Dynamika powstawania i naprawy uszkodzeń DNA wywołanych

advertisement
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?
Download