1. Etapy oddziaływania promieniowania jonizującego na organizmy żywe:

- fizyczny-absorpcja

JONIZACJA

WZBUDZENIE

- fizyk-chemiczny - tworzenie wolnych rodników

RADIOLIZAWODY:

H₂O*→OH+ H

H₂O+→OH+ H⁺

e^-+ H₂O →e_aq e_aq - elektron z otoczką hydratacyjną

e^-+ H₂O+→H₂O*

OH+OH→ H₂O₂ (toksyczny nadtlenek wodoru)

EFEKT TLENOWY

W obecności tlenu cząsteczkowego (!) w roztworze lub w tkance uwodnione elektrony i wodór atomowy szybko reagują z tlenem tworząc następujące rodniki:

a) anionorodnik ponadtlenkowy:

b) rodnik wodoronadtlenkowy:

-biochemiczny(chemiczny)- -oddziaływanie wolnych rodników z biomolekułami

-rozrywanie bądź modyfikacja wiązań chemicznych

Wolne rodniki „atakują” cząsteczki DNA zmieniając ich strukturę, np:

•pojedyncze rozerwanie nici

•podwójne rozerwanie nici -przeważnie ze skutkiem śmiertelnym

•uszkodzenie zasad bądź cukrów

•połączenia pomiędzy cząsteczkami DNA (DNA-DNA crosslinks)

•połączenia pomiędzy cząsteczkami DNA i białkami (DNA-protein crosslinks)

-biologiczny- poziom komórkowy

Uszkodzenia w obrębie DNA powodują:

zatrzymanie syntezy białek!

Utrata niektórych funkcji komórkowych

całkowitą lub chwilową utratę zdolności do reprodukcji (sterylizacja)

produkcję komórek zmienionych genetycznie (mutacje)

uszkodzenie tkanki i zaburzenia jej funkcji fizjologicznych

Aby komórki mogły się rozmnażać muszą posiadać prawidłowy materiał genetyczny. Promieniowanie które uszkadza DNA w rezultacie zaburza cykl namnażania się komórek (zarówno zdrowych jak i nowotworowych).

Gdy komórki z uszkodzonym DNA zaczynają się namnażać dochodzi do ich śmierci!

2. Krzywa przeżycia- uzyskana doświadczalnie zależność ilości komórek, które przeżyły napromieniowanie określoną dawką promieniowania, w funkcji dawki pochłoniętej promieniowania D wyrażonej w układzie SI w Gy. Przeżycie= zdolność nieograniczonego rozplemu.

Sposób wyznaczania I :

• Sporządza się tylko dla kom. Klonogennych

• Dostarcza inf o ilościowej zależności przeżycie- dawka

• In vivo i In vitro

In vivo:

1. 
   hodowla lub wydzielenie z tkanki odpowiednich komórek

2. określoną liczbę tych kom wysiewa się na płytki Petriego zawierające odpowiednie środowisko do rozwoju

3. po 1-2 tyg kom ulegają wielokrotnemu podziałowi i tworzą kolonie

4. obliczanie wydajności posiewu = liczba kolonii : liczba posianych komórek ( mniejsze lub równe 1)

PRÓBA KONTROLNA

5. wykonuję się też serie płytek do napromieniowania

6. napromieniowuje się i proces 1-2 tyg inkubacji w 37'C

7. określa się frakcję kom przeżywających daną dawkę

N/N0 = liczba otrzymanych kolonii/ (liczba posianych kom * wydajność posiewu)

N- liczba kom która zachowała zdolność do proliferacji po napromieniowaniu

N0- początkowa liczba kom

8. oblicza się średnią dawkę wartość frakcji przeżywających komórek dla każdej napromieniowanej serii

9. otrzymane wyniki nanosi się na wykres

PRÓBA BADAWCZA

Sposób wyznaczania II :

Dla tkanek prawidłowych- kom zdrowe i nowotworowe silnie proliferujące

Metoda rozcieńczeń H.B Hewitta i C.W. Wilsona

I doświadczenie In vivo

1. wątroba myszy w zaawansowanych stadium białaczki- z niej zawiesina pojedynczych komórek

1. znana liczbę kom chorych wszczepiono myszom zdrowym z tej samej linii genetycznej

2. cel kontrolny- poszukiwanie takiej liczby komórek nowotworowych, które wywołają zmiany nowotworowe u 50 %biorców - 50% dawka nowotworu- tzw TD₅₀ (Tumor Dose 50%)

3. wykonanie badania w kilku seriach w celu wiarygodności statystycznej

PRÓBA KONTROLNA

4. mysz- dawcę w zaawansowanym stadium białaczki napromieniowano odpowiednią dawką promieniowania

5. wszczepiono znaną liczbę kom chorych zdrowym myszom- biorcom z tej samej linii genetycznej

6. poszukiwanie dla określonej dawki promieniowania wielkości TD₅₀

Sposób wyznaczania III - technika hodowli w śledzionie

Sposób wyznaczania IV- trójwymiarowa hodowla steroidów

WYKRES:

- dla małych dawek mały wpływ napromieniowania na l. przeżywających kom.

- dla dużych dawek- ekspotencjalna zależność przeżycie- dawka

Dlatego robi się wykres w skali półlogarytmicznej- na osi rzędnych jest wartość log dziesiętnego z N/N0

rys 1/137 i 2/138

3. Czynniki modyfikujące kształt krzywych przeżycia:

• Właściwości użytego promieniowania jonizującego [LET(liniowe przekazywanie energii), moc dawki]

Wykres 3/138

Wzrost LET - wzrost radiowrażliwości, spadek letalnej dawki promieniowania

Wzrost LET zmniejsza efekt tlenowy

Wzrost mocy dawki powoduje wzrost radiowrażliwości

Moc dawki (dawka/czas): Zwiększenie radiooporności przy małej

mocy dawki wskazuje na istnienie w komórkach procesów naprawczych,prowadzących do rekonstrukcji uszkodzeń popromiennych

• Badania zsynchronizowanych populacji komórkowych wskazują, że

radiowrażliwość zależy fazy życia komórki, podczas której

jest ona napromieniona.

Komórki są najbardziej radiowrażliwe (mniejsza wartość średniej dawki letalnej), gdy są napromieniowane w fazach:

 G2 faza posyntetyczna,

 M mitoza.

W fazach G0 i późnej S są najbardziej radiooporne.

Radiowrażliwość komórki jest tym większa, im większe jest jej aktywność mitotyczna.

• Warunki środowiskowe wzrostu komórek( brak/ obecność tlenu, liczba kom w jednostce objętości, stopień wzajemnego oddziaływania kom)

Efekt tlenowy

Obserwuje się istotną różnicę w radiowrażliwości na napromieniowanie

promieniowaniem o małym LET komórek pozostających w hipoksji

(anoksji, niedotlenieniu) i takich samych komórek normalnie

natlenowanych.

Komórki napromieniowane w stanie hipoksji są bardziej oporne

na napromieniowanie.

Współczynnik wzmocnienia tlenowego OER (Oxygen Enhancement Ratio):

gdzie:

Dhipoksja - średnia dawka letalna w stanie hipoksji,

Dnormalne - średnia dawka letalna przy normalnym utlenowaniu

Efekt istotny dla promieniowania o małym LET-

Tak jest, ponieważ dla promieniowania o małym LET uszkodzenia popromienne

mają charakter pośredni, są w większości skutkiem działania

produktów radiolizy wody

Decydujący wpływ na udział pośrednich uszkodzeń ma cząstkowe ciśnienie

tlenu w komórce. Tlen reaguje z powstałym na skutek radiolizy

wody rodnikiem wodorowym, co prowadzi do powstania niestabilnego

rodnika wodoronadtlenkowego:

H' + O₂ -> HO'₂

Reagując z drugim takim rodnikiem lub z rodnikiem wodorowym, tworzy

on nadtlenek wodoru, cząsteczkę silnie utleniającą, powodującą liczne

uszkodzenia DNA:

2 HO'₂ ->H₂O₂ + O₂

HO'₂ + H' -> H₂O₂

Współczynnik wzmocnienia tlenowego, OER

Dawka promieniowania wywołująca

efekt w warunkach hipoksji

OER=

Dawka promieniowania wywołująca ten sam efekt w warunkach normalnego wysycenia tlenem

3. Parametry opisujące zależność przeżycie- dawka

- średnia dawka letalna D₀ =D₃₇ [ Gy] - określa promieniowrażliwość komórek. Oznacza pochłoniętą dawkę promieniowania, która zmniejszy e-krotnie liczbę kom zdolnych do proliferacji.

(1/e= 0,37, stąd D₃₇)

Wzrost nachylenia liniowej części krzywej przeżycia- maleje wartość D₀ ( dla skali półlogarytmicznej)

wzrost wrażliwości kom na napromieniowanie

Sposób odczytu:

1. na osi rzędnych wybór pewnej wartości frakcji przeżywających komórek - x, odczyt dawki promieniowania-1)

2. wybiera się wartość frakcji kom x/e, gzie e to podstawa log naturalnego = 2,72, odczytanie wartości dawki promieniowania- 2)

3. różnica między dawką promieniowania 1) a 2) daje średnią dawkę letalną D₀

4. odczyt tylko w zakresie liniowym zależności dawka- przeżycie

ryc8/145

Dawka promieniowania:

- liczba z ekstrapolacji n , która w modelu trafienia i tarczy oznacza liczbę tarcz w komórce

Powstaje w wyniku ekstrapolacji liniowej części krzywej przeżycia dla dawek promieniowania bliskich zeru

Dla D=O - bezwymiarowa wartość n oznacza teoretyczną l. tarcz w kom, które powinny być trafione w celu sterylizacji kom

Wzrost utlenowania kom w środowisku- spadek wartości liczbowej n

Log( N/ N₀)= log (n) - D/D₀*log(e)

-dawka rzekomoprogowa Dq- charakteryzuje początkowy, nieliniowy frag krzywej przeżycia

Sposób wyznaczania:

1. wykreślenie linii prostej dla dużych dawek

2. znalezienie dawki odpowiadającej początkowej liczbie kom.-> wykreślenie linii poziomej

3. pkt Dq jest w miejscu przecięcia się tych dwóch prostych

ryc 9/146

wartość Dq określa próg, do którego nie obserwuje się wpływu promieniowania na liczbę komórek przeżywających napromieniowanie.

W zakresie dawek mniejszych od Dq uszkodzenia subletalne prawdopodobnie ulegają nagromadzeniu i dopiero po przekroczeniu Dq zachodzi przejście do uszkodzeń letalnych

N/ N₀ = { 1 - [ 1 - e ^-D/(f*D0) ]ⁿ }  

Dawka D podana w f częściach, wzór wyraża frakcję przeżywających napromieniowanie dla modelu tarczy i trafień

Największą szansę skutecznego zniszczenia komórek nowotworowych przy pomocy promieniowania jonizującego obserwuje się dla tych, które wyrastają na podłożu komórek odnawiających się, ale niezbyt szybko.

Nie wynika to oczywiście z wrodzonej niższej ich radiooporności, ale jest rezultatem ich słabszej zdolności do repopulacji, do naprawy uszkodzeń popromiennych.

Dobierając warunki napromieniowania trzeba wykorzystać

różnicę w skuteczności naprawy uszkodzeń popromiennych i obniżyć

obciążenie tkanki zdrowej.

Powszechnie stosowaną techniką napromieniowania jest:

Frakcjonowanie Dawki Promieniowania:

1. CZASOWE wykorzystuje różnicę w szybkości naprawy uszkodzeń

popromiennych w komórkach zdrowych i nowotworowych,

2. PRZESTRZENNE zmniejszające obciążenie tkanek zdrowych poprzez

składanie kilku wiązek promieniowania. Celem jest uzyskanie

względnie dużego i jednorodnego obciążenia tkanki nowotworowej.

Frakcjonowanie czasowe polega na

optymalnym doborze:

1. dawki pochłoniętej promieniowania D,

2. ilości frakcji f,

3. czasu trwania leczenia, tzw. protrakcja P.

Nominalna Dawka Jednostkowa

NDJ = DF−0,24P−0,11

Użycie pojedynczej wiązki promieniowania o małym LET obciąża silnie

warstwy powierzchniowe.

Napromieniowanie przy użyciu kilku odpowiednio dobranych wiązek może

doprowadzić do oszczędzenia tkanek zdrowych i silniejszego obciążenia

obszaru zmian nowotworowych.

Zalety frakcjonowania przestrzennego wyjaśnia rysunek

Przestrzenne frakcjonowanie dawki. Rozkład izodoz dla trzech wiązek

promieniowania γ Co60. Wiązki skierowano na zmiany nowotworowe w

pęcherzu.

Mała moc dawki

Duża moc dawki

Normalne wysycenie tlenem

hipoksja

OER= 6/3= 2

OER maleje do 1 wraz ze wzrostem wartości LET!

---