Кратко и по делу — сначала механизмы повреждения, затем как это учитывают при планировании радиотерапии.
Механизмы радиационного повреждения
- Прямое действие: ионизирующее излучение выбивает электроны в молекулах ДНК, вызывает одно- и двухцепочечные разрывы. Ключевой эффект — двойные разрывы, трудноисправимые и приводящие к гибели клетки или мутациям.
- Косвенное действие: ионизация воды даёт свободные радикалы (·OH, e−aq), которые повреждают ДНК и другие биомолекулы. Особенно важно для низко-LET излучения (фотоны, электроны).
- Типы повреждений: одноцепочечные разрывы (легче восстанавливаются), двуцепочечные разрывы, сложные кластерные повреждения (наиболее летальны).
- Зависимость от LET: высоко-LET (альфа-частицы, тяжелые заряженные частицы) создают плотные ионизационные кластеры → больше сложных повреждений и выше RBE; низко-LET (фотоны) — больше косвенных эффектов.
- Клеточные реакции: репарация (быстрая/медленная), апоптоз, митотическая катастрофа; чувствительность зависит от фазы клеточного цикла (наиболее чувствительны G2–M).
- Кислородный эффект: кислород фиксирует радиационные повреждения → повышает эффективность. Оксигенационное усиление оценивается OER (примерно $\mathrm{OER}\approx 2.5\text{–}3$ для низко-LET).
- Зависимость от дозы и скорости дозирования: при малой скорости дозы (низкий dose-rate) клетки успевают ремонтировать повреждения — «эффект дозовой скорости».
Как эти механизмы учитываются при планировании радиотерапии
- Доза и распределение:
- Физическая цель — доставить локально высокую поглощённую дозу опухоли и минимизировать дозу нормальным тканям. Доза измеряется в греях: $1\mathrm{Gy}=1J/kg$.
- Используются трёхмерные методы (CT/MR/PET) и оптимизация планов (IMRT/VMAT, брахитерапия) для формирования требуемого распределения дозы.
- В протонной/ионной терапии учитывают Bragg-пик и вариацию LET / RBE вдоль траектории; иногда применяют коррекции RBE в планах.
- Биологическая модель дозозависимости:
- Для оценки клеточной выживаемости и обоснования фракционирования применяется линейно-квадратичная модель: $S=\exp (-\alpha D-\beta D^2)$.
- Для сравнения режимов фракционирования используют биологически эффективную дозу (BED): $\mathrm{BED}=nd\left(1+\frac{d}{\alpha /\beta }\right)$, где $n$ — число фракций, $d$ — доза за фракцию, $\alpha /\beta$ — параметр ткани.
- Для приведения к эквиваленту в $2\mathrm{Gy}$ фракциях используют эквивалент $EQD2$: $EQD2=D\cdot \frac{d+\alpha /\beta }{2+\alpha /\beta }$.
- Фракционирование:
- Использует различия в репарации, репопуляции и чувствительности опухоли и нормальных тканей. Малые фракции дают больше времени на репарацию нормальных тканей; гипофракционирование применяется, если опухоль имеет высокую чувствительность к большой дозе за фракцию.
- Учет LET и RBE:
- Для частиц с высокой LET планирование включает RBE (относительная биологическая эффективность), которая меняется с LET и типом ткани; в клинике часто применяют средние или зависимые от глубины RBE-факторы.
- Кислород и микроокружение:
- Гипоксические опухольные области менее чувствительны; в планировании учитывают это через комбинированную терапию (радиотерапия + гипераксия/химиотерапия/модификаторы) или дозовые бусты в гипоксических зонах, если доступны функциональные изображения (PET).
- Дозово-объёмные и осложнительные модели:
- Используют DVH (dose–volume histogram) и статистические модели риска осложнений (например, Lyman‑Kutcher‑Burman для NTCP) и модели TCP для прогноза контроля опухоли. Эти модели интегрируют биофизические параметры и клиническую чувствительность органов.
- Практические меры:
- Учёт движения и неопределённостей: расширение CTV → PTV, дыхательная коррекция, IGRT.
- Ограничения дозы для критичных органов на основе клинических данных и BED/NTCP расчётов.
- Персонализация режимов (фракционирование, комбинированная терапия) с учётом типа опухоли, $\alpha /\beta$, состояния оксигенации и сопутствующих факторов.
Ключевые выводы
- Физические механизмы (прямые/косвенные ионизации, LET‑зависимость, кислородный эффект, репарация) определяют биологический ответ.
- В планировании это учитывают через распределение дозы, фракционирование, применение LQ‑модели и BED, корректировки RBE/LET для частиц, а также через DVH/NTCP/TCP модели и клинические ограничения.