Z hlediska funkčního uspořádání se dají nádory považovat za paralelně uspořádané tkáně (to znamená, že při ozáření pouze části nádoru je zbytek tkáně zdrojem recidivy onemocnění). Z hlediska složení jsou nádory tkání hierarchicky upořádanou, tedy obsahující nádorové kmenové buňky a buňky částečně diferencované. Vzhledem k nekoordinovanému růstu jsou nádorové tkáně obvykle hypoxické. Dalším typickým rysem je nutriční deprivace. Hypoxické prostředí s deficitem živin způsobuje atypickou distribuci buněk v buněčném cyklu (buňky nemohou růst a dělit se, proto se ve značném procentu vyskytují v G₀ fázi cyklu).

Nádory reagují různým způsobem na jednorázové a frakcionované ozáření. Při jednorázovém ozáření hraje hlavní roli velikost dávky. Při dávce, jejíž účinky se projevují na úrovni DNA, se účinek radioterapie projeví převážně u buněk v citlivých fází buněčného cyklu a u významného podílu těchto buněk dojde k reparaci poškození. Při překročení určité prahové dávky (velikost není jasná - okolo 8 Gy) se projeví účinky záření na úrovni buněčných membrán, toto poškození není opraveno a je usmrceno významné procento nádorových buněk. V průběhu frakcionované radioterapie dochází k postupnému usmrcování buněk v citlivých fázích buněčného cyklu a projevují se jevy označované jako reoxygenace, repopulace a redistribuce. Tyto jevy tvoří spolu s reparací ze subletálního poškození klasické 4R radioterapie, jako je popsal Withers.

Reoxygenace

V nádoru je hypoxické prostředí v důsledku nedokonale vytvořené kapilární sítě. Kyslík difunduje z kapilár k nádorovým buňkám na velkou vzdálenost a zároveň nově se tvořící nádorové buňky stlačují kapilární síť. Se zmenšujícím se počtem nádorových buněk (v důsledku radioterapie) se zlepšuje průtok krve kapilárami (= vyšší přísun kyslíku) a zkracuje se vzdálenost mezi kapilárami a nádorovými buňkami (= vyšší dostupnost kyslíku). To má dva důsledky:

• Vzniká více reaktivních typů kyslíku.

• Nádorové buňky v důsledku vyšší dostupnosti kyslíku přecházejí do růstových fází buněčného cyklu (více citlivých na působení ionizujícího záření). Vliv kyslíku na citlivost buněk k ionizujícímu záření vyjadřuje OER (Oxygen enhancement ratio). Buňky dobře oxygenované jsou typicky 2,5-3x citlivější než buňky hypoxické.  

Redistribuce

V důsledku hypoxie a nutriční deprivace buňky přecházejí do klidové fáze buněčného cyklu (G₀). Tato fáze je nejméně citlivá na účinky ionizujícího záření. Se zmenšujícím se objemem nádoru (při frakcionované radioterapii) se zvyšuje průtok krve nádorem, a tím se zvyšuje dostupnost kyslíku a živin. Za těchto, pro růst příznivějších podmínek, vstupují buňky do růstových fází buněčného cyklu, které jsou citlivější na ionizující záření. Citlivost na ozáření v jednotlivých fázích buněčného cyklu ukazuje následující prezentace.

Repopulace

Zdravé tkáně i nádory se obnovují z kmenových buněk. Za normální situace vzniká z kmenové buňky po jejím dělení dceřiná kmenová buňka (ze které se nádor dále obnovuje) a dceřiná buňka diferencovaná (která se sice může dále dělit, ale počet jejích dceřiných buněk je omezený). Nádor repopuluje, tj. nahrazuje odumírající buňky buňkami novými. Při frakcionované radioterapii klesá po každé dávce počet kmenových buněk (záření působí náhodně) a při poklesu na určitou úroveň se začnou kmenové buňky dělit na dvě dceřiné kmenové buňky. Tomuto jevu říkáme akcelerovaná repopulace. Počet kmenových buněk začne exponenciálně růst a dochází k rychlé náhradě tkání poškozených radioterapií. V klinické praxi vede tento jev v případě zdravých tkání (například střevní sliznice) k určitému zlepšení tolerance radioterapie po 4-5 týdnu frakcionované léčby, v případě nádorové tkáně k výraznému zhoršení léčebných výsledků při prodlužování celkové doby radioterapie (přerušování, poruchy, svátky).