笔者主要论述了质子的物理和生物学特性, 目的是评估质急性照射细胞存活高, 如果辐射引起的亚致死损伤完全修复, 子的生物效应。在单能质子剂量-深度(射程)分布曲线中存相等分剂量的反复照射, 会产生相等的细胞死亡效应。放疗中在很窄的"Bragg"峰, 且在峰轨迹的末端有一个较高的RBE。假定的分剂量照射中细胞敏感性是不变的。然而, 有数据显示大部分的质子与γ射线相似, 除了非常小范围停止能量的质子γ射线的敏感性就不一样。而且, 质子比低LET辐射在分剂量有稍微高的RBE。能量为GeV的高能质子生物效应与低LET辐射相近。
1 质子的物理特性质子在宇宙辐射中占有很高的比例, 自从发明了回旋加速器和人造质子源, 在一些生物体和不同细胞、组织、动物中广泛开展了质子的生物效应研究。通常质子的能量在9000MeV到10MeV, LET在0.23 keV/m和4.6 keV/m, 所以质子被认为是低LET辐射, 而 < 10MeV的低能停留质子在小剂量时, 有较高的RBE。质子在通过物质时与原子核相互作用丢失能量, 影响生物效应的LET是随着质子能量的降低而增髙。原子核相互作用时产生了比初级粒子更高LET的次级粒子, 在能量小于1 GeV的质子中, 次级粒子的剂量在总剂量中占有重要部分。
离子辐射造成的染色体畸变主要由微观能量分布决定的, 质子和X、γ射线的能量分布是不同的。对特定质子的LET值在核轨迹周围的空间能量分布是完全被忽略, 然而质子初级粒子释放的δ射线就在核轨迹周围, 使LET的适用受到限制。根据轨迹结构计算, 特别是能量大于10 MeV的质子, 清楚地显示轨迹上事件簇的δ射线能量分布, 所以δ射线对于产生的辐射生物效应是不能忽视的。Perris A等[1]实验也说明了LET对于生物损伤不是一个理想的参数, 不同负荷、不同速率的粒子虽有相同的LET但δ射线分布不同, 导致了生物损伤的差异, 而其他的物理参数可能更适合生物系统的辐射行为。
质子具有高和低LET混合成份, 离子在组织中的深度分布具有Bragg峰, 与重离子相似的轨迹结构。250 MeV的高能质子大约有30%的能量消耗在次级粒子的产生, 而低能质子产生次级粒子时消耗的能量较少, 却产生了较大部分短范围的氘核、氚核和a粒子。在临床治疗中, 160 MeV质子剂量的2%成份是高LET, 在高剂量, 离子的宏观模式是十分一致的, 类似于χ和γ射线。然而, 微观标准上, 细胞内部能量沉积模式是不一致的。小范围的离子簇可导致修复慢而差的生物损伤簇, 这个效应因质子束的次级粒子而被加强。既然转化成为肿瘤细胞的是个别细胞, 由高LET辐射产生的个别细胞的损伤, 在宏观剂量分布的危险评估就十分重要。
2 质子照射细胞的敏感性与抵抗性70 GeV的质子照射小鼠15~31d, 累计剂量0.11-0.31 Gy。结果细胞损伤增高, 但没有适应性反应, 而预先增加0.11 Gy的质子照射小鼠后的敏感性增加。在高LET初始低剂量范围, 其辐射敏感性比剂量依赖关系中从大剂量线性外推的数据显著升高, 说明产生了超敏现象, 而辐射抵抗没有随剂量的增高而增高[2]。LET为8、20 keV/um的质子和γ射线分次照射正常和肿瘤细胞系, 实验发现最敏感的细胞系相对最抵抗的细胞系有最大的恢复率, 20 keV/um的质子处有最低的恢复率, 说明质子分次照射的潜在恢复是很小的。通常分次剂量照射比照射中恢复的细胞少, 细胞经质子分次照射后很少从亚致死损伤中修复过来, 且峰区比砰区恢复的更少。
辐射敏感与缺陷修复无关, 可能与诱导的修复机制有关, 而辐射品质又会影响修复机制。BELLI.M等[3]用质子照射4种细胞(肿瘤和正常细胞系各2个), 发现细胞存活RBE随细胞对γ射线辐射抵抗的增强而升高, 对γ射线抵抗最强的细胞系RBE升的最高, 这与He、C、N离子LET为20~125 keV/um照射人肿瘤细胞的结果是一致的。可见, 对于稀疏离子照射(X或γ射线)不敏感的肿瘤细胞, 可通过质子和重离子进行改善抗性肿瘤的疗效。细胞固有的敏感性与缺陷修复无关, 可能是因为不同的辐射敏感性可以诱导第一次分剂量照射后的辖射抵抗性。人细胞辐射抵抗产生的机制还是未知, 辐射抵抗的细胞系在X射线的低剂量处观察到了超敏感性, 说明辐射抵抗在低剂量即被诱导, 因此, 辐射抵抗的强度可以说明高剂量的辐射敏感性差异。另外不同肿瘤类型的细胞系辐射敏感性不同, 细胞类型辐射敏感性不同有两个不同机制的假说, 即辐射敏感性大是指相对于许多细胞系每剂量单位的更多损伤, 另外根据修复的质和量, 辐射敏感是损伤修复机制的缺陷[4]。
3 质子存活RBE值由于生物种类、生物终点和质子束的物理特性不同, 很难将各种结果统一为质子的生物效应, 特别是不同能量分布、不同扩展峰照射的生物样品更难比较, 所以在放射生物学中都使用单能质子, 有助于对RBE的确定。尤其是低能量质子RBE较大(大于1), 会随LET的增高而增高。
Tobias和Grigoriev[5]总结了质子束在初始能量50~660 MeV, 单能急性剂量照射小鼠, 在LD50和LD100的RBE值是0.67-0.9, 只有50MeV是1.2, 这些数据证明相对髙能的质子在相对高的剂量范围内与低LET辐射在致死效应上没有差异。BELLI.M等[3]用质子能量为0• 79和5.04MeV, 对应的LET是29.6和7.6 keV/mm, 照射4种细胞(肿瘤和正常细胞系各2个)。高LET29.6 keV/mm的质子使4种细胞失活的RBE分别为:3.2、1.8、1.3、0.8, 比低LET7.6 keV/mm.辐射效应强。
Perris A等[1]用7.4和3.0MeV (LET 5.8 keV/mm和12.1 keV/mm)的单能质子轨迹片段照射中国仓鼠V79细胞, 由失活剂量D和D37得出RBE值为1.7和2.8。Bettega等[6]用31、12和8MeV能量的质子照射人EUE细胞, 随着质子能量的降低, RBE值在升高。但31 MeV与射线无区别; 12和8MeV的失活剂量分别是60Coγ的1.4和1.6, 而3.0 MeV质子是60Coγ的2.8倍。两个实验证明8MeV与7.4MeV的质子照射不同细胞, 而细胞存活的RBE是一致的。在低能范围内, 随着质子能量的降低, RBE值在升高。IVAN PETROVIC[7]用62MeV质子峰的最高处照射人黑色素瘤HTB140细胞。在8~24 Gy之间(治疗剂量), 细胞存活对γ射线的RBE为1.64。
用235 MeV质子10cm宽的布喇格峰顶处照射SCC61、NB1RGB、中国仓鼠V79细胞[8], 坪区质子照射NB1RGB和V79细胞的RBE (SF2)是1.1和0.9, 而峰区是1.1和1.1, 而SCC61细胞的坪区和峰区的SF2的RBE是1.1和1.5。与其他临床应用高能质子70到200 MeV的存活RBE相接近, 在放射治疗学中, 质子照射离体细胞的RBE是1~1.2。而比10cm小的布喇格峰照射, 可能比1.1大。生物效应的深度分布是布喇格峰的末梢比峰区的一半的效应更大。RBE的大小依赖于其深度。对于所有生物系统, RBE峰区比坪区大, 可能是峰末梢的高LET成份的原因。250 MeV质子照射鼠甲状腺滤泡细胞, 以照射后48h有37%细胞存活的剂量计算的质子RBE为1.25[9]。小鼠被380MeV的质子照射后, 绒毛滤泡的存活RBE值为1.41[10]。
对于几百MeV质子的存活RBE在1〜1.5之间, 其差异可能由于生物终点和质子照射LET不同造成的。当用这些结果外推人在宇宙飞船、超音波飞机中暴露于高能质子的可允许范围, 必须有两点注意:在低剂量和低剂量率范围内, 相对于低LET的高LET辐射, 实际暴露的生物效应比实验室的预值要高, 由于选择的生物终点不同, 这些实验也就不能反映对遗传损伤可允许的暴露水平。
4 质子诱导的染色体畸变辐射诱导的染色体畸变代表了单个DNA损伤后细胞修复的后果, 有两个主要的结构改变:互换和断裂。染色体断裂重接失败是由于辐射诱导DSB后重接的失败, 然而, 确切的DSB修复和失败的机理仍不清楚。染色质或染色体断裂可能是由于DSB重接前端粒插人到DNA的损伤末端, 这可通过端粒酶介导的染色体的愈合或端粒捕获来完成。对于许多质子能量范围内染色体畸变的RBE都接近1, 但低能质子对染色体的损伤较严重。Wu等[11]研究用250 MeV的质子和290 MeV/amu的碳离子、1GeV/amu的铁离子照射人淋巴细胞和人纤维原细胞, 淋巴细胞染色体畸变的复杂型畸变在高LET辐射时有最高RBE, 而纤维原细胞的不完全互换则表现出最大的效应。铁离子照射两种细胞诱导的畸变细胞量相似; 质子的RBE因染色体畸变的类型不同而不同, 从相互互换的0.78到复杂互换的1.3;相反铁离子的RBE相互互换是2.0, 复杂互换是3.3。Tracy[12]用250 MeV的质子、γ射线和1GeV/amu的铁离子照射人淋巴细胞, 质子RBE是1, 铁离子是1.9。质子和γ射线产生的染色体损伤类型都以相互互换为主, 且两种辐射产生的畸变类型分布没有显著的不同。Bettega.D等[6]用能量为31、12和8 MeV的质子照射人EUE细胞系, 等点染色体断裂和双着丝粒随质子的能量和剂量的增髙而增髙, 等点RBE分别是1:1.3:1.7。Tobiasand和Grigoriev[5]总结了质子10~660MeV染色体崎变的RBE值, 除了10 MeV的RBE值是1.8, 其他能量的质子RBE值接近1。总的来说, 质子诱发染色体畸变的相对生物效应(RBE)与低LET辐射相似, 但低能质子的生物效应较大, 对细胞损伤较严重, 能更有效地引起细胞染色体缺失、断裂、双着丝粒, 并随LET的增加而增加, 其较大的RBE与细胞类型及染色体畸变种类有关。
DURANTE.M[13]曾用LET相同的0.86 MeV的质子和400 MeV的氖离子照射鼠科C3H10 T1/2细胞, 照射剂量为1~4.5 Gy。质子比氖离子诱导鼠细抱染色体相互互换和断片上更有效, 而复杂互换, 两者在等剂量下是相似的。染色体相互互换和断片剂量效应关系两者都是线性的, 质子高出20%, 没有平方项, 说明畸变是内轨迹照射形成的。这和Edwards[14](LET大于20keV/(xm的双着丝粒的平方系数是0)研究人淋巴细胞染色体畸变的结果是一致的。从分子实验分析, 内轨迹引起的染色体畸变是由小于100 nm个别损伤的DNA相互作用的结果。两种辐射造成染色体畸变在相互互换和断片上的不同是两个离子轨迹结构不同造成的。氖和质子的轨迹直径分别为5um和70nm, 小于IMeV的质子在粒子轨迹100nm内, 沉积了所有的能量, 而400MeV的氖离子在这个体积内只沉积了所有能量的80%, 在轨迹内20%的能量被浪费, 生物实验也发现了氖离子比质子在轨迹内诱导的染色体畸变效应降低了20%。另外氖离子和质子产生的复杂型互换剂量效应关系曲线都有一个显著的平方系数, 可能是在内轨迹之外形成了此畸变, 尽管二者产生的染色体复杂型互换水平是接近的, 但质子的复杂型互换以插人较多, 而氖离子复杂互换中最多的是非相互互换。
5 质子诱导的基因突变相对于低LET离子辐射, 髙LET辐射是更有效的诱导突变物质, Belliet等[15]报道了 < 6MeV低能质子束对X射线诱导产生HPRT突变的RBE, 啮齿类动物细胞经质子(30.5 keV/m)照射后最大RBE为6.0, LET下降到7.7 keV/m时RBE为2.5。Hei[l6]报道了10 keV/m质子照射人纤维原细胞相对于γ射线的HPRT突变的RBE是1.3。这些数据和以前在非常低能量的小范围质子照射人纤维原细胞系和啮齿细胞引起的突变结果是一致的。Tobias和Grigoriev[5]用600 MeV的质子照射整个生物组织, 显性致死和隐性突变的RBE范围是0.45~1.0, 说明高能质子与低LET辐射在诱导突变的效能上是十分相似的。
6 高能质子生物效应用70 GeV质子的次级粒子照射中国仓鼠V79细胞产生的染色体畸变结果与γ射线是一致的, RBE值接近1[2]。1 GeV质子束诱导人淋巴细胞染色体畸变与X射线相近, RBE也接近1 [17]。高能质子的轨迹结构模式显示了次级粒子作用于DNA分子的效应比X射线稍低。可见, 高能质子的次级核粒子作用并没有增强, 所以高能质子的生物效应与低LET相似。
总之, 根据不同的生物对象和不同的生物终点的研究, 质子的辐射生物特性是:能量从10 MeV到500 MeV的RBE值小于2, 相对于γ射线的RBE, 最多值处在1.0~2.0之间, 较髙RBE (小于6)是在3MeV的停止质子的低能小剂量出现。高能质子0.5 GeV到70 GeV的RBE值接近1, 对于太阳辐射谱中的高能质子, 其生物特性与γ射线相似[12]。
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