质子 vs. 光子放疗 | 肿瘤放射生物学区别如何？

近年来，质子放疗技术在临床受到广泛的

近年来，质子放疗技术在临床受到广泛的关注与应用，质子放疗具有可显著提高肿瘤区域的照射剂量，并降低周围正常组织 的照射剂量的物理剂量分布优势。

1946 年，Wilson首次提出了质子放疗治疗肿瘤的理论。1954 年，首位患者成功接受了质子放疗。

迄今为止，据国际离子治疗联合会(PTCOG)官网统计，截至2021年5月，全球共有101家已运营的质子重离子治疗中心，其中质子治疗中心89家(美国UFHPTI拥有2家)，重离子治疗中心6家，质子/重离子治疗中心6家。

按地域划分，亚洲31家(中国5家)，欧洲30家，北美洲40家。2020年至今共有6家新开业的中心，均为质子治疗中心(分别位于比利时、西班牙、美国)。

有研究结果表明，截至 2015 年底已有超 13 万例肿瘤患者接受了质子放疗。一方面，质子放疗在葡萄膜黑色素瘤、儿科肿瘤、脊索瘤和软骨肉瘤、早期非小细胞肺癌、肝细胞癌 以及前列腺癌等恶性肿瘤的治疗中已取得了令人满意的效果；另一方面，质子放疗作为治疗肿瘤的一种新兴技术，给传统常规放疗效果差的恶性肿瘤患者提供了另外一种选择。

近年来的研究结果表明，质子放疗在脉络膜黑色素瘤、胸腺瘤或胸腺癌以及鼻腔黏膜或鼻旁窦黏膜黑色素瘤等方面也展现出一定的效果，但其具体疗效尚需进一步临床验证。

鉴于质子放疗技术实验设施少和相关临床研究相对匮乏等原因，目前对质子放疗技术的认识，特别是其放射生物学特性以及其与光子放疗的生物学特征的区别等方面尚缺乏全面深入的了解。

本文将为大家详细介绍质子与光子生物学特征及其区别！

1分子水平

1活性氧

质子照射产生的活性氧能诱导更强的 DNA 损伤，这也是质子照射比光子照射具有更高的细胞杀伤效果的原因之一。

Zhang 等比较了在不同的细胞系以及不同剂量下，质子和光子照射后活性氧（ROS）产生的区别。 他们发现接受质子照射后的肿瘤干细胞样细胞会产生更高水平的活性氧。Giedzinski 等研究亦得出相同的结论。

2复杂性DNA损伤与修复

质子照射诱导 DNA 损伤的机制类似于光子照射损伤 DNA 的机制，即能量直接沉积 于 DNA 分子或诱导 DNA 分子周围水分子的分解。

DNA 损伤主要是碱基损伤和链断裂。链断裂包括单链断裂和双链断裂。

双链断裂的修复比较困难，且链断裂的数量与质子照射能量有关，照射能量越低 DNA 损伤越大。DNA 损伤还包括簇集损伤，其可导致细胞死亡和突变，修复时间长而且十分困难。

与光子照射相比，质子照射诱导产生的双链断裂和簇集损伤数量庞大。即使在相同 的情况下，质子照射和光子照射导致的 DNA 损伤的修复途径也不相同，质子照射导致的DNA 损伤的修复途径以同源重组为主，而光子照射以非同源末端连接为主。

3DNA甲基化

DNA 甲基化是一种表观遗传机制，甲基化水平的改变可调节基因的表达，从而使后代表现出表观遗传方面的变化，因此又被称为表观遗传现象。

Kim 等采用质子束照射乳腺癌细胞系 MCF-7 和正常细胞系 MCF- 10A，发现 2 种细胞系均发生超甲基化改变。Goetz 等研究也得出类似的结果。但 Kumar 等研究发现，光子照射可降低细胞的 DNA 甲基化水平，导致低甲基化改变。

同时，有学者发现基因组的不稳定性与 DNA 低甲基化水平有 关，这可能是光子照射更易导致 DNA 突变和诱发第二肿瘤的原因之一。

4修复蛋白的表达

质子照射或光子照射均可导致 DNA 的双链断裂，早期磷酸化组蛋白H2AX （γ-H2AX）的形成标志着 DNA 损伤修复开始，而且磷酸化组蛋白 p53 结合蛋白 1（53BP1）也是 DNA 损伤修复的指标之一。

有研究采用质子照射不同细胞系0.5h后，分别在扩展的 Bragg 峰的不同位置检测 γ-H2AX的数量，发现并无明显差异，但24h后在扩展的 Bragg 峰远侧端检测到更多的 γ-H2AX。

有研究发现，与低 LET 辐射相比，高 LET 辐射会增加 γ - H2AX的数量。

近期的研究结果表明，与光子照射相比， 质子照射检测到的 γ -H2AX数量不仅明显增多，而且 γ - H2AX形成的焦点也更大。

这说明质子照射致 DNA 损伤的能力高于光子照射。

2细胞水平

1细胞凋亡

在细胞凋亡的过程中，可观察到 mRNAs 在质子照射后的表达明显增加。PC3 细胞在质子照射后 ATM、 p73、 p21、 SOD2 以及 Bcl-2／ Bax-α 等 mRNA 表达明显增高；而在光子照射后 Bax-α、 ATM、Bcl-2 以及 Bcl-2／ Bax-α 等 mRNA 表达明显增高。

Pietro 等采用质子与光子分别照射不同的细胞系，发现质子照射导致更高水平的细胞凋亡，且凋亡细胞比率与照射剂量和照射后的观察时间均有明显的相关性。 Gerechiuun 等也得到类似结论。

进一步的研究结果证实，质子照射后 p38、JNK 和 MAP 等蛋白呈高表达，而光子照射后 ERK 蛋白呈高表达。

综合上述文献，我们发现质子照射与光子照射后细胞凋亡水平的不同可能与激活不同的凋亡信号通路有关。

2细胞周期

Narang 等通过 PCR 分析发现，与光子照射相比，质子照射引起的细胞周期阻滞相关基因表达水平显著上调，诱导产生更高更长的 G2 ／ M 期阻滞。

有研究发现，质子照射与光子照射 24 h 后，质子照射在 S＋G2 ／ M 期的停滞显著升高；照射剂量相同的情况下，质子照射在 48 h 和 72 h 后引起的细胞周期停滞分别为 44％和 32％，而光子照 射为 20％和 17％。

Pietro 等研究发现，质子照射剂量为 10 Gy 时分别照射 PC3 细胞和 CA301D 细胞，细胞周期G2 ／ M 期阻滞显著。

因此，质子照射与光子照射对细胞周期的调控是不同的，这可能是导致肿瘤细胞生长在不同程度上受抑制 的原因之一。

3组织水平

1血管生成

肿瘤血管的生成在肿瘤的发生发展中具有重要的作用。

大量的研究结果表明，质子照射和光子照射对肿瘤血管的作用表现不同。质子照射可抑制肿瘤血管的形成，而光子照射可促进肿瘤血管的生成。

质子照射可显著降低 VEGF、IL-6、IL-8 和 HIF-1A 等促血管生成因子的表达，同时也可降低 MMP-9 等促血管生成蛋白的表达；而光子照射可提高 VEGF、IL-6、HIF-1A 和 bFGF 等促血管生成因子的表达。

质子照射对肿瘤血管生成的影响机制有待今后深入探讨。

2侵袭与远处转移

侵袭和远处转移是肿瘤发生发展过程的重要特征之一，与患者的预后密切相关。 有研究结果表明，质子照射后肿瘤细胞的侵袭与远处转移能力降低，而 光子照射后肿瘤细胞的侵袭与远处转移能力增强。

Ogata 等分别使用质子和光子照射高转移性纤维肉瘤细胞系 HT1080，发现接受照射剂量为 2 Gy 的质子照射后，肿瘤细胞的侵袭能力较未照射组降低了 1／2；而接受照射剂量为 2 Gy 的光子照射后，肿瘤细胞的侵袭能力较未照射组增强了 2 倍。

侵袭和远处转移的机制可能与细胞表面糖蛋白和基质金属蛋白酶有关。质子照射后导致 MMP-2、MMP-3 以及 MMP-9 降低，而光子照射后导致 aVb3 整合素蛋白增高。

Wang 等发现，质子照射可促进上皮细胞间质转化，而上皮细胞间质转化与肿瘤侵袭和远处转移密切相关。

质子照射与肿瘤侵袭和远处转移间的关系尚需进一步的研究。

4肿瘤复发与诱发第二肿瘤

Stick 等研究发现，接受质子照射和光子照射的乳腺癌患者，预计10 年后复发的绝对风险分别为 0. 02％（0.0％ ～ 0. 07％）和 0. 10％（0.0％ ～ 0. 9％）。同时，他们还发现质子照射可将患者心脏毒性预测风险降低2.9％，而光子照射在多数患者中仍产生有限的心脏毒性。

Caujiolle 等对质子照射后肿瘤复发与预后关系的研究发现，边缘型复发的生存率 明显优于其他类型。

人们普遍认为，即使是在治疗剂量范围内，电离辐射也可导致肿瘤。

Chung 等分别对 558 例接受质子放疗的患者和558 例接受光子放疗的患者进行了匹配队列研究，他们发现接受质子放疗的患者中有 29 例（5. 2％）出现了第二肿瘤，而接受光子放疗的患者中有 42 例（7. 5％）出现了第二肿瘤。

Stokkevåg 等研究也得到类似的结论。这提示，质子放疗较光子放疗在抑制第二肿瘤发生率方面可能具有一 定优势，但有待高证据等级的研究来证实。