2) искусственную гипоксию здоровых тканей
3) дополнительную оксигенацию тканей опухоли
4) зависимость распределения дозы для протонов от содержания кислорода в воде
Кислородный эффект — это увеличение биологической эффективности и радиочувствительности клеток при наличии кислорода во время облучения. Особенно выражен он для редкоионизирующего излучения: фотонов и электронов. При радиолизе воды образуются свободные радикалы, повреждающие ДНК; кислород взаимодействует с радикалами ДНК и превращает потенциально обратимые повреждения в стойкие пероксидные производные. Этот процесс называют фиксацией радиационного повреждения.
В гипоксических клетках кислородная фиксация выражена слабее, поэтому часть повреждений ДНК репарируется, а радиорезистентность повышается. Количественно явление характеризуют коэффициентом усиления кислородом (oxygen enhancement ratio, OER) — отношением дозы в гипоксии к дозе при нормоксии для достижения одинакового биологического эффекта; для низко-LET-излучения его значение обычно составляет около 2–3. Гипоксия опухоли может быть хронической или транзиторной и является одной из причин неоднородности ответа опухоли на лучевую терапию.
Выраженность кислородного эффекта зависит от линейной передачи энергии излучения: с увеличением LET повреждения становятся более плотными и менее зависимыми от свободнорадикальных реакций, поэтому OER снижается. Кислородный эффект не следует смешивать с искусственной оксигенацией опухоли: последняя является лечебной стратегией, направленной на использование описанного биологического механизма. Физическое распределение дозы протонов определяется их энергией и торможением в веществе, а не содержанием кислорода в воде.
| Условие или фактор | Влияние на радиобиологический эффект | Основной механизм или значение |
|---|---|---|
| Нормоксия | Повышение радиочувствительности | Кислород фиксирует свободнорадикальные повреждения ДНК, снижая вероятность их репарации. |
| Гипоксия | Относительная радиорезистентность | Недостаток кислорода ограничивает фиксацию повреждений; гипоксические опухолевые клетки хуже отвечают на облучение. |
| Кислородный коэффициент усиления, OER | Обычно около 2–3 для фотонного и электронного излучения | Показывает, во сколько раз большая доза требуется в гипоксии для получения эффекта, равного эффекту при нормоксии. |
| Низко-LET-излучение | Выраженный кислородный эффект | Повреждение преимущественно опосредовано свободными радикалами, поэтому зависит от присутствия кислорода. |
| Высоко-LET-излучение | Кислородный эффект значительно слабее | Плотные кластерные повреждения ДНК возникают непосредственно вдоль трека частицы и меньше зависят от кислородной фиксации. |
| Реоксигенация опухоли | Возможное повышение эффективности последующих фракций | После гибели хорошо оксигенированных клеток кровоснабжение и кислородный статус части опухоли могут улучшаться. |
| Протоны и содержание кислорода в воде | Не определяет физическое распределение дозы | Доза формируется энергетическими потерями протонов и пиком Брэгга; кислород влияет на биологический ответ, но не задаёт профиль дозы. |
Практическое значение кислородного эффекта состоит в том, что гипоксия может ограничивать контроль опухоли при стандартном фотонном облучении. Для её преодоления изучаются гипероксигенация, гипоксические радиосенсибилизаторы, модификация фракционирования и методы радиотерапии с меньшей зависимостью от кислорода. При этом оценка оксигенации опухоли должна учитывать её пространственную и временную неоднородность.