肿瘤热疗中选择性加热的意义

发布时间:2018-12-12

肿瘤细胞对温度通常比较敏感,因此准确控制加热过程对于实现对病变组织的精确打击及保护正常组织十分关键。生物组织的热损伤问题可以看成是一个与温度相关的速率过程。

前期,研究者们曾对宏观或细胞尺度上发生的热损伤行为进行过大量研究。归纳起来,迄今所知的生物样品典型热损伤机理主要为(Liu,tal,2000:蛋白质变性、代谢过程改变、细胞物理或化学特性如膜超渗性、胞内离子浓度的改变及细胞核老化,肌肉及胶原物质的双折射性质丧失,红细胞血色素缺失等。肿瘤细胞的失活机理基本包括在上述范畴中,只不过具有特定的速率系数描述组织的热损伤或加热剂量的速率过程模型是建立在化学反应动力学基础上的(Pearce,Thomsen,1995)。在一个典型应中,热激活反应物必须跨越一个能量屏障E.以生成产物。对应地,肿瘤消亡过程发生的可能性也取决于其中所储存能量的大小,而发生的前提是所含能量高于该反应的临界值(即活化能)。若将肿瘤细胞的热损伤问题当作一个一阶速率过程,定义损伤函数为2,则细胞失活的问题即体现为一个依赖于温度的速率过程。该过程的化学反应速率K(即损伤速率)可由著名的Arrhenius公式描述(请看下图):

肿瘤热疗中选择性加热的意义公式

其中,R为理想气体常数,8.31J/(mol·K)E为活化能,J/mol;P为碰撞数或更普遍地称为频率因子,s1;T为绝对温度,;t为时间;为损伤的比率。当=1时,一般认为物质大部分已发生变性(即失活)(Liu,etal.,1999)。通常,对不同生物组织形式及环境条件,P和E值可以相差很大。在至今所考察过的宏观生物组织损伤过程中,P的变化范围为104~11s1,而E则为105~10J/mol。由式(3.1)可得到定量描述生物组织受热致伤的Henriques积分方程,即(参考下图):

肿瘤热疗中选择性加热公式

可见,该方程中只需两个可由实验确定的系数(E和P),即可对生物样品在特定升温过程中的失活问题作出充分判断。这一伤积分公式的优点是易于与目标组织存活性作定量比较,这也使其成为热疗剂量评估中最为重要的基础关系式之一。由以上模型可以看出,细胞存活时间与温度呈指数依赖关系,低于一定临界温度时,该过程的速率损伤积累可忽略不计;而一旦超过该值时,损伤速率将急剧增加。因此,为避免正常组织遭受加热损伤而同时又保证对目标组织的摧毁,在热疗过程中实施选择性加热十分重要。在此方面需要依赖于高度精准的温度进行检测。

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