放射线治疗的基本原理

放射线治疗，顾名思义，乃是利用放射线来影响癌细胞及其周边环境，造成特殊的生物毒性反应，以摧毁或抑制癌细胞；因此，其治疗的效果及反应是放射线与人体癌细胞及正常细胞互动的结果（Hilderley，1990）。然而何谓放射线呢？放射线乃是辐射的一种，又称游离辐射（ionizing radiation），具有游离物质的能力。

辐射是能量传递的方式之一，有多种形式。例如：用于癌症治疗的放射线是具有很高能量的辐射，在与细胞物质作用后，使物质产生离子化现象（解离）（ionization），进而改变该细胞物质的特性；其他辐射如无线短波、红外线波、紫外线等由于能量较小，无法或鲜少造成物质解离，故不适用于癌症的治疗上。

（一）放射线物理学

放射线的生成是因物质的原子（atom）或次原子粒子的变化而来，其与生物体的作用，也是作用在构成细胞或组织的原子上。因此在说明放射线的产生及其种类之前，先让我们来回顾原子的基本结构。

原子是所有物质的基本单位，具有带正电的原子核（nucleus）及带负电的电子层云（shell），原子核内则有带正电的质子（proton）以及不带电的中子（neutron）。

质子与中子的质量相仿，均远超过电子的质量，故计算原子质量时，可忽略电子的质量，而仅计算质子与中子总值。质子的数目决定该元素的化学特性，质子数不同，即形成不同的元素。化学元素周期表就是依据该元素之原子核里质子的数目，由少至多依序排列而形成原子序数（图3－5）。

图3－5 化学元素周期表

原子序110、111元素于1994年发现，但国际化学联合会对两者之命名仍未定案，故中文名称也无法确立

凡原子序相同（即质子数相同）但原子量不同的元素（即中子数不同），被视为具有相同的化学特性但原子核构造不同，而称为放射性同位素（同位素，isotope）。例如：氢、氘、氚为同位素，它们皆只有一个质子，但氢无中子，而氘与氚则分别有1及2个中子。

1．放射线的产生 有些放射性核素的原子核是不稳定的会蜕变（decay）至较稳定的状态，并在蜕变的过程中，自动释放出能量波或粒子，即放射线；这类放射性核素也因此而称为放射性同位素（radioisotope）。目前癌症治疗所使用的放射性核素大部分是以人工制造出来的。在原子反应炉中，利用中子撞击原子核，使原子核内的中子数目改变，可以制造出人工放射性核素，如60Co（钴－60）、131I（碘－131）等皆是。除此之外，自然界中存在着天然的具放射活性的元素（radioactive elements），这类元素的原子量很大，皆超过209，例如：226 Ra（镭－226）及222 Rn（氡－222）。具放射活性的天然元素与人工放射性核素一样，其原子核也会蜕变而放出放射线。

除了原子核的蜕变外，利用电磁场的作用也可产生放射线。在高压电场的作用下，可使电子加速；加速后的电子拥有大量的动能，在撞击到目标物后，因受阻速度减弱而释放出能量，此能量即为X线放射线，照射后可激发或游离生物体的分子。若在电磁场的作用下加速电子或质子等带电粒子，使其获得极大的能量，也可直接照射生物体而引起细胞分子的游离现象。此种高能量的带电粒子也是放射线的一种。现今最常用的放射线治疗机，直线加速器，即可产生不具粒子的及带电粒子的两类放射线。

综合言之，目前用于癌症治疗的放射线主要是由下列两种方式产生：①放射性核素进行原子核的蜕变，放出能量波或粒子；②将电子或粒子以电磁场加速产生高能波或粒子。

2．放射线的种类 放射线产生的来源、方式不同，其能量、形态也各异。依照放射线的形态，大致可分为电磁波型放射线（electromagnetic radiation）及粒子型放射线（particulate radiation）两种。

（1）电磁波型放射线：它是一种能量波，并不含质量，是由光量子（photons）所组成，如X线及γ射线。γ射线是因原子核的核内产生变化而来，例如：60 Co进行原子核蜕变时，会放出射线。γ射线则是因核外的变化而造成，目前是由X线机或直线加速器所产生。因X线及γ射线均不含质量，故在释放完其能量前，可穿透至深部的组织。

（2）粒子型放射线：为高速的粒子，以其所具的动能及电位能使受作用的物质游离。这些粒子含有质量，故穿透力较小。如α粒子（αparticle）、β粒子（βparticle）、中子（neutron）、质子（proton）等。

①α粒子：是由两个质子及两个中子所组成，是由放射性元素（如226 Ra）进行原子核蜕变时所放出的。因其质量大且带两价正电，游离物质的能力很强，但其能量易被作用的生物体吸收，因此其穿透力很差，只要一张纸就可挡住α粒子。

②β粒子：为带负电的电子，也是由放射性元素的原子核蜕变而来，质量轻而速度较快。与α粒子相比，β粒子的游离能力较差，但穿透力较大，可穿透数厘米，但仍可用木板就把所有的β粒子留住。

③中子：由核子反应炉及回旋加速器产生的加速高能中子线，也可用于癌症的放射线治疗上。因中子不带电，易进入原子结构中，故其穿透力强；但也因不带电，无法直接游离细胞，而必须先造成原子核内质子的释放，由带正电的质子来造成游离作用，因此为间接游离粒子（Sarna，1986）。

④质子：氢或氘（重氢）的原子核皆有一个质子，经回旋加速器加速后形成带正电的质子线，可直接游离细胞分子且穿透力大，是很有潜力的治疗源。

（二）放射线生物学

放射线与细胞作用后，可延迟细胞生命周期的循环，使细胞失去分裂、繁殖的能力，或使细胞不正常的分裂繁殖。若剂量高时，甚至可造成细胞肿胀而破裂（陈家钰，1996）。一般而言，细胞核是细胞内对放射线最敏感的部分，尤其是核内的脱氧核糖核酸（DNA），极易受放射线的影响而受损，是放射线主要效应产生的部位。

1．放射线的生物效应 放射线引起细胞伤害的过程是很复杂的，但大致可分为直接的及间接的细胞效应。

（1）直接效应：当放射线直接打击到细胞的DNA时，可能会：①造成DNA上的盐基改变或脱落；②引起连接DNA双股间的氢键断裂；③导致单、双股的DNA链断裂；④交差连结断裂的双键（Hilderley ＆Dow，1996）。单键断裂的DNA修复较易，但双键断裂则往往造成细胞的死亡。此外，放射线也可与细胞内外的分子作用，造成巨分子键断裂，例如：放射线造成氨基酸的支链改变、断裂或脱氢，使得蛋白质变性而破坏。放射线游离脂肪，形成自由基，而导致有毒的过氧化酸产生，造成细胞毒性反应。

（2）间接效应：当放射线打击到细胞内外的水分子时，会游离或激发水分子而产生氢氧基（OH）。此活性自由基可与细胞内的重要分子如DNA起作用，造成细胞的伤害。因其非直接作用于细胞重要分子，故为间接效应。因人体内水分占大部分，故间接效应为人体内放射线生物伤害的主要机制。

2．影响生物效应的因素 许多的因素可影响生物与放射线的反应，其中包括：①细胞的放射线敏感度（radiosensitive）；②含氧状态；③放射线的线性能量转移率；④放射线的剂量；⑤放射线照射的时间分配。

（1）放射线敏感度：并不是所有的细胞都会对放射线有同等的反应，有些细胞对放射线较敏感（radiosensitive）易受放射线伤害，有些则较顽强（radioresistant），可抵抗放射线的伤害。因此放射线敏感性是细胞对放射线反应的程度与速度的指针。

细胞在不同的生命周期（G1，S，G2，M，G0），其放射敏感度有异。一般而言，当细胞接近或正在进行有丝分裂（mitosis），也就是分裂准备期（G2）及分裂期（M）时，对放射线最为敏感；当细胞完成分化后其敏感度下降，到DNA合成期（S期）时，细胞对放射线最不敏感，可说是有放射线抗性（Hall，1994）。

不同类的细胞其放射线敏感度也有别，分裂活动旺盛的或未分化的细胞较易受放射线伤害，已分化的细胞则较有放射线抗性。正常组织对放射线的敏感度大致可分为四类（Sarna，1986）。①高度敏感的细胞组织：包括骨髓、淋巴、肠胃道的上皮、黏膜、生殖器官；②中度敏感的细胞组织：有皮肤、唾液腺、肝、肾、肺、成长中的软骨或骨骼；③低度敏感的细胞组织：有心脏、脑及周围神经；④放射线抗性的细胞组织：包括肌肉、成熟的软骨或骨骼及结缔组织。

肿瘤细胞的放射敏感度依其细胞种类、部位及其大小而有不同。有些肿瘤对放射线极敏感，如急性淋巴性白血病（acute lymphocytic leukemia）、霍奇金病（Hodgkin′s disease）及淋巴瘤（lymphoma）等；有些肿瘤则对放射线较具抵抗性，如鳞状上皮细胞癌、软组织肉瘤、卵巢癌及脂肪瘤（Hilderley ＆Dow，1996）。

（2）含氧状态：放射线与细胞分子作用后产生的活性自由基，易与氧作用而生成过氧化物自由基，使得受损的细胞无法修复，而有较大的生物效应。因此，含氧量高的肿瘤细胞较易对放射线治疗有反应，而缺氧的癌细胞则较不为放射线所影响。若肿瘤过大，其中间的细胞易缺氧而较不易被放射线破坏，治疗效果差，所以常先以手术切除或化学治疗来缩小肿瘤，再行放射线治疗。又若患者有贫血的情形，血红蛋白低携氧力差，导致组织氧含量较低，疗效不显。血红蛋白若低于120mg／L（12mg／dl），可先给予输注红细胞再开始放射线治疗。

（3）放射线的线性能量转移率：线性能量转移率（linear energy transfer，LET）是指放射线通过物质时每单位距离能量损失的速率。不同种的放射线其能量损失的速率是不一样的。能量损失大的放射线具有高度线性能量转移的能力，如α粒子线、中子线及质子线等，有很强的游离能力，易与细胞分子作用而有较明显的生物效应，且较常造成直接效应。因其游离作用大且直接效应多，较不会被细胞的周期或含氧量而影响效应，故对缺氧的或分裂较不旺盛的或分化程度较好的肿瘤细胞也能发挥功用。能量损失小的放射线则为低度线性能量转移，如X线、γ射线及电子线其游离能力较差，常需有氧气才能造成细胞的伤害。

（4）放射线剂量：放射线的剂量可以吸收剂量或暴露剂量来表示。临床上常用吸收剂量来描述放射线治疗的剂量，生物效应与吸收剂量大致成正比，吸收剂量愈高则生物效应愈大，细胞存活率也愈小。放射线吸收剂量（radiation absorbed dose，rad）是指每单位物质所吸收的放射线能量，以往以拉德（rad）为单位，现国际统一为戈瑞（Gray，Gy）。戈瑞是以每千克（kilogram，kg）的物质吸收1焦耳（joule，J）的能量为测量单位，即1Gy＝1J／kg。而1戈瑞等于100拉德（1Gy＝100rad＝100cGy）。

暴露剂量是由测量放射线游离空气的能力而来，以伦琴（roentgent，R）为单位。虽然暴露剂量相同，但各物质的吸收剂量不尽相同。因此不同的细胞组织，虽暴露在相同的放射线剂量下，却不一定有同等的生物效应。

（5）放射线照射的时间分配：若照射的总剂量相同时，低剂量长期的照射所造成的生物伤害较高剂量短期的照射为小，且间歇照射较连续照射的生物伤害轻。这是因为在低剂量率或间歇照射时，细胞可进行修补而恢复。为了达到最大的肿瘤控制率和最少的正常组织伤害，放射线治疗常是以低剂量分段多次的照射法（fractionation）来进行。其目的是希望能够：①使正常组织有时间修复而肿瘤细胞却来不及修复（repair）；②造成细胞周期的再分配（redistribution）而使肿瘤细胞集中在有丝分裂期；③使正常的细胞可再生（repopulation）以减少不良反应；④让肿瘤细胞有时间再充氧（reoxygenation）以增加其放射线细胞效应。