krótkie wprowadzenie do radiobiologii
DESCRIPTION
Krótkie wprowadzenie do radiobiologii. Proseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UW 15.11.2005 Janusz Harasimowicz. Efekty działania promieniowania. Poziom molekularny: uszkodzenia pośrednie i bezpośrednie Poziom komórki: śmierć mitotyczna i interfazalna - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/1.jpg)
Krótkie Krótkie wprowadzenie do wprowadzenie do
radiobiologiiradiobiologiiProseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UWProseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UW
15.11.200515.11.2005
Janusz HarasimowiczJanusz Harasimowicz
![Page 2: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/3.jpg)
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.
![Page 4: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/4.jpg)
Uszkodzenia DNAUszkodzenia DNA
OH
H
OHH
.
uszkodzenieuszkodzeniepośredniepośrednie
uszkodzenieuszkodzeniebezpośredniebezpośrednie
DNADNA
.
![Page 5: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/5.jpg)
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.
![Page 6: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/6.jpg)
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.
![Page 7: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/7.jpg)
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.
![Page 8: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/8.jpg)
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).
![Page 9: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/9.jpg)
Poziom komórkiPoziom komórki
![Page 10: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/11.jpg)
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
![Page 12: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/12.jpg)
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.
![Page 13: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/13.jpg)
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)
![Page 14: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/14.jpg)
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?
![Page 15: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/17.jpg)
Opis krzywej Opis krzywej przeżywalnościprzeżywalności
![Page 18: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
![Page 20: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/20.jpg)
Frakcjonowanie dawkiFrakcjonowanie dawki
Dawka podawana we frakcjach z odstępem czasu pozwalającymna kompletną naprawę uszkodzeń powodujeodtworzenie ramienia krzywej.
![Page 21: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/21.jpg)
Frakcjonowanie dawki Frakcjonowanie dawki c.d.c.d.
jedna frakcja
wielkośćfrakcji (Gy)
0,6
dwie frakcje
0,4
trzy frakcje
0,2
cztery frakcje
![Page 22: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/22.jpg)
Model liniowo Model liniowo kwadratowy c.d.kwadratowy c.d.
Ograniczona stosowalność modelu dla dużych i małych dawek !!!
![Page 23: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/23.jpg)
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.
![Page 24: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/24.jpg)
Poziom organizmuPoziom organizmuW 1977 roku Międzynarodowa Komisja Ochrony Radiologicznej (ICRP) zaleciła rozróżnianie 2 kategorii skutków popromiennych w organizmach żywych: skutków stochastycznych skutków deterministycznych
![Page 25: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/25.jpg)
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.
![Page 26: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/26.jpg)
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.
![Page 27: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/28.jpg)
Różne typy Różne typy promieniowaniapromieniowania
![Page 29: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/29.jpg)
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.
![Page 30: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/30.jpg)
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.
![Page 31: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/31.jpg)
RBE vs LETRBE vs LET
![Page 32: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/32.jpg)
RBE dla neutronów i RBE dla neutronów i fotonówfotonów
RBE vs energy for gamma rays
RBE vs energy for neutrons
![Page 33: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/33.jpg)
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.
![Page 34: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Krótkie wprowadzenie do radiobiologii](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022062305/56814902550346895db634f5/html5/thumbnails/35.jpg)
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/