重离子治疗肿瘤的两大优势

　　作者：郭传玲，王菊芳，金晓东，魏 巍，李文建 作者单位：1. 730000 兰州，中国科学院近代物理研究所;2. 中国科学院研究生院

　　【摘要】 目的 观察两种人恶性肿瘤细胞人肝癌细胞SMMC7721和人黑色素瘤细胞A375对高LET12C6+离子和γ射线照射的敏感性及分次效应，观察重离子治疗肿瘤的可行性及优势。方法 以两种体外培养的来源于人体不同组织的具有高辐射抗性的恶性肿瘤细胞为实验对象，分别进行12C6+和γ射线0～6Gy内不同剂量点的单次和分次照射，采用克隆存活法统计细胞的存活分数。结果 无论是单次还是分次照射，12C6+照射后两种细胞的存活分数均明显低于γ射线照射的细胞，而且重离子的分次效应明显降低。结论 结果显示重离子在肿瘤治疗中的两个重要优势，即具有高的肿瘤杀伤力和低的分次效应，显示重离子照射引发的低修复现象，可使肿瘤放疗具有更高的效率。

　　【关键词】 肿瘤细胞，重离子，存活分数

　　Two Fascinating Advantages in Tumor Therapy with Heavy Ions

　　GUO Chuanling1，2，WANG Jufang1，2, JIN Xiaodong1, WEI Wei1，2，LI Wenjian1

　　1. Institute of Modern Physics, the Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;2. Graduate School of Chinese Academy of SciencesAbstract：Objective We should be wise to the feasibility and advantages of tumor therapy with heavy ions by observing the radiosensitivity and the effect of fractional irradiation of two kinds of malignant human tumor cell lines which were respectively irradiated with 60Co γrays and 12C6+ ions with high LET. Methods We chose two kinds of malignant human tumor cell line which derived from different tissues and had low radiosensitivity, namely A375 and SMMC7721. After respectively irradiated with 60Co γrays and 12C6+ in dose range 0～6Gy, the survival fractions of single irradiation and fractional irradiation were studied by colonyformation assays. Results The results showed that: as to each cell lines involved in the assay, the survival fractions of cells irradiated with 12C6+ were much lower than that of cells irradiated with γrays not only when singly irradiated but also when fractionally irradiated. Which was more fascinating was that the effect of fractional irradiation was impaired to both two cell lines when irradiated with 12C6+. Conclusion The assay showed some captivating properties of 12C6+ in tumor therapy that 12C6+ could kill tumor cells more efficiently than γrays, as well as 12C6+ may lead a weakened repair which would make the therapy more efficient.

　　放射治疗是治疗恶性肿瘤的重要手段。常规放射治疗采用的γ、X射线和电子束进入人体后产生的剂量随深度的增加而指数衰减，对肿瘤及前后的正常组织都有一定的杀伤作用。重离子由于剂量分布具有Bragg峰，能使高吸收剂量区集中于肿瘤部位，从而有效地保护周围的健康组织，且具有相对生物效应高、修复效率低等特点，在放疗上比较理想。20世纪70年代中期，美国的劳伦斯伯克利实验室首先将重离子应用于临床治疗，取得了显著的效果，日本和德国于90年代相继也开始了重离子治癌，目前对部分肿瘤的局部控制率已经达到了100%[1]。我国从1995年起，将“核医学和放射治疗中先进技术的研究”列为国家科委“九五”攀登计划(B)项目，其中的“重离子治癌技术”是重要的研究内容之一。经过近十年的努力，目前，兰州近代物理研究所重离子加速器治疗癌症的工作已经开展起来，治疗终端建设基本完成，我国极有可能在2005年底实现重离子治疗癌症的重大突破。

　　本着进行基础研究的目的，本实验拟利用兰州重离子加速器(HIRFL)提供的12C6+离子束(LET=96.05keV/μm)和兰州大学第一附属医院放射科的60Co源产生的γ射线分别对两种不同组织来源的人肿瘤细胞进行单次和分次照射，观测两种照射对不同肿瘤细胞的杀伤效应和分次效应，观察重离子治疗肿瘤的可行性及优势。

　　1 材料与方法

　　1.1 细胞及培养 实验所用的人肝癌SMMC7721细胞、人黑色素瘤A375细胞购自北京301医院，培养基为含10%类标准胎牛血清(兰州民海生物)的RPMI1640(GIBCO)培养液，置于5%CO2 37℃培养箱中培养。根据预实验绘制的生长曲线，细胞传代20h后处于对数生长期，选取此时的细胞进行照射。

　　1.2 辐照 (1)γ射线辐照：用兰州医学院第一附属医院放射科的60Co源进行γ射线辐照。单次照射共设0、0.5、1、1.5、2、3、4Gy七个剂量点，分次照射相应设(0+0)Gy、(0.5+0.5)Gy、(1+1)Gy、(1.5+1.5)Gy、(2+2)Gy五个剂量点，分次照射时间间隔设为6h。每个剂量点设有3个平行样品。(2)重离子辐照：用兰州近代物理研究所HIRFL提供的12C6+离子束(LET=96.05KeV/μm)进行重离子辐照。剂量点与分次时间与γ射线辐照一致。

　　1.3 照射后处理 照射后的细胞经胰蛋白酶消化后进行细胞精确计数。选择合适的稀释倍数稀释后，可存活细胞以约100个/皿的浓度种植于培养皿中，放置于二氧化碳培养箱中37℃培养9d。吉姆萨法进行染色，统计细胞数大于50个的克隆数。

　　1.4 实验数据获取 细胞存活分数(survival fraction，SF)按下列公式计算：

　　SF(%)=(Sx/S0)×100%

　　式中Sx代表受照细胞克隆形成率，S0代表对照细胞克隆形成率。最后获取的SF值为三组平行样品的平均值±SD(standard diviation)。分别绘制细胞单次及分次照射的剂量-存活曲线，进行线性平方模型的拟合。

　　2 结果

　　2.1 单次及分次照射，重离子对两种肿瘤细胞杀伤效应均明显高于γ射线

　　2.2 重离子照射的分次效应明显低于γ射线

　　3 讨论

　　在实验时，我们选用了位于Bragg曲线峰区的LET为96.05KeV/μm的12C6+离子束。由图1～4可以看出，无论是单次还是分次照射，12C6+照射后两种细胞的存活分数均明显低于γ射线照射的细胞，这证明重离子与γ射线相比，具有明显提高肿瘤的杀伤能力。常规低LET辐射(如X，γ射线和直线电子加速器的韧致辐射)的能量在组织中呈逐渐衰减或先小幅度上升而后衰减的趋势。当带电的重离子穿过物质时, 在与穿越物质的相互作用中, 其深度剂量曲线表现为在射程的初期吸收剂量相对保持恒定, 呈现一个稳定的坪区，而在射程的末端, 离子的速度变得很低, 其能量损失速率急剧增加, 从而形成一高电离密度Bragg峰，峰区和坪区离子的LET显著不同。坪区的LET基本上与X射线相同，而峰区则远远高于X射线，重离子的这一特性使其在肿瘤治疗中具有特殊的优势。常规治疗在杀死癌细胞的同时, 周围健康组织也受到较大损伤, 造成明显副效应, 甚至出现一些并发症。尽管对放疗设备进行非常严密的设计(例如：γ刀、中子刀等)，但癌瘤周围的正常组织和器官仍受到相当高剂量的照射。为了避免使肿瘤周围的正常组织(特别是对放射线敏感的重要组织和器官)受到不必要的损伤, 有时不得不把总剂量减低, 以致使肿瘤区得不到必要的照射剂量;在用重离子治疗时，如果将肿瘤置于Bragg峰区而正常组织处于坪区，在照射时，可以使正常组织和肿瘤分别处于低LET和高LET处，这时肿瘤处和正常组织的受照能量明显不同，而且由于高LET的重离子照射杀伤肿瘤细胞的相对生物学效应(RBE)明显高于常规辐射，因此选取合适的入射剂量可以最大限度地杀伤肿瘤细胞同时保护正常组织[2]。

　　由图5～8看出，两种细胞重离子辐照的分次效应均有所降低。从细胞水平上分析，亚致死损伤(sublethal damage)是哺乳动物辐射损伤的一种重要类型，这时细胞内只有一部分关键靶点发生电离事件，只要给予足够时间，细胞有可能对这些损伤进行修复[3]。正是由于这种修复的存在，分次照射时细胞的存活率比单次照射时明显提高[4]。亚致死损伤修复程度和存活曲线肩的宽度之间有很好的相关性，这是因为两者都是同一基本现象(亚致死损伤修复的累积)的表现[5]。实验结果显示，两种肿瘤细胞受低LET(γ射线)辐照，均呈带有“肩”区的剂量存活曲线，显示这两种细胞具有较强的修复能力，这与其临床表现的对放疗的高度抗性一致。而受重离子辐照后的剂量存活曲线不再存在明显肩区，说明重离子辐照导致两种细胞有限的亚致死损伤修复，显示出低的分次效应。这可能是因为在通过细胞时，重离子的电离径迹比较复杂，引起的细胞损伤也更为复杂和难以修复。临床一般采取多次照射使周围正常组织得到有效的恢复，但是由于肿瘤细胞在分次照射中也能够得到恢复，所以分次照射大大降低了辐射治疗的效率。在重离子治疗肿瘤时，由于细胞的修复明显降低，可以采取较少的照射次数达到杀伤肿瘤的目的，从而大大提高肿瘤治疗效率，减轻病人的痛苦。

　　近年来，国际上对重离子束治癌研究和临床应用日趋升温和加快，世界上凡是有重离子加速器的国家都毫无例外地开展了这项工作。这证明采用重离子束来进行临床治癌公认为是有科学依据的，因而也成了这个领域前沿性的研究热点。我们的实验可为国内重离子束治癌研究提供有效的基础数据和理论参考。

　　【参考文献】

　　[1] Qiang Li.Progress in heavy ion radiotherapy[J].激光生物学报，2003，12(5)：386397.

　　[2] 王菊芳，李文建，周光明，等. 三种瘤细胞对重离子和γ射线的辐射敏感性[J]. 肿瘤，2001，21(4)：249250.

　　[3] 沈瑜，糜福顺. 肿瘤放射生物学[M].中国医药科技出版社, 2002.133142.

　　[4] 刘淑华，周继文，雷伦君，等 . 60Co γ射线一次和分次照射的生物效应[J]. 中国放射与防护医学杂志, 1991，11(2)：9699.

　　[5] Weyrather W K, Ritter S, Scholz M, et.al. RBE for Carbon Tracksegment Irradiation in Cell Lines of Differing Repair Capacity[J]. Int J RadiatBlol, 1999, 75(3):13571364.