正常组织放射损伤

null 正常组织放射损伤 正常组织放射损伤 杨伟志 中国医学科学院肿瘤医院放疗科基本概念基本概念 正常组织细胞与细胞之间不是孤立存在的，它们形成复杂的结构， 在正常情况下细胞的生、死之间维持着精确的平衡，它使机体的组织结构及构成组织的细胞数量保持在稳定状态。　 细胞损伤时不仅要考虑死亡细胞本身 而且要考虑由死亡细胞带来的连锁反应。 必须弄懂组织的结构及动力学。一.正常组织的结构组分一.正常组织的结构组分正常组织结构类型 结构等级制约组织（hierarchical tissue) 在这种组织中干细胞群、扩增细胞群与功能细胞层之间具有清楚的可识别的界限 灵活组织 (flexible tissue) 细胞层次间没有明显的界限，在这种组织中，一部分功能性细胞具有自我更新能力正常组织的结构组分正常组织的结构组分结构等级制约组织的三种不同分化层次的细胞 1.干细胞（stem cells）： 指可以分裂很多次并形成有一定分化特征的可辨认的干细胞和即将分化的细胞。 具有自我繁殖能力，它能避开细胞分裂和分化之间的联系，即其他细胞在每次有丝分裂后就会失去部分分化潜能而最终分化成不分裂的功能性细胞。 正常情况下大部分干细胞都处于Go期，但刺激以后可很快进入细胞周期 正常组织的结构组分正常组织的结构组分2.分化或功能细胞（differentiated or functional cells）： 这些细胞通常没有分裂能力最后因衰老而死亡（如血循环中的粒细胞和小肠黏膜绒毛细胞）。 某一既定类型的所有细胞都具有相似的寿命，但不同类型的细胞之间寿命差别很大，如红细胞的寿命为120天而粒细胞则不到1天 正常组织的结构组分正常组织的结构组分3.正在成熟的细胞(maturating cells)： 在这个层次中，分化的干细胞后代在分化进程中倍增（如骨髓中的幼红细胞(erythroblats)和成粒细胞(granuloblats)就是中间层次的细胞）。 　 二.正常组织的反应模式 二.正常组织的反应模式 基本概念 细胞的放射敏感性取决于细胞的类型和细胞的分化程度。 放射主要影响干细胞而对分化细胞的寿命无太大修饰作用，当更新转化时间长时放射损伤表达的就晚 正常组织的反应模式正常组织的反应模式基本概念 在所有细胞中，干细胞最为放射敏感（一般干细胞的Do值是1Gy左右，某些类型的干细胞甚至可低至0.1Gy）。 成熟进程中的细胞放射敏感性较低，且随分化的完成继续降低。 不再分裂的充分分化了的细胞是非常放射抗拒的正常组织的反应模式 正常组织的反应模式 基本概念 给含有相同放射敏感性干细胞的组织以相同剂量的照射，损伤的表达和修复时间却不相同，这是由子代细胞的固有特性决定的。 如小肠和睾丸组织的干细胞具有相似的放射敏感性，小肠的损伤在几天内便表现出来并在两周内修复。而睾丸精子生成的减少可持续几个月。　 正常组织的反应模式正常组织的反应模式正常组织反应模式 结构等级制约模式（hierarchical model) 灵活模式（flexible model）正常组织的反应模式正常组织的反应模式结构等级制约模式 是大多数上皮性早反应组织所经历的放射反应模式。 结构等级制约组织中至少存在着两个层次的细胞（干细胞层次和成熟细胞层次）。 损伤的表现的时间与细胞的更新转化时间成比例。 正常组织的反应模式正常组织的反应模式结构等级制约模式 更新转化时间是一个与功能细胞衰老所致的死亡有关的时间过程，与照射剂量无关。 损伤的进一步发展只取决于功能性细胞的寿命，照射通常不影响这个进程正常组织的反应模式正常组织的反应模式灵活模式（flexible model 灵活组织没有明确的细胞分化层次和严格的细胞等级结构（如肝、肾等）。 这些组织的更新慢，被诸如外科、化学或物理因素损伤后，所有细胞都进入增殖。 在这种组织中，一个细胞衰老死亡后其位置由另一个细胞的分裂所取代。 组织增殖的图解组织增殖的图解 A结构等级制约系统 B 灵活组织系统 三.早反应组织和晚反应组织三.早反应组织和晚反应组织为便于理解和进行生物剂量的等效换算正常组织分成早反应和晚反应组织 临床医生在设计治疗方案时应特别注意早反应和晚反应组织在生物效应之间的重要差别。 。 早反应组织和晚反应组织早反应组织和晚反应组织早反应组织 细胞更新很快，照射以后损伤很快便会表现出来。这类组织的α/β比值通常较高， 晚反应组织 这些组织中细胞群体的更新很慢，损伤很晚才会表现出来。晚反应组织的α/β比值通常较低。 早反应组织和晚反应组织早反应组织和晚反应组织放射生物学实验及临床研究结果显示，人体组织中，早反应和晚反应组织照射以后的反应特点是不同的。 在临床放射治疗中应根据生物学特性分别考虑早反应组织和晚反应组织对分次剂量和总治疗时间的不同效应， 在提高肿瘤治疗剂量的基础上应同时注意正常组织的防护，特别是晚反应组织早反应组织和晚反应组织早反应组织和晚反应组织早反应、晚反应组织与分次剂量 1978年Withers用等效总剂量和分次剂量作图，显示晚反应组织的曲线比早反应组织陡 晚反应组织比早反应组织对分次剂量的变化更敏感。加大分次剂量，晚反应组织损伤加重 与晚反应组织相比早反应组织对分次剂量的变化不太敏感。早反应组织和晚反应组织.早反应组织和晚反应组织.早反应组织、晚反应组织与总治疗时间 晚反应组织更新很慢，在放射治疗期间一般不发生代偿性增殖，因此对总治疗时间的变化不敏感。 缩短总治疗时间会增加对肿瘤的杀灭。早反应组织损伤也加重。 因为在用LQ公式进行生物等效换算时把肿瘤类似于早反应组织看待，因此在不致引起严重急性反应的情况下，为保证肿瘤控制应尽量缩短总治疗时间四.早、晚期放射反应的发生机制四.早、晚期放射反应的发生机制早期放射反应的发生机制 反应的发生是由结构等级制约系统产生的（多发生于更新快的组织） 反应发生的时间取决于分化了的功能细胞的寿命 反应的严重程度反映了死亡的干细胞与存活的克隆源细胞再生率之间的平衡。 早、晚期放射反应的发生机制早、晚期放射反应的发生机制早期放射反应的发生机制 有些组织同时存在早期和晚期效应的发生机制。（如皮肤，除了早期的上皮反应还会发生严重的晚期损伤--纤维化、萎缩和毛细血管扩张）。 在同一器官，可以顺序地发生不同类型的损伤，其发生机制和靶细胞均不相同早、晚期放射反应的发生机制早、晚期放射反应的发生机制晚期放射反应的发生机制 经典概念 假设正常组织中的靶细胞（Target cell）决定事件（如照射）的临床过程。 主要强调特异性靶细胞的存在，修复和再群体化能力。 最初的放射效应是由实质细胞或血管内皮细胞结缔组织产生的。 Travis对“晚期反应”的定义是：晚期反应是指实质细胞耗竭后无力再生而最终导致的纤维化早、晚期放射反应的发生机制早、晚期放射反应的发生机制晚期放射反应的发生机制 分子机制 放射诱发的长久性细胞因子级联效应 (cascades of cytokine) 照射后即刻 --细胞成分（如膜、胞浆体和DNA等）的损伤--启动细胞间的对话--基因表达发生了改变。 反应的过程是：立即释放mRNA --立即到达各自相邻细胞的受体，--通过信号传导受体细胞被激活--导致少量的或一系列细胞因子的表达--最终导致细胞增殖或细胞外基质蛋白的产生五.正常组织的体积效应五.正常组织的体积效应组织结构关系的耐受概念 结构性组织耐受（structural tissue tolerance) 取决于细胞的放射敏感性以及在限定体积内使成熟细胞群保持在临界水平以上的干细胞活力 功能性耐受(functional tolerance) 取决于作为一个整体的器官是否能继续行使功能正常组织的体积效应正常组织的体积效应以器官结构对体积效应分类 平行组织结构(parallel organization) 如肺、肾，功能性损伤的出现取决于受照射以后FSU数的临界水平（发生并发症的风险取决于受照射体积的大小，而不是小的热点存在） 串联组织结构(serially organized structure) 如脊髓，在串联组织结构，一个亚单位的失活会导致整个器官功能的丧失（发生并发症的风险强烈地受非均匀性热点剂量的影响）六.正常组织和器官的放射损伤六.正常组织和器官的放射损伤消化道黏膜 小肠 干细胞位于隐窝中心部，绒毛细胞位于隐窝的上1/3。分化细胞不断向隐窝上部移动，在绒毛顶部成熟并最后脱落。 人小肠绒毛细胞的更新时间为3-4天。 当照射剂量较高时，4-5天后黏膜出现溃疡、腹泻等症状(这是小肠黏膜被覆细胞不断耗减的结果)。 晚期反应：人小肠晚期反应通常在放疗结束后12-24月之间。小肠壁增厚、纤维化。 正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤 皮肤： 组织学提示： 皮肤由表皮和真皮构成。人表皮增殖单位里，从细胞离开基底层进行分化到最后脱落的总转化时间约14天左右（7-21天，取决于身体的部位）。 正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤早期急性反应（early erythema） 早期红斑 单次大于5Gy的照射后几小时，由于血管的扩张、水肿出现类似于晒伤的早期红斑，可持续几天。 干性和湿性脱皮 这是与细胞死亡有关的继发反应。单次10Gy以后出现干性脱皮，15 Gy以后出现湿性脱皮 。 正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤晚期反应 真皮最突出的反应是发生延迟反应。这些反应比早期反应严重，因它是不可逆的。皮肤变薄、变脆、轻微损伤即可造成难以愈合的溃疡正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤睾丸 组织学提示： 足细胞(sertoli cells)，对微环境起作用，帮助生发细胞增殖分化 生发细胞(germinal cells),这些细胞的分化是有严格规律的（干细胞、又称未分化型精原细胞A，--A1--A2--A3---精原细胞B-----精母细胞---精细胞---精子。在人，从生精管内干细胞到成熟精子的转化时间是74天。 间细胞(leydig cells),分泌睾丸酮，受垂体促性腺激素、催乳素和黄体激素的调节。正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤睾丸放射效应 相当低的照射剂量便会影响精子的生成（在人，0.08 Gy的照射就可造成暂时性的精子数量下降，2 Gy照射可发生持续1-2年的精子缺乏）。 间细胞对照射很耐受，大剂量照射也很少影响间细胞。因此睾丸受照射可引起不育但不影响第二性征和性欲。 在动物，极低剂量率的慢性照射（1 Gy/天），就足以打乱精子的生成过程。分次照射与单次照射效果一样。正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤神经系统 组织学提示： 神经元（不分裂） 星型胶质细胞 少突胶质细胞（参与髓鞘形成）正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤脊髓 早期脊髓病变 50-60 Gy/照射结束后几周，早期可出现可逆性的髓鞘病变，特征是弥漫性脱髓鞘。 约2月后可观察到再髓鞘化正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤 脊髓 晚期反应 4-6月可出现明显的坏死 截瘫，一般出现在照射后的6个月--4年，可以是突发的，也可以是逐渐发生的。 是一种不可逆的损伤正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤脑 脱髓鞘（通常发生于照射后的6个月内）脑坏死（多发生照射后6个月--3年） 儿童急性白血病预防照射，剂量应限制在30 Gy/3周，增高剂量会使智力发育受损害 正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤周围神经 神经丛和神经根的损伤比脊髓和脑更常见 乳癌病人对腋窝和锁骨上淋巴结的照射时常会涉及臂神经丛 神经丛损伤的主要表现是混合性的感觉和运动缺失（潜伏期6个月至数年） 病因是渐进性血管再生障碍、纤维化正常组织和器官的放射损伤正常组织和器官的放射损伤肺 组织学提示 早期损伤：放射性肺炎 晚期损伤：放射性纤维化（肺泡壁增厚--弥漫性纤维化） 七.再程治疗的正常组织耐受性七.再程治疗的正常组织耐受性 如何决定再程放疗的安全剂量是非常复杂的。它取决于 增殖性再生（Proliferative regeneration）的发生时间， 组织恢复程度 组织再生过程完成以后仍存在的正常组织残留损伤的程度 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性再次治疗时应考虑的因素 首次治疗时是否达到全部耐受剂量 首次治疗时是否达有损伤残留 两次治疗间隔时间 两次治疗靶区是否相同 重要器官的结构和功能情况等 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性1.皮肤： 以皮肤红斑和湿性脱皮为观察指标的实验研究结果显示：啮齿动物在初次采用完全性耐受剂量照射后8周以上可以再行放射治疗。 目前所能得到的再程治疗以后皮肤晚期放射损伤的分析资料不多。但一些结果提示，皮肤对再程放射治疗晚期反应的耐受性低于急性反应。 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性图3.2.小鼠皮肤再次放射治疗的耐受性 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性2.小肠 小鼠小肠黏膜对前次照射的再程放射治疗耐受性的表现与皮肤急性反应相似。在初次照射后8周内恢复对再程放射治疗的完全耐受性(Reynaud 和Travis，1984)。 未受过照射的小鼠隐窝细胞的细胞转换时间大约是15小时左右，照射后3天增殖加快。 目前，尚没有初次照射后晚期肠管综合症对再程放疗耐受性的资料 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性3.骨髓 照射以后骨髓各细胞层次的细胞急骤耗减，很快便发生再生过程。 全身单次剂量（--4Gy）照射以后干细胞（克隆形成单位CFU-S）的恢复在2-4周接近正常水平。 高剂量照射以后，可发生CFU-S 的持续性耗减，但这种现象可被定向前体细胞(Committed precursor cells)增高而使外周血保持在正常水平的假象所掩盖。 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性 再次损伤可使干细胞池降至临界水平以下。再次照射存活的CFU-S自我更新能力减弱，在这种情况下任何额外的打击都能促使平衡倾向于严重的骨髓衰竭。 这已经在病人中得到证实，在初次全身照射4Gy后2-4周的再程放疗仅照射了1Gy，第二次照射产生了严重的长期性骨髓萎缩并导致病人死亡。 总之，如果干细胞的再生时间是充足的，骨髓可以恢复一些对再程放疗的耐受性。 如果依据成熟的外周血水平来判断骨髓的恢复状态则是非常错误的 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性4.肺 小鼠实验研究证实肺具有一定的恢复和再程治疗耐受性。 小鼠双肺初次给予6Gy照射（即50%致死性肺炎BEDt的31%），在4周时能够耐受一定的再程治疗（Terry,1988）。 较高剂量的初次照射后恢复是较慢的。超过BEDt70%的初次照射后则不能达到对再程治疗的完全耐受。再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性肺 在第一次受到亚耐受剂量的照射以后需较长时间的恢复 第二次照射的耐受性较差再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性 小鼠肺组织再次放射治疗的耐受性五.再程治疗的正常组织耐受性五.再程治疗的正常组织耐受性 5.脊髓 根据临床的实际观察，一般脊髓是不考虑做再次放疗的。因为放射治疗医生都知道脊髓放射性损伤的严重后果（脊髓炎和截瘫）。 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性5.脊髓 大鼠和荷兰猪脊髓损伤的资料分析得到三个主要结果 第一， 再次治疗的耐受性与初次治疗照射体积的大小呈反比关系。 第二。照射后2-26周之间，对再次治疗的耐受性随时间的延长增加。 第三。残存的损伤将一直保持着，特别是高剂量的初次照射以后。在大鼠所能给予的总剂量（初次加再次剂量）大约是50%肢体瘫痪BEDt 剂量的140%左右再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性6.膀胱 正常未受过照射的膀胱上皮细胞的转化时间很慢（超过200天）， 但对损伤反应方面具有快速增殖能力。在照射以后大约40周增殖加快。在这时对膀胱进行再照射，由于膀胱上皮正处于快速转化状态损伤会很快表达出来。 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性膀胱 小鼠膀胱对再程放疗耐受性的研究结果显示，不管两次照射间隔多长时间（1天，12或40周）均未能从晚期功能性损伤（尿频、尿急或膀胱弹性下降）中恢复过来。 受过照射的动物（甚至是低的亚耐受的初次剂量照射40周后），都能使其永久性功能性损伤很早表现出来 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性7.肾 肾属于最放射敏感的器官之一。 照射后功能性损伤表达之前的潜伏期很长，低剂量照射后更是如此。 再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性7.肾 啮齿动物实验已清楚的证明肾的功能性损伤是进行性和剂量依赖性的。这与临床观察到的缓慢的进行性肾损伤（至少可长达7年）是一致的。 表明初次照射大剂量以后再次放疗是不可行的。再程治疗的正常组织耐受性再程治疗的正常组织耐受性7.肾 目前尚没有研究证实肾的长期功能性损伤能够恢复。 初次剂量仅为6Gy的照射以后(BED的25%)，对再次放疗的耐受性随时间延长而降低。这与在治疗间隔期间存在着连续的进行性的隐匿损伤有关。提示：亚临床损伤在不断发展 再次放射治疗以后35周肾损伤的剂量--效应曲线再次放射治疗以后35周肾损伤的剂量--效应曲线谢谢谢谢