影响细胞存活曲线形状的因素

除特定的细胞群体所固有修复辐射损伤能力之外，已知有一些因素能改变某一特定细胞群体的剂量－存活曲线，包括：

1．LET 用高LET的辐射进行照射，使存活曲线的肩部变小甚或消失，同时指数部的斜率变小，即直线变陡了(图2－4)。临床放疗中现在除常规使用的X线和γ线外，已逐渐使用了快中子、负兀介子、质子等高LET的辐射，以对肿瘤细胞产生更大的杀灭作用。

图2－4 中子与X线照射后存活曲线的比较

HeLa细胞在空气中分别受到14．7MeV中子(。－。)和300kVX线(·－·)照射的存活曲线。活存分数为0·1处的水平线例示，所需X线的剂量为515cGy，而中子只需210cGy。以此观察终点而论，该中子的RBE=515／210，即2．4。

2．氧 氧通过辐射所诱发的自由基而增加细胞的损伤。低氧(特别是当氧分压降低至20毫米汞柱以下时)和无氧的细胞均相对地对于常规使用的(低LET)辐射具有抗拒性。它们的存活曲线中的肩部比充分充气的细胞者宽，斜率也没有后者那样陡(图2－5)。

图2－5 在有氧和乏氧条件照射下存活曲线的比较

(a)为HeLa细胞在空气中(·－·)和在氮气中(。－。)受到300kV X线照射的存活曲线；(b)为小鼠内皮细胞在空气中(．－·)和在低氧环境中(。－。)受到300kV X线照射的存活曲线。图(a)氧合细胞的存活曲线中D=150cGy D=160cGy；而少氧细胞的D′=360 cGy，D′=400cGy；OER=D′／D=360／150，即为2．39。

在低氧条件下导致一细胞群体减少至某一存活分数所需的辐射剂量，在与充气条件下该细胞群体减至同一存活分数所需同一种辐射的剂量之比，被称为氧增强比(OER)。对于低LET辐射来说，OER值约为3。高LET辐射使细胞产生损伤的效率较高，因而其效应不大依赖于氧。

欲使低氧的肿瘤细胞降低其辐射抗拒性，可通过包括使用“辐射增敏剂”(它能模拟氧的作用，见后)、分次照射后发生的再氧合等而得以实现。

大多数肿瘤组织中都有供血不足的区域，经过一个分次的照射后，由于氧合的细胞有大量被杀灭，肿瘤细胞负荷减少，从而使剩余的原先低氧的存活细胞易于获得氧(此即再氧合作用)而可被下一个分次照射所杀灭。

此外，恶性肿瘤患者常伴有贫血，这是不利于借辐射杀灭肿瘤细胞的。临床放疗工作者通常都给贫血患者输注红细胞，以使血红蛋白保持在70%以上。

3．剂量率 当减低辐照的剂量率时，以同一的剂量照射后，存活的细胞数就明显增多。这是由于在照射过程中亚致死性损伤(参见2．5．1)得到恢复，以及未受损伤的或仍有活力的细胞在极低剂量率条件下发生了增殖的缘故(图2－6)。

图2－6 剂量率对存活曲线的影响

中国地鼠卵巢细胞在空气中于体外(20℃)受到每分钟100cGy的高剂量率照射(·－·)和每小时25cGy的低剂量率照射(。－。)时的存活曲线。在低剂量率照射下，由于亚致死性损伤得到完全恢复(无肩部)，故细胞的死亡皆由于致死性损伤所致。

常规放疗中所使用的辐射源，多具有100cGy／min的剂量率。每个分次剂量的施予只需数分钟，故在每分次实际放疗过程中的恢复是很少的。然在像镭针植入或类似的长期照射疗法中，辐照的剂量率(仅为40cGy／h)远低于外照射放疗者。因此剂量率的效应在组织间及腔内近距疗法中是重要的。在近距疗法中使用低剂量率时，可在一较短的时间内施以一较高的总剂量，因为肿瘤附近的正常组织在这种情况下能够发生修复和再群体化。

4．细胞周期的时相 细胞的繁殖是通过细胞周期实现的。人们把由前一次分裂结束起到下一次分裂结束为止称为一个细胞周期。细胞周期共有4个时相：G(DNA合成前期)、S(DNA合成期)、G(DNA合成后期)及M(有丝分裂期)四个时相。细胞对辐射的反应随受照射当时所处时相不同而异：处在M期的细胞对辐射最为敏感，而处于S晚期者敏感性最低。两者辐射敏感性的差别可在2．5倍以上。细胞群体于第一次照射后，剩余的存活细胞再分布于细胞周期中对辐射敏感的时相，则易于被再次的照射所杀伤。遗憾的是，辐射敏感性对于细胞周期时相的依赖关系在临床上是难于利用的，因为不论是肿瘤细胞还是正常组织，都不易使其细胞周期的进程达到同步化。同样，也难于使不进行细胞周期活动的细胞进入周期。

5．辐射防护剂与增敏剂 有些化学制剂能使细胞的辐射敏感性明显降低(辐射防护剂，如AET、MEA、WR－2721等，见图2－7(a))，而另一些药物则使其辐射敏感性提高(增敏剂，如甲基二硝基咪唑及其类似物RSU1069、甲硝达唑等，见图2－7(b))。理想的是临床医生能使用辐射防护剂保护正常组织，而利用增敏剂使肿瘤遭受辐射的更大杀伤。多年来国内外许多放射生物学家和放疗学者为此已进行大量的研究，并已取得了令人鼓舞的结果。希望不久能在临床推广使用。

图2－7 辐射防护剂与增敏剂对存活曲线的影响

(a)示WR－2721(500mg／kg)于照射前给药(·－·)对小鼠小肠干细胞的保护作用，其存活线的肩部较未给药鼠()者宽得多，指数部的斜率亦变得稍平；(b)照射前给予甲基二硝基咪唑(100mg／kg，)及RSU 1069(80mg／kg，)使KHT肿瘤只受照射时的存活曲线(·－·)指数部的斜率明显变陡。

6．分次照射 通过大量临床实践业已证明，将总剂量分次施予能对正常组织有较好的容让效应(sparing effect)，而仍对肿瘤有致死效应。这种临床功效来源于许多生物和物理因子的复杂相互作用，在这些因子中包括亚致死性损伤的恢复和再群体化。

图2－8(a)以图解的方式说明双剂量实验可提供亚致死性辐射损伤的恢复的直接证据。设某一细胞群体的存活曲线为A。照射500cGy的剂量使细胞存活10%。经过一段时间后，再进行照射，便会出现另一条曲线B，其指数部的斜率仍与A者同，但在指数部之前又“重建”了一个肩区。因此，在两个分次照射之间相隔一段时间，则欲达到相同的生物学效应时就需更大的剂量(如在图中，欲达到0．01存活时，单次照射只需800cGy，而两次照射就需超过1000cGy的总剂量)。

图2－8 分次照射对存活曲线的影响

(a)双剂量照射的存活曲线；(b)单次及多分次照射的存活曲线。分次数目及每分次的剂量已标示于各曲线附近。

如果使用多分次的照射，就会在每一分次照射之后都重建出一个肩部，如图2－8(b)所示。总剂量相同，但分次照射数目不同，所达到的生物学效应相差很大。例如10×200cGy只有5×400cGy效应的1／90；而6×200cGy只有3×400cGy者的1／15。

两个细胞群体对于一定剂量的单次X线照射存活分数如果只有微小的差别，那么这种差别在分次剂量照射后便被放大(图2－9)。多次用较低剂量X线照射的效应，对于存活曲线中肩部的依赖关系比对指数部的关系更大得多。已知许多肿瘤细胞是乏氧的，而在极度缺氧(＜10ppm)的哺乳类细胞中其修复亚致死性辐射的损伤能力降低。因此，分次照射所致的辐射损伤，在肿瘤细胞中积累得要比周围正常组织细胞中者大。另一方面，肿瘤和正常组织的有效倍增时间可能由于照射后的细胞丢失及影响细胞群体动力学的其它因素的作用而表现出显著的差别，亦即正常组织在起初遭受辐射损伤以后增殖速率可能会大大增快，而肿瘤则在每次分裂之后有很高程度的细胞丢失。分次照射便能显示正常组织与肿瘤的这种细胞群体减少作用的差别，从而增加治疗比。

图2－9 细胞存活曲线的图解

示分次照射对正常组织与对肿瘤的差别效应随分次数目的增加而逐渐得到放大。