Skutki działania ciężkich jonów na komórki CHO-K1
description
Transcript of Skutki działania ciężkich jonów na komórki CHO-K1
SKUTKI DZIAŁANIA CIĘŻKICH JONÓW NA KOMÓRKI CHO-K1
Joanna Czub
Instytut Fizyki
Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach
Część 1: Badania prowadzone w ramach pracy doktorskiej:
zastosowanie badań dotyczących oddziaływania promieniowania z materią żywą,
cel badań, długoletnią współpracę, układ eksperymentalny, materiał doświadczalny, wyniki otrzymane na podstawie przeprowadzonych
testów biologicznych, Część 2: Kolejne badania: efekt jednoczesnego działania dwóch jonów na
materiał biologiczny, plan na przyszłość. 2
PLAN PREZENTACJI
CZĘŚĆ 1: ZASTOSOWANIE BADAŃ
radioterapia nowotworów (terapia ciężkimi jonami)
ochrona radiologiczna podczas długotrwałych lotów kosmicznych
3
CEL TERAPII I OCHRONY RADIOLOGICZNEJ
wywołanie całkowitej inaktywacji komórek
określenie konsekwencji genetycznych działania promieniowania i podjęcie środków zapobiegających
Terapia ciężkimi jonami Ochrona radiologiczna
4
Główny cel badań to poznanie skutków działania promieniowania o energiach z zakresu piku Bragga na komórki.
Kraft G. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 454 (2000)
CEL PRACY
Główny cel to:• przeprowadzenie badań radiobiologicznych
polegających na napromienieniu ciężkimi jonami węgla lub neonu materiału biologicznego,
• określenie biologicznych skutków oddziaływania ciężkich jonów o niskiej energii (tj. o wysokim LET) na materiał biologiczny,
Osiągnięcie tego celu wymagało:• uruchomienia odpowiedniego stanowiska
eksperymentalnego dedykowanego eksperymentom radiobiologicznym z wykorzystaniem ciężkich jonów z cyklotronu warszawskiego,
• przeprowadzenia serii testów biologicznych na napromienionych komórkach. 5
DŁUGOLETNIA WSPÓŁPRACA Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu
Warszawskiego (ŚLCJ UW):
• J.Choiński, zespół obsługujący cyklotron,J.Choiński, zespół obsługujący cyklotron, Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku:
• M.Jaskóła, A.Korman, M.Jaskóła, A.Korman, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW):
• Z.Szefliński Z.Szefliński (1) (1) wraz ze współpracownikami, U.Kaźmierczak,wraz ze współpracownikami, U.Kaźmierczak, Uniwersytet Jana Kochanowskiego (UJK) w Kielcach:
• Instytut Fizyki: D.BanaśD.Banaś(2)(2), J.Braziewicz,, J.Braziewicz,
• Instytut Biologii: A.LankoffA.Lankoff(3)(3), H.Lisowska, A.Wójcik, H.Lisowska, A.Wójcik(4)(4),, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) w Warszawie:
• I.Buraczewska, A.WójcikI.Buraczewska, A.Wójcik(4)(5)(4)(5),, Świętokrzyskie Centrum Onkologii (ŚCO) w Kielcach:
• J.Braziewicz, pracownicy Zakładu Fizyki Medycznej i J.Braziewicz, pracownicy Zakładu Fizyki Medycznej i
Diagnostyki Obrazowej ŚCO. Diagnostyki Obrazowej ŚCO.
(1)ŚLCJ (obecnie), (2)ŚCO ; (3)ICHTJ (obecnie również); (4) GMT Department, Stockholm University, Sweden (obecnie również); (5) w okresie przeprowadzania eksperymentów
6
UKŁAD EKSPERYMENTALNY
wiązka:• wyprowadzenie do atmosfery• jednorodne natężenie w przekroju poprzecznym 95% na powierzchni rzędu 1cm x 1cm
powierzchnia napromieniana (komórki):• napromienianie powierzchni o rozmiarze 6 cm x 6
cm• monitoring on-line dawki deponowanej w materiale
biologicznym
7
UZYSKANIE WIĄZKI 1 CM X 1 CM stosowane rozwiązania - rozmycie wiązki z
akceleratora:• wielokrotne rozproszenia w folii rozpraszającej
8
UKŁAD EKSPERYMENTALNY - REALIZACJA
cyklotron izochroniczny
www.slcj.uw.edu.pl
hala eksperymentalna
www.slcj.uw.edu.pl
wykorzystano do napromieniania komórek jony 12C lub 20Ne
UKŁAD EKSPERYMENTALNY – REALIZACJA
9
stanowisko eksperymentalne - szkic stanowisko eksperymentalne - widok
nr 1. specjalna szalka Petiego z komórkami w pożywcenr 2. stolik pomiarowynr 3. zakończone folią havarową wyjście jonowodunr 4. kamera internetowa nr 5. płytka podtrzymująca nr 6. miejsce na detektor pod kątem 00 względem pierwotnego kierunku padania wiązki
rozkład natężenia jonów określony eksperymentalnie przy użyciu detektorów półprzewodnikowych (200 i 00) – pomiar profilu wiązek
profil wiązki to stosunek liczby zliczeń detektora 00
do liczby zliczeń detektora 200
wyniki pomiarowe przedstawiono na rysunkach
10
108
64
2
108
64
2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
108
64
2
108
64
2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
zlic
zen
ia 0
0 / zlic
zeni
a 2
00
x - pozycja (m
m)
12C 438 keV/m
y - pozycja (mm)
24
68
10
1
2
3
4
5
6
7
108
64
2
20Ne 1017 keV/m
zlic
zeni
a 00
/zlic
zeni
a 20
0
x - pozycja (m
m)
y - pozycja (mm)
jednorodność 95%
POMIARY PROFILI WIĄZEK
SPOSÓB NAPROMIENIANIA TARCZY 6 CM X 6 CM
wiązka pozostaje nieruchoma szalka jest przesuwana o
szerokość wiązki aż napromieniony zostanie obszar 6 cm x 6 cm
11
Przesuwanie szalki – stolik pomiarowy xyz, zmienia pozycję w wyniku reakcji na impuls elektryczny generowany po zarejestrowaniu określonej liczby zliczeń przez detektor 200
Schemat układu elektronicznego
PROGRAM STERUJĄCY STOLIKIEM POMIAROWYM
Cel: poruszanie stolikiem zgodnie z wytyczoną trasą
12
Założenia: wiązka
monoenergetyczna (jedna wartość LET)
LET na grubości komórki jest stałe
zmiana LET na grubości komórki
Etap wstępny (dozymetria on-line)
Etap szczegółowy (dozymetria off-line)
13
Dawka zmieniana na podstawie zliczeń detektora 200
'3-9 20 0
' 220
1 1( ) 1.6 10 suma suma
suma
N NdE keV cmD Gy C
dx m g N cm
'20 0
0 '20
suma sumasuma
suma
N NN N
N
9-9
01
1( ) 1.6 10 j
k j j k
dED Gy C N
dx
2
'0
0 0 '0
''020 0
0 ' '20 0
gdzie
(1 )509.6
( 0.5 )
jj suma
suma
jsuma sumaj
suma suma
S cmC
S mm
NN N
N
NN NN
N N
DOZYMETRIA
POMIARY ODNIESIENIA
pomiar zachowania układu biologicznego napromienianego wiązką referencyjną ze źródła 60Co (aparat terapeutyczny Theratron 780C) w ŚCO
dawka określona została zgodnie z procedurami medycznymi tj. IAEA report 277
14
źródło kobaltowe
www.onkol.kielce.pl
MATERIAŁ BIOLOGICZNY
linia komórkowa CHO-K1 (Chinese Hamster Ovary) z jajnika chomika chińskiego
cechy CHO-K1: szybkie tempo wzrostu:
12-14 h cykl komórkowy zdolność do tworzenia
kolonii 22 chromosomy
hodowla komórek w szalkach Petriego ICHTJ (eksperymenty w
Warszawie) IB UJK (eksperymenty w
Kielcach)15
www.atcc.org
ZASTOSOWANE TESTY BIOLOGICZNE
test przeżywalności cel: określenie przeżycia komórek po
zaabsorbowaniu dawki promieniowania test aberracji chromosomowych
cel: określenie poziomu uszkodzeń strukturalnych chromosomów spowodowanych promieniowaniem
test mikrojądrowy: cel: określenie poziomu mikrojąder
spowodowanych promieniowaniem w komórkach dwujądrowych
testy przeprowadzono zgodnie ze standardowymi procedurami 16
TEST PRZEŻYWALNOŚCI WYNIKI – FRAKCJA PRZEŻYWAJĄCA W FUNKCJI DAWKI
mniejsza frakcja komórek przeżywających po zastosowaniu jonów niż promieniowania
model LQ (linear quadratic):
-nienaprawialne uszkodzenia
-naprawialne uszkodzenia
17
Rodzajpromieniowania
Energia na wejściu do komórki(MeV)
LET na wejściu do komórki
(keVm-1)
(Gy-1) (Gy-2) R2 RBEM
12C 33.2 438 0.70.06 0.050.04 0.99 4.0520.3 576 0.610.13 0.010.07 0.97 3.679.1 832 0.520.06 0.94 3.03
20Ne 56.2 1017 0.450.03
0.96 2.62
34.7 1245 0.380.03 0.97 2.2215 1616 0.360.03 0.97 2.05
60Co 0.170.04 0.020.01 0.96 1
SF = exp(-D-D2)
Oldham M. Phys. Educ. 36, 460 (2001)
0 1 2 3 4 5 6 7
0.01
0.1
1
frak
cja
prz
ezyw
ajac
a
dawka (Gy)
60Co 12C 438 keV/m
12C 576 keV/m
12C 832 keV/m
20Ne 1017 keV/m
20Ne 1245 keV/m
20Ne 1616 keV/m
TEST PRZEŻYWALNOŚCI WYNIKI - WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ BIOLOGICZNA
RBE=f(LET): brak
zróżnicowania na typ jonów (LET: ~400-1600 keV/m)
18
10 100 1000
2
3
4
5
6
7
8
9
171 keV/m
153 keV/m
a)
RB
EM
LET (keV/m)
12C
20Ne
40Ar
56Fe
12C
20Ne
10 100 1000
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
171 keV/m
153 keV/m
b)
12C
20Ne
40Ar
56Fe
12C
20Ne
RB
E10
%
LET (keV/m)
Weyrather W.K. et al. Int. J. Rad. Biol. 75,11 (1999)
Mehnati P. et al. J. Rad. Res. 46 (2005)
TEST ABERRACJI CHROMOSOMOWYCHWYNIKI – LICZBA ABERRACJI W FUNKCJI DAWKI
większa skuteczność indukowania aberracji przez ciężkie jony niż promieniowanie
fit LQ model:
(Evans H.J. Phys.Med.Biol. 17, 1(1972))
c-poziom aberracji spontanicznych
-współczynnik nienaprawialnych uszkodzeń 19
aberracje/komórkę = c + D
0 1 2 3 4 5 6 70.0
0.5
1.0
1.5
calk
ow
ita
liczb
a ab
erra
cji/
kom
ork
edawka (Gy)
12C 9.1 MeV
60Co
TEST MIKROJĄDROWY WYNIKI – MN/BNC W FUNKCJI DAWKI Mikrojądra to małe
struktury widoczne w cytoplazmie
fit LQ model:
-nienaprawialne uszkodzenia
-naprawialne uszkodzenia
MN – mikrojądra BNC – komórki
dwujądrowe 20
MN/BNC = D + D2 (Słonina D. Rad. Environ. Biophys.42 (2003))
Komórka z dwoma jądrami
Komórka z dwoma jądrami i 1 mikrojądrem
PODSUMOWANIE – CZĘŚĆ 1
uruchomiony został układ eksperymentalny przeznaczony do badań radiobiologicznych z użyciem ciężkich jonów z cyklotronu warszawskiego,
przeprowadzono trzy testy biologiczne z użyciem komórek CHO-K1,
otrzymane wyniki pozwoliły na: uszczegółowienie relacji RBE-LET w zakresie LET ~400-
1600 keV/m wskazując na brak zróżnicowania na typ jonów,
21
CZĘŚĆ 2 - PRZEŻYWALNOŚĆ KOMÓREK NAPROMIENIANYCH WIĄZKĄ DWÓCH JONÓW
Cel: określenie efektu jednoczesnego działania dwóch
jonów o różnym LET na komórki Wykorzystywane jony:
Jony węgla Jony tlenu
22
ZASTOSOWANIE BADAŃ
promieniowanie słoneczne (solar flares) protony (80%), jony helu (5-
10%),ciężkie jony i elektrony (1%)
galaktyczne promieniowanie kosmiczne (wybuchy supernowych) protony (85%), jony helu (14%),
cięższe jony (1%) – węgla, żelaza, tlenu, neonu
energia:100 MeV-1020 eV
procesy fragmentacji jonów
Ochrona radiologiczna astronautów
Radioterapia ciężkojonowa
23
Stelzer H. Nucl.Phys. B 61B (1998)
WSPÓŁPRACA Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu
Warszawskiego (ŚLCJ UW):
• Z.Szefliński wraz ze współpracownikami, zespół obsługujący Z.Szefliński wraz ze współpracownikami, zespół obsługujący cyklotron,cyklotron,
Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku:
• M.Jaskóła, A.Korman, M.Jaskóła, A.Korman, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW):
• U.Kaźmierczak,U.Kaźmierczak, Uniwersytet Jana Kochanowskiego (UJK) w Kielcach:
• Instytut Fizyki: D.BanaśD.Banaś(1)(1), J.Braziewicz, , J.Braziewicz,
• Instytut Biologii: A.LankoffA.Lankoff(2)(2), H.Lisowska, A.Wójcik,, H.Lisowska, A.Wójcik, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) w Warszawie:
• M.Kruszewski, M.Wojewódzka,M.Kruszewski, M.Wojewódzka, Świętokrzyskie Centrum Onkologii (ŚCO) w Kielcach:
• J.Braziewicz, pracownicy Zakładu Medycyny NuklearnejJ.Braziewicz, pracownicy Zakładu Medycyny Nuklearnej GMT Department, Stockholm University, Sweden:
• A.Wójcik.A.Wójcik.
(1)ŚCO ; (2)ICHTJ;
24
WIĄZKA DWUJONOWA - OTRZYMYWANIE
Wiązka dwujonowa dostarczana jest przez cyklotron ŚLCJ
Zasada działania cyklotronu: wykorzystanie zachowania naładowanej cząstki w polu
elektrycznym i magnetycznym zapewnienie spełnienia warunku synchroniczności
pomiędzy częstością cyrkulacji cząstki w polu magnetycznym (częstością cyklotronową), a częstością oscylacji pola elektrycznego
Częstość cyklotronowa (fc): fc =
Odpowiednio dobierając stosunek q/m dla jonów węgla i tlenu przyspieszamy jednocześnie dwa jony w cyklotronie:
25
2mqB q – ładunek
B – indukcja magnetycznam - masa
jony węgla jony tlenu
q= 3 m=12 u q = 4 m=16 u
q/m = 1/4 q/m=1/4
źródło jonówpodłączone do zbiorników
z 12C i 16O
WIĄZKA DWUJONOWA – 1-SZY TEST
Po raz pierwszy wiązkę dwujonową otrzymaliśmy w 2006 r.
Widmo energetyczne:
26
Dane z pracy magisterskiej T. Adamus, UW, 2007
WIĄZKA DWUJONOWA – KOLEJNE EKSPERYMENTY
Wiązkę dwujonową po raz kolejny otrzymaliśmy i wykorzystaliśmy do napromieniania materiału biologicznego w 2012 r. i 2013 r.
Wykorzystywane jony: Jony węgla:
energia = 68 MeV (na wejściu do komórek), LET= 265 keV/m.
Jony tlenu: energia = 91 MeV (na wejściu do komórek), LET= 456 keV/m.
Profil wiązki – jednorodność 95%
27
komórki CHO-K1 – Chinese Hamster Ovary
UKŁAD EKSPERYMENTALNY I MATERIAŁ DOŚWIADCZALNY
standardowy układ eksperymentalny materiał doświadczalny
28 www.atcc.org
ww
w.slcj.u
w.e
du
.pl
DOZYMETRIA
Dawka zmieniana na podstawie sumy zliczeń detektora pod kątem 200
Etap wstępny (dozymetria on-line)
29
Założenie: wiązka dla pojedynczych jonów jest monoenergetyczna LET na grubości komórki jest stałe oraz
DOZYMETRIA
Dawka jest obliczana na podstawie:
Etap szczegółowy (dozymetria off-line)
30
zmiana LET na grubości komórki
WIĄZKA DWUJONOWA – TEST BIOLOGICZNY
Po napromienieniu komórek skutki są badane używając testu przeżywalności.
Celem tego rodzaju testu jest określenie frakcji komórek przeżywających po zaabsorbowaniu dawki promieniowania.
Na podstawie tych danych wykreślana jest krzywa przeżywalności będąca relacją między frakcją komórek przeżywających napromienianie a dawką promieniowania zaabsorbowanego.
31
ADDYTYWNOŚĆ CZY SYNERGIA Znając krzywe przeżywalności dla wiązki mieszanej
oraz osobno dla wiązki węgla i tlenu określimy czy uzyskany efekt jest rezultatem addytywnym czy synergicznym.
Efekt addytywny Efekt addytywny występuje wtedy, gdy liczba uszkodzeń powstałych przy jednoczesnym działaniu dwóch czynników (A – 12C3+, B – 16O4+) jest równa sumie uszkodzeń spowodowanych oddzielnie przez czynnik A i B.
Efekt synergiczny Efekt synergiczny występuje wtedy, gdy liczba uszkodzeń powstałych przy jednoczesnym działaniu dwóch czynników (A i B) jest większa niż suma ich oddzielnego działania.
Efekt antagonistyczny Efekt antagonistyczny występuje wtedy, gdy liczba uszkodzeń powstałych przy jednoczesnym działaniu dwóch czynników (A i B) jest mniejsza niż suma ich oddzielnego działania.
32
(Berek S. et al. Gynecologic oncology 2009)
(Jeremic B. Advances in Radiation Oncology in Lung Cancer 2012)
(Jeremic B. Advances in Radiation Oncology in Lung Cancer 2012)
ADDYTYWNOŚĆ CZY SYNERGIA - IZOBOLOGRAM
Opierając się na otrzymanych krzywych przeżywalności dla czynnika A – węgiel i czynnika B – tlen rysujemy izobologram (podpunkt (b))
33
Streffer C. et al. IJRB 1987
Tannock I. et al. The basic science of oncology 2004
ADDYTYWNOŚĆ CZY SYNERGIA - IZOBOLOGRAM
IzobologramIzobologram (rys. (b)) łączy dawki dwóch czynników A i B, przy których oczekuje się, że dadzą ten sam efekt biologiczny (np. przeżywalność 20%), kiedy używane są razem.
Dawki odczytywane są z krzywych przeżywalności dla czynnika A i B, przy danym poziomie przeżycia.
Z powodu rozważań dotyczących nałożenia lub nienałożenia na siebie uszkodzeń powstają dwie krzywe I i II, które zakreślają otoczkę addytywności (envelope of additivity).
Dane eksperymentalne (tj. po napromienieniu komórek wiązką mieszaną) ulokowane wewnątrz otoczki addytywności wskazują na efekt addytywny.
Dane poza otoczką na efekt synergiczny lub antagonistyczny.
34Streffer C. et al. IJRB 1987
PRZEGLĄD LITERATURY W literaturze efekt addytywny i synergiczny jest badany od dawna. W
większości badań wykorzystywano promieniowanie rtg, neutrony. A – addytywność, S - synergia
35
Reference Agent A Agent B Result
Barendsen et al. 1960
X-rays 210Po (α) A
Raju & Jett 1974 X-rays 239Pu (α) A
Railton et al. 1975 60Co n S
Durand & Olive 1976 X-rays n S
Ngo et al. 1977 X-rays n S
Ngo et al. 1981 X-rays 10Ne S
Bird et al. 1983 X-rays 2H, 3He S
Higgins et al. 1983 60Co n S
Higgins et al. 1984 60Co n S
Joiner et al. 1984 X-rays n S
McNally et al. 1984 X-rays n S
McNally et al. 1988
X-rays 239Pu (α) A
Reference Agent A
Agent B Result
Ngo et al. 1988 X-rays 10Ne, 18Ar SBrooks et al. 1990 X-rays 238Pu (α) SSuzuki 1993 60Co n SKanai et al. 1997Kanai et al. 1997 33HeHe,,44HeHe 1212CC AAWuttke et al. 1998
X-rays n A
Furusawa et al.2002
X-rays 18Ar, 4Si,56Fe A
Demizu et al. 2004
X-rays 12C A
Sutherland et al. Sutherland et al.
20052005pp 2828SiSi AA
Zhou et al. 2006Zhou et al. 2006 pp 5656Fe, Fe, 4848TiTi SSBennett et al. Bennett et al. 20072007
pp 5656Fe, Fe, 4848TiTi SS
Hada et al. 2007Hada et al. 2007 pp 5656FeFe SSPhoenix et al. 2009
60Co 238Pu (α) A
Elmore et al. 2011Elmore et al. 2011 pp 5656FeFe AA
Tabela od Staff E., Szwecja
PODSUMOWANIE – CZĘŚĆ 2
Planujemy: Napromienianie komórek wiązką węgla i osobno wiązką
tlenu Wykreślenie krzywych przeżywalności Określenie rezultatu: addytywność czy synergizm
36
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
37