重離子在組織器官水平的放射生物效應(yīng)研究.pdf

1、放射治療是腫瘤治療的主要手段之一。放射治療的目的就是盡可能的殺滅腫瘤組織，同時要最大限度的保護正常組織不要受到損傷。這就需要在靶區(qū)高劑量，而周圍正常組織劑量很低。因此，準確地把劑量聚焦在腫瘤部位是非常重要的。與光子線的常規(guī)放療相比，重離子可以直接在腫瘤體積形成高劑量區(qū)，腫瘤體積前面的正常組織僅有少量劑量，腫瘤后面的正常組織幾乎不受到輻射。重離子的倒轉(zhuǎn)劑量分布的特性可以使照射精度極高。與光子線的深度劑量呈指數(shù)型衰減分布不同，重離子的劑量集

2、中在射程末端的Bragg峰區(qū)，峰區(qū)的位置可以用調(diào)解加速離子的能量精確控制。人體組織所受劑量與射線的傳能線密度(LET)有關(guān)，LET越高，生物學(xué)效應(yīng)就越強。光子屬低LET，重離子屬高LET。在重離子的整個射程中LET值有很大的變化，開始時LET值較低，在射程末端重離子運動減緩，LET值突然增高。因此，高生物效應(yīng)局限在Bragg峰區(qū)，射程的其他部分生物效應(yīng)則較低。DNA是放射作用于細胞的最重要的靶，重離子主要產(chǎn)生的直接損傷，使DNA的雙鏈同

3、時受到損傷，既DNA雙鏈斷裂，產(chǎn)生不可修復(fù)的致死損傷，因而可以徹底殺死癌細胞。而以X射線為代表的低LET射線在多數(shù)情況下只導(dǎo)致DNA單鏈斷裂的亞致死損傷，可進行自然修復(fù)，不能完全殺死癌細胞。 低LET對氧含量依賴性大，不能殺死乏氧的腫瘤細胞。其原因是低LET射線對DNA產(chǎn)生作用時，并不是對靶產(chǎn)生直接損害作用，而是與細胞內(nèi)的水等反應(yīng)，產(chǎn)生的游離原子或分子對DNA產(chǎn)生間接的損傷，但在氧不充分的環(huán)境下，不能大量產(chǎn)生和“固定”對靶分子D

4、NA的損害。然而，重離子射線不存在此種問題，由于它是直接對DNA產(chǎn)生作用，幾乎不受氧濃度的影響，可以有效的殺死乏氧腫瘤細胞。 此外，不同周期時相的細胞對低LET射線的放射敏感性差異很大，G0期細胞幾乎是完全放射抗拒的。重離子受細胞周期的影響較小，可以徹底殺滅各個周期的細胞。 重離子束治療惡性腫瘤是目前放射治療最先進、最有效、最前沿的研究領(lǐng)域，是有代表性的高科技熱點。迄今為止世界上只有美、日、德三國進行了重離子臨床試驗治療

5、并取得了突出的療效。 自1995年我國開始重離子治療腫瘤相關(guān)的放射物理學(xué)、劑量學(xué)和生物學(xué)等醫(yī)學(xué)應(yīng)用臨床前的研究工作，放射生物效應(yīng)及機理研究是主要內(nèi)容之一。1995年中科院近代物理研究所與甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院等單位合作承擔(dān)了國家科委“九五”攀登計劃(B)項目中的攻關(guān)課題“重離子治癌技術(shù)的基礎(chǔ)研究”，進行了分子生物、細胞生物學(xué)和動物試驗的研究，本文作者是此課題的主要研究人員之一，在前期工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索在組織器官水平的重離子放射的

6、生物效應(yīng)，包括局部照射對豬皮膚和體重影響的研究、對移植性Lewis肺癌分次照射的生物效應(yīng)和局部照射對荷瘤小鼠存活時間和血像的影響，目的是為我國開展臨床治療積累參考依據(jù)。 在重離子對小鼠移植性Lewis肺癌分次照射的生物效應(yīng)實驗中，目的是研究重離子不同分次照射的腫瘤組織的生物效應(yīng)。選擇了兩個劑量點：低劑量為12Gy，高劑量為24Gy。每個劑量分單次、2和3次照射組，觀察Lewis肺癌的腫瘤體積變化、腫瘤生長延遲時間和荷瘤小鼠生存時

7、間。結(jié)果顯示無論高劑量還是低劑量，分3次照射的腫瘤生長延遲和生存時間都顯著大于單次和分2次照射。由此推斷采用分3次照射的腫瘤生物效應(yīng)優(yōu)于單次和分2次照射，低劑量又優(yōu)于高劑量。此研究結(jié)果為我國重離子束治療腫瘤的臨床試驗提供了實驗依據(jù)。 在碳離子局部照射對荷瘤小鼠存活時間和血像的影響實驗中，其目的是研究碳離子局部照射的毒副作用。方法采用30只荷瘤小鼠隨機均分為3組，用碳離子單次局部照射小鼠右后肢(未照射組、12Gy組、24Gy組)，

8、分別在第0、7、14天計數(shù)外周血白細胞和血小板數(shù)，并記錄小鼠生存時間。結(jié)果顯示各組動物存活時間無顯著性差異，照射后白細胞數(shù)都逐步升高，但與對照組相比無顯著性差異；除24Gy組第14天時血小板數(shù)顯著升高外(P=0.032，F(xiàn)=4.062)，照射后各組血小板數(shù)無明顯變化。其結(jié)論為碳離子局部照射小鼠右后肢對動物存活天數(shù)和血常規(guī)無顯著影響。 重離子局部照射對豬皮膚和體重影響的實驗中，目的是研究不同劑量的碳離子照射后，正常組織對碳離子放射

9、的耐受劑量。在醫(yī)學(xué)研究試驗動物中，家豬的器官重量和組織形態(tài)都與人類較接近，尤其是家豬的皮膚和皮下組織結(jié)構(gòu)比嚙齒類、普通家庭寵物、長毛靈長類等動物更接近人類皮膚，所以家豬是研究放射性皮膚反應(yīng)的最佳模型。本研究采用純種英系約克夏豬6只，月齡3個月，體重15±2kg，由蘭州豬場提供，在甘肅省醫(yī)學(xué)科學(xué)院常規(guī)條件下飼養(yǎng)。實驗前在動物的背部作用兩側(cè)各選定4個照射靶區(qū)(直徑4cm)，每側(cè)有2個對照和2個照射野，所以每頭豬總共有4個照射靶區(qū)和4個對照靶

10、區(qū)。脫毛劑脫去靶區(qū)內(nèi)毛，以紋身方法標記出邊緣。輻照所用12C6+離子由中國科學(xué)院近物所的蘭州重離子加速器裝置HIRFL(HeavyIonResearchFacilityinLanzhou)產(chǎn)生，引出能量為75MeV/u，經(jīng)過24μm鎳窗、電離室、50cm的空氣、3.0mm的降能片(PMMA)后，到達豬表面的能量為63MeV/u，它在水中的射程和LET分別為11mm和37.78KeV/μm。碳離子的劑量為2.25、13.53、27.06G