细胞存活曲线

细胞存活曲线 細胞存活曲線 細胞死亡 一個細胞有能力無限增殖並由單一細胞形成一個大菌落稱為「可形成群落的」。 腫瘤細胞在細胞培養皿中可無限增殖。 正常細胞必須轉型才能在在培養皿中無限增殖。 對一個在培養皿中生長的細胞,失去持續生長的能力稱為再增殖性死亡。 照射之後追蹤,細胞或許仍無損並有能力製造蛋白質、合成新的DNA甚至經歷一至兩次細胞分裂,但若失去無限地再增殖能力即被視為死亡。 非常高的輻射劑量(10,000 rads或100 Gy)會造成所有細胞功能的中斷。 相對照之下,失去再增殖能力的平均致死劑量通常小於2 Gy。 影像已移除 thFig. 3.1 in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000. 1 可形成菌落的存活分析, • 來自一活躍生長株的細胞可由輕輕地刮取或使用胰蛋白酵素來獲得。 • 每單位體積的的細胞數目可由手動方式(血球計數器)或電子方式(庫爾特計數器) 測量。 • 已知數目的細胞可裝盤至乾淨的小盤上。若細胞培養1-2週,可形成菌落的細胞會 形成巨觀上可見到的菌落能被固定、染色與計數。 • 必非每個細胞作種將能形成一個菌落,即使未經過照射,由於一些因素如計數時 算錯、操作錯誤、生長基質並非最佳等等。植盤率(PE)定義為觀察到菌落的數目 ?放入盤中的細胞數目。 觀察到的菌落• PE = 培養皿中的細胞數目 • 數個相同的小盤種植細胞並經輻射曝露在增加的劑量下。細胞植盤數目請需增加 以使所得菌落數目達可計數的數目。存活分率(SF)為計算到的菌落數目除以經植 盤效率修正的植盤菌落數目。 菌落數目• SF = 細胞種植數目，(PE/100) 影像已移除 Fig. 3.2 in [Hall]. 2 細胞存活曲線 細胞存活資料一般繪製成存活分率vs. 劑量的對數圖。 為了比較曲線方便,根據在致死性以下的假設模式以數學方式來呈現曲線資料。 細胞存活曲線的形狀解釋仍有爭議最好的方法是以數學調適這些資料類型。 影像已移除 ndFig. 1.1 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2 ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. 有兩種基本的細胞存活曲線, 線性(指數型)或「曲線」 3 放射敏感性與細胞週期 影像已移除 Fig. 4.11 in [Hall]. 細胞週期時間例子 細胞週期 CHO倉鼠細胞 HeLa人類 分期 11 24 T C 1 1 T M 6 8 T S 3 4 T G1 1 11 T G2 影像已移除 Fig. 1.5 in [Turner]. 4 靶 理 論 靶理論源於指數劑量型反應曲線之研究。 它假設每次「擊中」會造成細胞去活性,即「單次擊中,單一靶模式」。 • 每個細胞有單一靶。 • 靶的去活性會殺死細胞。 線性存活曲線 細胞受到高-LET輻射的照射會形成線性存活曲線。存活分率S與劑量d之間的關係為, D–α S = e 這裡, S是存活細胞數目, –α是斜率,且 D是給予的輻射劑量。 ,D/D0這之間關係以定義D為1/α表示成 S =。 e0 1–這裡 D = D, S = e = 0.37 0 影像已移除 5 帕松分布 擊中機率的所有計算可以帕松統計來處理,這裡發生 n 個事件的機率為 ,xn(e)(x)P( n ) = n! 此處 x = 事件的平均數目 且 n = 事件的特定數目 若每次「擊中」假設會造成細胞去活性,則存活機率就是未被擊中到的機率,P( 0 )。 由帕松關係式,這裡的 x = 1且n = 0, ,10e,(1)P( 0 ) = 0! 由於這原因,D常被稱為平均致死劑量,或每個靶平均一次死亡事件的給予劑量。 0 在下列某些情況下會發現指數劑量反應關係 • 某些敏感細胞種類(例如造血幹細胞) • 在M期與G期同步化細胞群。 2 • 以高-LET輻射照射 *** 6 有肩部的細胞存活曲線 對多數哺乳類細胞曝露在低-LET輻射下的存活曲線顯示有些曲度。 在曲線中剛開始的低劑量區比高劑量區的每單位劑量細胞去活性較少稱為肩部。 較高劑量區時常傾向一直線。 參數D可用以代表曲線區域中的放射敏感性。 0 曲線終端的直線部份外插回推至零劑量所定義的值,n,稱為外插數。 在曲線的肩部區域中細胞被殺死的比例隨著所給劑量而增加。有兩種可能的解釋, • 細胞死亡源於個別無法殺死細胞的事件之累積,當加成在一起變得致命(靶模式)。 • 個別的病灶雖可修復但若隨著病灶數目與因此劑量(修復模式)減少酵素修復機制 的效率使得變得傷害無法去除甚至造成細胞被殺。 影像已移除 ndFig. 8.6 in Alpen, E. L. Radiation Biophysics, 2 ed. San Diego, CA: Academic Press, 1998. 7 線性-平方模式(雙成份的模式), 線性平方模式被發展成兩類似方程式,每個皆出自理論。 雙輻射作用理論 • 病灶是起因於次小病灶交互作用的細胞去活性之原由。 • 細胞去活性至少需要兩個次小病灶。 • 次小病灶由一個或兩個輻射徑跡通過所產生。 一個徑跡的作用 兩個徑跡的作用 2P = αD P = βD 2P = αD + βD 細胞去活性的分子理論 (Chadwick and Leenhouts, 1981) • 細胞去活性源於DNA雙股斷裂未被修復所致。 • 在低-LET時,雙股斷裂可能是單一事件(直線成份)或兩次事件(平方成份)所造成。 • 換言之,細胞去活性源自染色體畸變。 • 有些畸變是單一事件造成。 • 有些畸變是兩次個別的斷裂事件所造成。 8 影像已移除 染色體損傷的觀察導致一假設,當DNA有兩股時,必須有兩個事件造成一股斷裂才能形成損傷。 9 線性-平方模式 線性平方模式是假設細胞被殺死有兩途徑。 • 單次致死事件 • 次致死事件的累加 影像已移除 若細胞死亡的這些模式假定皆各自獨立的, S = SS 1n D–α這裡的S是單次殺死事件或為e 1 2,,De而Si是兩次殺死事件且能表示成 n 較常用的表示式是 2,(,D,,D)e S = S是細胞受到劑量D之下的存活分率,而α與β是常數。 影像已移除 Fig. 3.6 in [Hall]. 10 線性-平方模式 影像已移除 Fig. 3.3 in [Hall]. 線性平方細胞存活曲線中有用的參數, • D,初始斜率,由於單次殺死事件,劑量造成存活率減至37% 1 • D,最後斜率,解釋成多次殺死事件,劑量造成曲線的直線部份上任何點的存活率0 減少67%。 • 有些量用來描述肩部的寬度。初始斜率D的外插值是回推至y軸上產生的n值,稱0 外插數。n值越大,在存活曲線上的肩部越大。 11 線性存活曲線容易被了解 在肩部的曲度持續被「詮釋」為 修復顯然很複雜… 古典分次劑量實驗,Elkind與Sutton, 1959 低劑量-LET輻射的兩個劑量 影像已移除 Fig. 8.3 in [Alpen]. 低-LET被高-LET跟隨 影像已移除 Fig. 8.4 in [Alpen]. 高-LET被低-LET跟隨 影像已移除 Fig. 8.5 in [Alpen]. 12 13