正常细胞对3D-CRT（三维适形放疗）、VMAT（虚拟调强放疗）和螺旋断层放疗的反应：一项比较研究

《Radiation Medicine and Protection》：Normal cell responses to 3D-CRT, VMAT, and helical tomotherapy: A comparative study

　　本研究比较了三维适形放疗（3D-CRT）、容积旋转调强放疗（VMAT）和螺旋断层放疗（HT）对早期响应（HaCaT）和晚期响应（BEAS-2B）正常组织细胞的生物学效应。通过水 phantom 模拟，三种技术剂量参数（D95%、D2%、Dmean、HI）相近，但HT剂量均匀性最佳。结果显示，HT对HaCaT细胞存活率影响最大（SF=0.31±0.09），而VMAT对BEAS-2B细胞存活率抑制更显著（SF=0.36±0.04）。 conditioned medium实验表明，HT和VMAT的放疗参数（如MU率、照射时间）可能通过辐射诱导旁观者效应（RIBE）影响非照射区细胞。研究揭示了放疗技术、剂量分布与细胞类型特异性共同决定的生物学效应机制。

　　在现代医学领域，癌症治疗技术的不断进步为提高治疗效果和减少对正常组织的损伤提供了更多可能性。然而，随着放射治疗（Radiotherapy, RT）技术的发展，诸如三维适形放疗（3D-CRT）、容积调强弧形治疗（VMAT）以及螺旋断层治疗（Helical Tomotherapy, HT）等先进方法，虽然在精确度和治疗效率方面表现出色，但其对正常组织的潜在影响仍需深入研究。本研究通过对比分析这三种放疗技术在不同正常组织细胞类型中的剂量分布与生物学效应，旨在为临床放疗决策提供科学依据，支持个性化治疗方案的设计。

正常组织对辐射的反应具有显著的细胞类型依赖性。例如，早期反应组织如皮肤细胞，其细胞周期活跃、增殖速度快，但DNA修复能力相对较低，因此对辐射更为敏感。而晚期反应组织如肺部细胞，则表现出较低的α/β比值，意味着它们对辐射的耐受性更高，DNA修复机制更为有效。这些特性使得不同类型的正常组织在相同的辐射剂量下可能产生截然不同的生物学效应。在本研究中，研究人员选择了代表早期反应和晚期反应的两种细胞系——HaCaT细胞和BEAS-2B细胞，分别模拟皮肤和肺部正常组织的特性，并通过2 Gy的辐射剂量进行实验。

研究采用了一种水模体（Water Phantom）作为剂量评估的工具，这种模体能够更真实地模拟人体内部的剂量分布情况，从而为实验提供更贴近临床的环境。通过水模体的使用，研究人员能够确保所有放疗技术在目标区域内的剂量覆盖均匀，并对不同技术的剂量分布参数进行精确比较。实验结果显示，尽管三种放疗技术在剂量参数（如D95%、D2%、Dmean和HI指数）上存在一定差异，但总体上仍保持较高的一致性，且均未超出AAPM TG-119推荐的3%剂量误差范围。其中，HT技术表现出最低的HI值，表明其在目标区域内实现了最佳的剂量均匀性，而VMAT技术则因旋转治疗方式和较高的MU率（Monitor Unit rate）导致了更广泛的低剂量暴露区域。

为了评估不同放疗技术对正常组织细胞的影响，研究采用了多种生物学实验方法。其中，克隆形成实验（Clonogenic Survival Assay）用于测量细胞的长期存活能力，结果显示HT技术对HaCaT细胞的存活率影响最为显著，而VMAT则对BEAS-2B细胞的存活率产生更大的抑制作用。这些差异可能与不同细胞类型对DNA损伤的修复能力以及放疗技术在照射过程中释放的低剂量辐射所引发的旁观者效应（Radiation-Induced Bystander Effect, RIBE）有关。RIBE是指被照射细胞通过释放某些生物信号，影响周围未直接接受照射的细胞，从而导致其产生细胞损伤或功能改变的现象。研究进一步通过条件培养基（Conditioned Medium, CM）转移实验，验证了不同放疗技术对旁观者细胞的生物学效应，发现HT技术对HaCaT细胞的旁观者效应最为明显，而VMAT则对BEAS-2B细胞的旁观者效应产生了一定的保护作用。

细胞周期分析和γ-H2AX蛋白表达水平的检测结果也支持了上述结论。γ-H2AX是检测DNA双链断裂（Double-Strand Breaks, DSBs）的重要生物标志物，其表达水平的升高通常与DNA损伤程度相关。研究发现，VMAT技术导致BEAS-2B细胞中γ-H2AX蛋白表达水平最高，表明该技术可能在诱导DNA损伤方面更具优势。而HT技术则在HaCaT细胞中表现出更显著的DNA损伤，这可能与其较长的照射时间及较高的MU率有关，这些参数可能导致了更广泛的低剂量辐射暴露，从而加剧了RIBE的发生。

此外，研究还强调了放疗技术在物理参数上的差异对生物学效应的影响。例如，VMAT和HT技术均涉及旋转照射方式，这不仅提高了剂量的适形性，也增加了对周围正常组织的低剂量暴露。相比之下，3D-CRT技术虽然在剂量分布上不如VMAT和HT精确，但其较低的MU率和较短的照射时间可能在一定程度上减少了对正常组织的潜在影响。因此，选择适合的放疗技术不仅需要考虑其在肿瘤靶区的剂量分布，还应综合评估其对正常组织的潜在影响，尤其是在照射区域外的旁观者效应。

研究结果对临床实践具有重要意义。尽管三种放疗技术在剂量参数上较为接近，但其对正常组织的生物学效应存在显著差异。这提示在临床应用中，应根据患者的具体情况，如肿瘤位置、周围正常组织的类型和敏感性，选择最适合的放疗方案。例如，对于早期反应组织，HT技术可能更优，因为它能够更均匀地分布剂量并减少对正常组织的损伤。而对于晚期反应组织，VMAT技术可能在提高治疗效果的同时，对周围正常组织产生一定的保护作用。

然而，本研究也指出了其局限性。首先，实验仅采用单次2 Gy的辐射剂量，未能全面反映临床中常见的分次照射模式。因此，未来的研究应考虑使用不同剂量水平和分次照射方案，以更准确地模拟临床治疗环境。其次，研究仅在照射后立即进行生物学效应的评估，忽略了时间因素对细胞反应的影响。未来的实验设计应包含时间进程分析，以观察细胞在不同时间点的反应变化。最后，研究仅使用了两种细胞系，可能无法完全代表人体内复杂的细胞和微环境相互作用。因此，未来的研究可以考虑引入三维培养系统、共培养模型或动物实验，以更好地模拟真实的人体组织环境。

总体而言，本研究通过系统地比较三种放疗技术对不同正常组织细胞的影响，揭示了物理参数与生物学效应之间的复杂关系。这些发现不仅有助于理解放射治疗对正常组织的潜在影响，还为临床医生提供了科学依据，以便在治疗方案的选择上更加精准和个性化。未来的研究应进一步探索这些技术在不同剂量水平和时间点下的生物学效应，以及其在更复杂生物模型中的表现，从而为放射治疗的优化提供更全面的支持。