Krótkie wprowadzenie do radiobiologii

1. Krótkie wprowadzenie do radiobiologii Proseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UW 15.11.2005 Janusz Harasimowicz

2. Efekty działania promieniowania • Poziom molekularny: • uszkodzenia pośrednie i bezpośrednie • Poziom komórki: • śmierć mitotyczna i interfazalna • śmierć apoptotyczna i nekrotyczna • Poziom organizmu: • efekty stochastyczne i deterministyczne • wczesne i późne skutki napromienienia • Różne typy promieniowania

3. Poziom molekularny • Uszkodzenia bezpośrednie: zderzenie cząstki promieniowania z nicią DNA. • Uszkodzenia pośrednie: oddziaływanie produktów radiolizy wody (wolnych rodników) znajdującej się w jądrze komórkowym z DNA.

4. DNA uszkodzenie pośrednie H O . . H OH H uszkodzenie bezpośrednie Uszkodzenia DNA

5. Uszkodzenia pośrednie • Cząstki promieniowania jonizują wodę: H2O → H2O+ + e– • Zjonizowana cząsteczka wody może np. połączyć się z uwolnionym elektronem, tworząc cząsteczkę wzbudzoną: H2O+ + e–→ H2O* • Na skutek jej rozpadu powstają produkty silnie reagujące ze związkami chemicznymi wchodzącymi w skład komórek organizmu: H2O* → H. + OH.

6. Uszkodzenia DNA • Proporcje między bezpośrednim i pośred-nim efektem działania promieniowania na DNA zależą od rodzaju promieniowania. • W przypadku promieniowania o małej gęstości jonizacji, np. X, uszkodzenia DNA w 70-90% powstają na skutek działania pośredniego. • Ze względu na dużą gęstość jonizacji, neutrony, protony i cząstki alfa uszkadzają DNA w ponad 90% w sposób bezpośredni.

7. Efekt tlenowy • Decydujący wpływ na udział efektu pośredniego ma cząstkowe ciśnienie tlenu w komórce. Tlen reagujez powstałym na skutek radiolizy wody rodnikiem wodoru, co prowadzi do powstania niestabilnego rodnika wodoro-nadtlenkowego: H. + O2→ HO2. • Reagując z drugim takim rodnikiem lub z rodnikiem wodoru, tworzy on nadtlenek wodoru, cząsteczkę silnie utleniającą, powodującą liczne uszkodzenia DNA: 2HO2.→ H2O2 + O2 HO2. + H.→ H2O2 • Stwierdzono, że podwyższenie cząstkowego ciśnienia tlenu może wzmocnić skutek promieniowania.

8. Częstości uszkodzeń DNA D. Billen, Spontaneous DNA damage and its significance for „negligible dose” controversy in radiation protection, Radiat. Res., 124, 242 (1990).

9. Poziom komórki

10. Schemat cyklu komórkowego • M – mitoza • G0 – faza „spoczynku” komórek zróżnicowanych • G1 – faza poprzedzająca syntezę DNA • S – synteza DNA • G2 – faza poprzedzająca mitozę cytoplazma jądro M G0 G1 G2 S

11. fragmenty acentryczne translokacja dicentryk Śmierć mitotyczna • Śmierć komórki związaną z przejściem przez mitozę nosi nazwę śmierci mitotycznej lub reprodukcyjnej. • Przyczyną śmierci mitotycznej są zaburzenia morfologii chromosomów zwane aberracjami chromosomowymi.

12. Śmierć mitotyczna • Powstałe zlepy chromosomów nie zostają wcielone do jądra komórek potomnych, lecz pozostają w cytoplazmie, tworząc tzw. mikrojądra. • Podczas kolejnej mitozy następuje ich utrata, co powoduje ubytek informacji genetycznej i śmierć komórki. • Dopóki komórka nie podzieli się, aberracje chromosomowe pozostają w stanie utajonym, często nie zmieniając jej morfologii i metabolizmu.

13. Śmierć interfazalna • Śmierć interfazalna komórek następujew dowolnej części cyklu i zachodzi w ciągu od kilku do kilkudziesięciu godzin po napromienieniu. • Dwa rodzaje śmierci interfazalnej: • śmierć apoptotyczna (aktywna) • śmierć nekrotyczna (poważne uszkodzenia)

14. Przeżywalność komórek Ilościowa ocena wpływu promieniowania na populację komórkową: jaka część populacji zachowa po napromienianiu zdolność do namnażania się, tj. zdolność wytworzenia kolonii zawierających ≥50 komórek po czasie odpowiadającym 5-6 podziałom komórkowym?

15. Test przeżywalności

16. - + promieniowrażliwość Krzywe przeżywalności DQ = miara szerokości ramienia D0 = miara promieniowrażliwości = dawka, która powoduje obniżenie przeżywalności do 37% mierzona na prostej duże D0 małe D0

17. Opis krzywej przeżywalności

18. (-αD - βD2) P(s) = e α α β β Model liniowo kwadratowy uszkodzenia typu one-hit – prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D uszkodzenia typu two-hit – prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D2 Dose (Gy) = określa (w Gy) równy stosunek części liniowej i kwadratowej krzywej duża wartość : dominuje składnik liniowy – niska zdolność regeneracyjna – małe DQ mała wartość : dominuje składnik kwadratowy – wysoka zdolność regeneracyjna – duże DQ

19. Model liniowo kwadratowy c.d. • Krzywa przeżywalności opisana równaniem: N = N0. exp(-aD - bDd) N – liczba komórek przeżywających N0 – początkowa liczba komórek D – dawka całkowita d – dawka frakcyjna • Stosunek a/b określa wrażliwość komórek na zmianę dawki frakcyjnej.

20. Dawka podawana we frakcjach z odstępem czasu pozwalającym na kompletną naprawę uszkodzeń powoduje odtworzenie ramienia krzywej. Frakcjonowanie dawki

21. wielkość frakcji (Gy) 0,2 0,4 0,6 jedna frakcja dwie frakcje trzy frakcje cztery frakcje Frakcjonowanie dawki c.d.

22. Ograniczona stosowalność modelu dla dużych i małych dawek !!! Model liniowo kwadratowy c.d.

23. Przeżywalność komórek 4 R-y radioterapii (Ron Withers, 1975) • Repair Komórki prawidłowe dzielą się wolniej od nowotworowych, mają więc więcej czasu na naprawę uszkodzeń zanim wejdą w mitozę. Ergo: są bardziej promieniooporne. • Redistribution Dzielące się intensywnie komórki nowotworowe zatrzymują się w fazie G2, która jest najbardziej wrażliwą fazą cyklu komórkowego. Ergo: wzrost wrażliwości, ponieważ każda następna frakcja trafia komórki w G2. • Reoxygenation Promieniooporne komórki hipoksyczne (niski poziom tlenu, zatrzymanie w cyklu) ulegają utlenieniu i wchodzą w cykl. • Repopulation Długi czas trwania terapii pozwala na odnowę komórkową w tkankach zdrowych.

24. Poziom organizmu W 1977 roku Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP) zaleciła rozróżnianie 2 kategorii skutków popromiennych w organizmach żywych: • skutków stochastycznych • skutków deterministycznych

25. Efekty stochastyczne • Efekt stochastyczny (np. nowotwór) jest niezależny od dostarczonej dawki i jest sprawą przypadku. • Wraz ze wzrostem dawki wzrasta jednak prawdopodobieństwo wystąpienia efektu stochastycznego. • Nie można wskazać progu (>0), poniżej którego efekt nie wystąpi. • Natura i stopień nasilenia efektu stochastycznego wynika wyłącznie z rodzaju uszkodzenia materiału genetycznego komórki i jej funkcjiw organizmie.

26. Efekty deterministyczne • Efekty deterministyczne to zmiany w tkankach lub narządach wynikające ze śmiertelnego uszkodzenia pewnej liczby komórek. • Stopień nasilenia efektu deterministycznego jest wprost proporcjonalny do liczby zabitych komórek.

27. Efekty działania promieniowania Stopień ostrości niezależny od dawki Bezprogowa zależność od dawki Stopień ostrości zależny od dawki Progowa zależność od dawki

28. Różne typy promieniowania

29. Względna skuteczność biologiczna • RBE to stosunek dwóch dawek pochłoniętych promieniowania różnego rodzaju lub energii wywołujących taki sam skutek biologiczny. • Promieniowaniem odniesienia jest najczęściej promieniowanie X generowane przy napięciu 250 kV. • Powód, dla którego RBE zależy od rodzaju i energii promieniowania, leży w różnym przekazywaniu energii ośrodkowi.

30. Liniowy przekaz energii (LET) • LET określa energię ΔE przekazanąmaterii podczas przebycia przez cząstkę promieniowania drogi Δl: LET = ΔE / Δl • Przykładowe wartości LET: • 2 keV/μm dla promieni X generowanych przy napięciu 250 kV; • 4.7 keV/μm dla protonów o energii 10 MeV; • 100 keV/μm dla neutronów o energii 14 MeV; • 166 keV/μm dla cząstek α o energii 2.5 MeV.

31. RBE vs LET

32. RBE dla neutronów i fotonów RBE vs energy for neutrons RBE vs energy for gamma rays

33. Dawka równoważna • Dawka równoważna H dla danego narządu lub tkanki obliczana jest ze średniej dawki pochłoniętej D za pomocą wzoru: HT = ΣR(wRDTR) DTR jest dawką promieniowania typu R pochłoniętą przez tkankę T, a wR są czynnikami wagowymi różnych typów promieniowania. • Jednostką dawki równoważnej jest sivert.

34. Czynniki wagowe wR Type and energy range Radiation weighting factor wR Photons, all energies 1 Electrons and muons, all energies 1 Neutrons, energy < 10 keV 5 10 keV to 100 keV 10 100 keV to 2 MeV 20 2 MeV to 20 MeV 10 >20 MeV 10 Protons, other than recoil protons, energy > 2 MeV 5 Alpha particles, fission fragments, heavy nuclei 20

35. Bibliografia • I. Szumiel, A. Wójcik, Działanie promieniowania jonizującego na materię żywą, w: Praca pod redakcją A. Z. Hrynkiewicza, Człowiek i promieniowanie jonizujące, PWN, Warszawa 2001. • A. Wójcik, Biologiczne podstawy promieniowania, Szkoła Radioterapii, Kielce 2005. • A. Wójcik, Model liniowo kwadratowy, Szkoła Radioterapii, Kielce 2005. • P. Kukołowicz, Model liniowo kwadratowy: spojrzenie fizyka, Szkoła Radioterapii, Kielce 2005. • P. Kukołowicz, Mathematical basis of radiotherapy, Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine, 3rd International Summer Student School, Dubna 2005. • J. Billowes, Radiological Protection, http://nuclear.ph.man.ac.uk/~jb/n03/