现代放射治疗研究进展

    一、放射生物学中的细胞分子生物学研究

    研究放射生物学的目的是企图了解放射线对肿瘤和正常组织的效应，与放射效应发生有关的因素及其规律，杀灭肿瘤和损伤正常组织的机制等等。放射敏感性是肿瘤临床治疗的重要内容。采用各种药物和生物学的手段提高对放射不敏感肿瘤的放射敏感性是提高放疗疗效的方法之一。现代放射生物学已进入分子水平研究。

    1、 放射敏感性的分子生物学

    在肿瘤临床中，大量的遗传因素可以影响着肿瘤和正常组织的放射敏感性。显然，对于肿瘤来说，原癌基因的状态是最重要的。当原癌基因突变或者错误表达，这些基因就可以促进肿瘤的发展。因此，这些基因称作癌基因（Oncogenes）。从功能上划分，主要有4组的原癌基因：

    （1）自分泌生长因子———— hst, int, sis；

    （2）生长因子受体————— erb, fins, sea；

    （3）讯号转录因子————— ras, mos, src；

    （4）核转录因子—————— myc, fos, jun基因。大多数已知的原癌基因（大约100种）对细胞的增殖有一种肯定的刺激功能。因此，明显与其他正常的等位基因（Allele）有关。另一种是肿瘤抑制基因。

    这种基因与正常的等位基因关系是隐性的，因为这种基因是通过功能的丢失而促进产生肿瘤。这种基因的典型例子是RB(Retinoblastoma)基因，这种基因是与本病的遗传和偶尔非遗传形式有关的。有证据表明，RB基因也与乳腺癌、肺癌和骨肉瘤有关，它对调节细胞周期过程有重要的功能。人类癌症的最常见的突变和丢失基因之一，P53基因也属于肿瘤抑制基因。在临床与实验研究中人们试图通过改变基因的功能提高放射敏感性。

    目前发现可以改变放射敏感性的基因有4组：

    （1）细胞周期控制基因———— cyclin A-E, CDC2(CDK27), E2F, GADD45；

    （2）DNA修复基因————— XPAG, ERCC15, XRCC17, ATM, DNAPK, KU70,86, RAD1-57, MUT, HEX, RECA, LEXA, UVRA；

    （3）DNA处置（Processing）与布局(topology)基因———— TOPO1,2A,2B；

    （4）解毒（detoxification）与强迫应答基因———— GSH, MRP, HSP。

    2、 癌基因与预测放射敏感性

    总所周知，不同肿瘤有不同的放射敏感性，甚至同一部位的肿瘤在不同的病人身上出现不同的放射敏感性。目前常规的实验室和影像检查尚无法检测出每一肿瘤患者对放射的敏感性。实验表明，人类肿瘤中常见的P53、Bcl-2、Ras、Myc、Raf基因的过度表达或激活，可能会诱导产生放射抵抗性。实验研究显示出肿瘤的放射抵抗性可能与某些癌基因有关，人们试图用癌基因检测来预测人类肿瘤的放射敏感性。有人发现90%的胰腺癌、50%的结肠癌和30%的非小细胞肺癌中的Ras基因过度表达，显示出对放射不敏感。然而，临床研究结果与实验并不完全一致。有一组子宫颈癌病人在放疗前和放疗后测量Bcl-2和Bax基因，结果表明，放疗前Bcl-2和Bax的比例不能预测放疗疗效，但在放疗后Bcl-2和Bax的比例与肿瘤局控率和生存率有关：Bax阳性者疗效好，Bcl-2阳性者预后差。

    3、 基因治疗与放射敏感性

    共济失调毛细血管扩张症（ataxia telengietasia, AT）是一种隐性遗传病，其临床表现特征为小脑退行性变、免疫缺陷、高肿瘤发生率和对放射线损害高度敏感。AT病人有一种ATM基因，这种基因的氨基酸序列与DNA蛋白酶（DNA-PK）相类似。研究人员发现在对放疗高度敏感的肿瘤患者检测出ATM基因的高表达，认为ATM基因可以作为预测肿瘤患者放射敏感性的指标。

    近年来，人们试用基因转染的方法，将提高放射敏感性的基因或抗放射保护的基因，如ATM、KU80、XRCC2等转染肿瘤细胞，从而提高放射敏感性。有人用腺病毒为载体将有功能的野生型p53（Avlp53）转染一株抗放射的头颈部上皮癌细胞（JSQ-3），以代替JSQ-3中畸变的p53。对被转染的细胞作放射后发现，细胞重新出现G1阻滞和凋亡现象，提示肿瘤的放射敏感性提高，其增敏程度与转染Avlp53的剂量有关。

    4、基因治疗与放疗的结合

    基因治疗与放疗的结合有三种方式：

    (1)转染外源性目的基因，以增加肿瘤细胞的放射敏感性，提高射线对肿瘤细胞的杀伤作用；

    (2) 对正常组织转染目的基因，以提高正常组织对射线的抗性，进而提高肿瘤放疗剂量，达到杀伤肿瘤的目的；

    (3) 外源性目的基因调控细胞周期，使肿瘤细胞集中在细胞敏感时相，提高射线对肿瘤细胞的杀伤作用。

    在基因治疗的临床应用中，其中表皮生长因子受体（RGFR）可以成为治疗的靶。EGF受体在95%头颈癌和大约70 %大肠、 胰腺、肺癌中高表达。EGF受体是在细胞膜间传递生长信号的跨膜受体，例如，在血清和体内器官的细胞间。EGF受体激活可以促使肿瘤细胞增殖，侵袭性增加和产生血管生长因子，在临床上促进肿瘤的转移并抑制细胞调亡途径。EGF受体作用可被单克隆抗体阻断，抗体在细胞外使配体不能与受体结合，阻止二聚体形成，或使受体在细胞内沉淀而不能进一步发生作用。这类抗体的其中之一就是静脉注射给药的IMC-C225（其商品名是Eribitux）。在2002年ASCO会议上发表了用IMC-225联合DDP治疗DDP难以控制的头颈部肿瘤临床试验，在几个试验中均显示有效率为10%-15%。I/II期临床试验结果显示出良好的应用前景，IMC-225的III期临床试验现正在进行中。目前我院正进行人源重组EGFR基因（h-R3）对鼻咽癌放射增敏作用的I期临床研究。

    二、放射治疗与化疗增敏的联合应用

    （一） 放疗与常用化疗药物的相互作用机制

    放、疗的增敏作用机制包括：

    (a)肿瘤细胞群同步化作用：如泰素能阻滞肿瘤细胞于G2/M期，而G2/M期是细胞各周期相中对放射杀灭最敏感的；

    (b)再氧合作用：缺氧细胞具有抗放射性，PDD通过对缺氧细胞再氧合作用提高放射敏感性；

    (c)缺氧细胞杀灭作用：丝裂霉素有直接杀灭缺氧细胞的效应;

    (d)阻止放射性损伤的修复：ADM、PDD、BLM等能阻止分割放疗期间亚致死性和潜在致死性损伤的修复，从而加重了放射损伤。

    1、5—氟脲嘧啶（5-FU）：1958年人们就注意到5-FU具有放射增敏作用，其放射增敏重要的效果与5-FU和放射合用的时间有关。放射增敏效应最强的是在放疗后5分钟到8小时以内给药。由于5- FU的生物半衰期仅10分钟，因而不宜一次大剂量给药。目前主张96~120小时持续滴注给药。5-FU的放射增敏机制可能是与细胞生存曲线的斜率发生改变有关。

    2、顺铂（PDD）：70年代中期，动物实验和临床资料都提示，放疗前给PDD，可使照射后的细胞生存曲线斜率变小，同时它能阻止亚致死性和致死性放射损伤的修复，使放射的效应增加。

    3、阿霉素（ADM）: 经临床应用发现，在放疗期间或放疗刚结束的时候使用ADM，有增加放射效应的现象。

    4、 丝裂霉素（MMC）：具有烷化剂样的作用，对缺氧细胞的毒性比富氧细胞更大。MMC在放疗前使用时有增敏作用，但在放疗后使用时仅有相加的作用。动物实验和临床研究发现MMC加放射提高了肿瘤的局控率，但没有增加正常组织的放射反应。

    5、 泰素（Taxol）: 泰素具有抑制微管大的作用，阻止细胞分裂，使细胞同步化，停滞在G2/M期，以利放射线对肿瘤细胞的杀灭。在放疗前48小时使用泰素的放射增敏效力最强。

    （二） 放疗与化疗联合应用的方法

    1、 同期使用（concomitant）: 临床研究结果表明，放、化疗同期使用杀灭肿瘤的效应最强，但对正常组织的损害也最大。常常导致疗程中断或放疗剂量或化疗剂量减低。临床多以单一药物使用。

    2、 先后使用（sequential）: 即先用一种治疗方法，待治疗结束后再用第二种治疗方法。这种联合方法的毒副作用较小，但推迟了第二种方法的治疗时间，导致肿瘤细胞的加速再增殖。

    3、 交替使用（alternating）: 每月的第一周用化疗（6天），第2~4周放疗，直至放疗总量结束。有人用这种方法治疗中晚期肺癌。

    4、 减少放疗剂量的应用：化疗加放疗可以减少放疗剂量，以利降低放射并发症的发生。一般化疗后若肿瘤全消，放疗可以给45~55Gy；如果化疗后肿瘤仍有残留则需要给根治剂量了。但对于减少放疗剂量的化疗临床应用仍在试验中，临床应谨慎使用。

    三、放射治疗新技术

    放射治疗的目标是努力提高放射治疗的治疗增益比，即最大限度地将剂量集中到病灶（靶区）内，杀灭肿瘤细胞，而使周围正常组织和器官少受或免受不必要的照射。适形治疗（Conformal Therapy）是一种提高治疗增益的较为有效的物理措施。我们通常把利用适形治疗的技术，使得高剂量区分布的形状在三维方向上与病灶（靶区）的形状一致。称为三维适形放射治疗（3 Dimensional Conformal Radiation Therapy, 3D-CRT）。实现三维适形放射治疗的条件：

    （1） 在照射方向上，照射野的形状必须与病灶靶区投影的形状一致；

    （2） 要使靶区内及表面的剂量处处相等，必须要求每个射野内诸点的输出剂量率能按要求的方式进行调整。

   （一） 三维放射治疗计划系统

    1、 三维显示技术包括：

    （1）线束视观（Beam Eye View, BEV）: 使计划设计者可以沿射线束轴方向以透视的方式来射野，与在放射治疗模拟定位机上得到的图象一样。

    （2）数字重建影像（Digital Reconstructed Radiograph, DRR）: 利用CT/MRI通过计算机对靶器官进行图象的重建。

    （3）三维重建影像（3 Dimensional Reconstructed Radiograpy, 3 DRR）: 可以实时以任意旋转视角观视经数字重建的靶器官影像，使计划设计者能采用非共面或非共轴线束作放射治疗设计。

    2、 三维剂量分布计算有三种计算方法：

    (1)水模参数化剂量分布修正计算;

    (2)第一物理原理计算;

    (3)蒙地卡罗(Monte-Carlo)模拟推算。其代表性的计算模型有：Mackie 的三维卷积分模型和Mohan的微分笔束模型。

    3、 三维治疗计划的评价

    过去对放射治疗计划的评价主要考虑靶区剂量和周围正常组织耐受剂量的限制。在三维适形放射治疗中应用的三维治疗计划通常采用剂量体积直方图进行评价。剂量体积直方图（Dose-Volume Histograms, DVH）DVH是1979年由 Shipley提出评价三维放射治疗计划优劣的有效标准，它可以描述正常组织及肿瘤组织受特定剂量或百分剂量照射的体积百分比。但DVH仍存在一定的缺点：

    （1）DVH属于一种统计学的图表，缺乏空间和解剖学的特点；

    （2）对于两个相互无交叉的曲线尚可以比较其优劣，但对于相互交叉的计划曲线则难以断定其优劣。

    正常组织并发症机率（Normal Tissue Complication Probility, NTCP）和肿瘤控制机率（Tumour Control Probility, TCP）这是1978年由Dritshilo从放射生物学的角度预测治疗疗效及副作用的生物学指标。近年来，应用NTCP/TCP结合DVH广泛应用于三维放射治疗计划优劣的评价。

    NTCP计算分为两类：

    （1）平行结构组织器官，如肝、肾、肺。并发症的发生由照射体积百分比确定；

    （2）链式结构组织器官，如脊髓、食管、直肠。并发症的发生由照射最高剂量确定。

    （二） 立体定向放射治疗

    立体定向放射治疗最早由Leksell于1949年报道。它是利用立体定向技术（立体定位和立体摆位）进行放射治疗，目的是提高定位和摆位的精度。开展X（γ）线、电子束和质子束的三维适形放疗，必须要使用立体定向技术。临床按照大剂量照射的次数分为：立体定向放射手术（Stereotactics Radiation Surgery, SRS）—— 单次照射放疗和立体定向放射治疗（Stereotactics Radiation Therapy, SRT）—— 分次照射放疗。

    立体定向放射治疗技术的共同特点：

    （1） 用于治疗小体积病灶；

    （2） 通常采用单次大剂量照射，但目前也已开始采用分次照射技术；

    （3） 需要格外精确定位的设施和固定病人体位的方法；

    （4） 治疗野边缘剂量下降梯度非常陡峭，使靶区外的组织受照剂量很少。靶区和等剂量面的适形程度对靶区外组织受照的程度有极大的影响；

    （5） 射线束在体内相交于同一点，三维分布的射线照射方式使正常组织免于接受较高剂量的照射；

    （6） 可对计划进行评估和作必要的修改。

    （三） 适形调强放射治疗（Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT）

    调强的原理最早由瑞典的放射物理学家Brahme提出。它启发于CT成像的逆原理，即当CT X球管发出强度均匀的X线束穿过人体后，由于其组织厚度与组织密度不同，其强度分布就变成了不均匀的射线束，反向投影后形成了组织的影像。反之，如果放射治疗给于一个不均匀的射线束照射，则出来的射线束就变成均匀而投射到靶区中。适形调强放射治疗的概念是指，以各种物理手段的放射治疗技术，根据肿瘤靶区的形状，通过调节和控制射线在照射野内的强度分布产生不同剂量梯度来提高对肿瘤靶区给予致死性的高剂量照射，而对肿瘤周围正常组织控制在正常耐受剂量以下的一种放射治疗技术。其首先是对肿瘤靶区达到三维适形的照射，其次是使肿瘤靶区和邻近敏感器官可以获得照射剂量强度的调节。

    1、实现束流调强的四种方式：

    （1） 固定野物理方式调强—— 采用固定式楔形板、动态式楔形板（一维调强）、补偿器（二维调强）和IMRT调制器等方式；

    （2） 断层（CT）式螺旋调强；

    （3） 多叶准直器（Multi-Leave Collimator, MLC）调强—— 在固定野或旋转照射过程中通过MLC叶片移动式调强。例如，用VARIAN的MLC作同中心照射，设计6~9个照射野。

    （4） 束流调制式调强—— 用调节线束扫描的速度和能量而产生笔型束的射线强度，以达到调强。例如，NOMOS的Peacock System, 通常在270度的弧度内，每5度设计一个照射野，照射时作弧形动态旋转放疗。

    2、适合适形调强放射治疗用的治疗计划系统必须具备以下条件：

    （1） 不仅要采用精确的（正向）剂量算法，还必须有逆向的算法；

    （2） 必须具有三维数字图象重建（DRR）的功能；

    （3） 不仅有冠状、矢状、横断及任意斜切面图象及剂量分布显示的功能。还必须有截面剂量分布（dose profile）、积分和微分式剂量体积直方图（cDVH和dDVH）等进行定量评估计划优劣的手段。

    （4） 安排和设计射野时，除有射野方向观视（BEV）功能外，还需要有模拟类似模拟定位机的射野选择功能。

    （5） 治疗方案确认后，能够将射野条件送到CT模拟机进行治疗模拟。

    （6） 治疗方案确认后，治疗条件能够传送到治疗机的计算机，包括机架、准直器、治疗床的转角与范围；射野大小、方向、MLC的叶片位置；照射过程中叶片移动范围及速度等。

    （7） 治疗方案确认后，治疗的辅助装置如射野挡块、组织补偿等的参数能传送到相应的装置制作器上。

    （8） 能够接收和比较治疗机射野影像系统送来的射野确认图象。

    （四） 高能重粒子射线放射治疗

    1、高能重粒子射线： 高能重粒子指质子、中子、π介子及低原子序数的高能重粒子等，称为高LET射线。

    2、高能重粒子射线的物理特性：带电重粒子射线共同的一个物理学特性，就是它们在介质中都有一定的射程。这些粒子（中子除外）在介质中运动的开始阶段，能量损失较小，而在接近射程终末时，能量突然发生大量释放，在该处形成陡峭的电离吸收峰，称为Bragg峰，并在达到该电离吸收峰的最高值时，由于能量几乎全部损失而静止。

    3、质子放射治疗的临床应用：

    质子射线放疗始于50年代，由于高能加速器的发展使近年出现了医用的质子放疗系统，能量范围为70~250 MeV。质子射线Bragg峰的深度位置和宽度，可根据病灶靶区的位置和大小通过调节射线能量束进行调节。质子的单野照射可得到X（γ）线多野共面或非共面照射一样的剂量分布和治疗增益；质子束的单平面旋转可得到X（γ）线立体定向（即X（γ）—刀）治疗一样的治疗增益很高的剂量分布，其适形效果好于至今所有的放疗方法。因质子射线在组织中引起的部分核反应会产生正电子发射，从而可以被正电子发射断层扫描（PET）所追踪，为放射治疗提供追踪射线在体内的穿透定位。质子治疗主要用于眼部肿瘤，其次是中枢神经系统肿瘤、头颈肿瘤、前列腺癌和肺癌。由于治疗设备造价昂贵，目前我国仍未开展。