Dynamika powstawania i naprawy uszkodzeń DNA wywołanych mieszaną wiązką fotonów i cząstek alfa Beata Brzozowska, Zakład Fizyki Biomedycznej, FUW Sympozjum IFD 2016 Wiązki mieszane - gdzie występują? • Obszary o wysokim naturalnym promieniowaniu tła α + ɣ • Przestrzeń kosmiczna n+p+ɣ • Pacjenci poddawani radioterapii n+ɣ Uszkodzenie DNA promieniowanie X, gamma, beta X-rays, gamma, beta radiation pojedyncze pęknięcie nici single strand break pojedynczoniciowe 2 DNA (SSB)DNA pęknięcie uszkodzenie uszkodzenie zasady base damage 2 . zasady DNA cząstki alfa, protony, neutrony, itp. alpha particles, protons, neutrons, etc. double strand podwójnoniciowe podwójne pęknięcie nici break (DSB) pęknięcie DNA DNA2 2 ( ( ( ) . rodnik ( radiolysis ) . radioliza wody radioliza wody 2 . rodnik pojedynczoniciowe single break pojedyncze nici . strandpęknięcie pęknięcie DNA (SSB) DNA Fotony i cząstki alfa ������������������������� ��������������� ���������������� �� �� �� �� �� �� �� ��� ����� ����� ����� �� ����� ����� ����� ����� ����� ����� �� ����� �� ����� ����� ��������������� ����� ������ ��������������� ����� �� ����� �� ����� ����� ��������������� ������ promieniowanie X (0.25 Gy) ��������������� ����� ������ cząstki alfa (0.25 Gy) Jednostką dawki jest Gy = J/kg. Wiązki mieszane fotony (0.25 Gy) + cząstki alfa (0.25 Gy) = wiązki mieszane (0.5 Gy) ������������������������� ��������������� ���������������� �� �� �� �� �� �� �� ����� ����� �������������������� ����� �� ����� �� ����� ������ ��������������� ����� ����� �� ����� �� ����� ����� ����� ��������������� ��������������� ��� ����� ����� ����� �� ����� ����� ����� ��������������� ������ ����� ������ ����� ����� ����� �� ����� ����� ����� ����� ����� ������ �� ����� �� ����� ����� ��������������� ����� ������ ��������������� ��������������� Stanowisko do napromieniania komórek 241Am (0.21 Gy/min) linia komórkowa U2OS 190 kV lampa RTG (0.07 Gy/min) Jak zobaczyć podwójne pęknięcie nici DNA? podwójne pęknięcie 53BP1 GFP 53BP1 }nić DNA GFP Ogniska naprawcze 53BP1 promieniowanie X cząstki alfa wiązki mieszane komórki kontrolne jądro komórkowe komórka ETAP 1: Odpowiedź komórki na działanie promieniowania Relacja dawka - efekt ��� ��� ��� ���������������� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� �� �� �� ���� �� ���� ��������� ������������������� ���������������� ����������� ��������������� ������ �� �� ���� ANTAGONISM AD SYNERGISM DI TIV ITY ������������������ Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 5, 85–91, 1979 �� ���� ��������� �� ETAP 1: Odpowiedź komórki na działanie promieniowania Relacja dawka - efekt ��� ��� ��� ���������������� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� �� �� �� ���� �� ���� �������������� �� �� ���� �� ���� ��������� ���������������������� ����������� ���� ����� ������������������� ���������������� ����������� ��������������� ������ ���� ����� ���� ����� ���� ����� �� �� ���� ���� ���� ���� ������������������ ���� ���� ���� Działanie wiązek mieszanych wskazuje na charakter synergiczny. �� ETAP 2: Kinetyka naprawy powstałych uszkodzeń Rozmiar ognisk małe duże ��������������� ������ ����������� ��� ����� ��� ��� ����������������������� ����������������������� ���� ����� ��� �� �� �� �� �� �� �� �������� �� �� �� ��� * * ����� ���� �� ��������������� ������ ����������� � Rozmiar dużych ognisk naprawczych powstałych pod wpływem wiązek mieszanych i cząstek alfa jest systematycznie większy niż ogniska indukowane przez promieniowanie X. ETAP 2: Kinetyka naprawy powstałych uszkodzeń Częstość występowania ��������������� ������ ����������� ��� ����� ��� ��� ����������������������� ������������������������� ���� ����� ��� �� �� �� �� �� �� �� �������� �� �� �� ��� ** * ����� ���� �� ��������������� ������ ����������� � Liczba dużych ognisk naprawczych powstałych pod wpływem wiązek mieszanych i cząstek alfa jest systematycznie wyższa niż ogniska indukowane przez promieniowanie X. ETAP 3: Obrazowanie on-line Ogniska naprawcze na żywo ���� ���� ���� ���� ���� ������ ������ �� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ����� ���� ����� ���� ������ ����� ���� ����� ���� ���� �� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ���� ������ Molecular Cell 47, 320–329, July 2012 Ruchy Browna ognisk MSD = D.t + const. ����� ����� ������� ���� ���������������������� ����� ����� ��������� ��������� ����� ����� ����� ����� ����� ����� �� �� ��� ��� ��� ��� ���������� ��� ��� ����� ��� ��� �� ��� ��� ��� ��� ���������� ��� ��� ����� ������ ���� ���������������������� ����� ��� ��� ����� ���� ��������������������� ����� ����� ��������� ��������� ����� ����� ����� ����� ����� ����� �� ���������������������� ����� ����� �� ����� ���� ����� �� ��� ��� ��� ��� ���������� ��� ��� ��� ��� �� �� ��� ��� ��� ��� ���������� ��� ��� ��� ��� Ogniska powstałe w wyniku działania wiązek mieszanych poruszają się najwolniej. Czyli synergia? Wnioski: Przyczyny: Plany: • efekt biologiczny wywołany wiązkami mieszanymi jest większy niż sumaryczny efekt działania promieniowania X i cząstek alfa; • uszkodzenia DNA indukowane przez wiązki mieszane i cząstki alfa są naprawiane wolniej; • ogniska powstałe po działaniu wiązek mieszanych poruszają się najwolniej; • kompleksowość uszkodzeń; • zniszczenie struktury chromatyny; • analiza kinetyki ognisk naprawczych w pojedynczej komórce; • symulacje tworzenia ognisk naprawczych (PARTRAC). Stockholm University, Department of Molecular Biosciences, The Wenner-Gren Institute Lei Cheng Alice Sollazzo Lovisa Lundholm Group leader: prof. Andrzej Wójcik Nowotworowe komórki macierzyste: organizacja chromatyny i jej wpływ na skuteczność radioterapii Non-small cell lung cancer tumour initiating cells display a heterochromatic structure and enhanced sensitivity to histone deacetylase inhibition, M. Eriksson, P. Hååg, B. Brzozowska, R. Lewensohn, A. Wojcik, K. Viktorsson, L. Lundholm Wpływ niskich dawek i niskich mocy dawek na stres oksydacyjny w komórkach zwierzęcych 80 75 no filter one filter two filters three filters 72.6 35.2 Dose rate [mGy/h] 35 34.1 30 25 19.9 20 16.9 16.5 15 12.7 9.7 10 9.3 7.8 5.8 5 5.1 4.8 2.9 2.2 1.4 0 0 5 10 15 20 25 30 RENEB - dozymetria biologiczna i reagowanie podczas wypadków radiacyjnych International Journal of Radiation Biology, January 2016: RENEB accident simulation exercise, B. Brzozowska et al. DOI: 10.1080/09553002.2016.1206230 Uncertainty of fast biological radiation dose assessment for emergency response scenarios, E. Ainsbury et al. DOI: 10.1080/09553002.2016.1227106 Investigation of the influence of calibration practices on cytogenetic laboratory performance for dose estimation, F. Trompier et al. DOI: 10.1080/09553002.2016.1213455 Model tworzenia ognisk naprawczych oraz analiza aberracji chromosomowych indukowanych wiązkami mieszanymi w limfocytach Dziękuję za uwagę! Backup slides ��� ���� ������������� ������������� Rozmiar ognisk ������������ ��� ��� ��� ��� ��� �� �� ��� ���� ���� ���� ���������������������� ���� ETAP 2: Kinetyka naprawy powstałych uszkodzeń Częstość występowania ���� �������������������� ����������������������������� ��� �������������������� �������������������� ���� ��� ���� ���� ��������������� ������ ����������� ��� ���� ��� ���� � � �� �� �� �� � � �� �� �� �� � ����������� � �� �� �� �� Centre for Radiation Protection Research The alpha source - 50 MBq 241Am Images taken with a ZnS:Ag phosporous sheet The mixed beam irradiation incubator with the X-ray source underneath Fotony i cząstki alfa ������������������������� ��������������� ���������������� �� �� �� �� �� �� �� ����� ����� ����� ����� �� ����� �� ����� ����� ��������������� ������ ��������������� �� ����� ����� ��������������� ������ ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� ��� �� �� ����� �� ����� ������������� ������������� ��� ����� ����� ����� �� ����� ����� ����� ����� ������ ��� ��� ��� ��� �� � ��� ��� ��� ��� ��� ��� ������������������������� ��� promieniowanie X (0.25 Gy) �� �� �� �� �� �� ������������������������� �� �� cząstki alfa (0.25 Gy) ��������������� Proces naprawy DNA Nature Reviews Molecular Cell Biology 14, 181-189 (March 2013) Different quality radiation PARTRACK To yield the numbers of BD, SSB and DSB per unit of dose and number of base pairs (Gy-1 Gbp-1) for different radiation types: X-rays, alpha particles and mixed beams. So… micronuclei gamma H2AX clonogenic survival mutations synergistic effect yes no yes no additive effect no yes no yes Why the high and low LET radiation may act in a synergistic manner? 1.The complex DNA damage induced by high LET radiation absorbs the DNA repair machinery to such an extent that damage induced by low LET radiation is not correctly repaired. 2. The cell is busy repairing the dispersed damage induced by low LET radiation that it can not cope with high LET radiation induced damage. 3. High and low LET radiation interact leading to an increased damage complexity. Experiments on the effects of combined exposure to alpha particles and X-rays • Micronuclei in human peripheral blood lymphocytes • Gamma H2AX-foci in VH10 human fibroblasts • Chromosomal aberrations in human peripheral blood lymphocytes • Cell survival and DNA mutations in TK6 cells micronuclei abberations foci Envelope of additivity Plan referatu • Dlaczego wiązki mieszane są interesujące? • W jaki sposób badamy wpływ promieniowania na materiał genetyczny? • Czy efekt biologiczny (wiązki mieszane) = efekt biologiczny (fotony) + efekt biologiczny (alfa)? • Czy możemy użyć metod Monte Carlo do zrozumienia tych procesów?