Физические и радиобиологические основы лучевой терапии злокачественных опухолей - общая онкология
В настоящее время не менее 70% онкологических больных нуждаются в лучевом лечении, которое может применяться в качестве самостоятельного или комбинированного метода, а также в комплексе с химиотерапевтическими препаратами. При этом примерно для 40% больных лучевая терапия служит методом выбора и применяется как самостоятельное радикальное лечение. Главной задачей лучевой терапии является подведение к опухоли необходимой для ее регрессии дозы ионизирующего излучения при минимальных повреждениях нормальных тканей, расположенных в зоне облучаемого очага, и минимальной ответной реакции наиболее радиочувствительных систем и органов.
ТАБЛИЦА 29. Допустимые и предельные дозы облучения органов и тканей человека
Органы, ткани | Характер повреждения | ТД5/5> | ТД50/5* | Объем |
Костный мозг | Аплазия, панцитопения | 250 | 450 | Тотально |
3000 | 4000 | Частично | ||
Печень | Острый или хронический гепатит | 2500 | 4000 | Тотально |
1500 | 2000 | Частично | ||
Желудок | Перфорация, язва, кровотечение | 4500 | 5500 | Тотально |
Головной мозг | Кровоизлияние, некроз | 6000 | 7000 | » |
Спинной мозг | » » | 4500 | 5500 | 10 см |
Сердце | Перикардит, панкардит | 4500 | 5500 | 60% |
Легкие | Острый и хронический пульмонит | 3000 | 3500 | 100 см2 |
Почки | Острый и хронический нефросклероз | 1500 | 2500 | Тотально |
Эмбрион | Смерть | 200 | 400 | » |
Полость рта | Эпителиит | 6000 | 7500 | 50 см |
Кожа | Острый и хронический дерматит | 5500 | 7000 | 100 см2 |
Пищевод | Эзофагит, язва | 6000 | 7500 | 75 см2 |
Прямая кишка | Ректит, язва, стриктура | 6000 | 8000 | 100 см2 |
Мочевой пузырь | Цистит, язва, стриктура | 6000 | 8000 | Тотально |
Мочеточник | Стриктура | 7500 | 10000 | 5-10 см |
Яички | Стерилизация | 200-300 | 625- | Тотально |
Растущие хрящ, кость | Задержка роста | 1000 | 3000 | 10 см2 |
Зрелый хрящ | Некроз | 6000 | 10000 | Тотально |
Кость | Перелом, склероз | 6000 | 10000 | 10 см2 |
Щитовидная железа | Гипотиреоз | 4500 | 15000 | Тотально |
Периферические нервы | Неврит | 6000 | 10000 | 10 см2 |
Ухо среднее, вестибулярный отдел | Серозный отит | 5000 | 7000 | Тотально |
Синдром Меньера | 6000 | 7000 | » | |
Мышечная ткань: | ||||
дети | Атрофия | 2000- | 4000- | Тотально |
взрослые | Фиброз | 6000 | 8000 | 10 см2 |
Лимфатические узлы | Атрофия, склероз | 8000 | 10000 | 10 см2 |
Влагалище | Язва, фистула | 9000 | 10000 | 10 см2 |
Молочная железа: | ||||
дети | Атрофия | 1000 | 1500 | Тотально |
взрослые | Атрофия, некроз | 5000 | 10000 | » |
Эта задача решается на базе научно обоснованного использования физических свойств ионизирующих излучений, с учетом радиобиологических реакций облучаемых малигнизированных и нормальных тканей и характера течения и развития патологического процесса, свойственного конкретному онкологическому больному.
Успехи лучевой терапии злокачественных опухолей за последние десятилетия в первую очередь связаны с внедрением в клиническую практику новых радиотерапевтических аппаратов (мощных кобальтовых установок, ускорителей заряженных частиц), генерирующих мегавольтные ионизирующие излучения. Эти излучения в сочетании с новыми, более прогрессивными технологиями облучения, обеспечив оптимальное соотношение поглощенных доз в опухоли и в окружающих нормальных тканях, позволили значительно улучшить непосредственные и отдаленные результаты лучевого лечения по сравнению с киловольтной рентгенотерапией [Kaplan Н., 1977]. Более того, при некоторых локализациях ускорители электронов дают лучшие результаты и по сравнению с телекобальттерапией [Hanks G. et al., 1985].
Дальнейшее повышение эффективности лучевой терапии лежит на пути технологического обеспечения гарантии качества облучения больного, широкого внедрения достижений радиобиологии и новых знаний в области онкологии в радиологическую клинику.
Физико-химический механизм действия ионизирующих излучений.
Лучевая терапия располагает большим набором электромагнитных (фотонных) и корпускулярных излучений. К электромагнитным относятся рентгеновские лучи низких и средних энергий, тормозное излучение высоких энергий, у-излучение радиоактивных элементов, а к корпускулярным — пучки элементарных ядерных частиц: заряженных (электроны, протоны, дейтроны, а-частицы, отрицательные п-мезоны, тяжелые ионы) и нейтральных (нейтроны).
Для каждого вида излучения характерны определенное распределение энергии в веществе, свои особенности физического механизма взаимодействия с веществом. Тип взаимодействия фотонов зависит от их энергии. При низких энергиях (5 — 50 кэВ) фотон в результате столкновения с орбитальным электроном атома среды исчезает. Небольшая часть энергии фотона тратится на вырывание электрона с его оболочки, а остальная — на придание ему кинетической энергии. Образованный в результате этого процесса, называемого фотоэффектом, электрон может, в свою очередь, вызывать ионизацию окружающих атомов. При более высоких энергиях фотонов (200 кэВ и выше) преобладающие значение получает другой механизм — эффект Комптона, характеризующийся некогеррентным рассеянием фотона с образованием электрона отдачи. При достаточно высокой энергии у- квантов (более 1,02 МэВ) наряду с фотоэффектом и эффектом Комптона может происходить третий вид взаимодействия их с веществом — образование электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра атома или электрона.
Заряженные частицы имеют меньшую по сравнению с фотонами проникающую способность. Наибольшее распространение из них в лучевой терапии получили быстрые электроны, прохождение которых через вещество сопровождается следующими процессами взаимодействия их с атомами среды: 1) упругое рассеяние и торможение в кулоновском поле ядра- 2) неупругое рассеяние на атомных электронах и возбуждение атомов- 3) ядерные реакции. Упругое рассеяние не изменяет энергии первичного электрона, однако играет важную роль в расширении поперечных размеров пучка по мере прохождения через среду. Основными процессами, приводящими к потере энергии электронов, являются неупругое рассеяние и возбуждение атомов, а также торможение в поле ядра. В области энергий от 0,1 до 1,5 МэВ ионизационные потери энергии на единице длины пути (в г/см) прямопропорциональны электронной плоскости среды и обратно пропорциональны квадрату скорости частицы. Потери на тормозное излучение пропорциональны порядковому номеру атомов среды и кинетической энергии электронов. В терапевтическом интервале энергии (5 -г 40 МэВ) ионизация атомов среды является преобладающим механизмом потери энергии электронов.
В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать вглубь атомов. Здесь, кроме процессов рассеяния, которые подразделяются на упругие и неупругие, имеют место процессы захвата нейтронов ядрами атомов и расщепление ядер. При этом происходят ядерные реакции, сопровождающиеся образованием протонов, а-частиц, нейтронов или у-квантов. Иными словами, при облучении нейтронами возможно протекание нескольких процессов и появление разных видов ионизирующих излучений.
Кроме длины пробега, ионизирующие излучения различаются пространственным распределением вызываемых ими актов ионизации. Энергию, теряемую заряженной частицей на единице длины ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). В зависимости от значения ЛПЭ ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. К редкоионизирующим излучениям принято относить все виды излучений, имеющие ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм (электромагнитные излучения, пучки быстрых электронов), а к плотноионизирующим — те, для которых ЛПЭ превышает эту величину (нейтроны, протоны, дейтроны, а-частицы и более тяжелые заряженные частицы).
Общим для всех видов ионизирующих излучений является наиболее эффективный с точки зрения биологического действия первичный процесс в виде переноса относительно больших количеств энергии на радиочувствительные биологические структуры — пространственно связанные или разобщенные чувствительные к излучениям участки («мишени»). Эта энергия передается электрически заряженными (первичными, вторичными, легкими и тяжелыми) частицами в количестве, достаточном, чтобы по крайней мере освобождать медленные вторичные электроны, т. е. вызвать процесс ионизации. При этом, если цепь событий начинается с поглощения энергии излучения в исследуемой биологической системе, например в молекуле ДНК или другой специализированной структуре, то это означает, что имеет место прямое действие излучения. Однако первичные процессы поглощения энергии излучения могут происходить в среде, окружающей поврежденную молекулу. Эта среда может включать, например, другие близлежащие биомолекулы. Поглощаемая ими энергия передается другим молекулам с помощью межмолекулярных механизмов переноса энергии или же при высвобождении диффундирующих радикалов, таких как атом водорода, которые затем взаимодействуют с неповрежденными биологическими молекулами: в водной среде, например, действие излучения обусловлено продуктами радиолиза воды (радикалами водорода, атомами водорода или гидратированными электронами).
В этом случае речь идет о непрямом, или косвенном, действии ионизирующего излучения.
Важно отметить, что ионизирующее излучение прямо или косвенно передает энергию (выполняя, следовательно, физико-химическую работу) в тех участках биологического объекта, где она поглощается. При этом излучение может вызвать однократную ионизацию или группу близких друг к другу ионизаций, одну молекулу активированной воды или группу радикалов, очень близко расположенных друг от друга.
Таким образом, физический процесс поглощения энергии в биосубстрате расширяется в физико-химическое понятие начальных радиобиологических событий [Эйдус Л. X., 1979].
Ведущей радиационно-химической реакцией является разрыв химических связей и возникновение свободных радикалов Н и ОН в результате первичной ионизации воды, составляющей 2/3 массы человеческого тела. Под действием активных радикалов происходит окисление или восстановление молекул и образование перекисных соединений. В результате облучения подвергаются различным химическим и (или) физико-химическим изменениям нуклеиновые кислоты и белки. Сложные цепные реакции происходят в нуклеопротеидах, углеводах, липидах, которые в конечном итоге ведут к функциональным и морфологическим изменениям клеточных и тканевых структур. Присутствие кислорода в облучаемом объекте сильно увеличивает выход многих радиационно-химических реакций. Органические радикалы, образующиеся при действии ионизирующего излучения на молекулы липидов, нуклепротеидов, белков и других веществ, а также радикалы воды отличаются выраженной способностью соединяться с атомами кислорода. Повышенная эффективность излучения в присутствии кислорода известна как «кислородный эффект».
Прямое и косвенное действие излучения на биологические молекулы приводит к тому, что у млекопитающих возникают разные радиобиологические эффекты.
Действие излучений на клетки.
В основе использования ионизирующих излучений для лечения злокачественных опухолей лежит их повреждающее действие на клетки, приводящее их к гибели при соответствующих поглощенных дозах. Первым проявлением лучевого повреждения клетки является наступающее сразу после облучения торможение митотической активности. Степень задержки клеточного деления зависит от дозы и является обратимой реакцией. После окончания митотического блока начинают размножаться все клетки, но в первую очередь неспособные к неограниченному размножению, проходящие ограниченное число делений и затем гибнущие. Такая форма гибели облученных клеток носит название митотической, или репродуктивной. Однако некоторые клетки, в частности малые лимфоциты или овоциты гибнут до вступления в митоз в период между делениями (в интеркинезе), и поэтому эта форма инактивации клеток называется интерфазной, или интеркинетической. Для некоторых опухолей, например различных лимфом, такая форма гибели клеток является основным механизмом их лучевой регрессии. Однако для большинства клеток соматических тканей взрослых животных и человека интерфазная гибель регистрируется только после облучения при дозах в десятки грей [Ярмоненко С. П., 1984].
При дозах, обычно используемых в лучевой терапии (2 — 7 Гр), преимущественно имеет место митотическая гибель клеток. Основной причиной этой лучевой инактивации клеток являются повреждения хромосом, возникающие под влиянием облучения, которые легко обнаруживаются на разных стадиях митоза в виде так называемых хромосомных перестроек (аберраций).
Разработка в 50-60-е годы количественных методов определения выживаемости клеток млекопитающих in vitro и in vivo позволила с помощью кривых выживаемости выявить ряд процессов, формирующих реакции клеток на облучение, и таким образом сделать существенный шаг к пониманию биологических механизмов терапевтического действия ионизирующих излучений. Кривые выживаемости, отложенные в полулогарифмическом масштабе (рис. 61), представляют фракцию выживших клеток как функцию дозы и описываются размером плеча (D9 и п) и наклоном (D0). Величина D0 служит показателем радиочувствительности и определяется по кривой выживаемости как доза, при которой выживает 37 % клеток от исходного количества. Анализ кривых доза — эффект показывает, что выживаемость клеток определяется их радиочувствительностью, критерием которой служит величина D0. Однако опыт использования математических моделей клеточной выживаемости показал, что для клинических целей доза, необходимая для уменьшения фракции выживаемости на 10% на прямолинейном участке кривой, часто более подходящий критерий и представляется как D10 = 2,3D0 [Rubin Rh., Siemann D., 1983].
Величины n и особенно D9 характеризуют размер плеча по кривой выживаемости, которое определяет способность клеток восстанавливать жизнеспособность путем репарации сублетальных поражений (СЛП) — основного процесса, обусловливающего ослабление суммарного эффекта фракционированного облучения. Восстановление большинства клеток от СЛП чаще всего завершается полностью за 2-6 ч и исчерпывается после 3 — 5 Гр. При уменьшении репараторной способности клеток, например, при действии излучения с высокой ЛПЭ, создающего нерепарируемые двойные разрывы ДНК, или при облучении клеток в условиях полной аноксии, когда не вырабатывается энергия, необходимая для репарации, или, наконец, при облучении клеток в момент деления, когда репараторные системы не функционируют, величины п и D9 fe3K0 уменьшаются: п — до 1, a — до 0 Гр Ярмоненко С. П. 1984]. Отсутствие плеча на кривой выживаемости (рис. 61, кривая А), как это имеет место при воздействии плотноионизирующего излучения, свидетельствует об ингибировании процессов репарации. Именно этим объясняется меньшая клеточная выживаемость для излучений с высокой ЛПЭ.
61. Кривые выживаемости клеток млекопитающих, подвергнутых облучению излучениями с высокой ЛПЭ (А) и низкой ЛПЭ (В).
Кривая А — описывается уравнением для одноударного компонента N/N0 = е — кривая В — уравнением для многомишенной модели NjN0 = 1 — (1 — е~DlD°)n, где N — число выживших клеток из общего числа клеток N0- D — доза излучения- D0 — доза, при которой доля выживших клеток NjN0 = е—1 = 1/2,71 = 0,36- п — экстраполяционное число. Определяемое как значение ординаты в месте ее пересечения экстраполированным прямолинейным участком кривой: Dq — (квазипороговая доза) — соответствует точке пересечения экстраполированного прямолинейного участка кривой выживаемости с прямой, параллельной оси абсцисс, проведенной на уровне 100 % выживаемости.
Помимо репарации СЛП, клетки после однократного облучения могут репарировать потенциально летальные повреждения (ПЛП). Условия, благоприятные для репарации ПЛП, обычно характеризуются как «субоптимальные», ибо при них клетка может существовать, но не может расти и делиться. Репарация СЛП и ПЛП имеет место в нормальных и опухолевых клетках in vitro и in vivo. Отмечено снижение репарационной способности в клетках, находящихся в тяжелой длительной гипоксии, а также имеющих низкий уровень аденозинмонофосфата [Withers Н. et al., 1984]. Все это характерно для опухолевых клеток, поэтому накопление повреждений в опухоли при фракционированном облучении может быть больше, чем в нормальных тканях.
Важнейшим фактором, влияющим на реакцию клеток, а следовательно, и тканей на облучение, является клеточное напряжение кислорода. При плотноионизирующих излучениях уровень клеточной гибели не зависит от степени оксигенации клеток во время облучения в отличие от редкоионизирующих излучений. У последних эффект прямо связан с клеточным напряжением кислорода, так что с увеличением концентрации кислорода относительная радиочувствительность обычно достигает плато, уже начиная с парциального давления кислорода (Ро2) 20 — 30 мм рт. ст. Дальнейшее увеличение концентрации кислорода дает небольшой дополнительный эффект. Кривые клеточной выживаемости, полученные при облучении радиацией с низкой ЛПЭ в оксигенированных и полностью гипоксичных условиях (отсутствие кислорода), показали, что доза, необходимая для получения одного и того же биологического эффекта, при гипоксии приблизительно в 2 — 3 раза больше, чем доза, необходимая для получения того же эффекта при облучении в условиях полной оксигенации. Следовательно, большие дозы радиации необходимы, чтобы излечить опухоли, содержащие гипоксичные клетки.
Большинство опухолей животных содержат 10 — 20% гипоксичных клеток, и имеются доказательства, что гипоксичные клетки, по крайней мере в некоторых опухолях человека, являются главным лимитирующим фактором их излечения при обычной лучевой терапии [Bush R. et al., 1978].
Рассматривая действие радиации на клетки, нельзя не упомянуть, что степень выраженности их лучевой реакции зависит от того, на какой стадии жизненного ц
