Uszkodzenia DNA

Krótkie wprowadzenie
do radiobiologii
Proseminarium magisterskie Fizyki Biomedycznej UW
15.11.2005
Janusz Harasimowicz
Efekty działania promieniowania

Poziom molekularny:


Poziom komórki:



śmierć mitotyczna i interfazalna
śmierć apoptotyczna i nekrotyczna
Poziom organizmu:



uszkodzenia pośrednie i bezpośrednie
efekty stochastyczne i deterministyczne
wczesne i późne skutki napromienienia
Różne typy promieniowania
Poziom molekularny
Uszkodzenia bezpośrednie: zderzenie
cząstki promieniowania z nicią DNA.
 Uszkodzenia pośrednie: oddziaływanie
produktów radiolizy wody (wolnych
rodników) znajdującej się w jądrze
komórkowym z DNA.

Uszkodzenia DNA
DNA
uszkodzenie
pośrednie
OH .
H.
H
O
H
uszkodzenie
bezpośrednie
Uszkodzenia pośrednie



Cząstki promieniowania jonizują wodę:
H2O → H2O+ + e–
Zjonizowana cząsteczka wody może np. połączyć
się z uwolnionym elektronem, tworząc cząsteczkę
wzbudzoną:
H2O+ + e– → H2O*
Na skutek jej rozpadu powstają produkty silnie
reagujące ze związkami chemicznymi
wchodzącymi w skład komórek organizmu:
H2O* → H. + OH.
Uszkodzenia DNA
Proporcje między bezpośrednim i pośrednim efektem działania promieniowania na
DNA zależą od rodzaju promieniowania.
 W przypadku promieniowania o małej
gęstości jonizacji, np. X, uszkodzenia DNA
w 70-90% powstają na skutek działania
pośredniego.
 Ze względu na dużą gęstość jonizacji,
neutrony, protony i cząstki alfa uszkadzają
DNA w ponad 90% w sposób bezpośredni.

Efekt tlenowy



Decydujący wpływ na udział efektu pośredniego ma
cząstkowe ciśnienie tlenu w komórce. Tlen reaguje
z powstałym na skutek radiolizy wody rodnikiem wodoru, co
prowadzi do powstania niestabilnego rodnika wodoronadtlenkowego:
H. + O2 → HO2.
Reagując z drugim takim rodnikiem lub z rodnikiem
wodoru, tworzy on nadtlenek wodoru, cząsteczkę silnie
utleniającą, powodującą liczne uszkodzenia DNA:
2HO2. → H2O2 + O2
HO2. + H. → H2O2
Stwierdzono, że podwyższenie cząstkowego ciśnienia tlenu
może wzmocnić skutek promieniowania.
Częstości uszkodzeń DNA
Rodzaj uszkodzenia
Liczba
uszkodzeń
spontanicznych
w komórce na
godzinę
Liczba
uszkodzeń
w komórce na
1 Gy
Pęknięcie
podwójnoniciowe
<1
40
Pęknięcie
pojedynczoniciowe
5 . 103
1000
Utrata zasady
1.5 . 103
950
Uszkodzenie zasady
1.25 . 103
D. Billen, Spontaneous DNA damage and its significance for „negligible dose”
controversy in radiation protection, Radiat. Res., 124, 242 (1990).
Poziom komórki
Schemat cyklu komórkowego





M – mitoza
G0 – faza „spoczynku”
komórek zróżnicowanych
G1 – faza poprzedzająca
syntezę DNA
S – synteza DNA
G2 – faza poprzedzająca
mitozę
cytoplazma
jądro
M
G0
G1
G2
S
Śmierć mitotyczna


Śmierć komórki
związaną z przejściem
przez mitozę nosi
nazwę śmierci
mitotycznej lub
reprodukcyjnej.
Przyczyną śmierci
mitotycznej są
zaburzenia morfologii
chromosomów zwane
aberracjami
chromosomowymi.
dicentryk
fragmenty
acentryczne
translokacja
Śmierć mitotyczna
Powstałe zlepy chromosomów nie zostają
wcielone do jądra komórek potomnych,
lecz pozostają w cytoplazmie, tworząc tzw.
mikrojądra.
 Podczas kolejnej mitozy następuje ich
utrata, co powoduje ubytek informacji
genetycznej i śmierć komórki.
 Dopóki komórka nie podzieli się, aberracje
chromosomowe pozostają w stanie
utajonym, często nie zmieniając jej
morfologii i metabolizmu.

Śmierć interfazalna
Śmierć interfazalna komórek następuje
w dowolnej części cyklu i zachodzi w ciągu
od kilku do kilkudziesięciu godzin po
napromienieniu.
 Dwa rodzaje śmierci interfazalnej:



śmierć apoptotyczna (aktywna)
śmierć nekrotyczna (poważne uszkodzenia)
Przeżywalność komórek
Ilościowa ocena wpływu promieniowania na
populację komórkową: jaka część populacji
zachowa po napromienianiu zdolność do
namnażania się, tj. zdolność wytworzenia kolonii
zawierających ≥50 komórek po czasie
odpowiadającym 5-6 podziałom komórkowym?
Test przeżprzeżywalności
ywalności - schemat eksperymentu
Test
komórki w hodowli
trypsyna
2 Gy
1 Gy
0 Gy
3 Gy
rozsianie
zawiesina
komórek
100
300
400
inkubacja: 1 - 2 tygodnie
frakcja przeżywalności (SF)
SF =
200
liczba kolonii
liczba komórek x PE/100
PE = wydajność klonowania
liczba kolonii:
wydajność klonowania:
frakcja przeżywalności:
70
70%
1
60
0,42
50
0,23
40
0,14
Krzywe przeżywalności
DQ = miara szerokości ramienia
DQ
Przeżywalność
1
D0 = miara promieniowrażliwości
= dawka, która powoduje obniżenie
przeżywalności do 37%
mierzona na prostej
krzywa 1
D = 0,6 Gy
0
krzywa 2
D0 = 1,5 Gy
0,1
duże D0
0,037
D0
małe D0
0
1,0
D0
2,0
3,0
Dawka (Gy)
4,0
5,0
Opis krzywej przeżywalności
Model liniowo kwadratowy
P(s) = e
(-αD - βD2)
uszkodzenia typu one-hit
– prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D
uszkodzenia typu two-hit
– prawdopodobieństwo wystąpienia zależy od D2
Dose (Gy)
α
= określa (w Gy) równy stosunek części liniowej i kwadratowej krzywej
β
duża wartość α : dominuje składnik liniowy – niska zdolność regeneracyjna – małe DQ
mała wartość β : dominuje składnik kwadratowy – wysoka zdolność regeneracyjna – duże DQ
Model liniowo kwadratowy c.d.

Krzywa przeżywalności opisana
równaniem:
N = N0 . exp(-aD - bDd)
N – liczba komórek przeżywających
N0 – początkowa liczba komórek
D – dawka całkowita
d – dawka frakcyjna

Stosunek a/b określa wrażliwość komórek
na zmianę dawki frakcyjnej.
Frakcjonowanie dawki
Dawka podawana we frakcjach
z odstępem czasu pozwalającym
na kompletną naprawę
uszkodzeń powoduje
odtworzenie ramienia krzywej.
Frakcjonowanie dawki c.d.
wielkość
frakcji (Gy)
0,2 0,4 0,6
jedna frakcja
dwie frakcje
trzy frakcje
cztery frakcje
Model liniowo kwadratowy c.d.
Ograniczona stosowalność modelu
dla dużych i małych dawek !!!
Przeżywalność komórek
4 R-y radioterapii (Ron Withers, 1975)

Repair
Komórki prawidłowe dzielą się wolniej od
nowotworowych, mają więc więcej czasu na
naprawę uszkodzeń zanim wejdą w mitozę.
Ergo: są bardziej promieniooporne.

Redistribution
Dzielące się intensywnie komórki nowotworowe
zatrzymują się w fazie G2, która jest najbardziej
wrażliwą fazą cyklu komórkowego.
Ergo: wzrost wrażliwości, ponieważ każda następna
frakcja trafia komórki w G2.

Reoxygenation
Promieniooporne komórki hipoksyczne (niski
poziom tlenu, zatrzymanie w cyklu) ulegają
utlenieniu i wchodzą w cykl.

Repopulation
Długi czas trwania terapii pozwala na odnowę
komórkową w tkankach zdrowych.
Poziom organizmu
W 1977 roku Międzynarodowa Komisja
Ochrony Radiologicznej (ICRP) zaleciła
rozróżnianie 2 kategorii skutków
popromiennych w organizmach żywych:


skutków stochastycznych
skutków deterministycznych
Efekty stochastyczne




Efekt stochastyczny (np. nowotwór) jest
niezależny od dostarczonej dawki i jest sprawą
przypadku.
Wraz ze wzrostem dawki wzrasta jednak
prawdopodobieństwo wystąpienia efektu
stochastycznego.
Nie można wskazać progu (>0), poniżej którego
efekt nie wystąpi.
Natura i stopień nasilenia efektu stochastycznego
wynika wyłącznie z rodzaju uszkodzenia
materiału genetycznego komórki i jej funkcji
w organizmie.
Efekty deterministyczne
Efekty deterministyczne to zmiany w
tkankach lub narządach wynikające ze
śmiertelnego uszkodzenia pewnej liczby
komórek.
 Stopień nasilenia efektu
deterministycznego jest wprost
proporcjonalny do liczby zabitych
komórek.

Efekty działania promieniowania
Efekty deterministyczne
Częstość wystąpienia efektu
Częstość wystąpienia efektu
Efekty stochastyczne
Dawka [Gy]
Dawka [Gy]
Stopień ostrości niezależny od dawki
Stopień ostrości zależny od dawki
Bezprogowa zależność od dawki
Progowa zależność od dawki
Różne typy promieniowania
Względna skuteczność biologiczna
RBE to stosunek dwóch dawek
pochłoniętych promieniowania różnego
rodzaju lub energii wywołujących taki sam
skutek biologiczny.
 Promieniowaniem odniesienia jest
najczęściej promieniowanie X generowane
przy napięciu 250 kV.
 Powód, dla którego RBE zależy od rodzaju
i energii promieniowania, leży w różnym
przekazywaniu energii ośrodkowi.

Liniowy przekaz energii (LET)
LET określa energię ΔE przekazaną
materii podczas przebycia przez cząstkę
promieniowania drogi Δl:
LET = ΔE / Δl
 Przykładowe wartości LET:





2 keV/μm dla promieni X generowanych przy
napięciu 250 kV;
4.7 keV/μm dla protonów o energii 10 MeV;
100 keV/μm dla neutronów o energii 14 MeV;
166 keV/μm dla cząstek α o energii 2.5 MeV.
RBE vs LET
RBE dla neutronów i fotonów
RBE vs energy for neutrons
RBE vs energy for gamma rays
Dawka równoważna
Dawka równoważna H dla danego narządu
lub tkanki obliczana jest ze średniej dawki
pochłoniętej D za pomocą wzoru:
HT = ΣR(wRDTR)
DTR jest dawką promieniowania typu R
pochłoniętą przez tkankę T, a wR są
czynnikami wagowymi różnych typów
promieniowania.
 Jednostką dawki równoważnej jest sivert.

Czynniki wagowe wR
Type and energy range
Radiation weighting factor wR
Photons, all energies
1
Electrons and muons, all energies
1
Neutrons, energy < 10 keV
5
10 keV to 100 keV
10
100 keV to 2 MeV
20
2 MeV to 20 MeV
10
>20 MeV
10
Protons, other than recoil protons, energy > 2 MeV
Alpha particles, fission fragments, heavy nuclei
5
20
Bibliografia






I. Szumiel, A. Wójcik, Działanie promieniowania
jonizującego na materię żywą, w: Praca pod redakcją A. Z.
Hrynkiewicza, Człowiek i promieniowanie jonizujące, PWN,
Warszawa 2001.
A. Wójcik, Biologiczne podstawy promieniowania, Szkoła
Radioterapii, Kielce 2005.
A. Wójcik, Model liniowo kwadratowy, Szkoła Radioterapii,
Kielce 2005.
P. Kukołowicz, Model liniowo kwadratowy: spojrzenie fizyka,
Szkoła Radioterapii, Kielce 2005.
P. Kukołowicz, Mathematical basis of radiotherapy, Nuclear
Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine,
3rd International Summer Student School, Dubna 2005.
J. Billowes, Radiological Protection,
http://nuclear.ph.man.ac.uk/~jb/n03/