Dr n. med. Michał Spych

Zakład Radioterapii Katedry Onkologii

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

BIOLOGICZNE PODSTAWY

RADIOTERAPII

DNA (KWAS DEZOKSYRYBONUKLEINOWY)

DNA

jest:

 nośnikiem informacji genetycznej

 jedynym materiałem używanym do tego celu przez żywe organizmy

 zbudowany jest z 2 antyrównoległych łańcuchów
polinukleotydowych.

 podstawową jednostką budowy służącą jednocześnie za „literę”
zapisu jest nukleotyd.

BUDOWA JĄDRA KOMÓRKOWEGO

Jądro komórkowe zawiera materiał genetyczny – DNA, w
kompleksie z białkami (chromatyna)

BUDOWA KOMÓRKI ZWIERZĘCEJ

CYKL KOMÓRKOWY

 przejście przez cykl komórkowy monitorowane jest przez cztery
punkty kontrolne: G1, S, G2 i punkt kontrolny wrzeciona
podziałowego

 wykrycie uszkodzeń DNA prowadzi do zatrzymania cyklu w celu
naprawy DNA

WPŁYW PROMIENIOWANIA NA CYKL KOMÓRKOWY

Komórka z uszkodzonym DNA zatrzymuje się w cyklu, aby umożliwić
naprawę uszkodzeń przed wejściem w fazę S i M.

blok
G2/M

MECHANIZM DZIAŁANIA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA TKANKI

Działanie promieniowania na komórki:
Oddziaływanie promieniowania na układy biologiczne prowadzi do
zmiany ich struktury komórkowej.
Najbardziej wrażliwe są komórki słabo zróżnicowane, często dzielące
się.
Komórki wysoko wyspecjalizowanych narządów rzadko lub wcale nie
dzielą się i są znacznie mniej wrażliwe.

Mechanizmy odpowiedzialne za działanie promieniowania jonizującego
na komórkę:

 wytwarzanie w cytoplazmie wolnych rodników (głównie produktów
radiolizy wody),

 zmiany w przepuszczalności barier komórkowych (zaburzenia
transportu i niewłaściwe rozmieszczenie w cytoplazmie jonów i
cząstek),

 zmiany w układach enzymatycznych,

 oddziaływanie na cykl mitotyczny,

 uszkodzenia DNA.

Większość uszkodzeń indukowanych fotonami może ulec
naprawie.

Promieniowanie X lub γ pada na

układ biologiczny

pierwsze oddziaływanie z elektronem

e

sz

yb

ki

ele

ktr

on

elektron traci energię

wzdłuż toru

zmiany chemiczne

uszkodzenia

biologiczne

drugie oddziaływanie z

elektronem

jo

n

iz

a

cj

a

w

zb

u

d

z

e

n

ie

ro

ze

rw

a

n

ie

w

ią

za

ń

cz

ą

st

.

cie

p

ło

e

itd.

Całkowite pochłonięcie energii padającego fotonu X lub γ następuje po ok. 30 kolejnych aktach takiego
oddziaływania.

Rodzaj

procesu

Czas

wystąpie

nia

Efekt

Fizyczny

10

-11

- 10

-9

sekundy

Jonizacja, dysocjacja, dyfuzja, powstawanie

rodników, powstawanie par elektronów,

jonów.

Chemiczny

10

-2

sekundy

Radioliza, polimeryzacja, utlenianie.

Biologiczny

sekundy -

dni

Zmiany przepuszczalności błon

komórkowych,

utlenianie grup SH, pękanie

chromosomów.

Medyczny

dni - lata

Zaburzenia czynnościowe: tkanki chłonnej,

szpiku, gruczołów hormonalnych, zmiany

zwyrodnieniowe soczewki, przewodu

pokarmowego, zmiany zapalne skóry.

FAZY ODDZIAŁYWANIA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA ORGANIZM

1. Pochłaniane energii przez struktury komórkowe.

cząstki naładowane wchodząc w głąb tkanki wytracają swoją

energię.

2. Oddziaływanie elektryczne.

energia pochłonięta przez materię jonizuje i pobudza cząsteczki –

głównie wody.

wewnątrz komórek powstają różne cząstki naładowane.

zmiany odbywają się zgodnie z oddziaływaniem promieniowania

jonizującego z materią.

wytraceniu energii towarzyszy efekt Comptona, fotoelektryczny

oraz zjawisko kreacji par.

3. Zmiany fizyko-chemiczne.

powstałe w wyniku powyższych zmian cząstki naładowane są

nietrwałe i oddziaływują ze sobą biorąc udział w wielu
różnorakich reakcjach chemicznych.

największe biologiczne znaczenie ma radioliza – rozkład wody,

który prowadzi do powstawania nowych cząsteczek,
tzw. wolnych rodników.

inne komórki i cząsteczki m. in. DNA też ulegają jonizacji i

przeobrażeniom.

FAZY I EFKTY ODDZIAŁYWANIA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA ORGANIZM
c.d.

5. Skutki biologiczne.

prowadzą do zmian typu:

obumarcie komórek,
wadliwe funkcjonowanie narządów,
zmiany genetyczne.

mogą objawiać się po kilku sekundach jak i po wielu latach od

napromieniania jako:
choroba nowotworowa,
mutacje genetyczne.

w wyniku zbyt silnego napromieniania może dojść do śmierci

organizmu.

4. Zmiany chemiczne.

wolne rodniki jako bardzo aktywne zarówno chemicznie jak i

biologicznie oddziaływują z innymi cząsteczkami,
przyczyniając się do powstawania kolejnych reakcji.

im tkanka bardziej utleniona i uwodniona, tym więcej reakcji w

niej zachodzi – efekt tlenowy.

POWSTAWANIE BIOLOGICZNYCH SKUTKÓW PROMIENIOWANIA

Tłumaczy się przy pomocy dwóch teorii oddziaływania
promieniowania jonizującego:
1. Teoria „pocisku i tarczy” bezpośredniego oddziaływania – 20
% uszkodzeń.

uszkodzenie
pojedynczej nici

uszkodzenie
podwójnej nici

2. Teoria oddziaływania pośredniego chemiczno-
biologicznego – 80 % uszkodzeń.

POWSTAWANIE BIOLOGICZNYCH SKUTKÓW PROMIENIOWANIA c.d.

Teoria „trafienia w cel”
Opiera się na założeniu, że uszkodzenie biologiczne istotnej funkcji,
a co za tym idzie, uszkodzenie komórki powstaje gdy jedno lub
więcej „trafień” kwantu energii lub cząstki promieniowania dotyczy
szczególnie

promienioczułych

części

komórki

–

jądra

komórkowego:

chromosomów,

genów,

kwasów nukleinowych.

Teoria „radiochemiczna”
Zakłada, że kluczowe znaczenie w patogenezie uszkodzeń odgrywa
woda – główny składni systemów biologicznych – który ulega
radiolizie.

RADIOLIZA WODY

Elektrony pierwotne lub wtórne przechodząc przez środowisko wodne powodują zmiany chemiczne
molekuł poprzez ich:

jonizację,

wzbudzanie.

W przypadku jonizacji:
1. H

2

O H

2

O

+

+e- e-

aq

2. H

2

O

+

.OH + H

+

3. H

2

O +e- H

2

O

.

4. H

2

O

.

OH

.

+ .H

W przypadku wzbudzenia:
H

2

O H

2

O

+

.OH + H

+

.OH, .H i e-

aq

to elementy bardzo aktywne chemicznie

.OH i .H – wolne rodniki

RADIOLIZA WODY c.d. – WOLNE RODNIKI

WOLNE RODNIKI:

Cząsteczki, w których pojawił się niesparowany elektron

Są dominującym mechanizmem powodującym uszkodzenia DNA

Mają bardzo krótki czas życia –

μs

- obszar zniszczeń o średnicy

10-2

μm

Inicjują szereg dalszych reakcji, które mogą doprowadzić do

uszkodzenia lub upośledzenia czynnościowo ważnych organelli
komórkowych.

W szczególności połączenie dwóch rodników .OH
.OH + .OH H

2

O

2

nadtlenek wodoru, bardzo silny utleniacz o niszczącym działaniu.

MECHANIZMY POPROMIENNEJ ŚMIERCI KOMÓRKOWEJ

Rodzaje śmierci
komórkowej

podział morfologiczny:

 nekroza

 apoptoza

podział fizjologiczny:

 śmierć interfazalna

 śmierć mitotyczna
(reprodukcyjna)

Podstawowe założenie klasycznej teorii biologicznych podstaw
radioterapii:

najważniejszym mechanizmem śmierci popromiennej
jest śmierć mitotyczna



śmierć interfazalna (interphase death)

Śmierć przed osiągnięciem pierwszej mitozy, w interfazie. Jest
następstwem uszkodzenia metabolizmu komórki. Proces opisywany
jako typowa śmierć apoptotyczna.



śmierć mitotyczna (reprodukcyjna) (mitotic death)

Śmierć po przejściu komórki przez mitozę. Jest następstwem utraty
zdolności komórki do nieograniczonej liczby podziałów.
Bezpośrednią przyczyną śmierci mitotycznej jest osiągnięcie tzw.
krytycznego poziomu niestabilności genetycznej.

śmierć
mitotyczna

śmierć interfazalna



nekroza (z gr. necrosis – martwica)

Bierny proces degeneracyjny. W komórce dochodzi do zniesienia aktywnego
transportu jonów przez błonę komórkową. Z płynu zewnątrzkomórkowego do
cytoplazmy komórki przedostaje się coraz więcej cząsteczek wody, komórka
pęcznieje, następnie pęka, a cała jej zawartość wylewa się na zewnątrz, co
wywołuje reakcję obronną (immunologiczną) organizmu. W efekcie dochodzi do
rozwoju stanu zapalnego.



apoptoza (z gr. apoptosis – opadanie, więdnięcie liści)

Aktywny proces degeneracyjny wymagający dużych nakładów energii. Aktywowany
genetycznie. W jądrze komórkowym dochodzi do kondensacji i fragmentacji
chromatyny oraz cytoplazmy. Komórka kurczy się i dzieli. Powstają tzw. „ciałka
apoptotyczne” zawierajace resztki cytoplazmy, organelle komórkowe oraz
fragmenty chromatyny. Ciałka apoptotyczne zostają sfagocytowane przez komórki
żerne. W efekcie nie dochodzi do rozwoju stanu zapalnego.

Apoptoza

nazywana jest często programowaną śmiercią komórki

( PCD – Programmed Cell Death )

ponieważ jej wystąpienie jest

uwarunkowane genetycznie. I choć oba te procesy mają identyczny
przebieg, zaleca się używanie pojęcia programowanej śmierci komórki
w odniesieniu do embriogenezy, natomiast terminu apoptoza do
śmierci
komórki pod wpływem czynników zewnętrznych (np. promieniowania
jonizującego)

SKUTKI PROMIENIOWANIA

Dawka
progowa

SKUTKI PROMIENIOWANIA c.d.

Skutki deterministyczne (pewne)

są następstwem śmierci pewnej liczby komórek, których struktura

została zniszczona przez promieniowanie w stopniu
uniemożliwiającym dalsze ich funkcjonowanie i podział,

występują wyłącznie po przekroczeniu pewnej dawki progowej,

ich nasilenie zależy od dawki.

Objawy kliniczne:

oparzenie popromienne (rumień skóry)

choroba popromienna

katarakta

wypadanie włosów.

Skutki stochastyczne

ich źródłem są zmiany w pojedynczych komórkach,

prawdopodobieństwo ich wystąpienia jest wprost proporcjonalne do

dawki promieniowania, ale nie ma związku z natężeniem objawów
klinicznych.

Przykłady:

nowotwory,

zmiany dziedziczne.

SKUTKI PROMIENIOWANIA c.d. - FAZY CHOROBY POPROMIENNEJ

 prodromalna
(zwiastunowa)

•rumień

•wymioty

•biegunka

 latencji
(utajnienia)

•bezobjawow
a

 ostra

•martwica wywołana
popromienną śmiercią
komórek

SKUTKI PROMIENIOWANIA c.d.

Biologiczne efekty oddziaływania promieniowania na żywy
organizm dzielimy na dwie klasy:
1. efekty somatyczne

 dotyczą napromieniowanego organizmu,

 polegają na uszkodzeniu komórek utrzymujących procesy

życiowe,

 mogą być stochastyczne i niestochastyczne.

Można je podzielić na:
a) wczesne:

 chorobę popromienną ostrą

 chorobę popromienną przewlekłą

 miejscowe uszkodzenie skóry.

b) odległe – późne:

 zmętnienie soczewek (zaćma)

 nowotwory złośliwe

 niepłodność

 zahamowanie wzrostu i rozwoju.

2. efekty genetyczne

 dotyczą kolejnych pokoleń,

 występują

przy

uszkodzeniu

komórek

rozrodczych

odpowiedzialnych za przekazywanie cech dziedzicznych
potomstwu,

 są zawsze stochastyczne.

DZIAŁANIE PROMIENIOWANIA NA MATERIAŁ GENETYCZNY

Uszkodzenia mogą polegać na:

zerwaniu pojedynczej nici DNA

zerwaniu podwójnej nici DNA

uszkodzeniu zasad azotowych związanych z dezoksyrybozą

(purynowej lub pirymidynowej)

powstaniu krzyżowych połączeń białek jądrowych i DNA (w

obrębie jednej lub dwóch nici).

Działanie promieniowania na zapłodnione jajo, zarodek i płód.

skutki napromieniowania zarodka lub płodu zależą od:

• wielkości dawki

• okresu ciąży

napromieniowanie dużą dawką prowadzi:

• w okresie wczesnej ciąży – najczęściej do śmierci zarodka

• w okresie organogenezy – sprzyja wystąpieniu wad

wrodzonych lub śmierci okołoporodowej.

Napromieniowanie gonad rodziców – jednorazowo dużą
dawką (dla jąder 3,5-5 Sv i dla jajników 2,5-6 Sv)

może prowadzić do trwałej bezpłodności

zwiększa częstość występowania wad wrodzonych

przemijająca bezpłodność – dla dawki na jądra > 150 mSv.

SKUTKI PROMIENIOWANIA c.d.

 uszkodzenia letalne
zmiany nienaprawialne, prowadzące do śmierci komórki

 uszkodzenia subletalne
zmiany naprawialne, podczas przerwy między kolejnymi
frakcjami lub podczas napromieniania niską mocą dawki

 uszkodzenia potencjalnie letalne

zmiany naprawialne po zakończeniu napromieniania

Krzywa przeżywalności

Jednym z podstawowych problemów w radioterapii jest
umiejętność określania wysokości dawek całkowitych
stosowanych w różnych schematach frakcjonacji w celu
uzyskania równoważnych efektów biologicznych w obrębie
napromienianych tkanek.
Do opisu odpowiedzi tkanek na zmieniające się warunki
frakcjonacji stosuje się modele matematyczne uwzględniające
przede wszystkim różnice w tempie naprawy uszkodzeń
subletalnych.

DAWKA FRAKCJONOWANA

naprawa między frakcjami
(całkowita naprawa 8-12h)
komórki o małym α/β są
wrażliwsze na zmiany frakcjonacji

DAWKA JEDNORAZOWA

< 2Gy/h wzrost proliferacji
< 1Gy/h całkowita naprawa
0,6Gy/h = 2Gy/fr. EBRT
= 1Gy/h liniowa zależność
> 1Gy/h niepełna naprawa

MODEL LINIOWO-KWADRATOWY

WSPÓŁCZYNNIKα/β

dawka promieniowania dla której składowa a i b
wywołują taki sam efekt letalny

Tkanki wcześnie reagujące – współczynnik α/β
rośnie

•dominuje składnik liniowy

•model pojedynczego trafienia

•niska zdolność naprawcza komórek

•uszkodzenia letalne

 Tkanki późno reagujące – współczynnik α/β
maleje

•dominuje składnik kwadratowy

•model wielokrotnych trafień

•wysoka zdolność naprawcza
komórek

•kumulacja uszkodzeń subletalnych

WYBRANE WARTOŚCI α/β

RAK GŁOŚNI
RAK JAMY USTNEJ I
GARDŁA ŚRODKOWEGO
RAK PŁUCA (płaskonabłonkowy,
gruczołowy)
RAK SZYJKI MACICY
RAK SKÓRY
CZERNIAK
TŁUSZCZAKOMIĘSAK
KRTAŃ
MIGDAŁEK
NOSOGARDŁO

> 9.9
> 6.5 – 10.3
>7.0
> 15.0
~ 50 – 90
> 13.9
8.5
0.6
0.4
14.5
7.2
16.0