Oncology · I-11

放射線療法の物理・化学・生物学的基礎

Physical, chemical and biological basis of radiotherapy

前提：正常: 放射線影響の物理相・化学相・生物相電離放射線の直接作用と間接作用細胞周期におけるDNA損傷とDNA複製完了を検知する分子センサー細胞の酸素感知機構；低酸素への適応

🧠 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）、DNA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["DNA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"]

作用	機序
直接作用direct action直接作用（direct action）direct action（直接作用）	放射線がDNAを直接電離・励起する
間接作用indirect action間接作用（indirect action）indirect action（間接作用）	水の放射線分解で生じた活性種がDNAを損傷する。低LET photonで重要

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

4R	内容	意義
Repair	亜致死損傷sublethal damage亜致死損傷（sublethal damage）sublethal damage（亜致死損傷）の修復	正常組織が分割間に回復する
再分布redistribution再分布（redistribution）redistribution（再分布）	細胞周期の再分布redistribution再分布（redistribution）redistribution（再分布）	感受性の高い周期へ移る細胞が生じる
Reoxygenation	再酸素化	低酸素腫瘍細胞が感受性を取り戻す
Repopulation	再増殖	正常組織回復にも腫瘍再増殖にも働く

分割法

方法	1回線量・回数・期間の特徴
通常分割conventional fractionation通常分割（conventional fractionation）conventional fractionation（通常分割）	一般に小分割を平日に反復する。具体値は腫瘍別
寡分割hypofractionation寡分割（hypofractionation）hypofractionation（寡分割）	1回線量を上げ、回数を減らす
過分割hyperfractionation過分割（hyperfractionation）hyperfractionation（過分割）	1回線量を下げ、1日複数回などで回数を増やす
加速分割accelerated fractionation加速分割（accelerated fractionation）accelerated fractionation（加速分割）	総治療期間を短縮し、腫瘍再増殖を抑える

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、極端な大線量や組織では適用限界がある。

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。