[发明专利]利用对放射疗法的生理反应的成像对治疗的评估和改进

说明书

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求2012年10月26日提交的美国临时专利申请61/719337的优先权，其披露的内容全部引入作为参考。

技术领域

本申请描述的主题涉及放射疗法和对放射疗法的生理反应(例如水肿等等)的MRI成像。

背景技术

放射疗法在三种主要形式的癌症疗法(外科手术、化学疗法和放射疗法)中保持着独特且既定的作用。外科手术将承受癌症的组织从身体除去，破坏它们。化学疗法消除整个身体的显微型疾病。只有放射疗法可以既破坏癌组织又同时消除显微型疾病。实验的消融癌治疗技术(例如，超声波、高温热疗(hyperthermia)和冷冻手术)仅可以像外科手术一样破坏组织，而新的化疗剂不能有效地破坏实体肿瘤。放射疗法将保持并扩大其作为癌症治疗和消融治疗上的选择疗法的显著作用。

放射疗法的临床目标是将优化的电离放射剂量配给精确地输送到肿瘤和靶点，同时使周围的正常组织免受剂量的伤害。在输送电离放射时，临床医生尝试在根除疾病的可能性和由于对周围健康或功能组织的照射而出现致命的或使人衰弱的副作用的可能性之间做出权衡。

不管是消融组织还是给组织灭菌，电离放射都通过破坏DNA或细胞中的其他重要分子中的化学键而杀死细胞。放射疗法通过以迅速分裂的癌细胞为标靶而起作用，其中放射引起破坏DNA或细胞中的其他重要分子的反应，在细胞分裂时造成细胞死亡。和正常细胞不同，癌细胞迅速分裂并且不能容易地修复它们自身，由于放射导致的遗传损伤，它们比健康细胞更容易死亡。随着时间延长治疗并且分段次输送剂量容许健康细胞恢复，同时优先消除癌细胞。有时，健康细胞的较少恢复可以被接受，如果可以利用立体定向方法获得更大的定位和固定精度的话。

用电离放射疗法治疗癌症或消融组织通过破坏癌细胞或靶细胞的DNA或其他关键分子而起作用。当电离的带电粒子造成构成DNA链或其他重要细胞分子的原子的直接或间接电离时，会导致该DNA破坏。当DNA或其他关键细胞分子的原子通过入射放射而直接产生时会发生直接电离。间接电离由于含水的细胞组分的电离而发生，含水的细胞组分的电离形成自由基，然后其破坏DNA或其他关键细胞分子。细胞具有修复单链DNA损伤的机制，因而双链DNA断裂是导致细胞死亡的最重要的机制。癌细胞一般未分化且类似于干细胞，这使得它们比大多数健康的分化细胞繁殖得更多，也使得它们修复亚致死损伤的能力减弱。因而单链DNA损伤通过细胞分裂而被传递并且对癌细胞DNA的破坏积累，使得它们死亡或更慢地繁殖。

放射敏感度是细胞、组织、器官或生命体对于电离放射的有害效应的相对敏感性。有四种主要的放射敏感度修饰剂，通常称为“4R”：再氧合、细胞周期的再分布、亚致命损伤的修复、和再增殖。

肿瘤含有低氧区域(低水溶氧浓度)，其中癌细胞被认为是耐受放射的。在分次放射治疗中，这些区域通过各种机制被再氧合，这些包括瘤内压力减小和脉管系统的正常化。放射分次之间的再氧合导致之前的低氧肿瘤区域的放射敏感度并且被认为是增加了放射治疗的效率。

哺乳动物细胞在细胞周期全程中表现出不同水平的放射耐受性。总体上，放射对于具有更大再生活性的细胞具有更大的效果。在S期晚期中的细胞是特别耐受的，而且在G2期和M期中的细胞对于电离放射是最敏感的。在分次放射过程中，在G2M期中的细胞是优先被杀灭。两分次之间的时间容许来自细胞周期的S期的耐受细胞重新分布到细胞更加放射敏感的细胞期中。

通过电离放射的细胞杀灭基于不可修复的病变的生成，包括DNA双链断裂(DSB)或其它关键分子的损坏。然而大多数放射引起的DNA损坏是亚致命的。虽然这种损坏总体上在较低剂量得以修复，然而亚致命病变的积累在较高剂量下也促成致命性。在放射治疗中采用了在放射分次之间的亚致命损坏的修复，因为关键的正常组织和肿瘤在其对于修复放射损伤的能力方面经常是不同的。

正常的和恶性的干细胞具有进行不对称细胞分裂的能力，这产生子代干细胞和定向祖细胞。对比而言，干细胞按照对称细胞分裂分裂成为两个定向祖细胞或两个子代干细胞。如果仅仅在干细胞分裂的1％中发生了后者，那么在20次细胞倍增之后干细胞数量将会是定向祖细胞数量的两倍。如此，干细胞分裂方式中的小变化可能对于组织或肿瘤的结构具有重大影响，并且被认为是加速再增殖背后的机制。