引言

尽管立体定向放疗(SRT)，即每次分割高剂量的大分割治疗，得到推广，但尚未完全阐明其作用的放射生物学机制。一些作者假设，应用于传统分割(5R:再氧合、修复、再增殖、再分布和放射抵抗)的放射生物学原理足以解释其出色的临床结果；另一些人则认为，在消融大分割治疗中，5R的作用有限。最近的临床前数据显示，大分割消融治疗改变了微环境，从而直接或间接地决定细胞死亡。此外，死亡的肿瘤细胞释放大量抗原，刺激抗肿瘤免疫，从而降低复发和转移的风险。

更好地了解高剂量辐射治疗反应的放射生物学机制，对于预测其对肿瘤和周围健康组织的短期和长期影响，从而改善相关的治疗指数至关重要。除了本文之外，最近有一些优秀的评论文章对这个话题进行了深入的探讨，我们建议读者参考这些文章。

“5R”放射生物学

特别是在每次分割高剂量情况下，放射生物学中的5R在大分割方案中发挥着有争议的作用。

在与肿瘤血管广泛破坏有关的单次消融治疗后，再氧合被认为在肿瘤反应中发挥很少或没有作用。相反，随着细胞耗氧量的下降，大量细胞死亡可能有利于存活的乏氧细胞的再氧合。此外，在每次剂量为3-8 Gy的大分割治疗后，血管损伤可能是无关的，这可能导致一些再氧合。

大分割时间日程需要较长的照射时间，这与约10%的生物效能丧失有关，特别是当它们持续超过30分钟时（The hypofractionated schedules require prolonged delivery times, which were associated with around 10% loss of biological efficacy, particularly when they lasted over 30 minutes ）。它们压倒由于酶池耗尽的修复机制，可能干扰亚致死损伤修复（They may interfere with sublethal damage repair, overwhelming repair mechanisms due to enzymatic pool depletion）。

高单剂量分割阻滞在周期阶段的细胞，从而干扰再步。然而，有些细胞可能缓慢地向G2发展，然后死亡（High single-dose fractionation blocks the cell in the cycle phase, thus interfering with redistribution. However, some cells may slowly progress to G2 and then die）。

SRT大分割计划不能提供足够的时间来再增殖。事实上，存活细胞的增殖通常发生在放射治疗开始后的4周。然而，细胞消耗可以在一定程度上决定发生在3-4周后的再增殖，，即比常规治疗更早。

线性二次模型

基于线性象限(LQ)模型的数学公式[生物效应剂量(BED)， 2 Gy分割等效剂量(EQ2)]计算了非常规单次分割的等效应剂量（the iso-effective doses for unconventional single fractions）。由于LQ模型主要来源于体外研究，不能很好地反映体内观察结果。虽然对1至5Gy范围内的分割有效（ valid for fractions ranging from 1 to 5 Gy），但当每次分割使用较高剂量时，其有效性值得怀疑（its validity is doubtful when higher doses are used per fraction）。体外观察表明，LQ模型高估了细胞的杀伤能力，因为它预测的存活曲线在高剂量时持续向下弯曲，而实验数据显示的是一个恒定的斜率（ the LQ model overestimated cell killing because it predicted a survival curve that continuously bent downward at high single doses whereas experimental data showed a constant slope）。事实上，致死伤害(线性成分)在每次分割大剂量情况下占主导地位[lethal damage (linear component) predominated at large doses per fraction]。

LQ模型没有考虑单次分割高剂量后的体内血管损伤或维持着肿瘤池的肿瘤干细胞，且与放射抵抗相关（The LQ model does not take into account in vivo vascular damage after a single fraction high dose   or tumor stem cells which maintain the tumor pool and were associated with radioresistence）。尽管有这些数据，实验模型和一些临床试验报告称，LQ模型充分适应了SRT治疗反应，并且在10 Gy以下的单次分割上是可靠的，随着剂量的增加，其准确性逐渐降低。由于细胞死亡是直接或间接介导的，LQ公式，可能不会高估它的速率，但可能很接近SRT诱导的细胞死亡总量（As cell death is mediated directly and indirectly, the LQ formula, may not overestimate its rate but may well approximate the total SRT-induced cell death）。虽然LQ模型仍是最常见的模型，但其他模型，如通用生存曲线(Universal Survival Curve ，USC)，被研发用于比较常规和高剂量大分割方案，并为SRT提供经验和临床依据。

肿瘤或内皮细胞是高剂量放疗的主要放射生物学靶点吗

高剂量放射治疗的放射生物学靶点是备受争议的。尽管Leith等计算需要单次分割至少80-90 Gy来控制一个3厘米直径脑瘤,许多临床研究显示,单次分割18 Gy -25有效控制原发性和转移性中枢神经系统肿瘤。此外，当5 - 7cm的肝肿瘤以3次分割54 Gy治疗时，2年的局部控制率达90%以上。为了证明这些令人惊讶的较好的结果，提出了不同的放射生物学机制。辐射诱导免疫反应的主要控制点可能是作为调节在血管表面滚动的免疫细胞屏障的血管内皮细胞（ The main control point for irradiation-induced immune responses may be the vascular endothelium, which acted as a barrier regulating immune cell rolling on the vascular surface ）。多项实验证据支持由此导致肿瘤微环境恶化和乏氧相关细胞间接死亡（with consequent tumor microenvironment deterioration and indirect hypoxia-related cell death ）的内皮细胞损伤的假设（the hypothesis of endothelial cell damage）。由于肿瘤内皮细胞的固有辐射敏感性和结构差异，其辐射敏感性高于正常内皮细胞（Tumor endothelial cells were more radiosensitive than normal endothelial cells because of varying intrinsic radiosensitivity and structural differences）。单次剂量超过10Gy会造成血管损伤，如闭塞、血管舒张、血管收缩和破裂( occlusion, vasodilation, vasoconstriction, and rupture)，从而减少内皮细胞的数目，从而导致灌注（consequently, perfusion）。辐射诱导内皮细胞死亡释放抗肿瘤信号，如TNF细胞因子激活巨噬细胞;C-X-C基序趋化因子配体6 (CXCL6)趋化因子，募集免疫细胞并激活树突状细胞上的Toll样受体(ctivated macrophages; the C-X-C motif chemokine ligand 6 (CXCL6) chemokine, which recruited immune cells and activated Toll-like receptors on dendritic cells)。在临床前和临床研究中评估在乏氧条件下进行SRT的疗效。与常规分割相比，SRT降低了乏氧细胞系的细胞杀伤。此外，在动物模型中，在低氧分压(pO2)照射下实施SRT，肿瘤控制概率较低[tumor control probability was lower when SRT was delivered to tumors irradiated at low partial pressure of oxygen (pO2)]。在临床背景下，有研究证实，通过影像学评估，乏氧会降低SRT的疗效。有趣的是，在接受SRT治疗的脑膜瘤患者中，表达内源性乏氧标志物乏氧诱导因子1α (HIF-1α)对局部控制的产生负面影响[ the expression of the endogenous marker of hypoxia hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α) negatively impacted on local control]。

单次剂量8 -16 Gy增强了酸性鞘磷脂酶( acid sphingomyelinase,ASMase)的表达，促进了照射后炎症和纤维化的发生。在血管内，照射产生血小板聚集、微血栓形成和炎症内皮细胞黏附增加的血栓前状态，随后血管周围间隙消失[Within blood vessels, irradiation generated a prothrombotic state with platelet aggregation, microthrombosis and increased inflammatory-endothelial cell adhesion, with subsequent diapedesis to the perivascular space]。内皮细胞暴露于辐射剂量>0.5 Gy或<10 Gy是导致其衰老的主要原因。

体内研究支持辐照在血管损伤中起间接作用的假设。与体外肿瘤样本相比，单剂量10Gy照射的荷瘤小鼠的克隆生存期较低。间接死亡的剂量因肿瘤类型和血管直径等因素而异，因为小血管似乎比大血管更容易受到辐射损伤。尽管有这些数据，在高剂量大分割治疗的主要目标上并无一致的共识（consensus is not unanimous on the main target in high dose hypofractionated treatments）。在最近的一项小鼠模型研究中，Moding 等认为是肿瘤而不是内皮细胞，这提供了当内皮细胞被基因工程删除Bax促凋亡基因或DNA损伤反应基因时，辐射诱导的肿瘤死亡并没有改变的证据（radioinduced tumor death did not change when endothelial cells were genetically engineered by deleting the Bax pro-apoptotic gene or the DNA damage response gene）。虽然不能排除SRT后其他基质细胞可能在肿瘤根除中发挥作用，但血管损伤的贡献减少了[While not excluding that other stromal cells may play a role in tumor eradication after SRT, the vascular damage contribution was reduced]。

抗原诱导的损伤和免疫反应

高剂量消融治疗的疗效也涉及到其他生物机制。据报道，高剂量大分割照射可促进抗肿瘤免疫，而低剂量分割照射可抑制宿主免疫能力。在大分割辐照过程中，广泛的细胞死亡增加了免疫调节分子的表达，如组织相容性复合体、粘附分子、热休克蛋白、炎症介质、免疫调节细胞因子和肿瘤细胞表面死亡受体[Extensive cell death during hypofractionated irradiation increased expression of immunomodulatory molecules like the histocompatibility complex, adhesion molecules, heat shock proteins, inflammatory mediators, immunomodulatory cytokines and tumor cell surface death receptors]。肿瘤抗原和细胞因子的大量释放增强了固有抗肿瘤反应。在诱导B16黑色素瘤小鼠模型中，单剂量15Gy可增加抗肿瘤免疫细胞的数目，促进抗原呈递、淋巴结内T淋巴细胞启动和效应T淋巴细胞在肿瘤中的转运（The massive release of tumor antigens and cytokines enhanced the innate antitumor response. In a mouse model, with an induced B16 melanoma, single dose 15 Gy increased the number of antitumor immune cells, facilitating antigen presentation, T lymphocyte priming in lymph nodes and effector T lymphocyte trafficking in tumors ）。15 Gy剂量对同一小鼠模型的的分割，免疫反应较弱。将单次剂量增加至20 Gy可增强对原发肿瘤的免疫应答。大分割放疗能显著抑制免疫活性小鼠的肿瘤生长，但对免疫功能低下的小鼠无明显抑制作用。与常规分割相比，大分割减少了骨髓源性抑制细胞的肿瘤募集，并降低了它们程序性死亡配体1 (PD-L1)的表达[hypofractionation reduced tumor recruitment of myeloid-derived suppressor cells and decreased their expression of programmed death-ligand 1 (PD-L1) ]。在临床试验中观察抗肿瘤免疫。最近的一项1期研究表明，IL-2和SRT联合治疗比单纯放疗更能增强免疫应答。Ipilimumab是一种CTL相关抗原4 (CTLA-4)配体，与SRT(3次分割，9.5 Gy)相关，与转移性黑色素瘤的远隔（abscopal）效应有关。时间框架值得注意。一般来说，肿瘤特异性辐射诱导免疫不能在放疗后2 - 3天内导致肿瘤细胞的继发性死亡，因为它在1-2周内就完全发育成熟。另一方面，肿瘤特异性放射诱导免疫似乎可以抑制存活肿瘤细胞的增殖，从而抑制肿瘤的复发和转移。随着临床前和临床证据的不断增加，随着放射生物学的第6 R，免疫介导的肿瘤“排斥反应（ rejection）”越来越受到重视，一些临床试验开始将SRT与免疫治疗相结合。

放射生物免疫效应剂量(IED)模型（The radiobiological immunologically effective dosemodel ）是近年来发展起来的一种用于免疫放射治疗的模型。由于每次分割的剂量、每次分割之间的时间间隔和肿瘤的放射敏感性都可能影响肿瘤抗原的表达，因此设计了IED模型来预测不同放疗时间后的抗肿瘤免疫反应[Since the dose per fraction, the time interval between fractions and the tumour radio sensitivity may all impact on the tumour antigen expression, the IED model was designed to predict the anti-tumour immune response after exposure to different RT schedules. ]。一旦这个模型被验证，它可以被用来选择最具免疫原性的放疗（RT）方案[Once this model is validated it may be used to select the most immunogenic RT schedules]。