Işınlanan hücrelerin ölüm mekanizmaları tam olarak anlaşılmış değildir. Ancak elde ettiğimiz radyobiyolojik analiz sonuçları göstermektedir ki radyasyon özellikle nukleus üzerinde yıkıcı bir etki yapmaktadır. Memeli hücrelerinde sitoplazma ve nukleusun ayrı ayrı ışınlanmasına olanak veren mikrodemetlerle yapılan araştırmalar, nukleusun ışına sitoplazmaya oranla 100 ila 1000 kat daha duyarlı olduğunu ortaya koymuştur. Radyasyon etkisine uğramış hücrenin ölümünde özellikle kromozomlardaki DNÂ nın uğradığı zararın büyük önem taşıdığı gösterilmiştir. Yapılan çalışmalar radyasyon etkisi altında DNA zincirlerinden birinin ya da her ikisinin birden parçalandığını, bunun da kromozomal bozukluklara ve sonuçta da hücre ölümüne yol açtığı belirlenmiştir.
Hücre kültürlerinde yapılan invitro çalışmalar ışınlamayı izleyen hücre ölümünün kullanılan ışın dozu ile orantılı olduğunu, yani belirli bir radyasyon dozunun ışınlanan hücrelerde sabit bir oranda ölümlere neden olduğunu göstermiştir. Bu nedenle belli sayıda tümör hücresini öldürmek için gerekli doz, başlangıçta mevcut tümör hücresi sayısına ve tümörün büyüklüğüne bağlı olmaktadır. Nötronlar gibi iyonizan etkileri çok yoğun olan radyasyon tiplerinde doz-tepki eğrisi başlangıçta düz bir plato şeklindedir. Bir noktadan sonra ise bu eğri hemen hemen düz bir biçimde aşağı doğru inmektedir.
Başlangıçta saptanan düz plato bölümü yaklaşık olarak yaşayan hücre sayısını tüm hücre sayısına olan oranını %37 si kadar azaltabilmesi için gerekli radyasyon miktarına uymaktadır. Bu bölüm DQ ile gösterilmiştir ve hücrenin radyorezistansına bağlı olarak artar ve azalır. Lenfositler ve germinal hücreler bir yana bırakılacak olursa, D düzeyi bir çok memeli hücresi için 110 ila 240 Rad arasındadır.Bu eğri genellikle ‘çok hedef tek vuruş” eğrisi olarak adlandırılır. Burada ifade edilmek istenen popülasyon içindeki tüm hücrelerde aynı büyüklükte bir grup hedef (N) bulunmaktadır. Bu hedef tek bir vuruş sonucunda inaktive edilir. Ancak sadece N tipi hedefler vurulduğunda hücre ölümü meydana gelmektedir. Çok hedef yaşam eğrisi aşağıdaki eşitlik ile ifade edilir:
Çok hedef eşitliliği genellikle, bazı hücre grupları ve kültür koşullarında çok düşük doz alan bölgelerde yanlış sonuçlara yol açmaktadır. Son zamanlarda iki komponetli yeni bir hücre yaşam modeli geliştirilmiştir. Bu ise şu formül ile ifade edilir:
Bu modele göre ışınlama sonucunda hücre aktivasyonu tek (alfa) ya da çift (beta) vuruşlarına göre oluşacaktır. Bu iki komponentli model memeli hücrelerinin yaşam eğrisinde çok hedef eşitliliğine göre daha gerçeğe uygundur. Bu model moleküler ve mikrodozimetrik teoriler göz önüne alınarak hazırlanmıştır.
İnvivo koşullarda ışınlamanın sonuçları başka faktörler tarafından da etkilenir. Burada durum hücre kültüründen çok daha karmaşıktır. Normal ya da tümöral dokudaki büyüme ve küçülme yeni hücre yapımı ile tabii hücre ölümü arasındaki dengeyle olduğu kadar, dışarıdan gelen her hangi bir etken ile de ilişkilidir. Eşit hücre sayısı ve eşit selüler duyarlılığı olan iki ayrı tümörde eğer çoğalma ve doğal ölüm hızları farklı ise, ışınlamanın etkileri bu lezyonlarda farklı zamanlarda ortaya çıkacaktır. Böylece bu lezyonların radyosensitiviteleri konusunda erken bir yargıya varılırsa hataya düşülecektir.
Tek bir ışınlama şeklinde verilen dozlarla aralıklı olarak verilen dozların hücrelerin yaşam süreleri üzerinde yaptığı etkiler karşılaştınlmıştır. Fraksiyone verilen dozlarla hem hücresel reparasyonun hızlandığı ve hem de hücrelerin yaşam sürelerinin uzadığı saptanmıştır. Tek bir dozla ortaya çıkan biyolojik etkinin elde edilebilmesi için fraksiyone dozlarda çok daha büyük miktarlarda radyasyon kullanmak gerekmektedir. Fraksiyone dozun benzer etki için tek dozun 2 ila 5 katına çıkması gerektiği saptanmıştır. Burada kullanılan tanımlardan biri de “terapötik oran” dır. Bu tümöre verilen zararın normal dokulara verilen zarara oranını ifade eder . Fraksiyone ışınlama yönteminin kullanılması ile birlikte terapötik oranın yükseltilebilmesi için çalışmalar henüz sürdürülmektedir.
Memeli hücreleri üzerinde ışınlamanın etkisi kimyasal, fizik ve biyolojik bazı etkenler kullanılarak arttırılabilir. Radyosentiviteyi artırmak için en sık kullanılan kimyasal etken oksijendir. İyi oksijenlenen hücreler hipoksik hücrelere oranla 2,5 ile 3 kez daha radyosensitif olarak bulunmuşlardır. Bir kaç istisna dışında normal dokuların oksijenlenmeleri hemen hemen aynıdır. Hayvan tümörlerinde tüm hücrelerin yaklaşık %30 kadarı önemli ölçüde hipoksiktir. Büyük olasılıkla ayni şey insan tümörleri için de geçerlidir. Böylece hipoksi tümör hücrelerini radyasyonun etkilerinden büyük ölçüde korumaktadır.
Fraksiyone ışınlamada iyi oksijenlenen hücrelerin ölmesi sonucunda hipoksik hücrelerin kapillerler ile daha yakın bir anatomik komşuluk oluşturmaları ile ışına duyarlılık artmaktadır. Bu olaya “reoksijenizasyon” adı verilir. Reoksijenizasyonun meydana gelememesi büyük olasılıkla bir çok hücrenin radyorezistansının temelini oluşturmaktadır. Metronidazol ve 2-nitroimidazol türevleri, Ro 7-0582 (Nisomidazol) gibi bazı birleşiklerin hipoksik hücreleri selektif olarak radyosansibl hale getirdikleri ortaya konmuştur. Bu maddeler kullanılarak insanda terapötik oranı daha yükseltmek için çalışmalar devam etmektedir. Sülfidril grupları içeren sistin ve tiosülfat WR 2721 gibi bazı birleşimlerin de normal dokulan radyasyonun zararlı etkilerinden korudukları gösterilmiştir. Bazı kemoterapötik ajanların (Adriamisin ve Bleomisin gibi) hem tümöral ve hem de normal dokular üzerinde ışının etkisini azalttıkları gösterilmiştir.
Memeli hücrelerinin radyosensitivitesi üzerine etkili bir diğer faktör de hüre siklu-sunun bulunduğu aşama, yani hücre yaşıdır. Bu, özellikle çeşitli hücre grupları arasındaki duyarlılık farkını açıklar.
Nötronlar, helyum iyonları, ağır iyonlar ve pimezonlar dokularda yoğun bir ıonizasyona neden olurlar ve bunlar Lineer Enerji Transferi (LET) radyasyonu olarak bilinirler. Memeli hücrelerinin bu tür radyasyonla karşılaşmaları halinde elde edilecek biyolojik etkinin hem oksijen konsantrasyonuna hem de hücre siklusunun durumuna çok daha az bağımlı olduğu gösterilmiştir. Bu tür radyasyonla yapılan araştırmalar henüz ekspe-rimental düzeydedir.ıonizasyona neden olurlar ve bunlar Lineer Enerji Transferi (LET) radyasyonu olarak bilinirler. Memeli hücrelerinin bu tür radyasyonla karşılaşmaları halinde elde edilecek biyolojik etkinin hem oksijen konsantrasyonuna hem de hücre siklusunun durumuna çok daha az bağımlı olduğu gösterilmiştir. Bu tür radyasyonla yapılan araştırmalar henüz ekspe-rimental düzeydedir.