BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ :

1. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ : lineárně-kvadratický model a nové radiobiologické poznatky  molekulární a subcelulární mechanismy  buněčná smrt, signální cesty apoptózy  radiobiologické modely  možnosti využití v radioterapii, nukleární medicíně, radiační ochraně Vojtěch U l l m a n n f y z i k Klinika nukleární mediciny FN Ostrava Ústav zobrazovacích metod FZS OU Ostrava

2. Záření - důležitý přírodní fenomén

3. Záření - důležitý přírodní fenomén

4. Záření - důležitý přírodní fenomén + elektrické (vnitřní a vnější fotoefekt), fotochemické (fotografie, fotosyntéza)

5. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S LÁTKOU Přímo ionizující záření a , b-,+, protonové Braggův pík Nepřímo ionizující záření - gama , X

6. INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S LÁTKOU Fyzikálně-chemické účinky ionizujícího záření Čím složitější molekuly ozařovaná látka obsahuje, tím větší a různorodější jsou chemické účinky. Nejsložitější chemické sloučeninyživá tkáň Biologické účinky ionizujícího záření : atomární a molekulární úroveňsubcelulární úroveňúčinek na buňkyna celý organismus

7. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Účinky ionizujícího záření na buňky Silné ozáření (stovky Gy)rozklad biochemických molekul, denaturace bílkovin, okamžitý zánik buňek (v interfázi) - nekróza buněk Slabší ozáření (desetiny-jednotky Gy)zanedbatelný účinek na cytoplasmu, dominantní radiobiologický účinek je na DNA - může vyústit v mitotickou smrt buňky - apoptóza, nebo změnu genetické informace - mutace

8. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Účinky ionizujícího záření na buňky - subcelulární

9. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Účinky ionizujícího záření na buňky - mechanismy buněčné smrti - Apoptóza - vnitřně řízená („programovaná“) smrt poškozených nebo nadbytečných buněk -hlavní mechanismus radiobiologického účinku při nízkých dávkách (desetiny-jednotky Gy) Autofagie - sebe-pozření („samo-sežrání“) buněk Nekróza - přímý zánik (odumření, zničení) buněk. - u ozáření až při velmi vysokých dávkách (desítky-stovky Gy) Senescence - stárnutí buněk, zkracování telomerů, ztráta schopnosti dělení buněk Mitotická katastrofa - důsledek chybné mitózy

10. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Účinky ionizujícího záření na organismus

11. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Vztah radiační dávky a biologického účinku Prahová dávka pro deterministické účinky je odrazem značné funkční rezervy tkání a orgánů. Zabíjení buněk zářením nastává i při nižších dávkách, avšak zbylé buňky stačí pokrýt funkční potřebu  somaticky se neprojeví. Při vyšších dávkách než prahových je překročena funkční rezerva  chybějící počet buněk se somaticky projeví nemoc z ozáření.

12. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Vztah radiační dávky a biologického účinku - radiobiologické modelování - Funkční vyjádření přežívajícího počtu buněk N z původně ozářeného počtu N0, resp. dávkové závislosti frakce přežívajících buněk [N/N0](D). Výchozí předpoklady: Zlom jednoho vlákna DNA - úspěšná reparace přežití buňky. Zlom obou vláken DNA - obtížná reparace  zpravidla zánik buňky (apoptóza). Po ozáření množiny N0 buněk přežívá N buněk, přičemž N/N0 ~ e-(počet letálních poškození)- Poissonova statistika.

13. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Vztah radiační dávky a biologického účinku - lineárně-kvadratický model - Dvojný zlom DNA může být způsoben dvěma druhy procesů: a-proces: zásah jedné ionizující částice, která zlomí zároveň obě vlákna DNA. Počet ireverzibilně poškozených buněk je zde přímo úměrný dávce - lineární závislost na dávce D. N = N0.e-a.D, kdeaje průměrná pravděpodobnost a-poškození na jednotku dávky (a0,1¸0,8 Gy-1) . b-proces: časově blízké zásahy dvou nezávislých ionizujících kvant, při nichž každé z nich zlomí jedno vlákno DNA. Počet radiačně poškozených buněk je zde úměrný druhé mocnině dávky - kvadratická závislost na dávce D. N = N0.e-b.D2, kde b je průměrná pravděpodobnost b-poškození na čtverec jednotky dávky (b0,01¸0,1 Gy-2). Celková pravděpodobnost přežití buňky při uplatnění obou procesů bude pak dána součinem jednotlivých pravděpodobností, což vede k výslednému exponenciálnímu zákonu: N = N0.e-(a.D + b.D2) přežívající frakce buněk -ln(N/N0) = a.D + b.D2 - lineárně-kvadratická závislost.

14. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Lineárně-kvadratický (LQ) model Zákonitosti lineárně-kvadratického modelu jsou implicitně obsaženy i v účincích stochastických

15. Vztah radiační dávky a biologického účinku LQ model - časové faktory, efekt dávkového příkonu Buněčná reparaceZa každý elementární časový interval Dt, během něhož buňky obdrží dávku DD=D.Dt/T a poškodí se přitom N.b.DD2 buněk, se zároveň stačí zregenerovat N.l.Dt buněk, kde parametr l je rychlost buněčné reparace (l = ln2/T1/2, kdeT1/2 je poločas reparace). Integrací od t=0 do T: N(t) = N0.e-RG(t).b.D(t)2, kde RG(t,l) = [2/D(t)2].0ňtR(t).dt .0ňt'R(t').e-l.(t-t')dt'  2.[(1-e-l.T).(1-1/l.T)]/l.T je zobecněná tzv. Lea-Catchesidova funkce. Repopulace buněkVedle exponenciálního poklesu počtu buněk v důsledku radiačního poškození dochází průběžně k náhradě zaniklých buněk dělením buněk přežilých. Za časový interval Dt vzroste počet N stávajících buněk o N.n.Dt, kde n je rychlost buněčné repopulace; často se používá čas zdvojení T2r= ln2/n počtu buněk repopulací. Integrací se získá exponenciální zákon růstu počtu buněk repopulací N = N0.en.T. Výsledný LQ model: -ln(N/N0) = a.D + {2.[(1-e-l.T).(1-1/l.T)]/l.T}.b.D2 - ln2.T/T2r b-proces, v koprodukci s buněčnou reparací a repopulací, způsobuje tzv. efekt dávkového příkonu: biologický účinek ionizujícího záření závisí nejen na celkové absorbované dávce, ale i na dávkovém příkonu. Nízký dávkový příkon (LDR)  vysoký počet reparací, křivka přežívající frakce buněk je poměrně plochá menší biologický účinek Vysoký dávkový příkon (HDR)  větší pravděpodobnost, že i zlom druhého vlákna DNA nastane dříve, než proběhne oprava prvního zlomu  letální poškození buněk větší biologický účinek

16. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Hyper-radiosenzitivita k nízkým dávkám záření Přesný mechanismus zatím neznáme. Pravděpodobná hypotéza: radiačně indukovaná reparace zvýšenou produkcí enzymů v G2 fázi. Nízká dávka: reparace neprobíhá  check-point apoptóza Vyšší dávka: účinnější homologní reparace buňky přežívají Vysoká dávka:  standardní LQ model Relativně zvýšená citlivost buněk k nízkým dávkám, než by odpovídalo LQ modelu Doplnění standardního LQ modelu o exponenciální složku s ahyper>a  IndRep model - model radiačně indukované reparace: N/N0 = e-[a(D).D+b.D2],a(D) = a + (ahyper-a).e-D/Dhyper, kombinace dvou LQ modelů s různými a-citlivostmi [dvě různé směrnice na křivce N/N0(D)], sloučených do jedné rovnice; nazývá se někdy IndRep model (indukované reparace).

17. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Hyper-radiosenzitivita k nízkým dávkám záření Jaký má význam v biologických aplikacích a radiační ochraně ? Relativně zvýšená citlivost buněk k nízkým dávkám, než by odpovídalo LQ modelu Terapie ionizujícím zářením : Zvyšuje radiobiologický efekt v pozdních stádiích permanentní intersticiální brachyterapie a biologicky cílené radioisotopové terapie Snížení podílu „zbytečné odpadní“ dávky (wasted dose) Radiační ochrana : Účinnější likvidace buněk apoptózou při slabém ozáření - obranný mechanismus proti mutagenním účinkům ionizujícího záření: buňky ozářené nízkou dávkou zahynou, místo aby přežívaly s poškozenou genetickou informací „mrtvá poškozená buňka = dobrá buňka“ ??

18. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Bystander - efekt Radiobiologické experimenty s velmi tenkými ostře kolimovanými svazky („micro-beam“) záření a ukázaly: Radiační poškození jedné buňky může indukovat poškození i některých okolních buněk, které nebyly ozářeny. Okolní přímo nezasažené buňky nejsou „nezúčastněným pozorovatelem - bystander“ radiačního poškození ozářených buněk, ale jsou též „vtaženy“ do tohoto procesu! Dvě úrovně bystander-efektu: - Mezibuněčný - Vnitrobuněčný - přímé poškození DNA není nezbytné pro spuštění intracelulárních mechanismů poškození. I v případě ozáření cytoplasmy může vzniknout jakási "dálkově indukovaná" odezva (bystander response), vedoucí k radiačnímu poškození buněk - apoptóze či genetickým změnám. Bystander efekt byl pozorován s použitím velmi tenkých "mikrosvazků" nabitých částic, především a a protonů, bylo však prokázáno i na X-záření mikro-fokus rentgenka, synchrotron. X-záření

19. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Bystander - efekt Jaký má význam v biologických aplikacích a radiační ochraně ? Radiační poškození jedné buňky může indukovat poškození i některých okolních buněk, které nebyly ozářeny. Terapie ionizujícím zářením : Zvyšuje se počet usmrcených buněk N/N0 = e-B.(a.D+b.D2) e-a‘.D+b‘.D2),kdea´=B.a ,b´=B.b , B>1 LQ model pro praktické použití zůstává nezměněn. Bystander efekt nemění základní principy a závislosti LQ modelu, způsobuje jen rozdíly v radiosenzitivitě mezi buněčnou a tkáňovou úrovní. Bystander efekt může mírně korigovat nehomogenitu prozáření cílového objemu. Radiační ochrana : Zvýšení potenciální mutagenity u nízkých dávek záření ..?..

20. BIOLOGICKÉ ÚČINKY IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - RADIOTERAPIE Mnoholamelový multi-leaf kolimátor MLC Izocentrická tele - radioterapie 60Co,137Csurychlovač Micro- MLC Binární MLC Počítačové plánování radioterapie Stereotaktická radioterapie Gama - nůž Tomoterapie Hadronová radioterapie brachyterapie - afterloading

21. TECHNICKÝ POKROK V RADIOTERAPII - 2. tomoterapie - sterotaktická radioterapie: gama-nůž - kybernetický gama-nůž

22. CyberKnife - FN Ostrava fantomová měření s Iris-kolimátorem

23. TECHNICKÝ POKROK V RADIOTERAPII - 3. hadronová radioterapie Braggův pík Braggovy křivky závislosi hloubkové distribuce dávky v tkáni (vodním fantomu) pro různé kinetické energie protonů (vlevo) a jader 12C (uprostřed). Vpravo: Příklad hloubkové závislosti radiobiologického účinku (přežilé frakce buněk) při ozáření tkáně (s radiosenzitivitou a~0,35) protonovým svazkem 150MeV

24. V čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě ? raná fáze apoptózy: - přestavba buněčné stěny (cytoplasmatické membrány) - - membránová depolarizace - - odkrytí fosfo-lipidových řetězců - - zvýšená permeabilita membrány - pozdní fáze apoptózy: - porušení integrity buněčné stěny - - rozpad buňky na fragmenty - - fagocytóza -

25. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii - raná detekce apoptózy -

26. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii - raná detekce apoptózy - Radioindikátor [18F] - ML10 dodává firma IBA - Aposense (Belgium-USA) Radioindikátor Annexin V si laboratoře většinou značí samy ve spolupráci s biochemickými ústavy kit dodává firma BD PharMingen, USA Snímky: F.G.Blankenberg Dept. of radiology Stanford, California Clinical case NAS 2021, Middelheim Hospital, Antwerp, Belgium

27. Biologicky cílená radionuklidová terapie otevřenými zářiči „nejtěsnější možná brachyterapie“ - permanentní, na buněčné úrovni - permanentní intersticiální brachyterapie dočasná brachyterapie - afterloading M I R D

28. Biologicky cílená radionuklidová terapie otevřenými zářiči M I R D(Medical Internal Radiation Dose) Celotělová scintigrafie 24 hod. po aplikaci 3,7GBq 131I

29. Podrobněji je problematika rozebírána na www-stránkách: „AstroNuklFyzika“ Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie http://AstroNuklFyzika.cz www.AstroNuklFyzika § 5.2. Biologické účinky ionizujícího záření § 3.6. Radioterapie Konec prezentace

31. RTG diagnostika Nukleární medicína Radioterapie • SPOJUJÍ SVÉ SÍLY V BOJI PROTI NÁDOROVÝM ONEMOCNĚNÍM:  Diagnostika nádorového onemocnění s použitím klasických (klinických) i zobrazovacích metod - RTG (planárních a CT), ultrasonografických, zobrazení nukleární magnetickou rezonancí, gamagrafie planární, SPECT a PET.  Přesná lokalizace a zacílení nádorového ložiska, stanovení jeho povahy.  Anatomický rozsah - staging - (TNM) - odhalení metastáz (scinti skeletu)  Rozhodnutí o způsobu léčby, v případě radioterapie stanovení požadované kanceroletální radiační dávky v cílové tkáni, vypracování ozařovacího plánu. Vlastní aplikace záření v naplánovaných frakcích.  Monitorováníradiačních dávek a odezvy tkání.  Diagnostika výsledků terapie (podobnými prostředky jako v první etapě). • Do asi r.2000 tyto oblasti spolupracovaly jen "off-line", "na dálku", bez přímého propojení • (pouze s příp. fúzí obrazů z různých modalit) • Technický a metodický pokrok v každém radiologickém oboru probíhal • do značné míry nezávisle: • 

32. TECHNICKÝ POKROK V RTG DIAGNOSTICE Rotující anoda Rentgenka Straton Digitální subtrakční angiografie Poslední vývoj: CT s 2 rentgenkami - DSCT : Dual Source a Dual Energy CT - diferenciální densitní analýza

33. TECHNICKÝ POKROK V RTG DIAGNOSTICE Elektronické digitální zobrazení - „flat - panely“ flat-panely se používají i v radioterapeutických ozařovačích IGRT Poslední vývoj: CT s 2 rentgenkami - DSCT : Dual Source a Dual Energy CT - diferenciální densitní analýza

34. DSCT : Dual Source a Dual Energy CT Další technické zdokonalení CT spočívá v konstrukci přístrojů, které mají 2 rentgenky - dva systémy rentgenka/detektor (uložené kolmo k sobě), které mohou snímat současně. Zařízení se označuje jako Dual Source CT (DSCT). Může pracovat ve dvou základních režimech, poskytujících dvě výhody: ¨1.Obě rentgenky pracují při stejném napětí Ţ"zdvojený systém" - zvýšení rychlosti a zkrácení akvizičního času se snížením časového rozlišení na cca 80ms. To má význam zvláště u CT srdce (s vyšší tepovou frekvencí). ¨ 2.Obě rentgenky pracují při různém anodovém napětí(např. 140kV a 80kV) Ţmožnost snímání s dvojí energií (DECT - Dual Energy CT): každá z obou rentgenek vytváří X-záření o rozdílné energii. Získáme tak dva různé denzitní obrazy téhož místa. To umožňuje nejen lépe kvantifikovat distribuci density, ale navíc stanovovat složení tkání pomocí diferenciální densitní analýzy - podobné analýzy densitních obrazů, jako u metody DEXA (Dual Energy X-ray Absorptiometry, viz níže "Kostní densitometrie"). Poskytuje to nejen detailní snímky anatomie, ale perspektivně to umožní rozlišovat různé druhy tkáně (odlišit např. kosti, cévy, tkáň tukovou), či kvantifikovat distribuci kontrastní látky v myokardu (a posoudit funkční ovlivnění při morfologickém postižení věnčitých tepen).

35. TECHNICKÝ POKROK V ZOBRAZOVACÍCH METODÁCH - neradiační modality - Nukleární magnetická rezonance NMRI (MRI) Ultrazvuková sonografie

36. TECHNICKÝ POKROK V NUKLEÁRNÍ MEDICÍNĚ Pohybový scintigraf Scintilační gama-kamera Gamakamera PET - pozitronová emisní tomografie

37. TECHNICKÝ POKROK V RADIOTERAPII - 1. Mnoholamelový multi-leaf kolimátor MLC Izocentrická tele - radioterapie 60Co,137Csurychlovač Micro- MLC Binární MLC Počítačové plánování radioterapie Stereotaktická radioterapie Gama - nůž Tomoterapie Hadronová radioterapie brachyterapie - afterloading

38. TECHNICKÝ POKROK V RADIOTERAPII - 2. tomoterapie - sterotaktická radioterapie: gama-nůž - kybernetický gama-nůž

39. TECHNICKÝ POKROK V RADIOTERAPII - 3. hadronová radioterapie Braggův pík Braggovy křivky závislosi hloubkové distribuce dávky v tkáni (vodním fantomu) pro různé kinetické energie protonů (vlevo) a jader 12C (uprostřed). Vpravo: Příklad hloubkové závislosti radiobiologického účinku (přežilé frakce buněk) při ozáření tkáně (s radiosenzitivitou a~0,35) protonovým svazkem 150MeV

40. POKROK V OBLASTI ELEKTRONIKY A PŘÍSTROJOVÉ TECHNIKY  HYBRIDNÍ KOMBINACE - fúze radiologických technologií - 1. FÚZE ZOBRAZOVACÍCH MODALIT - hybridní zobrazovací systémy - SPECT+CT , PET+CT , NMRI+CT 2. INTEGRACE ZOBRAZOVACÍCH AOZAŘOVACÍCHTECHNOLOGIÍ IMRT IGRT , stereotaktická radioterapie, tomoterapie , hadronová terapie

41. FÚZE ZOBRAZOVACÍCH MODALIT - hybridní zobrazovací systémy - SPECT+CT , PET+CT , NMRI+CT scintigrafie + C T SPECT/PET Poskytuje obraz funkce (metabolismu, dynamiky) Poskytuje obraz denzity (anatomie, lokalizace) Funkčně - anatomická korelace - zpřesnění diagnostiky - CT  PET+CT PET fúze

42. FÚZE ZOBRAZOVACÍCH MODALIT - hybridní zobrazovací systémy - SPECT+CT C T SPECT

43. FÚZE ZOBRAZOVACÍCH MODALIT - hybridní zobrazovací systémy - PET + CT C T PET

44. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Primární nádorová diagnostika - scintigrafie: planární, SPECT, PET  Anatomický rozsah - staging - (TNM) - odhalení metastáz (scinti skeletu)  Upřesnění ozařovacího plánu - CTV,PTV - viabilní nádorová tkáň  Diagnostika výsledků terapie - kvantifikace obrazů tumoru (SUV)  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii  Dispenzarizace po terapii

45. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii - raná detekce apoptózy

46. raná fáze apoptózy: - přestavba buněčné stěny (cytoplasmatické membrány) - - membránová depolarizace - - odkrytí fosfo-lipidových řetězců - - zvýšená permeabilita membrány - pozdní fáze apoptózy: - porušení integrity buněčné stěny - - rozpad buňky na fragmenty - - fagocytóza -

47. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii - raná detekce apoptózy -

48. v čem může nukleární medicína přispět radioterapii a onkologické léčbě?  Monitorování biologické odezvy tkáně na terapii - raná detekce apoptózy - Radioindikátor [18F] - ML10 dodává firma IBA - Aposense (Belgium-USA) Radioindikátor Annexin V si laboratoře většinou značí samy ve spolupráci s biochemickými ústavy kit dodává firma BD PharMingen, USA Snímky: F.G.Blankenberg Dept. of radiology Stanford, California Clinical case NAS 2021, Middelheim Hospital, Antwerp, Belgium

49. INTEGRACE ZOBRAZOVACÍCH A OZAŘOVACÍCHTECHNOLOGIÍ - on-line IGRT , tomoterapie , hadronová terapie ZOBRAZENÍ + OZÁŘENÍ CT/PET/NMRI IGRT Poskytuje obraz denzity (anatomie, lokalizace, objem cílové tkáně) - umožní korekci ozařovacího plánu Provede ozáření přesně modulovaným svazkem IGRT - obrazem řízená radioterapie Přesně cílená konformní radioterapie

50. INTEGRACE ZOBRAZOVACÍCH A OZAŘOVACÍCHTECHNOLOGIÍ - on-line IGRT - obrazem řízená radioterapie ZOBRAZENÍ + OZÁŘENÍ CT/PET/NMRI IGRT