细胞存活曲线 细胞死亡 一个细胞有能力无限增殖并由单一细胞形成一个大菌落称为「可形成群落的」。 肿瘤细胞在细胞培养皿中可无限增殖。 正常细胞必须转型才能在在培养皿中无限增殖。 对一个在培养皿中生长的细胞，失去持续生长的能力称为再增殖性死亡。 照射之后追踪，细胞或许仍无损并有能力制造蛋白质、合成新的DNA甚至经历一至两次 细胞分裂，但若失去无限地再增殖能力即被视为死亡。 非常高的辐射剂量(10,000 rads或100 Gy)会造成所有细胞功能的中断。 相对照之下，失去再增殖能力的平均致死剂量通常小于2 Gy。 影像已移除 Fig. 3.1 in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5 th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000. 1 可形成菌落的存活分析： ? 来自一活跃生长株的细胞可由轻轻地刮取或使用胰蛋白酵素来获得。 ? 每单位体积的的细胞数目可由手动方式(血球计数器)或电子方式(库尔特计数器) 测量。 ? 已知数目的细胞可装盘至干净的小盘上。若细胞培养1-2周，可形成菌落的细胞会 形成巨观上可见到的菌落能被固定、染色与计数。 ? 必非每个细胞作种将能形成一个菌落，即使未经过照射，由于一些因素如计数时 算错、操作错误、生长基质并非最佳等等。植盘率(PE)定义为观察到菌落的数目 ∕放入盘中的细胞数目。 ? PE = 培養皿中的細胞數目 觀察到的菌落 ? 数个相同的小盘种植细胞并经辐射曝露在增加的剂量下。细胞植盘数目请需增加 以使所得菌落数目达可计数的数目。存活分率(SF)为计算到的菌落数目除以经植 盘效率修正的植盘菌落数目。 ? SF = )100/( PE×細胞種植數目 菌落數目 影像已移除 Fig. 3.2 in [Hall]. 2 细胞存活曲线 细胞存活数据一般绘制成存活分率vs. 剂量的对数图。 为了比较曲线方便，根据在致死性以下的假设模式以数学方式来呈现曲线数据。 细胞存活曲线的形状解释仍有争议最好的方法是以数学调适这些数据类型。 影像已移除 Fig. 1.1 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2 nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. 有两种基本的细胞存活曲线： 线性(指数型)或「曲线」 3 放射敏感性与细胞周期 影像已移除 Fig. 4.11 in [Hall]. 细胞周期时间例子 细胞周期 分期 CHO仓鼠细胞 HeLa人类 T C 11 24 T M 1 1 T S 6 8 T G1 3 4 T G2 1 11 影像已移除 Fig. 1.5 in [Turner]. 4 靶 理 论 靶理论源于指数剂量型反应曲线之研究。 它假设每次「击中」会造成细胞去活性，即「单次击中，单一靶模式」。 ? 每个细胞有单一靶。 ? 靶的去活性会杀死细胞。 线性存活曲线 细胞受到高-LET辐射的照射会形成线性存活曲线。存活分率S与剂量d之间的关系为： S = e –αD 这里： S是存活细胞数目， –α是斜率，且 D是给予的辐射剂量。 这之间关系以定义D 0 为1/α表示成 S =。 0 / DD e ? 这里 D = D 0 ， S = e –1 = 0.37 影像已移除 5 帕松分布 击中机率的所有计算可以帕松统计来处理，这里发生 n 个事件的机率为 P( n ) = ! ))(( n xe nx? 此处 x = 事件的平均数目 且 n = 事件的特定数目 若每次「击中」假设会造成细胞去活性，则存活机率就是未被击中到的机率，P( 0 )。 由帕松关系式，这里的 x = 1且n = 0， P( 0 ) = !0 )1( 01 ? ? e 由于这原因，D 0 常被称为平均致死剂量，或每个靶平均一次死亡事件的给予剂量。 在下列某些情况下会发现指数剂量反应关系 ? 某些敏感细胞种类(例如造血干细胞) ? 在M期与G 2 期同步化细胞群。 ? 以高-LET辐射照射 *** 6 有肩部的细胞存活曲线 对多数哺乳类细胞曝露在低-LET辐射下的存活曲线显示有些曲度。 在曲线中刚开始的低剂量区比高剂量区的每单位剂量细胞去活性较少称为肩部。 较高剂量区时常倾向一直线。 参数D 0 可用以代表曲线区域中的放射敏感性。 曲线终端的直线部份外插回推至零剂量所定义的值，n，称为外插数。 在曲线的肩部区域中细胞被杀死的比例随着所给剂量而增加。有两种可能的解释： ? 细胞死亡源于个别无法杀死细胞的事件之累积，当加成在一起变得致命(靶模式)。 ? 个别的病灶虽可修复但若随着病灶数目与因此剂量(修复模式)减少酵素修复机制 的效率使得变得伤害无法去除甚至造成细胞被杀。 影像已移除 Fig. 8.6 in Alpen, E. L. Radiation Biophysics, 2 nd ed. San Diego, CA: Academic Press, 1998. 7 线性-平方模式(双成份的模式)： 线性平方模式被发展成两类似方程式，每个皆出自理论。 双辐射作用理论 ? 病灶是起因于次小病灶交互作用的细胞去活性之原由。 ? 细胞去活性至少需要两个次小病灶。 ? 次小病灶由一个或两个辐射径迹通过所产生。 一个径迹的作用 两个径迹的作用 P = αD P = βD 2 P = αD + βD 2 细胞去活性的分子理论 (Chadwick and Leenhouts, 1981) ? 细胞去活性源于DNA双股断裂未被修复所致。 ? 在低-LET时，双股断裂可能是单一事件(直线成份)或两次事件(平方成份)所造成。 ? 换言之，细胞去活性源自染色体畸变。 ? 有些畸变是单一事件造成。 ? 有些畸变是两次个别的断裂事件所造成。 影像已移除 染色体损伤的观察导致一假设，当DNA有两股时，必须有两个事件造成一股断裂才能形 成损伤。 8 线性-平方模式 线性平方模式是假设细胞被杀死有两途径。 ? 单次致死事件 ? 次致死事件的累加 影像已移除 若细胞死亡的这些模式假定皆各自独立的， S = S 1 S n 这里的S 1 是单次杀死事件或为e –αD 而S n i是两次杀死事件且能表示成 2 D e β? 较常用的表示式是 S = )( 2 DD e βα ?? S是细胞受到剂量D之下的存活分率，而α与β是常数。 影像已移除 Fig. 3.6 in [Hall]. 9 线性-平方模式 影像已移除 Fig. 3.3 in [Hall]. 线性平方细胞存活曲线中有用的参数： ? D 1 ，初始斜率，由于单次杀死事件，剂量造成存活率减至37% ? D 0 ，最后斜率，解释成多次杀死事件，剂量造成曲线的直线部份上任何点的存活率 减少67%。 ? 有些量用来描述肩部的宽度。初始斜率D 0 的外插值是回推至y轴上产生的n值，称 外插数。n值越大，在存活曲线上的肩部越大。 10 线性存活曲线容易被了解 在肩部的曲度持续被「诠释」为 修复显然很复杂… 古典分次剂量实验，Elkind与Sutton, 1959 低剂量-LET辐射的两个剂量 影像已移除 Fig. 8.3 in [Alpen]. 低-LET被高-LET跟随 影像已移除 Fig. 8.4 in [Alpen]. 高-LET被低-LET跟随 影像已移除 Fig. 8.5 in [Alpen]. 11