Klinisk strålebiologi I

1. Klinisk strålebiologi I Dag Rune Olsen, Det Norske Radium-hospital, Universitetet i Oslo

2. Strålebiologiens ‘4 R-er’ • Radiosensitivity (beskrives av celleoverlevelseskurven) • Reparasjon (DNA-skade av repareres gjennom en rekke systemer) • Repopulasjon (tumorvekst som skylles celledeling) • Reoxygenering (bedret oksygenering av tumorceller og dermed økt strålefølsomhet) • Redistribusjon i cellesyklus (ulik strålefølsomhet gjennom cellesyklus gir ulikt celledrap) • ….

3. Molekylær strålebiologi Watson & Crick’s modell av DNA Strålingseffekt er i første rekke knyttet til skader på DNA-molekylet

4. Molekylær strålebiologi

5. Molekylære strålebiologi

6. Molekylære strålebiologi • En rekke typer DNA-skade kan oppstå etter bestråling • Enkelte av disse kan repareres; andre vil umiddelbart lede til at cellen ikke kan dele seg.

7. Stråling og kromosomskade

8. Stråling og kromosomskade

9. Stråling og kromosomskade

10. Stråling og kromosomskade

11. Molekylære strålebiologi Direkte effekt: vekselvirkning mellom stråling og materie direkte i DNA med der-påfølgende ionisasjon og trådbrudd. Indirekte effekt: Vekselvirkning med andre molekyler enn DNA med derpå-følgende radikaldannelse og trådbrudd

12. Molekylære strålebiologi Tettheten av ionisasjoner er begrenset for elektroner og fotoner. Sannsynligheten for at en direkte ionisasjon i DNA skal forekomme er derfor relativt liten.

13. Molekylære strålebiologi Enkelttrådbrudd: brudd på en av de to DNA-trådene, forårsaket av strålingsvekselvirkning eller interaksjon med radikal Dobbelttrådbrudd: samtidig brudd på begge de to DNA-trådene, og på samme nivå i molekylet.

14. Molekylære strålebiologi • Cdk (protein-kinaser, cyclin-avhengige) essensielle i cellesyklus-kontroll • Cdk må bindes til protein og aktiveres av kinaser • Cdk kan inhiberes og derved indusere cellesyklusarrest ved binding til proteiner som p53.

15. Molekylære strålebiologi Evne til apoptose synes å være en viktig parameter som påvirker total celleoverlevelse i cellekulturer,

16. Molekylære strålebiologi P53 er vist å influere på strålerespons i eksperimentelle tumorsystemer (xenograft-modeller)

17. Molekylære strålebiologi • Ingen klar sammen-heng mellom p53 status og SF2Gy • Prediksjon basert på SF2Gy eller p53 status vanskelig selv om korrelasjon med respons er vist.

18. Molekylære strålebiologi I enhver celle foreligger det en rekke mekanismer som reparerer DNA-skade etter stråling.  Reparasjons-mekanismene er trolig etablert gjennom evolusjonen Den enkleste mekanismen kalles ‘excision repair’. Restriksjons-enzymer Komplementær informasjon i motstående tråd Ligander

19. Molekylære strålebiologi Reparasjon er begrenset av raten (d.v.s. antall skader pr. tid som repareres) og kapasitet 100% Residual DNA-skade 50% tid T1/2 T1/2

20. Stråling og celleoverlevelse • Det relative antall overlevende celler er avhengig av stråledosen, d. • For å oppnå tumorkontroll må det være mindre enn en gjenlevende klonogen celle • Effekt på normalvev vil også være avhengig av antall overlevende normalceller ’a-kill’ ’b-kill’ Cell survival (SF) beskrives av ligningen: SF=e-(a•D+b•D2)

21. Surviving fraction - SF Dose (Gy) Stråling og celleoverlevelse • ’Radiation hyper-sensitivity’ (RHS) er observert av bl. annet Joiner et al. • økt celledrap ved doser i størrelse 0.25-0.75 Gy sammenlignet med konvensjonell celle overlevelse. M. Joiner at al. 2001

22. Stråling og celleoverlevelse • Cellene vil ha ulik følsomhet ovenfor stråling avhengig av hvilken del av celle-syklus de befinner seg i: • S - syntesefase • G1 og G2 - vekstfaser • M - celledelingsfasen

23. Stråling og celledød • Celler er mest strålefølsomme i og nær mitose (celledeling) • Overlevne celler etter en fraksjon blir dermed de som befinner seg i mer resistente faser i det stråling gis.

24. Stråling og celleoverlevelse ’Regneverksted’ • anta at tumorvev har en tetthet av tumorceller lik 107 pr. mm3. • anta a=0.1 og b=0.01. Hvor mange gjenlevende celler finner vi i en tumor med utgangsvolum 1 cm3 etter en dose på 2 Gy og 15 Gy ? ‘Cell survival’ (SF) beskrevet med LQ formelen: SF=e-(a•D+b•D2)

25. Stråling og celleoverlevelse ’Regneverksted’ • anta at tumorvev har en tetthet av tumorceller lik 107 pr. mm3. • anta a=0.1 og b=0.01. Beregn TCP etter en enkelt stråledose på 10 Gy. Tumorkontroll-sansynligheten (TCP) beskrives av Poisson-statistikk: SF=e-No•SF hvor er antall tumorceller

26. Tumorfysiologi og hyposki

27. Tumorfysiologi og hyposki

28. Tumorfysiologi og hyposki

29. Tumorfysiologi og hyposki Oksygeneffekten kan tilskrives: • Kronisk hypoksi: diffusjonsbetinget oksygenreduskjon • Akutt hypoksi: avklemning av kapilærer

30. Tumorfysiologi og hyposki

31. Tumorfysiologi og hyposki Diffusjonsbetinget hypoksi medfører også avtagende konsentrasjon av kjermoterapi-agens

32. Tumorfysiologi og hyposki Celler som er utsatt for lav konsentrasjon av oksygen, d.v.s. hypoksiske celler (pO2 <5 mmHg), er mindre følsom for stråling sammenlignet med celler som er eksponert for to normal pO2. Effekten av hypoksi kan beregnes ved å innføre en korreksjon av LQ-modellen: SF=e-(a•D/OER+b•D2/OER2)

33. Tumorfysiologi og hyposki • Oksygen-effekten synes å være forårsaket av fiksering av strålingsindusert DNA skade før raparasjon resituerer DNA. • Tilstedeværelse av O2 øker mengden DNA-skade og dermed celledød.

34. Tumorfysiologi og hyposki Tilstedeværelse av hypoksi er vist å påvirke behandlingsresultatet ved stålebehandling av ulike cancer diagnoser

35. Tumorfysiologi og hyposki Hypoksisk fraksjon, d.v.s. andelen av tumorceller som er hypoksiske og dermed stråleresistente varierer betydelig fra tumortype til tumortype.

36. Tumorfysiologi og hyposki • Hypoksisk fraksjon øker til ~100% rett etter bestråling. • Noen tumortyper re- oksygenerer betydelig innen 24 timer, mens andre viser en mer moderat reoksygenering. Reoksygenering være av minst like stor betydning for tumorrespons som initiell hypoksisk fraksjon

37. Tumorfysiologi og hyposki Reduksjon av hypoksisk fraksjon etter bestråling kalles repoksygenering; dette skyldes at gjenlevende celler er de som ved forrige fraksjon forbrukte O2.

38. Tumorfysiologi og hyposki Strategi for reduksjon av hypoksi: • Fraksjonering • Senzitiser (etterligner funksjonen til oksygen) • Puste inn mettet O2 eller O2 under trykk • Mild hypertermi

39. Tumorfysiologi og hyposki Tissue section prior to mild hyper-theramia Mild hypertermi dilaterer årene og øker blod flow. Dersom mild hypertermi gis før stråleterapi øker strålefølsomheten p.g.a. redusert hypoksis fraksjon. vessels Section after mild hyper-thermia treament dilated vessels