Чутливість до іонізуючого випромінювання, а також тривалість відновного періоду у нормальних і пухлинних клітин різна, на чому і заснований режим фракціонування при променевої терапії. Після опромінення починаються найважливіші відновлювальні процеси - "чотири Р" радіобіології:
- Репарація. Швидкість репарації залежить від температури; відновлення внутрішньоклітинних ушкоджень відбувається за участю ферментів. У клітинах деяких пухлин процес репарації порушений, тому обмежена разова доза опромінення вражає більше пухлинних, ніж нормальних клітин.
- Реоксигенації. Після опромінення і загибелі частини пухлинних клітин більше кисню і поживних речовин потрапляють до життєздатним клітинам. Це стимулює пухлинні клітини в зоні недостатнього кровопостачання до поділу, що підвищує їх чутливість до наступної дозі опромінення. Кисневий ефект також підвищує чутливість.
- Регенерація. Клітини, які зберегли здатність ділитися, поступово заміщають нежиттєздатні і мертві клітини. Цей процес відбувається як в нормальних тканинах, так і в пухлини. Режим фракціонування дозволяє кілька відновитися нормальним тканинам. У той же час, щоб уникнути регенерації пухлини перерва не повинна бути занадто тривалим.
- Розподіл. Протягом клітинного циклу чутливість клітин до променевому поразки неоднакова, вона може відрізнятися в три рази. Більшість клітинних ліній з коротким періодом G1 найбільш чутливі до опромінення на кордоні періоду G2 і мітозу, менш чутливі в періоді G1 і дуже стійкі до опромінення в кінці періоду S (синтетичного періоду). Після першого сеансу променевої терапії гинуть найбільш чутливі клітини, подальше опромінення застає інші пухлинні клітини в найбільш чутливою фазі клітинного циклу.
Реакція клітин на опромінення частково обумовлена дією різних факторів росту і цитокінів. При опроміненні клітин відбувається викид ФНОальфа. ІЛ-1 і інших чинників. ФНОальфа викликає проліферацію фібробластів і підсилює запальну реакцію. Показано, що in vitro ІЛ-1 і ФНОальфа надають захисну дію на кровотворні клітини, збільшуючи параметр Do кривої виживання клітин (див. "Іонізуюче випромінювання: крива виживання клітин"). Культура пухлинних клітин людини, навпаки, гине швидше, якщо перед опроміненням до них додати ФНОальфа. Залежно від типу клітин ФНОальфа може підвищувати або знижувати радіочутливість, але можливість його застосування поки не визначена.
Відстрочене дію іонізуючого випромінювання на судини, мабуть, пов'язано з викидом основного фактора росту фібробластів і тромбоцитарного фактора росту бета. Поява цитокінів викликано активацією транскрипції при опроміненні.