Radiation biology: dosimetry, target and molecular theories direct and indirectmolecular theories, direct and indirect action of radiation, radiation sensitivity

• Dose concepts (II/4.1)

• Dose dependence of radiation effects, target theory (Poisson distribution), molecular 

theory  (II/4.4‐4.5)

• Factors influencing radiation sensitivity (II/4.6)

• Indirect effect of radiation theory of activation of water dilution effect (p 182 +

1/20

Indirect effect of radiation, theory of activation of water, dilution effect (p. 182 + 

lecture material)

• Radiation sickness (II/4.5‐4.6)

Physical dose concepts 1

• Only the absorbed fraction of radiation leads to physical, chemical or biological effects.

• This is characterized by dose: the energy absorbed by the material during the interaction with radiation divided 

by the mass of the absorbing material.

1. Absorbed dose:

• the energy absorbed by a body of unit mass:

aED

m

• unit: J/kg=gray (Gy)

• principally the easiest way to measure Da is to detect the temperature increase induced by the absorbed 

energy (E), but: the absorption of 8 J/kg of energy is lethal in humans

38 J 2 10kJ 4 1 kgkg K

EE c m T T Kc m

• it is difficult to measure such a low temperature increase an alternative dose concept is required 

d f /k l d b l l h d h b d b

kg K

2/20

• since a dose of 8 J/kg leads to severe biological consequences, the damage has to be generated by 

molecular events, and not by heat transfer

Physical dose concepts 2

2 Exposure: the amount of positive or negative charges generated by X ray or gamma radiation in a body of unit2. Exposure: the amount of positive or negative charges generated by X‐ray or gamma radiation in a body of unit mass during electron equilibrium:

C, unit: kg

QXm

• electron equilibrium: the number of electrons entering and leaving the detected volume.g

detected volumechamber wallchamber wallenvironment

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Physical dose concepts 3

3. Kinetic energy released in material (KERMA):

• in the case of indirectly ionizing, high‐energy radiation a fraction of the evoked electrons loses its energy 

in the environment, outside the absorbing mass of ‘m’

ionization radiation damage

a fraction of the primary electrons giving off their 

absorbent

ionization  radiation damage

a fraction of the primary absorbed dose results in heating 

of the environment of the absorbing mass of ‘m’

energy in the environment of mass ‘m’ also contribute to the radiation damage of 

mass ‘m’

secondarya concept characterizing the amount of the 

primarily absorbed energy is required

secondary radiation

electrons, some of which gives off its energy in the 

environment

• definition of KERMA:  the ratio of the total initial kinetic energy of all charges particles and the mass of 

the absorbing material. In the case of high‐energy radiation: KERMA > absorbed dose

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• unit of KERMA: gray

Biological dose concepts 11. Equivalent dose:

• the physical properties of radiation (type (electromagnetic, corpuscular, what kind of particle), energy, LET)the physical properties of radiation (type (electromagnetic, corpuscular, what kind of particle), energy, LET) influence the extent of biological damage

• this is taken into account by a weighing factor which used to be called quality factor (QR), but recently its name is radiation weighing factor (wR)g g f ( R)

• definition of equivalent dose  (HT) :

• unit of equivalent dose: sievert=J/kg (Sv),T R T R

R

H w D , where wR – radiation weighing factorDT,R – the dose absorbed by a given tissue 

from a given type of radiation

Radiation and energy range wR

Photons 1

Electrons 1

Neutrons (EN<10 keV) 5

Neutrons (10 kev<EN<10 keV) 10

Neutrons (100 kev<EN<2 MeV) 20

Neutrons (2 Mev<EN<20 MeV) 10N

Neutrons (EN>20 MeV) 5

Protons, EP>2 MeV 5

a particles heavy nuclei 20

5/20

a particles, heavy nuclei 20

Biological dose concepts2. Effective dose:

• different tissues and organs exhibit different radiation sensitivity and contribute differently to the overall• different tissues and organs exhibit different radiation sensitivity and contribute differently to the overall 

radiation damage of the organism

• this is taken into account by a tissue‐specific weighing factor (wT)

• definition of effective dose (E) :

,,

T T T R T RT T R

E w H w w D

equivalent dose

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Dose dependence of radiation effects, dose‐effect (dose‐response) curves

ff h f f ( d d d) d d l ( b ) f fDose‐effect curve: the fraction of surviving (i.e. non‐inactivated, not damaged) individuals (objects) as a function of 

dose. It is often called survival curve.

0

N – surviving objectsN0 – number of all objects

1

N/N

0

often plotted on a 

dose

plogarithmic scale

Two models have been created to explain the shape of the curves:

target theory: molecular theory:

• generation of radiation damage is stochastic

• the interaction between the radiation and the 

biological object is not described molecularly

• generation of radiation damage is stochastic

• radiation damage is described molecularly; the major 

determinant of radiation damage is DNA double strand 

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• but it appropriately described the dose‐effect 

curves of molecules

break

• it is appropriate to describe radiation damage of cells

Inactivation of molecules according to the target theory in the case of one target 1

• There is one target in the molecules The volume of the target is V• There is one target in the molecules. The volume of the target is V.• The distribution of hits in volume V follows a Poisson distribution with parameter (mean value) of Vi (i – number of hits in unit volume)

• The probability that the target with a volume of V receives n hits:• The probability that  the target with a volume of V receives n hits:

nn

Vin

ViP e e

nVD

• Since i  D, with correct choice of the unit of D the equation can be written in the following form:

! !n n n

!

VDn

VDP e

n

• If k hits are required to inactive the target:q g

……..

000 hit, 

0!VDVD

P e 1

11 hit, 1!

VDVDP e

1

11 hits, 1 !

kVD

k

VDk P e

k

k or more hits

inactivated molecules

8/20

the fraction of non‐inactivated molecules:

1

00 !

nkVD

n

VDNe

N n

Inactivation of molecules according to the target theory in the case of one target 2

N/N

0

N/N

0

dosedose

The width of the shoulder of the curve increases with the number of hits required for inactivation: at low doses no molecules are inactivated (because 

the probability that a single target is hit k times is negligible (if k >> 1).

The simplest case: one target which is inactivated by a single hit

Only those molecules are not inactivated which are not hit by any radiation. Therefore, the 

fraction of surviving targets is 0

0!VD VDVDN

e eN0 0!N

If VD=1 (the number of expected hits in the radiosensitive volume is one), then

1 0.37N

eN

This dose is called D37, because 37% of the objects survive.

9/20

0N37

37 371

1   VD DV

In the case of the one target‐single hit model D37is the reciprocal of the radiosensitive volume.

Molecular theory of radiation damage 1

n, N/N

0

(A) HeLa, (B) CHO, (C) T1 cells

viving

 fractio

surv

dose (Gy)

• The curves cannot be interpreted using the target theory.

A d l i d hi h i h di i d f li ll b DNA d• A new model was required which interprets the radiation damage of mammalian cells by DNA damage.

• Evidence for the key role of DNA damage in radiation damage:

• in simple organisms there is a quantitative relationship between DNA damage and radiation damage

• in eukaryotic cells the loss of biological function correlates with single and double strand breaks in 

DNA

• DNA repair is correlated with radiation sensitivity:

10/20

p y

• cells lacking DNA repair mechanisms exhibit extreme radiation sensitivity

• agents inhibiting DNA repair increase radiation sensitivity

Molecular theory of radiation damage 2: The modelThe key event leading to radiation damage is DNA double strand break.

radiation

radiation‐generated free radicals

joint effect of two 

(see indirect effect of radiation)

formation of DSB induced by a single particlejindependent events

2D DNS

a and  – empirical constants (a and

Explanation of the term D2: the probability of the 

Molecular or linear‐quadratic model:

n, N/N

0

0

S eN

characterize DSB generated in one and two steps, respectively.

p p yjoint occurrence of two independent events. The probability of the independent events is proportional to dose (D):

2P SSB D P SSB SSB Dviving

 fractio

11/20

,  P SSB D P SSB SSB D

Surv

Dose

Direct and indirect effects of radiation

Direct effect of radiation:ff f

• the biological molecule is directly hit and inactivated by the radiation

• it is the only mechanism taking place when irradiating dried samples

it b bilit i h ll th th t f hitti l t l l h i di ti l ti• its probability is much smaller than that of hitting a solvent molecule when irradiating solutions.

Indirect effect of radiation:

• In dilute aqueous solutions the 

probability that the radiation hits aprobability that the radiation hits  a 

water molecule is much larger than the 

probability of hitting a target (e.g. 

enzyme molecule).

• Radiation leads to the generation of 

free radicals from water which reach 

and inactivate the target.

water radical

12/20

Generation of radicals from water (radiolysis of water)

Radical: an atom or molecule possessing an unpaired electron.

+ ‐2 2ionization of water: H O H O +e

waterhydrated electron (e )

Radical: an atom or molecule possessing an unpaired electron.

+ +2H 0 H +OH ‐

2e +H 0 H OH

*2 2excitation of water: H O H O H•+OH•

The most important radicals generated: H , OH , ewater p g water

Reactions of radicals:

2H• + OH•   H O2

2

R‐H + H• R• + HR‐H + H• R‐H •

2R‐H + OH• R• + H OR‐H + OH• R‐HOH•

2

2

2 2

H• + H•   HOH• + OH•   H O

damage of biological molecules (R)recombination: the reactive radicals react with each other leading to 

harmless (or less harmful) molecules.these processes

13/20

( )these processes compete with each other

Enzymes can be inactivated with a lower dose in aqueous solutions

Dried: the molecule is only inactivated if the target is directly hit.

ity (%

)

dried (water‐free)

enzyme activ

i

Aqueous solution: radicals generated from water molecules surrounding the enzyme reach and inactivate the target The target gets “bigger”inactivate the target. The target gets  bigger .ribonuclease

5 mg/ml l tisolution

dose (kGy)

14/20

Factors influencing radiation sensitivity 1

A. Quality of radiation

1. Ionization density (LET)

2. Penetrability

B. Biological variation

1. Cell cycle

2. Differentiation

C. Time factor

1. Fractionation, the role of DNA repair

b li dD. Metabolism and temperature

E. The effect of oxygen

15/20

Factors influencing radiation sensitivity 2

A. The quality of radiationq y

‐ the extent of radiation damage depends on ionization density (LET). This is characterized by relative biological effectiveness (RBE), a constant similar to quality factor (QR) and radiation weighing factor (wR). 

t bilit l h d b t di ti t t t th ki th l t t i ff t if

Relative biological effectiveness  (RBE)

‐ penetrability:  alpha and beta radiation cannot penetrate the skin they can only generate systemic effects if they can into the organism

RBE

g ff ( )The ratio of a dose of X‐ray with 250 keV energy (DR) to the dose of the test radiation (DX) required to cause the same biological effect :

R

X

DRBE

D

RBE is similar, but not identical to quality factor (QR) and radiation weighing factor (wR).

LET (keV/m)1 10 100

16/20

Factors influencing radiation sensitivity 3B. Biological variability

1 cells display different radiation sensitivity in different parts of the cell cycle (implications for radiation

cstart of the cycleM:mitosis

1. cells display different radiation sensitivity in different parts of the cell cycle (implications for radiation therapy of cancer: in cancer a higher fraction of cells is in the M phase than in normal tissue).

G1: cell growthG2: preparation for mitosis

M:mitosis

Largest radiation sensitivity: M and G2 phases

S li ti f DNA

Lowest radiation sensitivity: S phase

S: replication of DNA

2. the less differentiated the cells are, the higher their radiation sensitivity is (implications for radiation therapy of cancer: cancer cells are less differentiated than normal ones)

The radiation sensitivity of tissues based on the dependence of radiation sensitivity on cell cycle and differentiation:

tissue tissue

1 lymphatic tissue 6 blood vesselsy p

2 white blood cells, immature erythrocytes in bone marrow

7 glands, liver

3 mucous membrane of stomach and intestine 8 connective tissue

17/20

4 gametes 9 muscle tissue

5 proliferating cell layer of the skin 10 nervous tissue

Factors influencing radiation sensitivity 4

C. Time factor

• If a certain dose is given in fractions, a part of the radiation damage can be repaired between fractions the extent of radiation damage is reduced.

• Repair: primarily DNA repair, repair of double strand breaks.Repair: primarily DNA repair, repair of double strand breaks.

1

dose given in two fractionssurviving fraction if the dose would have been given in a single fraction

0.1

0 01ng fractio

n

have been given in a single fraction0.01

0.001

survivi

1 2 3 4dose (Gy)dose (Gy)

D. Metabolism and temperature

• Cells with a higher metabolic rate usually have higher radiation sensitivity.

18/20

• Since the rate of metabolism increases with temperature, a temperature increase usually leads to higher radiation sensitivity.

Factors influencing radiation sensitivity 5E. The effect of oxygen

• in the presence of O2 the amount of radiation‐generated radicals increases  higher radiation sensitivity

• OER (oxygen enhancement ratio): the ratio of doses generating an arbitrary, equal surviving fraction under hypoxic and normoxic conditions.

1 17501

0.1

ng fractio

n

17502.5

700OER

0.025hypoxic

0.01

0.001

survivin

normoxic

400 800 1200 1600dose (cGy)

2000

• cancer therapy:• malignant tumors are often hypovascularized hypoxia• radiation therapy of a hypoxic tumor is not efficient• radiation therapy of a hypoxic tumor is not efficient

normoxiahypoxiaanoxia

hypoxic tumors were cured less efficiently more patients died

19/20Source: The Oncologist, 9(Suppl. 5), 31‐40; Medscape

Radiation sickness (radiation poisoning)

Ionizing radiationradiation sickness

accumulation of mutations

development of tumors

damage of offsprings (in the 

1‐2 Gy 2‐6 Gy 6‐8 Gy 8‐30 Gy >30 Gy

d i h i i h i i i i l i i l l

case of damage of gametes)Symptoms of radiation exposure:

dominantaffected organ system

hematopoietic hematopoietic gastrointestinal gastrointestinal central nervous system

latency 28‐31 days 7‐28 days < 7 days none noney y y y

leading symptoms

white blood cell count (leukopenia), 

leukopenia,bleedings, infections, 

severe leukopenia,fever, nausea, 

high fever, nausea, vomiting diarrhea, 

seizures, ataxia tremor

fatigue epilation vomiting, diarrhea, electrolyte disturbance, 

electrolyte disturbance, shock

hypotension

mortalitywithout medical care

0‐5% 5‐100% 95‐100% 100% 100%

20/20

care

mortality with medical care

0‐5% 5‐50% 50‐100% 100% 100%

Source: Merck Manual