放射生物学（radiation biology）是研究电离辐射在集体、个体、组织、细胞、分子等各种水平上对生物作用的科学。主要研究对象为：电磁射线，如紫外线、X射线、γ射线的作用；粒子射线，如电子射线、质子射线、重氢射线、α射线等高速带电粒子射线的作用；此外还有中子射线的作用等。

放射（或辐射）生物学是一门边缘学科，主要研究放射线对生物体的作用，观察不同质的放射线照射后的各种生物效应以及不同内、外因素对生物效应的影响。范围涉及放射线对生物体作用的原初反应及其以后一系列的物理、化学和生物学方面的改变，临床放射生物学或肿瘤放射生物学是放射生物学的一个分支，它又是放射肿瘤学（放射治疗学）的四大支柱（肿瘤学、放射物理学、放射生物学和放射治疗学）之一。因此，世界上绝大多数国家在对放射治疗医生进行培训、资格考核或晋级都要求有临床放射生物学的内容。

临床放射生物学是在辐射生物学基本理论的基础上，结合对临床放射治疗时肿瘤及正常组织的放射生物特性以及治疗中和以后诸因素发生变化的研究，以及在以上认识的基础上，利用结合放射生物行为特点从分子、细胞、组织直至整体水平实验研究的独特手段，探讨提高放疗疗效的办法或手段，以达到不断提高肿瘤治疗效果和病人生存质量的目的。

随着生命科学的迅速发展，临床放射生物学的研究内容和技术也不断的得到发展、充实和更新。毫无疑问，深入理解临床放射生物学的基础知识和概念，掌握临床放射生物学研究动态并加以运用，对肿瘤放射治疗的改进和提高肿瘤治疗效果有极重要的意义。

为什么射线能够杀死细胞，这和射线的电离特性有关。电离射线通过直接和间接效应对生物体发生作用，使细胞受损或死亡。目前多认为放射损伤的靶细胞是DNA，是由于射线对DNA造成损害，而使细胞分裂受到阻碍，导致细胞分裂失败或细胞损伤。

放射使细胞损伤产生的结局

⑴ 凋亡：凋亡使细胞受到一个较小的剂量照射后就可，如淋巴细胞和精原细胞。

⑵ 流产分裂：流产分裂使由于细胞受到致死剂量照射后，细胞不是立刻死亡，而是进入下一个分裂周期，但是由于DNA受损，DNA双链断裂，以至细胞分裂失败，最后细胞死亡。

⑶ 子代细胞畸变

⑷ 形态学上无任何变化：有一类细胞在受到射线照射后，虽然它们的DNA受损，但是由于这一类细胞使休止期细胞，不进入分裂周期或已丧失了增殖能力，如中枢神经中的神经原细胞和成熟的肝细胞，它们的放射损伤并不能表现出来，在形态上仍正常，并具有原有的功能，如神经 原细胞仍有传导功能，肝细胞仍可以合成蛋白和各种酶的功能，这并不是说放射不能够杀死这些细胞，当照射剂量达到一定程度时，也会出现功能受损和细胞凋亡。

⑸ 有限的分裂而死亡：大多数细胞在受到致死剂量照射后都时表现为有限的分裂死亡。尽管它们的DNA双链断裂，但是仍可勉强分裂成功，但是断裂的DNA在分裂过程中多次复制，损伤在子代细胞中逐渐积累，最终导致细胞死亡。

⑹ 生存：少数细胞在非致死剂量照射后，细胞能够修复受损的DNA，并能够分裂，在子代细胞中没有或仅留下轻微的改变。

细胞经过射线照射后大多数死亡，也有少部分细胞存活，用什么来反应细胞照射后的存活情况呢？

⑴定义：根据不同的剂量和相应的不同生存率绘制出来的曲线，即为细胞存活曲线。这曲线既可以通过体外细胞培养，也可以通过体内试验获得。

⑵细胞存活曲线绘制：由于射线对生物体的损伤是随机的，细胞对射线的敏感度不同，我们可以看到细胞的存活曲线可出现两种情况。细胞的生存曲线是一条直线，说明细胞对射线敏感的表现，也就是说，细胞DNA被一次击中就发生死亡。但是大多数细胞并非这种情形，在低剂量区时，存活曲线有一个肩区，当剂量较大时，才成直线。因此生存曲线是一个二次曲线，我们常用线性二次方程来描述。生存曲线的肩区，是由于细胞受到射线照射后不是就可以导致细胞死亡的这个细胞必须还要受到射线的照射才能死亡，因此在低剂量区时有一个放射损伤的积累过程。

D0平均致死量，代表着这一细胞群的放射敏感性，直线越陡，即D0值越小，杀灭63%细胞所需要的剂量就越小。

N值指细胞内所含的放射敏感区的域数，即靶数。

Dq代表存活的肩宽宽度，在此剂量范围内，细胞表现为非致死损伤的修复，Dq值越大，造成细胞指数死亡所需要的剂量越大。

S2为照射2Gy后细胞的存活率。

需注意细胞存活曲线仅代表细胞水平的，与组织水平的放射生物效应还有一定距离，离体培养的细胞和复杂的人体也有较大的区别。

⑶细胞存活曲线的意义：是一切放射生物学研究的基础。① 研究各种细胞生物效应与放射剂量的定量关系

② 比较各种因素对放射敏感性的影响。

③ 观察有氧和乏氧情况下细胞放射敏感性的变化

④ 比较不同放射分割方案的放射生物学效应。

⑤ 考察各种放射增敏剂的效用

⑥ 比较单纯放疗和放疗综合治疗的作用

⑦ 比较不同LET射线的生物学效应

⑧ 研究细胞的各种放射损伤

由于分割方式的不同，相同的总剂量可产生不同的放射效应。在1971年Ellis就提出了放射等效应的数学模型，但临床实践已证实，此数学模型仅适用于皮肤，不适用于所有组织，特别是晚反应组织，Thames和Bentze在本世纪80年代提出的L-Q模式交好的评估不同的分割剂量的临床放射效应，不仅适用于肿瘤，也适用于早反应和晚反应组织。该模型认为电离辐射作用于靶细胞并造成细胞的损伤是由α和β两个损伤概率复合组成，当一个电离粒子通过DNA双链断裂，发生靶细胞损伤的概率是α，它和剂量是线性关系。由两个电离粒子通过DNA产生DNA双链断裂，其发生靶细胞的概率是β，它和剂量是平方函数关系。引申的公式是：BED=D（1+d/（α/β））。

LQ公式的限度：L-Q方程是建立在每次照射后SLD修复完全，疗程中没有细胞再增殖的假设基础之上，因此还必须考虑到不完全修复因子（Hm）和实践因子（T/Tpot）。大量的动物实验表明在1-10Gy分割剂量范围内，L-Q方程能较好地反应分割方案的等效关系，在分次剂量<2Gy时，估计生物效应由有过量的危险，真正应用于临床非常规放疗时必须谨慎。

临床意义：

预测剂量分割方式的生物效应。

不同剂量分割方式的等效转换。

生物等效剂量（BED-Biological Equralent Dose）为了使肿瘤中心物理剂量与其他点的剂量差异（即剂量不均质性）以及物理剂量与生物效应之差异（也称为生物效应差异）这双重差异的结果能最后表达出来，在放射生物学上对这种双重差异效应统一，称之为生物等剂量（BED）。过去临床医生仅凭经验及临床效果来猜测，它要达到对肿瘤区的根治剂量，又要对周围正常组织的保护，为了接近肿瘤实际，故又提出了肿瘤可控几率TCP(Tumor Contral Probability）和不可控几率NTCP(Non Tumor Control Probability），以TCP/NTCP数值来衡量BED和肿瘤治疗几率。

深入研究了细胞周期，即增殖期(G1-S-G2-M）和静止期（G0）的关系，为此提出了4个R：即是修复（Repair），再氧化（Reoxygenation），再分布（Redistribution），再增殖（Regeneration）作为指导放射生物中克服乏氧等问题的研究要点，放射生物学推进到目的明确，针对性强的有效研究中去。

当细胞受到非致死放射剂量照射后，细胞通过自身的修复机制修复放射损伤，这种非致死放射性损伤包括：潜在性致死性放射损伤；亚致死性放射损伤。在20世纪60年代Elkind发现受到PLD损伤的细胞，如果处于一个抑制细胞分裂的环境，这个环境有助于细胞的修复。体外培养试验也证实在放疗后2-4小时内细胞已修复了大部分SLD，然而不同的细胞的修复动力学也不一样，组织的修复动力学的研究表明SLD的修与照射后的时间呈指数关系，常用半修复时间1/2T表示。分割剂量和细胞修复动力学的关系目前还不十分清楚，但有资料表明分割剂量大，细胞的修复能力弱。

细胞的放射损伤修复和凋亡是一对矛盾。如果肿瘤细胞有较强的修复PLD能力，则丧失了凋亡反应。一些研究发现在细胞的DNA受损后，一些基因和癌基因能影响细胞的凋亡过程，这些基因包括bcl-1,bcl-x,p53等.

放射治疗后的肿瘤细胞再氧化

接受放疗后，肿瘤组织中的乏氧细胞比例明显增加，经过24小时后，细胞由乏氧状态向氧合状态发展。乏氧细胞再氧合的机制：

① 肿瘤细胞群总量减少，血管没有损失，血管密度相对增加。

② 对放射敏感的富氧细胞选择性杀灭，远离血管的乏氧细胞和血管的距离缩短。

③ 细胞死亡使总耗氧量减少。

④ 血管的分流导致血流循环的改变。

⑤ 肿瘤细胞的迁移。

（

放射过程中的细胞再分布

在分割放射中有一个有趣的现象，即细胞群会产生分裂时相同步化，其原因可能是放射能是G2/M期细胞阻滞。当放射损伤修复后，受阻的细胞同步在同一分裂周期中。此时第二个放射剂量的给予时机对细胞群的生存至关重要。如同步化的细胞处于抗放射时相，则放射效应不强，如处于放射敏感时相，则可获得较大的杀灭效应。然而，同步化的现象是短暂的，细胞群很快按固有的比例重新分布。分裂周期中不同时相细胞的放射敏感性：在分裂周期中不同时相的细胞对放射杀灭的敏感性不一样已得到证实，对放射敏感性的顺序是M>G2>G1>S。S期细胞对放射呈抵抗性，在有较长的G1期的细胞，G1的早期也显示抵抗性。

在临床工作中我们可观察到这么一个现象，如肺癌放疗过程中大约2周时，病人出现进食吞咽痛的症状，经过一段时间后，大约4周，尽管放射的剂量还继续累加，但病人的吞咽同明显减轻，其原因就是食道黏膜上皮的加速再增殖，使食道黏膜的放射损伤有不同程度的恢复。这种在放疗过程中，细胞的增殖速率不一，在某一阶段内出现加速增殖的现象，称之为加速再增殖。在放疗区内发生增殖的细胞有两种，一是从放射区外游走进入放射治疗区进行克隆，例如皮肤、口腔黏膜、消化道黏膜放射损伤后就是通过此方式修复。另外就是照射体积内的细胞进行克隆，肿瘤细胞就是通过这样的方式产生更多的肿瘤细胞，因而就需要额外的剂量来杀灭加速增殖产生的细胞。

对于正常组织而言，促进细胞增殖的因素有：1放射损伤死亡的细胞能分泌刺激残存的细胞分裂因子；2细胞的死亡，残存细胞之间的接触抑制现象消失，分裂加快。正常细胞的加速再增殖有利于急性放射性损伤的恢复。然而肿瘤细胞的加速再增殖却不利于肿瘤的控制。发生加速增殖的基本条件是血供的改善，促使肿瘤再增殖的原因和正常组织相似，虽然肿瘤之间的接触抑制现象弱于正常组织，但多数组织仍存在此现象。肿瘤通过以下三个途径实现再增殖：1增加增殖细胞的比例；2缩短细胞周期时间；3减少细胞丢失比例；4变非对称性分裂为对称性分裂。在分割放疗中，目前还不能确切地知道细胞增殖动力学地规律，从临床资料来看，肿瘤开始加速再增殖地时间是在临床上肿瘤体积开始退缩之前。对大多数头颈部上皮源肿瘤而言，肿瘤加速增殖始于放疗后2-4周。临床和实验已证明，正常组织再增殖地能力强于肿瘤组织。放射线在杀灭肿瘤组织地同时损害了周围的正常组织，但由于周围正常组织的恢复能力强，肿瘤更容易被控制。正常组织不同程度的损伤可留下部分后遗症。

从分子生物学角度来看，目前认为放射主要作用于细胞核DNA（如MAR区域）、细胞膜（如鞘磷脂酶—神经酰胺）和胞浆内一些蛋白（如Apaf－1/IAP等）。DNA损伤主要表现为链断裂（单链和双链），其修复有二条路径：同源重组和非同源末端连接。

放射后肿瘤内部分细胞获得放射阻抗也和一些因激活而致细胞修复能力改变相关。放射后的胞膜和胞浆可启动不同传导路径，通过诱导一些转录因子，来调节细胞因子、生长因子及细胞周期相关基因的表达。除此之外，放射也可改变酪氨酸激酶传导路径。

许多体内外实验显示，在放疗前或放疗后，由于肿瘤细胞生长环境不同于周围正常组织，细胞常处于基因不稳定状态，大多分子靶向治疗都是针对肿瘤内异常表达的基因，通过抑制其活性来关闭该基因的传导路径。

根据46届ASTRO会议上的报告，可将分子靶向治疗大致归纳为主要针对以下几条与放射相关的路径：细胞内传导路径、细胞死亡路径、细胞周期和肿瘤内血管形成及COX2阻断。这些研究结果表明，放射和分子靶向治疗相结合可改变肿瘤细胞放射敏感性。

研究已证实，肿瘤内乏氧细胞比例与肿瘤的侵犯性及治疗结果相关。肿瘤细胞在乏氧的过程中可激活一些基因，HIF－1a是其中之一，它的激活可改变基因稳定性以及血管形成和肿瘤细胞的代谢。另一方面，肿瘤细胞在乏氧状态下，其细胞基因不稳定。

因此，努力探索乏氧细胞的生物标志十分必要。半乳凝素－1被认为是乏氧诱导的蛋白之一，目前研究表明，这种新蛋白和体外细胞及临床头颈鳞癌组织内的氧化程度密切相关，但在患者血浆中检测不到。

随着影像学技术的迅速发展，确定肿瘤内不同亚群细胞具有不同克隆源性氧饱和度、增殖率及放射敏感性的空间分布已成为可能。结合这些数据与逆向治疗计划系统及调强手法，在治疗前预计治疗增益比已提到议事日程上。

此外，本次会议还较大篇幅地报告了放疗结合根据射线的分子靶向遴选的药物试图改变分割放射生物的5R’s，为放射分子生物学研究开拓了一个新的平台。

一、实验动物在放射生物学研究中的作用

进行放射生物学研究是实验医学中最复杂的任务之一。因为在放射生物学实验研究中，不仅要求工作人员遵守相应的措施，免受超允许剂量的照射或沾染，而且还要得到能客观反应辐射与生物对象互相作用真实情况的稳定结果。这就必须同时满足许多条件，其中最重的条件之一，就是要选择适于研究课题需要的动物种类、建立实验模型。

超过一定剂量的高能辐射作用于机体，可引起体一系列全身性综合病症，称为放射病，或称为急性放射综合症（Acute Radiation Syndrome）。这种病在平时极少见到，只有在核战争和核事帮情况下才可见到该病。因此研究这种疾病眩要是在实验室内选择各种实验动物来进行研究的。今天我们对辐射损伤的大部分知识，不是来自方广岛或长畸，也不是来自几个出过事故的反应堆，大量的知识是通过选用各种实验动物进行动物实验积累起来的。关于辐射的远期遗传效应至今只有动物实验的材料。

由于在实验室可以随时选择各种实验动物并使其接受不同剂量的照射，可以复制成病变相似、病例多量的不同类型的放射病或辐射损伤，这就为放射生物学研究提供了极为便利的条件，对放射医学的发展起到了极大的推动作用。

二、实验动物对辐射效应的影响

同样种类和剂量的辐射以相同的方式作用于机体时，所出现的后果往往用动物的种类、年龄、性别、机体状况等而异，即有不同的辐射反应。放射生物学研究中常用放射敏感性（Radiosensitivity）的概念来观察个体组织、细胞的敏感程度。放射敏感性，是指当一切照射条件完全严格一致时，机体或其组织成部分在射线作用下发生的某种变化的程度和速度，若变化大且其发生迅速，则表明其敏感性高，反之，则相反。一般文献资料中多以细胞、组织的形态学损伤或机体的死亡作为判断放射敏感性的依据。下面所指的放射敏感性，都是以此为准的。

核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流或能量。辐射源有天然的和人造的两类。而辐射分为两大类：电磁辐射和离子辐射，电磁波穿过空间而传递能量叫电磁辐射。γ射线：来自核的转变，能量范围≥0.1Mev；X射线：来自核外电子的相互作用，包括轫致辐射和特征X射线，能量范围1Kev～0.1Mev；紫外线：能量比X射线和γ射线低得多，能量范围1ev～0.1Kev。离子辐射又分为带电粒子辐射和不带电离子辐射。