高低氧放疗分次照射对小鼠肿瘤及正常组织的剂量效应
作者：崔晓利 徐波 于振涛 沈瑜 王争 殷蔚伯
单位：崔晓利(300060 天津医科大学附属肿瘤医院)；徐波(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；于振涛(300060 天津医科大学附属肿瘤医院)；沈瑜(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；王争(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；殷蔚伯(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)
关键词：高低氧放疗；分次照射；治疗增益
中华放射医学与防护杂志000412 【摘要】 目的 研究高低氧放疗分次照射对小鼠肿瘤及正常组织的剂量效应关系。方法 实验肿瘤为T739小鼠LA795自发性肺腺癌，以生长延缓为观察指标。正常组织以昆明鼠右后肢的皮肤反应作观察指标。实验分为单纯空气组、单纯高氧组、高低氧组。结果 分次照射肿瘤放射增敏比(SER)高低氧组及高氧组分别为1.34、1.64，皮肤反应SER高低氧组及高氧组分别为1.19、1.49，高低氧组治疗获得系数(TGF)为1.13，而单纯高氧组为1.10，与单次照射相比均明显降低。结论对皮肤反应来说，高低氧放疗分次照射明显降低单次照射带来的TGF。
, 百拇医药
Fractionated radiosensitization of murine tumor and normal tissue by carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy
CUI Xiaoli, XU Bo,YU Zhentao, et al.
(Tianjin Cancer Hospital, Tianjin 300060, China)
【Abstract】 Objective To Study the dose-response relationships of murine tumor and normal tissue in fractionated carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy (CPLCOR). Methods The experiments included three groups: air, carbogen (95%O2+5%CO2), and carbogen plus low concentration oxygen (10%O2+85%N2+5%CO2), five fractions were given to animals using a biological equivalence dose formula. The transplantable spontaneous tumor LA759 in inbred T739 mice was used for tumor response studies and the skin radiation reaction was evaluated with Douglas and Fowler grading method. Results In fractionated schedule, the sensitivity enhancement ratios (SER) were 1.34 and 1.64 for CPLCOR and carbogen alone groups respectively. In skin response, the CPLCOR group showed a relatively milder reaction than the carbogen group did: their SER were 1.19 and 1.49 and the therapeutic gain factors (TGFs) for fractionated schedule were 1.13 and 1.10 respectively. Conclusions Compared with the results of single dose studies, TGF decreases during fractionated irradiation, indicating that the CPLCOR has fewer advantage than carbogen radiotherapy.
, 百拇医药
【Key words】 Carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy; Fractionated schedule; Therapeutic gain factor
高-低氧放疗是近年提出的克服放疗过程中肿瘤乏氧的方法之一，组织氧分压的测定结果表明吸入高氧5 min后立即转吸低氧，此时肿瘤组织氧浓度相对提高，正常组织氧浓度相对降低，这一时相放疗可达到提高肿瘤放射敏感性，降低正常组织损伤的双重目的。肿瘤生长迟缓的实验也证明这一时相的存在[1]。单次照射的研究结果表明：就肿瘤放射增敏比(SER) 而言，高低氧组与单纯高氧组相近，而正常组织反应高低氧组则明显轻于高氧组。高氧组治疗获得系数(TGF)=0.82，高低氧组TGF=1.38，提示高低氧放疗明显优于单纯高氧。为进一步探讨该方法临床应用的可行性，本实验模拟临床，研究分次照射后小鼠肿瘤及皮肤反应的剂量效应关系。
材料和方法
, 百拇医药
1.材料： T739纯系小鼠，雌性，体重18～22 g，由中国医学科学院肿瘤医院动物中心提供。将LA-795小鼠自发性肺腺癌细胞(中国医学科学院肿瘤医院放射生物室保存)接种于小鼠右后肢皮下，每周3次测量肿瘤直径，待荷瘤肢直径达8 mm时随机分组，进行照射。照射后至直径20 mm时处死动物，根据肿瘤生长曲线，计算瘤径 d 增至比照射时直径大5 mm(d+5)的天数，拟合肿瘤生长延缓剂量效应曲线。正常组织反应用昆明鼠，雄性，体重16～20 g，照射右后肢，以左后肢为对照，按Douglas及Fowler方法评定皮肤反应[2]绘制剂量效应曲线。
2.实验分为①空气组：照射时呼吸正常空气。②单纯高氧组：呼吸高氧(Carbogen 95%O2+5%CO2)5 min后开始照射，保持高氧状态直至照射结束。③高低氧组：照射前吸入高氧5 min，改吸低氧(10%O2+5%CO2+85%N2)的同时开始照射，并保持低氧状态至照射结束。
, 百拇医药
3.应用Philips SL 75-10直线加速器，8 MV X射线，吸收剂量率8.7～11 Gy*min-1，源皮距60 cm。分5次照射，每次间隔24 h，肿瘤效应实验及皮肤反应实验的吸收剂量为5.80 Gy*次-1、7.88 Gy*次-1、9.99 Gy*次-1、12.14 Gy*次-1，按生物等效剂量(BED)公式计算(公式如下)，相当于单次照射的吸收剂量分别为17 Gy、22 Gy、27 Gy、32 Gy。
BED=n×d(1+ d )
α
β
式中：n为照射次数， d为每次照射剂量。α为10。
β
, http://www.100md.com
图1 分次照射后小鼠肿瘤剂量效应曲线
结 果
1.图1为计算机拟合的肿瘤剂量效应曲线，各组数值均与单次剂量照射所产生的效应相对应，其中单纯空气组的结果较为接近，说明对肿瘤组织(相当于早反应组织)来说，生物等效剂量公式可提供较为精确的数值。由剂量效应曲线斜率计算分次照射各组SER，高低氧组SER=高低氧组拟合曲线的斜率除空气组拟合曲线的斜率=1.34，同理计算高氧组SER=1.64。而文献[1]报道单次照射高低氧组SER=1.79，高氧组SER=1.80。可见分次照射SER低于单次照射，原因将在讨论中分析。
2.图2为计算机拟合的皮肤剂量效应曲线。同理得出高低氧组的SER为1.19，高氧组的SER为1.49，虽较单次照射有所降低但仍可以看出在分次照射时高低氧组的皮肤损伤较单纯高氧组为轻。
, http://www.100md.com
图2 分次照射后小鼠皮肤反应剂量效应
3.治疗获得系数(TGF)的计算：众所周知，衡量一个以提高疗效或减轻正常组织损伤为目的的措施是否具有临床应用价值，必须同时考虑该措施对肿瘤组织及正常组织的影响，即TGF。TGF=某一干预措施对肿瘤组织的影响除同一干预措施对正常组织的影响，TGF>1才有临床应用价值，值越大越好。高低氧组TGF=肿瘤效应实验SER(1.34)除皮肤反应实验SER(1.19)=1.13，同理高氧组TGF=1.64/1.49=1.10。
讨 论
相对于单次照射来说，分次照射在高低氧组及高氧组的SER均有不同程度的下降，这可能主要是因为在分次照射时发生再氧合而影响了吸氧所产生的效果。再氧合使乏氧细胞比例下降，在一定时间内可恢复照射前水平，但大部分都低于照射前水平，再氧合发生的时间可很长，也可非常短。通常认为再氧合的机理在于：①肿瘤细胞群总量减少，而没有血管丢失，这样血管密度相应增加；②对射线敏感的富氧细胞选择性被杀伤使从血管到位于原先乏氧细胞最远距离处的氧梯度减少；③细胞死亡使氧耗下降；④血管的分流导致血液循环的变异；⑤存活的肿瘤细胞从原先的乏氧区域向有氧区域移动。总的来说乏氧细胞转化的比例取决于被杀灭的富氧细胞数和肿瘤体积的缩小程度，后者又决定于照射剂量的大小和死亡细胞的丢失程度[3]。再氧合实际上是一种自身增敏，这对常规分割放疗来说至关重要。我们的实验结果认为由于再氧合的发生，给氧措施所产生的放射增敏效果降低，但仍显示了较高的增敏比，说明即使存在着再氧合，肿瘤组织内仍存在一定比例的乏氧细胞。我们注意到高低氧照射组在分次照射后SER下降要较单纯高氧组明显，其原因尚不清楚，这需要了解反复吸高低氧对肿瘤组织氧分压的影响，同时也提示需研究临床应用时是否连续吸入还是间断吸入。
, http://www.100md.com
Fenton[4]1997年报道了吸碳合氧对KHT肿瘤氧合的影响，结果认为尽管分次照射后周围血管的氧合提高，但肿瘤中心的氧利用率仍较低。碳合氧在临床相关剂量的分次照射时可持续增加肿瘤的氧合，在高剂量时，由于照射导致HbO2增加掩盖了碳合氧的作用。
分次照射的优点在于肿瘤组织再氧合可增加肿瘤效应，而正常组织在此时间间隔内可使损伤得到一定的修复。由于高剂量时的OER值要高于低剂量时，故分次照射给氧措施的SER要低于单次照射。Rojas的结果证实当2次分割照射时，碳合氧对皮肤的SER为1.36，而分5次时为1.19。在加速超分割照射研究中，36次/12 d方案SER为1.31。作者认为每天3次间隔6 h的照射，在此期间内小鼠皮肤可达到完全修复[5]。其余的文献报道分次照射SER均在1.2～1.3之间，当与烟酰胺合用时可达1.5，因而针对皮肤反应来说，治疗增益系数也并不高。
由于分次照射肿瘤SER的下降，尤其以高低氧组明显，故两组TGF均较单次照射为低，高低氧组为1.13，而高氧组为1.10。高低氧照射略好于单纯高氧照射。这样的TGF虽不十分满意，但我们认识到这仅是对皮肤反应而言的，治疗增益的概念还应考虑其他正常组织。值得注意的是，高低氧分次照射时肿瘤效应下降明显，其机理尚不清楚。我们缺乏肿瘤分次照射后氧分压改变的数据，也缺乏连续吸入高低氧对肿瘤及正常组织氧分压的潜在影响(是否会产生氧耐受)的证据，这些都是值得进一步研究的问题。
, 百拇医药
参考文献
1， 徐波，崔晓利，王争，等.高低氧放疗对小鼠肿瘤及正常组织的效应初探.中华放射肿瘤学杂志，1998，7：239-242.
2， Douglas BG, Fowler JF. The effect of multiple small doses of X-ray on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat Res,1976,66:401-426.
3， 王顺宝，沈瑜.分次照射后的组织反应.见：肿瘤放射治疗学.谷铣之，殷蔚伯，刘泰福，等主编. 北京：北京医科大学中国协和医科大学出版社，1993.275-286.
4， Fenton B. Effect of carbogen plus fractionated irradiation on KHT tumor oxygenation. Radiother Oncol,1997,44:183-190.
5， Rojas A, Vojnovic B, Johns H， et al. Radiosensitization in normal tissues with oxygen, carbogen or nicotinamide: therapeutic gain comparisons for fractionated X-ray schedule. Radiother Oncol, 1996,39:53-64.
(收稿日期:2000-01-30), 百拇医药
单位：崔晓利(300060 天津医科大学附属肿瘤医院)；徐波(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；于振涛(300060 天津医科大学附属肿瘤医院)；沈瑜(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；王争(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)；殷蔚伯(中国医学科学院中国协和医科大学肿瘤医院)
关键词：高低氧放疗；分次照射；治疗增益
中华放射医学与防护杂志000412 【摘要】 目的 研究高低氧放疗分次照射对小鼠肿瘤及正常组织的剂量效应关系。方法 实验肿瘤为T739小鼠LA795自发性肺腺癌，以生长延缓为观察指标。正常组织以昆明鼠右后肢的皮肤反应作观察指标。实验分为单纯空气组、单纯高氧组、高低氧组。结果 分次照射肿瘤放射增敏比(SER)高低氧组及高氧组分别为1.34、1.64，皮肤反应SER高低氧组及高氧组分别为1.19、1.49，高低氧组治疗获得系数(TGF)为1.13，而单纯高氧组为1.10，与单次照射相比均明显降低。结论对皮肤反应来说，高低氧放疗分次照射明显降低单次照射带来的TGF。
, 百拇医药
Fractionated radiosensitization of murine tumor and normal tissue by carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy
CUI Xiaoli, XU Bo,YU Zhentao, et al.
(Tianjin Cancer Hospital, Tianjin 300060, China)
【Abstract】 Objective To Study the dose-response relationships of murine tumor and normal tissue in fractionated carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy (CPLCOR). Methods The experiments included three groups: air, carbogen (95%O2+5%CO2), and carbogen plus low concentration oxygen (10%O2+85%N2+5%CO2), five fractions were given to animals using a biological equivalence dose formula. The transplantable spontaneous tumor LA759 in inbred T739 mice was used for tumor response studies and the skin radiation reaction was evaluated with Douglas and Fowler grading method. Results In fractionated schedule, the sensitivity enhancement ratios (SER) were 1.34 and 1.64 for CPLCOR and carbogen alone groups respectively. In skin response, the CPLCOR group showed a relatively milder reaction than the carbogen group did: their SER were 1.19 and 1.49 and the therapeutic gain factors (TGFs) for fractionated schedule were 1.13 and 1.10 respectively. Conclusions Compared with the results of single dose studies, TGF decreases during fractionated irradiation, indicating that the CPLCOR has fewer advantage than carbogen radiotherapy.
, 百拇医药
【Key words】 Carbogen plus low concentration oxygen radiotherapy; Fractionated schedule; Therapeutic gain factor
高-低氧放疗是近年提出的克服放疗过程中肿瘤乏氧的方法之一，组织氧分压的测定结果表明吸入高氧5 min后立即转吸低氧，此时肿瘤组织氧浓度相对提高，正常组织氧浓度相对降低，这一时相放疗可达到提高肿瘤放射敏感性，降低正常组织损伤的双重目的。肿瘤生长迟缓的实验也证明这一时相的存在[1]。单次照射的研究结果表明：就肿瘤放射增敏比(SER) 而言，高低氧组与单纯高氧组相近，而正常组织反应高低氧组则明显轻于高氧组。高氧组治疗获得系数(TGF)=0.82，高低氧组TGF=1.38，提示高低氧放疗明显优于单纯高氧。为进一步探讨该方法临床应用的可行性，本实验模拟临床，研究分次照射后小鼠肿瘤及皮肤反应的剂量效应关系。
材料和方法
, 百拇医药
1.材料： T739纯系小鼠，雌性，体重18～22 g，由中国医学科学院肿瘤医院动物中心提供。将LA-795小鼠自发性肺腺癌细胞(中国医学科学院肿瘤医院放射生物室保存)接种于小鼠右后肢皮下，每周3次测量肿瘤直径，待荷瘤肢直径达8 mm时随机分组，进行照射。照射后至直径20 mm时处死动物，根据肿瘤生长曲线，计算瘤径 d 增至比照射时直径大5 mm(d+5)的天数，拟合肿瘤生长延缓剂量效应曲线。正常组织反应用昆明鼠，雄性，体重16～20 g，照射右后肢，以左后肢为对照，按Douglas及Fowler方法评定皮肤反应[2]绘制剂量效应曲线。
2.实验分为①空气组：照射时呼吸正常空气。②单纯高氧组：呼吸高氧(Carbogen 95%O2+5%CO2)5 min后开始照射，保持高氧状态直至照射结束。③高低氧组：照射前吸入高氧5 min，改吸低氧(10%O2+5%CO2+85%N2)的同时开始照射，并保持低氧状态至照射结束。
, 百拇医药
3.应用Philips SL 75-10直线加速器，8 MV X射线，吸收剂量率8.7～11 Gy*min-1，源皮距60 cm。分5次照射，每次间隔24 h，肿瘤效应实验及皮肤反应实验的吸收剂量为5.80 Gy*次-1、7.88 Gy*次-1、9.99 Gy*次-1、12.14 Gy*次-1，按生物等效剂量(BED)公式计算(公式如下)，相当于单次照射的吸收剂量分别为17 Gy、22 Gy、27 Gy、32 Gy。
BED=n×d(1+ d )
α
β
式中：n为照射次数， d为每次照射剂量。α为10。
β
, http://www.100md.com
图1 分次照射后小鼠肿瘤剂量效应曲线
结 果
1.图1为计算机拟合的肿瘤剂量效应曲线，各组数值均与单次剂量照射所产生的效应相对应，其中单纯空气组的结果较为接近，说明对肿瘤组织(相当于早反应组织)来说，生物等效剂量公式可提供较为精确的数值。由剂量效应曲线斜率计算分次照射各组SER，高低氧组SER=高低氧组拟合曲线的斜率除空气组拟合曲线的斜率=1.34，同理计算高氧组SER=1.64。而文献[1]报道单次照射高低氧组SER=1.79，高氧组SER=1.80。可见分次照射SER低于单次照射，原因将在讨论中分析。
2.图2为计算机拟合的皮肤剂量效应曲线。同理得出高低氧组的SER为1.19，高氧组的SER为1.49，虽较单次照射有所降低但仍可以看出在分次照射时高低氧组的皮肤损伤较单纯高氧组为轻。
, http://www.100md.com
图2 分次照射后小鼠皮肤反应剂量效应
3.治疗获得系数(TGF)的计算：众所周知，衡量一个以提高疗效或减轻正常组织损伤为目的的措施是否具有临床应用价值，必须同时考虑该措施对肿瘤组织及正常组织的影响，即TGF。TGF=某一干预措施对肿瘤组织的影响除同一干预措施对正常组织的影响，TGF>1才有临床应用价值，值越大越好。高低氧组TGF=肿瘤效应实验SER(1.34)除皮肤反应实验SER(1.19)=1.13，同理高氧组TGF=1.64/1.49=1.10。
讨 论
相对于单次照射来说，分次照射在高低氧组及高氧组的SER均有不同程度的下降，这可能主要是因为在分次照射时发生再氧合而影响了吸氧所产生的效果。再氧合使乏氧细胞比例下降，在一定时间内可恢复照射前水平，但大部分都低于照射前水平，再氧合发生的时间可很长，也可非常短。通常认为再氧合的机理在于：①肿瘤细胞群总量减少，而没有血管丢失，这样血管密度相应增加；②对射线敏感的富氧细胞选择性被杀伤使从血管到位于原先乏氧细胞最远距离处的氧梯度减少；③细胞死亡使氧耗下降；④血管的分流导致血液循环的变异；⑤存活的肿瘤细胞从原先的乏氧区域向有氧区域移动。总的来说乏氧细胞转化的比例取决于被杀灭的富氧细胞数和肿瘤体积的缩小程度，后者又决定于照射剂量的大小和死亡细胞的丢失程度[3]。再氧合实际上是一种自身增敏，这对常规分割放疗来说至关重要。我们的实验结果认为由于再氧合的发生，给氧措施所产生的放射增敏效果降低，但仍显示了较高的增敏比，说明即使存在着再氧合，肿瘤组织内仍存在一定比例的乏氧细胞。我们注意到高低氧照射组在分次照射后SER下降要较单纯高氧组明显，其原因尚不清楚，这需要了解反复吸高低氧对肿瘤组织氧分压的影响，同时也提示需研究临床应用时是否连续吸入还是间断吸入。
, http://www.100md.com
Fenton[4]1997年报道了吸碳合氧对KHT肿瘤氧合的影响，结果认为尽管分次照射后周围血管的氧合提高，但肿瘤中心的氧利用率仍较低。碳合氧在临床相关剂量的分次照射时可持续增加肿瘤的氧合，在高剂量时，由于照射导致HbO2增加掩盖了碳合氧的作用。
分次照射的优点在于肿瘤组织再氧合可增加肿瘤效应，而正常组织在此时间间隔内可使损伤得到一定的修复。由于高剂量时的OER值要高于低剂量时，故分次照射给氧措施的SER要低于单次照射。Rojas的结果证实当2次分割照射时，碳合氧对皮肤的SER为1.36，而分5次时为1.19。在加速超分割照射研究中，36次/12 d方案SER为1.31。作者认为每天3次间隔6 h的照射，在此期间内小鼠皮肤可达到完全修复[5]。其余的文献报道分次照射SER均在1.2～1.3之间，当与烟酰胺合用时可达1.5，因而针对皮肤反应来说，治疗增益系数也并不高。
由于分次照射肿瘤SER的下降，尤其以高低氧组明显，故两组TGF均较单次照射为低，高低氧组为1.13，而高氧组为1.10。高低氧照射略好于单纯高氧照射。这样的TGF虽不十分满意，但我们认识到这仅是对皮肤反应而言的，治疗增益的概念还应考虑其他正常组织。值得注意的是，高低氧分次照射时肿瘤效应下降明显，其机理尚不清楚。我们缺乏肿瘤分次照射后氧分压改变的数据，也缺乏连续吸入高低氧对肿瘤及正常组织氧分压的潜在影响(是否会产生氧耐受)的证据，这些都是值得进一步研究的问题。
, 百拇医药
参考文献
1， 徐波，崔晓利，王争，等.高低氧放疗对小鼠肿瘤及正常组织的效应初探.中华放射肿瘤学杂志，1998，7：239-242.
2， Douglas BG, Fowler JF. The effect of multiple small doses of X-ray on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat Res,1976,66:401-426.
3， 王顺宝，沈瑜.分次照射后的组织反应.见：肿瘤放射治疗学.谷铣之，殷蔚伯，刘泰福，等主编. 北京：北京医科大学中国协和医科大学出版社，1993.275-286.
4， Fenton B. Effect of carbogen plus fractionated irradiation on KHT tumor oxygenation. Radiother Oncol,1997,44:183-190.
5， Rojas A, Vojnovic B, Johns H， et al. Radiosensitization in normal tissues with oxygen, carbogen or nicotinamide: therapeutic gain comparisons for fractionated X-ray schedule. Radiother Oncol, 1996,39:53-64.
(收稿日期:2000-01-30), 百拇医药