放射線療法の物理・化学・生物学的基礎

🧠 全体像：放射線は極短時間の物理相互作用から、活性種による化学反応 chemical reaction化学反応（chemical reaction） chemical reaction（化学反応）、DNADNA（deoxyribonucleic acid）損傷、細胞死、組織反応tissue reaction 組織反応（tissue reaction）tissue reaction（組織反応） へ連鎖する。分割照射fractionation 分割照射（fractionation）fractionation（分割照射） は腫瘍制御と正常組織回復の差を利用して治療可能比を広げる。

時間軸とDNA損傷

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ionizing radiation'>電離放射線</span>が物質と相互作用<br>物理段階"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='secondary electrons'>二次電子</span>・励起・電離"]
  B --> C["水の放射線分解と活性種<br>化学段階"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>一本鎖・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='double-strand break'>二本鎖切断</span>、塩基損傷"]
  D --> E{"正確に修復できるか"}
  E -->|"できる"| F["細胞生存"]
  E -->|"できない・誤修復"| G["増殖死・apoptosis・染色体異常"]
  G --> H["腫瘍制御または正常組織障害<br>生物段階"]

低酸素では酸素固定効果が弱まり、低LET放射線への抵抗性が増す。高LET放射線は密な電離を作り、複雑DNA損傷が増える。

線量反応と治療可能比

• 腫瘍制御確率は線量とともに上がる。
• 正常組織合併症確率も線量とともに上がる。
• 標的への線量集中と分割法 fractionation regimen 分割法（fractionation regimen） fractionation regimen（分割法） の最適化で、TCPを保ちながらNTCPを抑える。

分割照射の4R

古典的には最初の4項目を「4R」と呼ぶが、現在は内因性放射線感受性 radiosensitivity 内因性放射線感受性（radiosensitivity） radiosensitivity（内因性放射線感受性） を加えた5Rとして説明することが多い。¹

分割法

線形二次（linear–quadratic; LQ）モデルでは細胞生存を S = e^{-(αD + βD²)} と表す。臨床では生物学的実効線量 biologically effective dose (BED) 生物学的実効線量（biologically effective dose (BED)） biologically effective dose (BED)（生物学的実効線量） や等価線量 equivalent dose 等価線量（equivalent dose） equivalent dose（等価線量） を比較するが、α/β値には腫瘍・組織別の不確実性があり、高線量/回分、特にSRS・SBRTへの外挿には議論がある。²

次の曲線は、LQモデルの形を確認するために α = 0.30 Gy⁻¹、β = 0.03 Gy⁻² を置いて計算した説明用の例である。線量増加に伴い生存細胞分画 cell fractionation 細胞分画（cell fractionation） cell fractionation（細胞分画） が直線的ではなく急速に低下することを示す。α・βは腫瘍・正常組織、評価条件で異なるため、この模式値を個別の治療計画へ使用しない。

xychart-beta
    title "LQモデル：線量と生存細胞分画（説明用）"
    x-axis "線量 D（Gy）" [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10]
    y-axis "生存細胞分画（%）" 0 --> 100
    line [100, 71.89, 48.68, 31.04, 18.64, 10.54, 5.61, 1.33, 0.25]

まとめ

• 物理相互作用は化学反応 chemical reaction化学反応（chemical reaction） chemical reaction（化学反応）、DNA損傷、細胞・組織反応tissue reaction 組織反応（tissue reaction）tissue reaction（組織反応） へつながる。
• photonでは水由来活性種による間接作用 indirect action 間接作用（indirect action） indirect action（間接作用） が重要で、低酸素は抵抗性を生む。
• 分割照射fractionation 分割照射（fractionation）fractionation（分割照射） は4Rと臓器の線量反応を利用し、治療可能比を広げる。