Krótkie Krótkie wprowadzenie do wprowadzenie do

radiobiologiiradiobiologiiProseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UWProseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UW

15.11.200515.11.2005

Janusz HarasimowiczJanusz Harasimowicz

Efekty działania Efekty działania promieniowaniapromieniowania 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

Poziom molekularnyPoziom molekularny Uszkodzenia bezpośrednie: zderzenie

cząstki promieniowania z nicią DNA. Uszkodzenia pośrednie: oddziaływanie

produktów radiolizy wody (wolnych rodników) znajdującej się w jądrze komórkowym z DNA.

Uszkodzenia DNAUszkodzenia DNA

OH

H

OHH

.

uszkodzenieuszkodzeniepośredniepośrednie

uszkodzenieuszkodzeniebezpośredniebezpośrednie

DNADNA

.

Uszkodzenia pośrednieUszkodzenia 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.

Uszkodzenia DNAUszkodzenia 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.

Efekt tlenowyEfekt 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.

Częstości uszkodzeń DNACzęstości uszkodzeń DNA

Rodzaj uszkodzeniaRodzaj uszkodzenia

Liczba Liczba uszkodzeńuszkodzeń

spontanicznych spontanicznych w komórce na w komórce na

godzinęgodzinę

Liczba Liczba uszkodzeńuszkodzeń

w komórce naw komórce na1 Gy1 Gy

Pęknięcie podwójnoniciowe

< 1 40

Pęknięcie pojedynczoniciowe

5 . 103 1000

Utrata zasady 1.5 . 103 950

Uszkodzenie zasady 1.25 . 103

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

Poziom komórkiPoziom komórki

Schemat cyklu Schemat cyklu komórkowegokomórkowego M – mitoza G0 – faza „spoczynku”

komórek zróżnicowanych G1 – faza poprzedzająca

syntezę DNA S – synteza DNA G2 – faza poprzedzająca

mitozę

cytoplazma

GG00

GG22 GG11

SS

MM

jądro

Śmierć mitotycznaŚmierć mitotyczna Śmierć komórki

związaną z przejściem przez mitozę nosi nazwę śmierci mitotycznej lub reprodukcyjnej.

Przyczyną śmierci mitotycznej są zaburzenia morfologii chromosomów zwane aberracjami chromosomowymi.

dicentrykfragmenty

acentrycznetranslokacja

Śmierć mitotycznaŚmierć 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.

Śmierć interfazalnaŚmierć interfazalna Śmierć interfazalna komórek następuje

w 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)

Przeżywalność komórekPrzeżywalność komórekIlościowa 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?

Test prze ywalnoż ści - schemat eksperymentu

komórki w hodowli

trypsyna

zawiesinakomórek

inkubacja: 1 - 2 tygodnie

rozsianie

100 200 300 400

0 Gy 1 Gy 2 Gy 3 Gy

liczba kolonii:wydajność klonowania:frakcja przeżywalności:

70 70%

1

60 -

0,42

50 -

0,23

40 -

0,14

frakcja prze ywalnoż ści (SF)

SF =liczba kolonii

liczba komórek x PE/100

PE = wydajność klonowania

Test przeżywalnościTest przeżywalności

Krzywe przeżywalnościKrzywe przeżywalności

2,00 4,03,01,0 5,0

0,1

DQ

D0 D0

D0

D0

0,037

1

Dawka (Gy)

Prz

eżyw

aln

ość

krzywa 1

krzywa 2= 1,5 Gy

= 0,6 Gy

DQ = miara szerokości ramienia

D0 = miara promieniowrażliwości = dawka, która powoduje obniżenie przeżywalności do 37% mierzona na prostej

promieniowrażliwość

+

-

małe D0

duże D0

Opis krzywej Opis krzywej przeżywalnościprzeżywalności

Model liniowo Model liniowo kwadratowykwadratowy

P(s) = e(-αD - βD2)

β

α= określa (w Gy) równy stosunek części liniowej i kwadratowej krzywej

β

αduża wartość : dominuje składnik liniowy – niska zdolność regeneracyjna – małe DQ

mała wartość : dominuje składnik kwadratowy – wysoka zdolność regeneracyjna – duże DQ

Dose (Gy)

uszkodzenia typu one-hit – prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D

uszkodzenia typu two-hit– prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D2

Model liniowo Model liniowo kwadratowy c.d.kwadratowy c.d. Krzywa przeżywalności opisana

równaniem:N = N0 . exp(-D - Dd)

N – liczba komórek przeżywającychN0 – początkowa liczba komórek

D – dawka całkowitad – dawka frakcyjna

Stosunek / określa wrażliwość komórek na zmianę dawki frakcyjnej.

Frakcjonowanie dawkiFrakcjonowanie dawki

Dawka podawana we frakcjach z odstępem czasu pozwalającymna kompletną naprawę uszkodzeń powodujeodtworzenie ramienia krzywej.

Frakcjonowanie dawki Frakcjonowanie dawki c.d.c.d.

jedna frakcja

wielkośćfrakcji (Gy)

0,6

dwie frakcje

0,4

trzy frakcje

0,2

cztery frakcje

Model liniowo Model liniowo kwadratowy c.d.kwadratowy c.d.

Ograniczona stosowalność modelu dla dużych i małych dawek !!!

Przeżywalność komórekPrzeżywalność komórek4 R-y radioterapii (Ron Withers, 1975)4 R-y radioterapii (Ron Withers, 1975)

RepairRepair Komórki prawidłowe dzielą się wolniej odnowotworowych, mają więc więcej czasu nanaprawę uszkodzeń zanim wejdą w mitozę.Ergo: są bardziej promieniooporne.

RedistributionRedistribution Dzielące się intensywnie komórki nowotworowezatrzymują się w fazie G2, która jest najbardziejwrażliwą fazą cyklu komórkowego.Ergo: wzrost wrażliwości, ponieważ każda

następnafrakcja trafia komórki w G2.

ReoxygenationReoxygenation Promieniooporne komórki hipoksyczne (niskipoziom tlenu, zatrzymanie w cyklu) ulegająutlenieniu i wchodzą w cykl.

RepopulationRepopulation Długi czas trwania terapii pozwala na odnowękomórkową w tkankach zdrowych.

Poziom organizmuPoziom organizmuW 1977 roku Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP) zaleciła rozróżnianie 2 kategorii skutków popromiennych w organizmach żywych: skutków stochastycznych skutków deterministycznych

Efekty stochastyczneEfekty 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.

Efekty deterministyczneEfekty 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.

Efekty działania Efekty działania promieniowaniapromieniowania

Efekty stochastyczne

Dawka [Gy]

Czę

stoś

ć w

ystą

pien

ia e

fekt

u

Efekty deterministyczne

Dawka [Gy]

Czę

stoś

ć w

ystą

pien

ia e

fekt

u

Stopień ostrości niezależny od dawki

Bezprogowa zależność od dawki

Stopień ostrości zależny od dawki

Progowa zależność od dawki

Różne typy Różne typy promieniowaniapromieniowania

Względna skuteczność Względna skuteczność biologicznabiologiczna 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.

Liniowy przekaz energii Liniowy przekaz energii (LET)(LET) LET określa energię ΔE przekazaną

materii 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.

RBE vs LETRBE vs LET

RBE dla neutronów i RBE dla neutronów i fotonówfotonów

RBE vs energy for gamma rays

RBE vs energy for neutrons

Dawka równoważnaDawka 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.

Czynniki wagowe wCzynniki wagowe wRR

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

BibliografiaBibliografia 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/