第四节　细胞放射损伤修复与细胞存活曲线

致死性损伤（lethal damage，LD）是指细胞内关键靶点发生的电离事件所造成的不可逆性损伤，其不能被修复或被错误修复因而是不可逆转的细胞死亡。

亚致死性损伤（sublethal damage，SLD）是细胞内只有部分关键性靶点受到电离事件的破坏，只要给予足够时间，细胞就可对这些损伤进行修复，这种修复称为亚致死性损伤修复（sublethal damage recovery or repair，SLDR）。由于这种修复的存在，使分次照射时细胞存活率比总剂量一次性照射时明显提高。现行的肿瘤放射治疗正是利用这种修复制订合理的分次照射方案，使之杀死肿瘤的同时并有利于受照正常细胞的恢复。

潜在致死性损伤（potentially lethal damage，PLD）是指一定条件状态下照射的致死效应是潜在性的，在不进行干预的情况下可导致细胞死亡。如果改变受照细胞所处的状态如延迟接种或暂时置于不利于分裂的环境，即可促进细胞恢复免于死亡。这种恢复或修复称为潜在致死性损伤修复（potentially lethal damage recovery or repair，PLDR）。

细胞存活曲线所描绘的是细胞的持续增殖活性、形成克隆或集落的能力，以辐照剂量与细胞存活分数之间的关系来表述。细胞受照后即使具有一定的生理和生化功能，但如果只能暂时维持一两次或数次有丝分裂且已基本丧失完整的持续增殖能力，就不能看作是存活细胞而应作为非活细胞看待。这些细胞受电离辐射后，丧失完整的持续增殖能力，最终发生增殖死亡（reproductive death）。存活细胞应是能产生克隆或集落的克隆原性细胞（clonogenic cell），通常是受照细胞接种后培养大约10天，仍能保持持续增殖，能形成至少大于50个细胞的克隆。细胞存活分数或形成集落能力随着照射剂量的增加而下降，构成“剂量-存活曲线”，简称细胞存活曲线。

将培养的细胞用胰酶处理，制成单细胞悬液，计细胞浓度。将已知数的细胞接种到培养皿中并用X射线或γ射线照射。然后继续培养10天使细胞增殖，形成集落，计集落数。每皿中接种的细胞数应随照射剂量而增加，以确保计数的准确性。

典型的细胞增殖死亡的剂量曲线，如以算术坐标表示，呈S形（图1-4-1A），如以对数坐标表示其存活分数则可得到如图1-4-1B所示的带肩区的直线。这曲线基本上符合改良的多靶单击模型。D₀表示直线部分的斜率，是使细胞存活分数下降63%所需的剂量。从存活分数对坐标的0.1和0.037两点分别做平行线与曲线的直线部分相交，然后分别作垂直线与剂量轴相交。剂量轴上两个相交点剂量之差即为D₀，图中的D₀值为约1Gy。D₀代表细胞的平均致死剂量或平均灭活剂量，大多数哺乳动物细胞的D₀值在1~2Gy之间。这是表示细胞内在辐射敏感性大小的主要参数。可以用D₀来比较不同细胞株的辐射敏感性。有时也用D₃₇来反映辐射敏感性，D₃₇是细胞存活分数从1.00降至0.37的剂量。

D_q是克服曲线肩部所需剂量。在单靶单击模型，剂量存活曲线是一条指数性直线，没有肩区，这时D₃₇等于D₀。

将曲线的直线部分外推，使之与存活分数轴相交，相交点表示外推数N，N原称靶数或击中数。图1-4-1B中N等于3，对于大多数哺乳动物细胞，N=1~5，少数细胞N值可到10~20。如果从存活分数1.0处作一平行线与上述外推线相交，相交点在剂量轴上的投影点即为准阈剂量（quasi-threshold dose，D_q）。D_q代表肩宽。对于急性照射的有氧细胞，D_q=0.5~2.5Gy。N和D_q都是描述细胞对亚致死性损伤承受能力的参数，也反映了对这类损伤的修复能力。

描述辐射剂量细胞存活率曲线的数学模型最初是从靶学说的概念提出的。随着放射生物学的发展，针对不同生物体、不同品质的射线、不同的修复条件，拟合了多种数学模型。

单靶单击模型假设受照生物体仅有一个对射线敏感的结构，即单靶，在此单靶中仅发生一次电离事件或仅有一个电离粒子穿过，即单击。单靶单击模型是靶学说的基础，也是细胞存活曲线数学模型的理论基础。这个模型适用于生物大分子，某些小病毒、某些细菌。在少数情况下，也适用于描述高LET辐射（如α粒子）所致的哺乳动物细胞恶性转化。

这个模型的表达公式为：

这里N₀是大分子的原始数，N是受剂量D照射后的未失活分子数，N₀是平均一次击中所需的剂量，简称为平均失活剂量，对细菌或其他细胞来说，称为平均致死剂量。这个公式显示出生物大分活性随照射剂量的增加而呈指数下降的特性，故称为指数失活曲线。

多靶单击模型是假设在一些辐射生物实验中有两个或多个靶存在。例如，在受照射的精子X染色体有几个能显示致死突变的基因，这时显然不能用单靶模型。对于某些大的病毒和细菌、酵母菌落的多细胞系统、哺乳动物细胞都需使用多靶模型。在多靶单击模型中又可分为简单的初始斜率为零的模型和改良的初始斜率非零的模型两种。

简单的多靶单击模型的细胞存活分数（S）可用式1-4-4表示：

这里D为受照剂量，D₀为曲线指数区存活率每下降63%所需的照射剂量，N为外推数或靶数。这条曲线的初始斜率为0，其余部分指数性直线。这个模型对受高LET照射的哺乳细胞比较合适。

改良的多靶单击模型是在上述简单型方程式上乘上一个带有指数失活特点的校正系数e^-D/D0，得到式1-4-5：

这个方程式对大多数细胞和较宽能量范围的射线都适用。

线性-平方模型（linear-quadratic model，简称LQ模型）。这个模型的方程式为式1-4-6：

这个模型的曲线不断向外弯曲，故又称连续弯曲曲线模型。曲线的初始斜率也不等于0。曲线弯曲的程度是α和β值的函数。

这个方程式是Kellerer Rossi根据他们的二元辐射作用理论（theory of dual radiation action）提出的。这个理论认为单击效应和多击效应同时存在，总辐射效应由αD和βD²的相对重要性决定。与此同时，Chadwick和Leenhous提出了DNA双链断裂模型，把细胞死亡与DNA双链断裂（DSB）直接联系起来。以后又有人将辐射诱发的染色体畸变与细胞存活的关系用LQ模型来表达。如果由于一个电离粒子的通过而造成DSB，这时DSB数与吸收剂量成正比（αD）。如果由于两个电离粒子的通过而造成，这时DSB数与吸收剂量的平方成正比（βD²）。系数α和β值取决于DNA修复能力和细胞环境中的其他因数。αD和βD²是决定细胞死亡的两个成分。当αD=βD²或D =α/β时，两个成分的杀伤效应相等。

LQ模型是近20年来放射生物学研究的重大发展。现已广泛应用于放射生物学和临床放射治疗中的细胞放射敏感性研究。根据正常组织和肿瘤之间α/β的不同，改进分次照射方案，可使正常组织的反应相对轻于对肿瘤的杀伤，从而提高放疗效果。

亚致死性损伤修复是肿瘤放疗分次照射的理论基础。在这方面引入了有效剂量存活曲线（effective dose survival curve）的概念。将所给的大照射剂量分割为一系列相等的小剂量部分，分次的时间间隔要足以满足细胞行使SLD修复。每个分次照射（例如，每日照射2Gy）都有存活曲线的肩段出现，并在放疗过程中多次重复。从起点经过每个分次存活曲线的肩段点联成一直线，这样可得到成指数函数的有效剂量存活曲线（图1-4-2）。

为了放疗时计算方便，常采用杀死90%肿瘤细胞所需的剂量D₁₀（式1-4-7）。

在此，2.3是10倍的自然对数。

与一次照射比较，分次照射能在一定程度上保护正常组织，因为在放疗分次照射间隙中正常组织能进行亚致死性损伤修复和细胞增殖。相反，乏氧的肿瘤细胞修复亚致死性损伤的能力差，不能逃脱分次照射的杀伤。