Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

повреждению нескольких соседних оснований в ДНК и их очень трудно правильно репарировать.

3.11.3. Зависимость биологических эффектов от ЛПЭ

При увеличении ЛПЭ ионизирующее излучение убивает больше клеток. На рис. 1.18 показана зависимость выживаемости in vitro клеток почки человека от поглощенной дозы для излучений с разными ЛПЭ. С увеличением ЛПЭ кривые выживаемости становятся круче и больше начинают походить на прямые (у них уменьшается плечо). Уменьшение плеча свидетельствует либо о повышении отношения летальных к потенциально летальным повреждениям, либо об уменьшении вероятности корректной репарации ДНК. В рамках LQ-модели уменьшение плеча соответствует повышению отношения α/β. Другими словами, больше клеток убивается α- компонентой модели или одноударным механизмом (нерепарируемым) и соответственно меньше β-компонентой.

Рис. 1.18. Зависимость выживаемости in vitro раковых клеток почки человека от поглощенной дозы для излучений с разными ЛПЭ [19]

51

На рис. 1.19 приводится зависимость ОБЭ от ЛПЭ для клеток почки человека, полученная из данных, показанных на рис. 1.18. Кривые рассчитаны для значений SF = 0,8; 0,1 и 0,01, чтобы продемонстрировать, что ОБЭ зависят также от степени биологического поражения и, следовательно, от уровня дозы. ОБЭ мало изменяется в области низких ЛПЭ (от 0,3 до 5,0 кэВ/мкм), достигает максимума при ЛПЭ = 100 кэВ/мкм и затем начинает уменьшаться. Спадающий участок кривой возникает из-за избыточности дозы, т.е. часть энергии расходуется «вхолостую», потому что в клетках уже выделилась энергия, достаточная для ее поражения. Положение максимума кривой ОБЭ меняется для разных типов клеток и зависит также от спектра ЛПЭ.

Рис. 1.19. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ для клеток почки человека in vitro при разных значениях SF [19]

Другое важное радиобиологическое различие между излучениями с разными ЛПЭ относится к коэффициенту кислородного усиления (ККУ). С увеличением ЛПЭ величина ККУ уменьшается. Эксперименты, проведенные с теми же клетками (рис.1.20), показали резкое уменьшение ККУ в том же районе ЛПЭ, где наблюдается резкое увеличение ОБЭ [19]. Вместе с тем ряд исследователей

52

(например, авторы работ [20,21]) указывают, что при стандартных фракциях по 2 Гр эффективная величина ККУ ближе к 2, чем к 3. Поэтому теоретическое преимущество излучений с высоким ЛПЭ по сравнению с низким ЛПЭ в отношении терапии гипоксических опухолей может на практике оказаться небольшим.

Рис. 1.20. Зависимость ККУ от ЛПЭ: ● – данные для α-частица и дейтронов; ▲ – данные для 250 кВ рентгеновского излучения [19]

3.11.4. Зависимость ОБЭ от дозы

То, что ОБЭ зависит от дозы, можно было видеть уже из рис. 1.19 . Более полная картина этой зависимости показана рис. 1.21 на примере α-частиц с энергией 4,0 МэВ для клеток почки человека линии T1g, облучаемой in vitro. Зависимость получена в работе [22] на основе данных работы [19], представленных на рис. 1.19. ОБЭ увеличивается с уменьшением дозы, потому что зависимость выживаемости клеток для излучений с низким ЛПЭ является более изогнутой и с большим плечом, чем для излучений с высоким ЛПЭ.

Если для моделирования выживаемости клеток при облучении излучениями с низким и высоким ЛПЭ применяется LQ-модель, то ОБЭ возможно предсказать из α/β данных, рассчитав отношение

53

ОБЭ high LET / low LET .

(1.10)

Результат расчета показан на рис. 1.21 в виде сплошной линии.

В ряде работ (например, [23]) зависимость ОБЭ от дозы изучалась экспериментально in vivo в опытах с животными. Полученные данные подтвердили результаты экспериментов in vitro.

Рис. 1.21. Зависимость ОБЭ от дозы для клеток почек человека линии T1g, облучаемых in vitro 4,0 МэВ α-частицами [22]

3.11.5. Чувствительность тканей к излучениям с высоким ЛПЭ

Экспериментальные исследования с нейтронным облучением (например, [23,24]) показывают, что для фиксированного уровня биологического эффекта фракционность мало влияет на полную дозу по сравнению с излучением, имеющим низкое ЛПЭ. На рис. 1.22 представлены изоэффективные кривые в зависимости от дозы нейтронов за фракцию (при сохранении полной дозы) для ранних и поздних реакций (подробнее см. раздел 4) различных тканей.

3.11.6. Радиобиологические предпосылки для лучевой терапии излучениями с высоким ЛПЭ

Данные, представленные на рис. 1.20, показали, что различие в радиочувствительности между хорошо и плохо оксигенированными клетками уменьшается с увеличением ЛПЭ излучений. Этот факт дает основание предполагать, что для ЛТ гипоксических опу-

54

холей (например, некоторые опухоли головы и шеи), возможно, предпочтительным является использование излучений с высоким ЛПЭ. В таком варианте ЛТ отпадает необходимость в применении специальных препаратов для сенсибилизации гипоксических клеток.

Рис. 1.22. Коллекция опубликованных данных по зависимостям изоэффектов от дозы за фракцию (при сохранении полной дозы) при облучении нейтронами различных тканей у мышей и крыс. Пунктирные линии относятся к ранним реакциям, сплошные линии – к поздним реакциям. Обозначения: 1 – функции щитовидной железы; 2 – колонии кроветворных клеток; 3 – вертебральный рост; 4 – сперматогенные колонии; 5 – фибросаркома; 6 – колонии клеток тонкой кишки; 7 – LD50 для легких; 8 – функции корешков поясничных нервов; 9, 12 – шелушение кожи; 10 – шелушение кожи; 11 – поздние изменения кожи; 13 – спинной мозг; 14

– некроз слизистой оболочки рта; 15 – некроз кожи [24]

Воздействие излучений с низким ЛПЭ на клетки, как было показано ранее, сильно зависит от стадии клеточного цикла, в течение которого проводится облучение. Наиболее радиорезистентной является S-стадия и наиболее радиочувствительными – стадии G2

55

и митоз. Радиочувствительность клеток зависит также от фазы. Клетки, находящиеся в покое, имеют тенденцию к большей радиорезистентности, чем клетки, находящиеся в состоянии активной пролиферации [22]. Оба эти фактора способствуют увеличению эффекта от фракционирования облучения для клеток с коротким биологическим циклом по сравнению с клетками, имеющими длительный цикл.

Причина в том, что выжившие после первых фракций облучения клетки с коротким циклом с большой вероятностью могут попасть под облучения в последующих фракциях, находясь в более

чувствительной стадии. Этот эффект получил название «ресенсибилизация клеточного цикла» (англ. ―cell-cycle resensitization‖). Эта

дифференциализация радиочувствительности существенно уменьшается при использовании излучений с высоким ЛПЭ. Поэтому можно ожидать, что ЛТ излучениями с высоким ЛПЭ будет эффективнее для некоторых медленно растущих радиорезистентных опухолей.

Рис. 1.23. Реакция 20 линий клеток человека: А – на облучение тормозными 4 МВ фотонами; B – на облучение нейтронами, возникающими в реакции p(62,5)Be.

Вертикальные линии (2 Гр для фотонов и 0,68 Гр для нейтронов) дают одинаковую медианную выживаемость, поэтому средняя ОБЭ =2/0,68 =2,94 [25]

56

Еще одно радиобиологическое преимущество ЛТ с высоким ЛПЭ основывается на уменьшении диапазона выживаемости разного типа клеток по сравнению с гамма-излучением. Этот эффект демонстрируется на рис. 1.23, где приводятся кривые выживаемости in vitro для 20 линий клеток человека, облучаемых фотонами и нейтронами [25]. Это уменьшение диапазона способствует ожидаемому выигрышу, который базируется на балансе между реакциями опухолей и нормальных тканей.

Таким образом, если клетки опухоли оказываются для фотонов более радиорезистентными, чем популяция клеток нормальных критических тканей, то применение в ЛТ излучений с высоким ЛПЭ могло бы уменьшить эту разницу. Эти три радиологических преимущества совместно с рядом физических преимуществ (см. далее) дают основание считать, что для некоторых опухолей ЛТ с высоким ЛПЭ является предпочтительной.

4. Основы радиобиологии нормальных тканей

Повреждения, возникающие в различных нормальных тканях человека в результате облучения ионизирующим излучением, широко варьируются по типу и серьезности. Некоторые ткани, такие как легкие, кишечник, костный мозг, жизненно необходимы для существования. Их серьезное поражение может привести к смерти. Повреждение других тканей, таких как кожа, конечности, гонады, обычно не угрожает жизни, тем не менее могут привести к существенному ухудшению качества жизни. Рассмотрим вопросы радиационного повреждения нормальных тканей человека более подробно.

4.1. Факторы, определяющие тяжесть радиационного повреждения нормальных тканей

Серьезность повреждения нормальных тканей определяется многими факторами. Их можно разделить на две категории: регулируемые и нерегулируемые факторы.

57

Термин «регулируемые факторы» относится, главным образом, к полной дозе излучения и облучаемому объему. Эффекты облучения всегда становятся более тяжелыми с увеличением дозы излучения. Они случаются чаще с увеличением поля излучения, что получило название «объемный эффект». Расширение поля может в результате привести к включению в облучаемый объем дополнительных чувствительных структур, которые не должны были облучаться. Важное значение имеет выбор параметров фракционирования: повреждение имеет тенденцию к усугублению с увеличением дозы за фракцию (при сохранении полной дозы) и часто проявляется сильнее при уменьшении общего времени облучения. Если интервал между фракциями становится меньше 24 ч (особенно меньше 6 ч), то репарация радиационных повреждений может оказаться неполной, что усиливает тяжесть повреждений. Сопутствующая терапия, особенно с цитотоксическими препаратами, также часто ведет к усилению осложнений в нормальных тканях.

Термин «нерегулируемые факторы» включает возраст, клинический статус пациента, сопутствующие заболевания, генетический показатели, образ жизни и др. Пациенты в пожилом возрасте или с плохим здоровьем часто имеют меньшую толерантность к облучению. Курение и излишнее употребление алкоголя – примеры образа жизни, которые усиливают воздействие излучения на нормальные ткани. Имеется также ряд признанных наследственных синдромов, которые связывают с повышенным риском от ЛТ. Особенно следует отметить атаксию-телеангиэктазию, анемию Фанкони, синдром Кокайна [26]. Гены, связанные с этими и другими синдромами, в настоящее время идентифицированы и разрабатываются скрининговые процедуры для генов, которые могут влиять на радиочувствительность. Такое тестирование могло бы дать возможность предварительно определить пациентов, имеющих повышенную чувствительность к облучению, и внести в их лучевое лечение соответствующую корректировку.

4.2. Пролиферативная структура тканей

Большинство тканей состоит из сложного многообразия типов клеток. Часто имеется основной функциональный тип, который принято называть паренхиматозной компонентой ткани. Всегда

58

имеется компонента соединительной ткани, состоящая из фибробластов, кровеносных сосудов, нервных клеток и мобильных клеток, таких, как макрофаги. Эпителиальная ткань, которая покрывает снаружи тело (т.е. эпидермис) и пищеварительный тракт, имеет наиболее простую структуру. Здесь паренхиматозная компонента является прослойкой клеток толщиной в одну или несколько клеток, лежащих на поддерживающих структурах соединительной ткани. Облучение этого типа ткани повреждает все виды клеток, при этом повреждения проявляются различными способами. Некоторые эпителиальные ткани находятся в состоянии активного кле-

точного обновления, структурная диаграмма которого показана на рис. 1.24.

Рис.1.24. Схематическое представление структуры иерархической ткани на примере кожи

В ткани имеются стволовые клетки, обладающие двойной способностью: воспроизводить сами себя и дифференцироваться в зрелые клетки. Таким образом, в нормальных условиях при делении стволовых клеток часть их потомства предназначается для последующей дифференциации в специфические клеточные линии, а оставшиеся служат новыми стволовыми клетками. Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно дифференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в непролиферирующий пул, где окончательно созревает и становится функционально полноценной [4]. Дифференциация клетки означает превращение ее в

59

специальный тип клеток, способных выполнять специализированные функции. В тонкой кишке эта функция заключается в поглощении питательных элементов из пищеварительного канала, в коже – действовать как водонепроницаемый и физический барьер.

Когда стволовые клетки приступают к дифференциации, они обычно пролиферируют быстрее и становятся более чувствительными к пролиферативно-зависимым цитоксическим агентам и, может быть, более радиочувствительными [26]. Облучение стремится остановить пролиферацию клеток и, если доза достаточно велика, производство новых клеток может оказаться недостаточным для компенсирования потери клеток. Популяция паренхиматозных клеток будет поэтому идти на убыль, что возможно, в конечном счете, выведет ткань из строя. В эпидермисе это может привести к потере поверхностного слоя клеток, мокрому шелушению и даже образованию язв. Кожу, поврежденную таким образом, можно вылечить (если доза не слишком высока), но возможно развитие проблем через некоторое время как результата радиационного повреждения соединительной ткани, расположенной под эпидермисом. Повреждение кровеносных сосудов может стать причиной постоянного увеличения объема ткани, видимого для глаз как искажающая внешность телеангиэктазия. Кожа становится жесткой и неэластичной. В экстремальных случаях в ткани возможно образование глубоких язв (т.е. некроз), что представляет серьезную клиническую проблему. В тканях других типов радиационные повреждения клеток могут привести к своим специфическим реакциям. Эти реакции принято разделять на ранние и поздние. Рассмотрим их подробнее.

4.3. Ранние и поздние реакции тканей

Эффекты от воздействия ионизирующего излучения на различные ткани организма существенно отличаются как по величине дозы, требуемой для создания поражения, так и по времени проявления поражения. По последнему параметру ткани подразделяются на две категории: ткани с ранней реакцией и ткани с поздней реакцией.

У тканей с ранней реакцией эффект от радиационного повреждения проявляется в пределах нескольких недель после облучения.

60