对于体外培养的增殖细胞来说，所处不同周期的细胞其放射敏感性存在一定差异，传统的放射生物学理论认为：M期最敏感，S期晚期最具抗性，延长G1期会增加细胞的放射抗性^[1-2]。而在实体瘤（癌）组织中除处于增殖分裂状态的细胞群体外，还存在一定比例的静止期癌细胞。正常组织中的细胞通常分布在血管周边，距离血管排列只有几个细胞层，而肿瘤组织中距离血管最远的细胞可能相距15~20个细胞层^[3]。很显然离血管越远的细胞的供氧和营养越缺乏。静止期癌细胞就是由于肿瘤组织的血管不发达导致癌细胞乏氧和缺乏营养，使细胞处于静止期状态^[3-4]。但是处于这种细胞状态的癌细胞只是暂停细胞分裂，能长久存活，仍然具有增殖潜能，一旦受到某些因素刺激，如放射损伤，就有可能恢复增殖活跃状态^[4-5]。同样处于非分裂状态的衰老细胞（senscence）却与静止期癌细胞有着本质差别，衰老细胞失去分裂增殖能力，能存活一定时间，且单个细胞的体积仍继续增长，因此呈现扁平巨大细胞形态。

有研究报道，相对于增殖癌细胞而言，静止期癌细胞对于γ或X射线具有明显的抗性，正因为如此，放疗后可能会有一定量的克隆性静止期癌细胞残留存活下来，其再增殖活性被触发后导致癌症复发^{[2-3, 6-8]}。γ射线照射后，静止期癌细胞损伤的恢复能力显著高于增殖癌细胞，特别是具有较强的潜在致死损伤修复的能力，致使其放射抗性增加^{[3, 6, 9-10]}。除其所处肿瘤组织中的乏氧微环境外，静止期癌细胞放射抗性的发生机制目前尚不清楚。肿瘤复发的前提除静止期癌细胞不死之外，还需要被活化“唤醒”，进入细胞周期循环。视网膜母细胞瘤（retinoblastoma，Rb）抑癌基因被认为是细胞周期静止的主控调节分子，Rb蛋白能与转录因子E2F结合，将其由S期基因的激活子转换成为抑制子^[11]。在细胞G1期与S期之间的转换调节中，G1期的细胞周期蛋白（Cyclin）和细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，Cdk）复合物（如Cyclin D/Cdk4或Cyclin D/Cdk6）磷酸化Rb蛋白，使其与E2F解离，被释放的E2F进一步激活S期功能基因如Cyclin E的表达，Cyclin E与Cdk4形成复合物，推动S期进程。哺乳类雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是另一个调节静止期细胞的分子。P21蛋白的持续诱导表达，导致细胞G1和G2期阻滞，并发生细胞衰老，不可逆性地失去增殖能力。如果同时用雷帕霉素抑制mTOR活性，就可将细胞由衰老表型转变成为静止期表型，即一旦解除对P21蛋白的诱导表达，细胞又恢复增殖能力^[12]。P53是mTOR的上游抑制分子，也能将P21诱发的G1和G2期阻滞的细胞维持在静止期细胞状态^[13]。DNA损伤剂依托泊甙（etoposide，VP16）诱发细胞衰老而失去增殖潜能，如果同时用雷帕霉素抑制mTOR或采用无血清培养，同样能使细胞由衰老表型转变为静止期状态，继续保持增殖潜能^[14]。以上所提及的分子，几乎无一例外地在放射损伤细胞中都会发生改变。目前，尽管已经认识到了静止期癌细胞的放射抗性表型，但其放射抗性以及受照后是如何被激发重新进入细胞周期和获得增殖活性的分子机制尚不清楚。

对癌干细胞或干细胞样癌细胞亚群的诠释，是肿瘤细胞分子生物学研究的一大进展，同样也是肿瘤放射生物学的一个备受关注的热点问题^[15-16]。癌干细胞在癌组织细胞群体中只占很少的比例，但其具有很强的增殖能力和带有有别于其他癌细胞亚群的干细胞表面分子标志物，如乳腺癌的CD44^+/high/CD24^-/low/lineage^-、脑瘤、大肠癌和肺癌的CD133⁺、头颈部鳞状细胞癌的CD44⁺等^[17-18]。在乳腺癌组织中通常还含有其他非肿瘤细胞，故用各种可能出现的细胞的特异表面标记（统称为lineage）来区分正常细胞（lineage⁺）和乳腺癌细胞（lineage^-）。与静止期癌细胞不同的是，癌干细胞最靠近血管，有充足的氧和营养供给，由此可见，可能是癌干细胞的放射生物学特性决定了其放射抗性并直接影响肿瘤放疗的效果^{[17, 19-23]}。

有研究发现，Notch信号通路^[21]和Wnt信号通路^[22]的活化在胶质瘤干细胞的放射抗性中发挥了重要作用。乳腺癌干细胞中Wnt信号通路和编码谷胱甘肽代谢关联的基因的过量表达，也被认为是癌干细胞放射抗性的分子机制之一^[23]。目前，放射生物学领域更多地开始关注癌干细胞的DNA损伤信号响应和修复功能变化。另有文献报道，多形性胶质母细胞瘤CD133阳性的癌干细胞过量表达多梳蛋白家族成员B细胞特异性莫洛尼鼠白血病病毒插入位点1（B-cell-specific Moloney murine leukemia virus insertion site 1，BMI1）蛋白，结果发现，在放射损伤后BMI1与DNA双链断裂损伤反应蛋白毛细血管扩张性运动失调症突变基因组、磷酸化组蛋白H2AX、DNA依赖蛋白激酶催化亚基（DNA dependent protein kinase catalytic subunit，DNA-PKcs）等相互结合共同定位在DNA损伤位点，推动DNA修复，这可能也是癌干细胞放射抗性的机制之一^[24-27]。Bao等^[25]的研究报告显示，CD133阳性的胶质瘤干细胞的DNA双链断裂修复和启动DNA损伤检查点机制的能力要显著优于癌非干细胞，成为癌干细胞放射抗性的关键因素。但也有研究报道，胶质瘤癌干细胞的倍增时间延长与Chk1和Chk2的活性增加是其产生放射抗性的主要因素^[27]。相反，癌干细胞中DNA碱基损伤修复、单链断裂损伤修复以及磷酸化组蛋白H2AX的反应过程，与非癌干细胞并无明显差别^[27]。c-myc原癌基因活化在癌细胞中常见，Wang等^[28]最近研究报道，鼻咽癌癌干细胞中过表达的c-myc原癌基因蛋白通过直接与Chk1和Chk2基因启动子结合而激活其转录，导致癌干细胞放射抗性增加。Diehn等^[29]研究则发现，与对照细胞群相比，癌干细胞的抗氧化损伤即自由基清除系统的基因的表达量显著增加、其活性氧系列水平显著降低。

癌细胞的内在遗传与分子改变是影响肿瘤对放疗敏感性的一个重要方面，也是实施个性化治疗的理论依据。DNA双链断裂损伤是电离诱发细胞最为严重的分子损伤类型，是照射细胞凋亡的直接原因，如早期研究已表明，DNA双链断裂损伤残留是决定细胞放射敏感性的一个重要分子指标^[30-31]。虽然有不少的研究报道癌细胞中存在某种DNA修复缺陷，导致基因组不稳定性，但近年来，也有一系列研究显示，DNA双链断裂修复蛋白如DNA-PKcs在多种类型肿瘤组织中异常高表达，而且在具有高转移特性和放射抗性的癌细胞中的表达活性更高^[32-38]。López等^[36]通过基因表达分析发现，由于包括DNA-PKcs在内的多个DNA双链断裂修复基因的表达增强，导致宫颈癌干细胞样癌细胞亚群的放射抗性增加。

应用特异的RNA干扰技术使DNA-PKcs的表达下降，可以显著提高癌细胞对γ射线的敏感性，减慢癌细胞的生长速度和接种裸鼠后形成肿瘤的生长速度^[39-40]。还可通过Akt/GSK 3β信号通路调节c-myc蛋白稳定性抑制DNA-PKcs的表达和活性，使癌组织c-myc蛋白表达水平显著降低^[40]。DNA-PKcs沉默或活性受到抑制的细胞，其DNA损伤诱发的M期阻滞的时间显著延长、有丝分裂退出或胞质分裂失败，最终发生有丝分裂灾变死亡^[34]。还有报道，未分化的间充质干细胞与被诱导分化为成骨细胞相比，其放射抗性显著增加，可能与间充质干细胞核内磷酸化DNA-PKcs和它的一个复合物蛋白Ku70的增加有关^[41]。上述研究表明，DNA-PKcs是研发增加癌细胞放射敏感性药物的理想靶标之一。

当然，也有研究报道，干细胞样癌细胞的放射敏感性比非干细胞更高^[42]，由此可见，癌干细胞与癌细胞放射抗性之间并非是一个固定不变的关系。进一步确证具有放射抗性特征的癌细胞亚群，揭示其放射抗性的分子机制，是当今肿瘤放射生物学研究的前沿之一，将为研发针对放射抗性癌细胞亚群的放射增敏新措施提供新的理论依据。