is the probability of tumor control and n is the average number of survival colonies after radiation）。例如，以10个对数函数减少，就可能有控制大约90%的肿瘤的可能性（ a reduction by 10 logarithms would give a probability of approximately 90% of tumor control.）。

4.3.2多靶区模型

该理论是常规放疗的基本放射生物学理论之一。意味着放射治疗的每次分割都会对靶区造成随机但相等的打击；就是意味着随着辐射的增量，相同比例的细胞被杀死（It implies that each fraction of radiation therapy will cause a random but equal hit on the target;  meaning that the same proportion of cells is killed with   each increment of radiation）。方程S = 1−(1−e^−D/D0)ⁿ描述了细胞存活曲线(图4.1)，其中S为存活细胞的比例，D为照射的剂量，D0为使细胞存活减少到起始细胞数量的37%的剂量（D is the dose given, and D0 is the dose that reduces cell survival to 37% of the starting number of cells.）。N为放射治疗分割的次数，在曲线的肩部显示，表明在观察到生存率下降之前，必须累积多次打击( indicating that multiple hits must accumulate before a reduction in the survival is seen)。(图4.1)

根据多靶区模型，在低剂量的辐射下，细胞不会被杀死。然而，这并不是在临床实践中所观察到的。因此，为了解决这种偏差，我们开发了线性二次模型，这是目前临床应用中最被接受的细胞生存曲线模型。

 

4.3.3线性二次模型（Linear-Quadratic Model）

该模型假设细胞存活是分别以线性项和二次项表示的单次打击和二次打击机制的函数（This model assumes that cell survival is a function of both   single-hit and double-hit mechanisms which are graphed as   a linear term and a quadratic term, respectively）。描述这条曲线的方程是S = e^{−αD-βD^2}，其中α是单次打击杀死细胞的速率，β是二次打击机制杀死细胞的速率（α is   the rate of cell kill by a single-hit and β is the rate of cell   kill by a double-hit mechanism）。造成这些曲线的潜在分子原因仍不清楚。然而，人们认为多染色体单链和双链断裂以及其他间接的细胞杀伤机制是造成这些影响的原因（multiple chromosomal   single-stranded and double-stranded breaks along with other indirect cell killing mechanisms are responsible for these effects）。α/β比值是线性项和二次项对细胞杀伤贡献相等的剂量（The α/β ratio is the dose at which the linear and quadratic terms contribute equally to cell kill）。该比值通常用于临床实践中描述肿瘤或正常细胞的辐射敏感性和反应类型。例如，快速分裂的细胞，如大多数癌细胞、皮肤和胃肠道细胞，往往具有大约为10的高α/β比值，因此被认为是早反应组织(在放疗过程中反应和急性副作用均被注意到)。然而，缓慢分裂的细胞，如大脑和脊髓细胞，有较低的α/β比值，因此被认为是晚反应组织(在放射治疗过程中不太可能有急性作用)。用不同的分割方案确定辐射的生物效应剂量(BED)时，线性-二次方程也很有用[The linear-quadratic   equation is also useful when determining the biologically   equivalent dose (BED) of radiation using different fractionation schemes. ]。式中BED = D(1 + D(α/β)),其中D为总剂量，d为每次分割剂量。因此，有了肿瘤细胞的α/β比值，我们就可以确定使用不同的分割来达到相同的生物效应所需的剂量。这些假设对常规辐射剂量进行了充分的研究。但是对于极端的大分割(SRS或SBRT)中，线性二次理论的应用是有争议的，因为最初的实验没有在单次分割中使用>10 Gy的剂量。

4.3.4治疗比率

 

辐射对正常细胞的损伤与癌细胞死亡之间的关系是治疗比率（The relationship between radiation damage to normal cells and cancer cell death is the therapeutic ratio ）(图4.2)。两条曲线之间的间隔通常被称为治疗窗。我们的目标是通过将肿瘤控制曲线向左移或将正常组织并发症曲线向右移来最大化这种分离（The   separation between the two curves is commonly referred to   as the therapeutic window.  The goal is to maximize this   separation either by shifting the tumor control curve to the left or the normal tissue complication curve to the right.）。将肿瘤控制曲线左移通常是通过降低控制肿瘤所需的剂量，例如，可以通过添加放射增敏剂来实现（Shifting the tumor control curve to the left is usually done   by lowering the dose needed to achieve tumor control,   which could be done, for example, by adding radiosensitizers. ）。可以通过交替和改进放射治疗(如SRS)来减少正常组织所暴露的剂量，使正常组织并发症曲线向右偏移（Normal tissue complication curve shift to the right   could be achieved by alternating and improving the radiation treatment delivery (such as SRS) to minimize the dose   of normal tissue exposure. ）。正在积极研究其他的方法，使用放射性防护，选择性地向右移动正常组织并发症曲线（Other methods of selectively   shifting the normal tissue complication curve to the right   using radioprotectors is under active research）。因此，应尽可能扩大治疗比，在优化肿瘤控制的同时最大限度地减少放疗的副作用（  it is imperative to widen the therapeutic ratio as much as   possible to optimize tumor control while minimizing side   effects from radiotherapy.）。

 

图4.2总剂量与肿瘤控制、总剂量与正常组织并发症的剂量关系图。特定剂量下的治疗窗是肿瘤控制与正常组织并发症曲线之间的距离。(A)显示了一个次优的治疗比例。放射防护剂、放射增敏剂和放疗技术的进步增加了正常组织并发症与肿瘤控制曲线之间的距离，从而优化了治疗比率，如(B)所示。当两条曲线最大限度地分离时，可获得最佳的治疗比率。

4.3.5分割

分割的概念(每天小剂量的辐射)被认为可以提高治疗比率，允许正常组织愈合，同时向肿瘤照射更高的总剂量。常规分割是指在5 - 7周的疗程中，每周5天进行 每次分割1.8 - 2Gy的治疗。从放射生物学的角度来看，使用常规的分割方法可以修复正常组织和肿瘤细胞重组，有助于提高细胞的整体杀伤能力，并允许再氧合，从而提高放射敏感性，最终允许正常细胞的再增生，从而降低副作用的风险（From the radiobiological perspective, the use of conventional fractionation allows for repair of normal tissues and reassortment of tumor cells, helps to improve overall cell kill and allows for re-oxygenation hence improving radiosensitivity, and finally allows for repopulation of normal cells thereby decreasing the risk of side effects.）。超分割、加速治疗和中度大分割的原理属于相同的放射生物学原理。然而，对于极大分割，即立体定向放疗/放射外科，已经描述了不同的概念和机制，目前正在研究中，这些概念和机制可以更好地解释与传统放射生物学模型相比改善的临床结果(更好的肿瘤控制以及更低的副作用)[The principles of hyperfractionation, accelerated treatment, and moderate hypofractionation fall under the same radiobiological   principles.  However, for extreme hypofractionation, i.e., stereotactic radiotherapy/radiosurgery, different concepts and   mechanisms have been described and are currently under   investigation that could better explain the improved clinical   outcomes (better tumor control as well as lower side effect   profile) compared to traditional radiobiological models.]。

4.4立体定向放射外科和立体定向放射治疗

使用立体定向定位，单次高剂量“消融”放射治疗颅内或脊柱靶区被称为SRS。当同样的原理应用于治疗其他部位或器官时(通常在高剂量放射治疗中达到5次分割)，则被称为立体定向体部放射治疗(SBRT)。由于治疗方式的进步，SRS和SBRT越来越多地用于大脑、脊柱和其他身体器官。机车载图像引导以及机器人治疗系统已经允许在不需要刚性固定设备的情况下进行精确治疗。放射外科在理想情况下适用于小体积靶区，在这种情况下，接受辐射的正常组织的体积将明显低于大体积靶区的正常辐射体积(图4.3)。鉴于患者定位、治疗计划和照射的进步，SRS和SBRT的临床实践已经被广泛接受，但SRS的放射生物学研究和原理却落后了。如前所述，放射生物学模型被更广泛地接受和研究分割放疗。利用传统的放射生物学模型，高剂量“消融”放射治疗似乎有一个不利的治疗指标，这直接与临床观察相矛盾。大量研究表明，SRS/SBRT即使对毒性明显降低的“耐辐射”肿瘤也能导致非常高的局部控制，提示高剂量放疗的放射生物学效应不同于分割低剂量放疗的放射生物学效应。

 

图4.3立体定向放射外科(SRS)治疗大肿瘤的几何劣势示意图。对于较大的肿瘤，SRS导致靶体积较高的剂量溢出，引起正常组织损伤。大肿瘤的分割放射治疗使周围正常组织有足够的时间修复亚致死损伤。因此，尽管肿瘤杀伤效率较低，分割立体定向体放射治疗(SBRT)是一种可行的选择，以降低正常组织的毒性。

采用线性二次模型进行单次高剂量消融放疗一直是争议不断的领域。认为线性二次模型在高剂量放疗时容易高估肿瘤细胞杀伤效应。因此，Park和同事开发了一种替代模型，称为单次分割放射外科通用生存曲线。在这条曲线中，线性二次曲线的低剂量区域是相同的，但曲线的高剂量区域是“拉直”的，以考虑与超高剂量细胞杀伤相关的其他外部因素(图4.4)。该模型来源于肺癌SBRT研究，由于未能考虑不同类型的肿瘤和周围正常器官，因此没有获得很大的发展势头。所以，尽管线性二次模型存在缺陷，但它仍然是最被接受的SRS治疗细胞生存估计模型。更重要的是，它对根据α/β比值估计与周围正常器官辐射相关的急性和晚期毒性具有极好的价值。

 

图4.4线性二次型(LQ)模型有效剂量范围与多靶区模型有效剂量范围之间的通用生存曲线(USC)及过渡。在转移剂量DT以下，USC曲线与LQ模型曲线一致，在DT以上，USC曲线与多靶区模型曲线的终端线性部分相一致。

为了最大限度地控制肿瘤和降低毒性，特别是对于大肿瘤，大分割立体定向放射治疗(也被称为分期放射外科或分割放射外科)的概念已经得到研究。通过估计肿瘤的α/β比值为10，而周围正常组织(如大脑)的α/β比值为2，大分割SRS在保持低毒性风险的同时控制肿瘤的概率是显著的(图4.5)。临床数据也证实了这一点，将分割放疗(9 Gy × 3次分割)与单次分割SRS治疗进行比较，在治疗测得>2厘米的脑部病变时显示出有较好的局部控制和放射性坏死风险的降低 。

 

图4.5典型单次分割SRS和大分割SRS的BED2和BED10 (α/β比值分别为2 Gy和10 Gy时所计算的生物效应剂量)。注意，BED2与正常组织对辐射的反应有关，增加BED2会导致正常组织受到更多的损伤。快速增殖的组织，如许多脑转移瘤和胶质瘤，对辐射的反应表现为BED10，而BED10越高，说明局部控制越好。

鉴于大量的临床证据支持SRS/SBRT，人们认为使用高剂量的放疗导致显著的间接细胞杀伤，这是优秀的临床反应的原因，而不是直接解释。这表明，在SRS/SBRT的背景下，大剂量辐射刺激了除DNA损伤外的其他分子机制，包括肿瘤血管的改变、增强抗肿瘤免疫反应，因此细胞死亡不能用线性-二次模型充分解释。DNA断裂仅如图4.6所示。大剂量的放疗可能对细胞有内在和外在的影响，有助于肿瘤细胞的杀伤，例如交替内皮周围的细胞和激活其他途径的肿瘤和邻近的细胞被照射，这将在下面作进一步讨论。

 

图4.6 (A)假设10%的肿瘤细胞乏氧时，肿瘤细胞在体内的辐射生存曲线。如果肿瘤细胞仅根据经典的放射生物学原理死亡，则细胞存活率将下降，如(a)和(b)所示，分别表示乏氧细胞和乏氧细胞的死亡。然而，如(c)和(d)所示，当辐射增加到约10Gy或15Gy以上时，发生间接肿瘤细胞时，细胞存活率将向下弯曲。(B)线性二次模型。实线是计算出来的线性二次生存曲线，随着辐射剂量的增加而向下弯曲。虚线表示细胞存活率随辐射剂量线性下降。

4.5内皮细胞破裂和肿瘤血管改变

为了了解放射外科治疗对肿瘤血管系统的生物学影响，我们必须首先了解肿瘤血管系统的复杂性以及内皮细胞和免疫细胞在促进血管生成和肿瘤生长中的作用。

肿瘤血管在组织学上与正常血管不同，由于单层内皮细胞和较差的支撑结缔组织，肿瘤血管更加无序、不规则、扩张和渗漏。由于这种血管完整性的变化，肿瘤血管对辐射，尤其是高剂量辐射敏感。临床前动物研究数据显示，与高剂量单次分割辐射相比，低剂量“常规”放疗照射对血管完整性的影响最小(如果有的话)。当照射剂量高达8-10Gy时，大多数这些变化会导致整个肿瘤的血管体积急剧下降。

SRS治疗增强细胞杀伤的机制之一是激活鞘磷脂神经酰胺通路（activation of the sphingomyelin ceramide pathway）。鞘磷脂（Sphingomyelin）是一种内皮质细胞膜蛋白，在高剂量辐射时，细胞内的鞘磷脂酶(ASMase)被激活，从而转化为神经酰胺。神经酰胺作为二级信使激活在细胞凋亡调控中起重要作用的Bcl-2家族蛋白，促凋亡蛋白BAX。BAX通过负责细胞凋亡的内在途径引起线粒体细胞色素C的释放（Ceramide acts as a secondary messenger activating pro-apoptotic protein BAX which is a Bcl-2 family protein important in apoptosis regulation [44]. BAX leads to the release of mitochondrial cytochrome C which signifies commitment for apoptosis via intrinsic pathway）。Garcia和同事已经证明，当肿瘤细胞受照10Gy或以上的剂量时，该通路通常被激活。内皮细胞凋亡在6小时内达到高峰，引起微血管功能障碍，导致肿瘤灌注急性中断。急性肿瘤灌注改变导致DNA修复蛋白失活，进一步产生神经酰胺，最终导致肿瘤干细胞凋亡(图4.7)。由于这被认为改变了肿瘤细胞的氧合，可能使它们具有更强的抗辐射性，研究表明灌注的突然下降与肿瘤氧合的变化无关，在考虑到SRS治疗的放射生物学效应时，这降低了再氧合的重要性。作为这一点的证明，人们注意到，相比ASMase完好的小鼠，当ASMase（酸性鞘磷脂酶）被敲除小鼠受照照射时，在相同剂量下和分割照射时，残留的DNA损伤要小得多。这表明ASMase激活通路是通过激活鞘磷脂/神经酰胺通路导致内皮细胞凋亡来提高细胞放射敏感性的必要途径。另一种途径在更高剂量的辐射下也会被激活。当剂量≥17Gy时，也发现直接由神经酰胺合成酶产生神经酰胺。该通路由共济失调-毛细血管扩张突变(ATM)激酶[the ataxia-telangiectasia mutated (ATM) kinase]调节。最终导致内皮细胞凋亡和肿瘤死亡(图4.7) 。

 

图4.7表示目前对放射外科治疗分子反应的理解。VEGF，血管内皮生长因子;ASMase：酸性鞘磷脂酶;ATM，共济失调-毛细血管扩张突变激酶。

4.6.SRS治疗增强抗肿瘤免疫

 

现在已经确定，免疫系统在肿瘤发病机制和肿瘤控制中起着至关重要的作用。单次高剂量放疗与抗肿瘤免疫增强有关。研究发现，免疫系统受损的患者更有可能对SRS治疗反应有较差的肿瘤控制。因此，SRS和免疫反应之间的相互作用是至关重要的，并加强了对辐射的反应。

与免疫概念相似，高剂量的辐射引起显著细胞杀伤，导致肿瘤抗原脱落，引起抗肿瘤免疫刺激，最终使患者的免疫反应识别、攻击并最终杀死肿瘤细胞[Similar to the immunization concept, high doses of radiation cause significant cell kill, which leads to tumor antigen shedding, causing anti-tumor immunity stimulation, and eventually enabling the patients’ immune response to recognize, attack, and ultimately kill cancer cells]。

这是一个复杂的过程，包括免疫调节剂的表达增加，包括炎性细胞因子，如肿瘤坏死因子、白细胞介素-1和死亡受体，使肿瘤细胞更容易被免疫系统识别，促进强大的免疫反应[This is a complex process that includes increased expression of immune modulators, including inflammatory cytokines, such as tumor necrosis factors, interleukin-1, and death receptors, rendering the tumor cells more recognizable by the immune system and facilitating a robust immune response]。在转移性黑色素瘤和肾细胞癌中同时使用高剂量白细胞介素-2的SBRT I期试验显示，在接受SBRT治疗的患者中，T细胞生成有显著增加。有趣的是，不仅放疗后的转移瘤出现了反应，未放疗的转移瘤也出现了反应，这被称为基底效应（Interestingly, there was a tumor response noted not only in the irradiated metastasis but also in metastases that were not irradiated, which is known as the abscopal effect）。然而，颅内SRS治疗的患者仍然存在显著的远处转移失败风险，这表明颅内SRS治疗产生的免疫反应不足以产生广泛的免疫激活。因此，将SRS/SBRT与免疫刺激剂或免疫治疗相结合的概念是一个活跃的研究领域。免疫介导的SRS反应也会由于血管损伤而受到急性缺氧的影响。乏氧细胞（Hypoxic cells）产生细胞毒素，如HIF-1α，可导致复发或发展转移;然而，HIF-1α抑制剂可用于降低局部和远处失败的风险(图4.8)。

 

图4.8 SRS治疗诱导乏氧细胞细胞毒素、HIF-1a抑制剂和免疫刺激物可能抑制复发和转移。

综上所述，SRS治疗控制肿瘤可能涉及多种机制。直接DNA介导的损伤通常立即发生，而间接的血管和免疫介导的损伤往往在SRS治疗后几周至几个月发生(图4.9)。从放射生物学的角度来看，存在着许多悬而未决的问题和活跃的研究领域。为了优化SRS和SBRT的临床应用，需要调查寻找最佳的剂量/分割方案、总剂量以及分割间和分割内的持续时间（Finding the optimal dose/fractionation regimen, total dose, and inter- and intra-fractionation duration）。此外，分割放射治疗所采用的经典放射生物学概念和模型并不能解释SRS介导的放射生物学效应的整个谱系。虽然SRS诱导的肿瘤血管改变和免疫刺激可能解释SRS治疗增强对肿瘤控制的，但进一步的研究正在进行中，以获得对SRS治疗的放射生物学基础的详尽了解 。

 

图4.9.引起SBRT/SRS诱导细胞死亡的时间框架的不同机制。DNA双链断裂主要发生在辐射期间，并导致后期有丝分裂细胞死亡。血管损伤和随后的肿瘤内微环境恶化导致辐射后几天内细胞间接死亡。由于死亡或死亡的肿瘤细胞大量释放肿瘤抗原，加上免疫刺激细胞因子的增加，放射后数周至数月可产生强烈的抗肿瘤免疫。因为这些数值还没有被定量建模，用带箭头的虚线圆圈表示血管损伤或免疫反应引起的间接细胞死亡的时间和程度。