VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM RADIOLOGIJA

Transcript

1 UNIVERZA V LJUBLJANI VISOKA ŠOLA ZA ZDRAVSTVO LJUBLJANA Poljanska cesta 26 a II. letnik redni VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM RADIOLOGIJA Študijsko gradivo za predmet: RADIOBIOLOGIJA prof.dr. Gregor Serša Ljubljana 2006/2007

2 Biologija tumorjev

3 Rak Rak je poznan skozi vso zgodovino Z naraščanjem življenske dobe se povečuje incidenca Danes vsak peti človek zboli za rakom Prevencija je najpomembnejša

4 Breme raka v Sloveniji, 2000 Skupaj Ženske Moški Incidenca Umrljivost Prevalenca Register raka za Slovenijo

5 Incidenca najpogostejših rakov po primarni lokaciji in spolu - Slovenija 2000 M pljuča 19% Ž dojka 22% N = 4328 N = 4299 koža prostata želodec danka d.črevo usta in žrelo mehur ledvica grlo maligni me drugo koža mat.telo d.ćrevo mat.vrat danka želodec pljuča jajčniki treb.slinavka m.melanom drugo Vir podatkov: Register raka za Slovenijo

6 Odvisnost incidence nekaterih najpogostejših rakov od starosti populacije

7 Značilnosti rasti in diferenciacije celic

8 Normalne celice in tkiva Kontrola rasti Nekatera tkiva imajo zarodne celice Spodbujevalni in zaviralni faktorji rasti so v ravnotežju

9 Signalizacija v normalni celici STIMULACIJA INHIBICIJA

10 Shematični prikaz razmnoževanja in diferenciacije celic kostnega mozga

11 Maligna transformacija celic

12 Rak kot genetska bolezen Model nastanka rakave celice vrsta genetskih mutacij / sprememb vzroki za mutacije so lahko različni celice niso sposobne odgovoriti na intracelularne in ekstracelularne signale, ki kontrolirajo: delitev celic diferenciacijo celično smrt

13 Maligna transformacija celice Sprememba normalne v rakavo celico nastane pod vplivom: bioloških agensov kemičnih agensov fizikalnih agensov

14 Nekatere značilnosti maligno transformiranih celic Spremeni se odzivnost na intracelularne in ekstracelularne signale, ki kontrolirajo: delitev celic diferenciacijo celic celično smrt Biološke značilnosti maligno transformiranih celic: stalna proliferacija invazivnost in sposobnost metastaziranja

15 Geni, ki so udeleženi pri transformaciji normalnih v maligne celice Protoonkogeni - Onkogeni rastni faktorji ali njihovi receptorji: erb-b, erb-b2,pdgf, RET signalne poti: ras, src, fes, raf traskripcijski faktorji: myc, fos, jun ostali: bcl-2, bcl-1, mdm-2 Tumor supresorski geni Mutirani supresorski geni p53, Rb, BRCA 1, BRCA 2, APC, NF1, DCC

16 Stopnje v razvoju raka

17 Tipično zaporedje genskih sprememb, ki vodijo v nastanek raka debelega črevesa

18 Razlika med rastjo in odmiranjem normalnih in tumorskih celic

19 Spremenjena kontrola diferenciacije matičnih celic v tumorju

20 Tumor nastaja v različnih stopnjah

21 Incidenca raka debelega črevesa pri ženskah v odvisnosti od starosti Incidenca strmo narašča s starostjo. Če bi bila potrebna samo ena mutacija, bi se rak pojavljal enako pri vseh starostnih skupinah. Podatki nakazujejo, da je potrebno 6 neodvisnih učinkov na DNA preden pride do nastanka črevesnega raka.

22 Nekatere značilnosti maligno transformiranih celic Spremeni se odzivnost na intracelularne in ekstracelularne signale, ki kontrolirajo: delitev celic diferenciacijo celic celično smrt Biološke značilnosti maligno transformiranih celic: stalna proliferacija invazivnost in sposobnost metastaziranja

23 Model najpomembnejših stopenj v procesu metastaziranja

24 Metastaziranje Maligni melanom pogosto met. v pljuča Rak debelega črevesa pogosto met. v jetra Rak prostate pogosto met. v kosti Invazija (metaloproteaze) Migracija po krvnih žilah ali limfi Invazija na novem mestu - proliferacija

25 Klasifikacija tumorjev

26 Klasifikacija tumorjev Benigni tumorji pripona OMA zraven vrste tkiva (adenom, lipom, fibrom) Maligne tumorje klasificiramo glede na tkivo, biološko obnašanje, anatomsko pozicijo in stopnjo diferenciacije karcinom - epitelnega izvora sarkom - mezenhimskega izvora nomenklatura: histološki tip + (karcinom/sarkom) + organ (adenokarcinom dojke, leiomiosarkom uterusa) Limfomi TNM klasifikacija: T tumor; N bezgavke; M - metastaze

27 Specifične lastnosti malignih tumorjev v primerjavi z benignimi Značilno za maligne tumorje je, da je to abnormalna rast tkiva, ki ne služi funkciji in nadaljuje z rastjo nekontrolirano, kljub temu da je stimulus odstranjen Maligni tumorji vraščajo v normalna tkiva, benigni rastejo z ekspanzijo, so enkapsulirani in ne vraščajo v normalna tkiva. Maligni tumorji metastazirajo po limfatičnih ali krvnih poteh v oddaljene organe. Benigni tumorji ostajajo lokalizirani. Maligni tumorji so običajno manj diferencirani (anaplastični) kot normalne celice iz katerih izhajajo. Benigni tumorji so bolj podobni normalnim tkivom, kot maligni tumorji. Maligni tumorji običajno rastejo hitreje kot benigni Difencialna diagnostika je na osnovi biopsije, kirurške odstranitve ali citološke preiskave.

28 Razlika med benignim in malignim tumorjem Žlezni tumor benigni tumor: adenom dojke maligni tumor: adenokarcinom dojke

29 Biološke lastnosti rasti tumorja

30 Pomen tumorske biologije Preučuje biologijo raka specifične lastnosti maligno transformirane celice vpliv tumorja na organizem Testiranje in uvajanje novih zvrsti zdravljenja raka

31 Nekatera področja raziskav v tumorski biologiji Kancerogeneza Molekularni aspekti maligne transformacije celice Delitev celic in celična smrt Rastni faktorji in medcelična komunikacija Medcelični prostor in angiogeneza tumorjev Rast tumorjev in metastaziranje Imunologija raka

32 Rak kot bolezen celic Eksponencialna rast tumorja Koncept klonogenih celic v tumorju Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti terapije

33 Rast tumorjev Odvisnost med številom podvojitev tumorskih celic, številom celic in težo tumorja Predpostavka: 10 9 celic na gram tkiva

34 Eksponencialna rast tumorjev Eksponencialna rastna krivulja narisana na linearni (A) in logaritemski skali (B) Klinična faza rasti tumorja predstavlja krajše obdobje rasti tumorja

35 Hipotetična rastna krivulja Rastna krivulja humanega tumorja, ki prikazuje latentno obdobje pred klinično detekcijo Tumor ima lahko začetno lag fazo in upočasnjeno rast pri velikem volumnu

36 Tumor odkrijemo v pozni fazi njegove rasti

37 Ožiljenje tumorjev

38 Angiogeneza-stopnje Tvorba in sproščanje angiogenih signalov s tumorskih in gostiteljskih celic Razgradnja ekstracelularnega matriksa Invazija in migracija endotelnih celic skozi bazalno membrano Vraščanje žil v tumor - sestavljanje in tvorjenje novih žil

39 Razlika med žiljem v normalnem in tumorskem tkivu

40 Razmerje med spodbujevalci in zaviralci angiogeneze pri rasti tumorja

41 Razvoj vaskularizacije tumorja Avaskularna faza (leta) Angiogeneza Vaskularna faza (meseci)

42 Podvojitveni časi humanih tumorjev Metastaze v pljučih Debelo črevo, adenokarcinom 95 dni Dojka, adenokarcinom 74 Ledvica, adenokarcinom 74 Ščitnica, adenokarcinom 67 Ovarij, adenokarcinom 78 Glava in vrat, skvamozni karcinom 57 Fibrosarkom 65 Osteosarkom 30 Limfom 27 Površinske metastaze Dojka, adenokarcinom 19 Primarni tumorji Pljuča, adenokarcinom 148 Pljuča, nediferenciran 79 Debelo črevo, adenokarcinom 632 Dojka, adenokarcinom 96

43 Kinetika rasti tipičnega humanega tumorja Celični ciklus ( 2 dni) (cell cycle time) Rastni delež ( 40%) (growth fraction) Izguba celic ( 90%) (cell loss) Potencialni podvojitveni čas ( 5 dni) Čas podvojitve volumna tumorja ( 60 dni)

44 Rak kot bolezen celic Eksponencialna rast tumorja Koncept klonogenih celic v tumorju Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti terapije

45 Reprodukcijska integriteta Kaj pojmujemo pod preživelimi celicami? Celična smrt je izguba reprodukcijske integritete Preživela celica ima reprodukcijsko integriteto, zato lahko iz ene celice izraste klon celic, ki ga identificiramo kot klonogenost ali kolonijo celic

46 Test klonogenosti celic Delež preživelih celic = Število kolonij / Število nasajenih celic x (PE/100) Reprodukcijska integriteta vs. reprodukcijska smrt celic. Kolonije malignih celic v kulturi in vitro. (A) neobsevane celice. (B) celice obsevane z 8 Gy. Celice, ki so ohrani reproduktivno sposobnost, so izrasle v kolonije normalne velikosti. Celice, ki niso ohranile te sposobnosti, so odmrle ali izrasle v abortivne kolonije.

47 Delitev celic po obsevanju in vitro Test klonogenosti

48 Prva krivulja preživetja celic in vitro DELEŽ PREŽIVELIH CELIC DOZA (R) HeLa celice po obsevanju Leta 1956

49 Krivulje preživetja celic po delovanju kemoterapevtikov A - droge ki delujejo neodvisno od celičnega ciklusa B - droge ki delujejo odvisno od celičnega ciklusa Razlika v delovanju je odvisna od hitrosti celičnega ciklusa

50 Celični ciklus in delovanje različnih terapij Faze celičnega ciklusa pri katerih imajo različni kemoterapevtiki in obsevalna terapija selektivno citotoksično delovanje

51 Model klonogenih celic v tumorju Model ima velik pomen za zdravljenje populacija celic tumorja vpliv zdravljenja Kurativno zdravljenje zahteva uničenje klonogenih celic Sprememba volumna tumorja ali delitve celic vpliva na vse celice v tumorju Vrednotenje učinka na klonogene celice zahteva uporabo testa klonogenosti celic matična celica samoobnavljanje klonalna ekspanzija (proliferacija celic) celice, ki se ne proliferirajo smrt celice ozdravitev omejevanje tvorbe kolonij omejevanje proliferacije celic sprememba volumna tumorja

52 Rak kot bolezen celic Eksponencialna rast tumorja Koncept klonogenih celic v tumorju Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti terapije

53 Testiranje in uvajanje novih zvrsti zdravljenja raka Radioterapija Kirurgija Kemoterapija Biološka terapija Hipertermija in fotodinamska terapija Genska terapija Kombinacije terapij Novejši pristopi za izboljšanje že znanih terapij

54 Regresija in ponovna izrast tumorja

55 Postopki za ocenjevanje uspešnosti terapij Control BLM 20 μg/mouse EP 1300 V/cm ECT

56 Postopki za ocenjevanje uspešnosti terapije A - rastne krivulje B - zavora rasti tumorja C - test kontrole rasti tumorjev velikost tumorja (log. skala) čas zakasnitve rasti nezdravljen zakasnitev rasti čas Sevalna doza nadzor tumorja delež nadzorovanih tumorjev doza za nadzor 50% tumorjev (TCD 50 ) Sevalna doza

57 Terapevtski indeks a) b) nadzor tumorja nadzor tumorja poškodba normalnega tkiva poškodba normalnega tkiva Delež odziva Doza Terapevtski indeks je razmerje med dozamo obsevanja, ki povzroče določen odstotek (običajno 50%) kontrole tumorja in komplikacij. Terapevtski indeks predstavlja horizontalni razmik med krivuljama. Doza

58 Cilji delovanja Prenos znanja iz bazičnih raziskav v kliniko POSKUSNI MODELI IN VITRO IN VIVO PLANIRANJE ZDRAVLJENJA BOLNIKOV

59 Izzivi translacijskih raziskav

60

61 Fizikalni in kemični učinki sevanja

62 Vrste in načini izpostavitve sevanju Naravni viri sevanja Umetni viri sevanja inhalacija (radon) ingestija kozmično sevanje poskusne jedrske eksplozije letalski promet (dodatno kozmično sevanje) zobozdravstveni rentgen televizija jedrske elektrarne gradbeni materiali svetilne barve (ročne ure) zemeljska skorja medicinski rentgen odloženi radioaktivni odpadki

63 Porazdelitev letne doze (v povprečju) Povprečna letna doza na prebivalca (EU) je ocenjena na 2.2 msv

64 Različne izpostavitve sevanju VIR Naravno sevanje Medicinska diagnostika Poskusne jedrske eksplozije Černobilska kontaminacija NE Krško prebivalcu Krškega PRISPEVEK 2.4 msv/leto msv/leto 0.15/7.2 msv/leto 0.72/1.1 msv/leto odrasli/otroci manj kot 0.01 msv/leto

65 Prejeta doza sevanja pri medicinskih preiskavah Preiskava Rtg slikanje pljuč Rtg slikanje glave Rtg slikanje kolkov CT glave in telesa Efektivna doza 80 μsv 200 μsv 830 μsv 11 msv

66 Stopnje interakcije Biološki učinki ionizirajočeg a sevanja Fizikalna Kemična Biološka

67 Razvoj sevalne poškodbe Obsevanje Vzbujanje, ionizacija atomov Indirektni učinek Direktni učinek Molekularne spremembe Popravljanje poškodb DNK Encimov Celičnih organelov Mutacije Spremembe delovanja celic Celična smrt Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

68 Časovna odvisnost bioloških učinkov sevanja

69 Stohastični in deterministični učinki Stohastični učinki: Učinek neodvisen od prejete doze Verjetnost njihovega pojava je sorazmerna prejeti dozi brez praga Primer: kancerogeneza, dedni učinki Deterministični učinki: Učinek odvisen od prejete doze Ima prag doze Primer: poškodbe organov (katarakta)

70 Stopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialom FIZIKALNA - vzbujanje, ionizacija,10-18 s FIZIKALNO-KEMIČNA - prosti radikali, s KEMIČNA - pomembne biološke makromolekule, 10-6 s BIOLOŠKA - posledice kemičnih produktov na organizem, 10-6 s do nekaj let

71 Absorpcija energije sevanja Vzbujanje: dvig elektrona v atomu na višji energetski nivo brez njegovega izbitja Ionizacija: izbitje elektrona iz atoma ali molekule rentgenski žarek vzbujanje ionizirajoče sevanje odloži veliko energije Pri eni ionizaciji se odloži 33 ev energije Ta energija zadošča za pretrganje kemičnih vezi (C=C vez ev) ionizacija

72 Klasifikacija ionizirajočega sevanja Sevanje trdih delcev Elektromagnetno sevanje

73 Radioaktivni razpad nuklidov

74 Elektromagnetno sevanje Vrste: rentgenski in žarki γ Energija se prenaša v obliki kvantnih delcev - fotonov Količina energije fotona je odvisna od valovne dolžine in frekvence

75 Absorbcija X- žarkov - Comptonov efekt Višje energije od 0.5MeV do 5MeV Koblat 60 in linearni akcelerator Foton zadane orbitalni elektron Tvori se izbiti elektron in odbit foton z manjšo energijo

76 Absorbcija X- žarkov - Fotoelektrični efekt Nižje energije, pod 0.5MeV Foton zadane K, L ali M orbitale atoma, kjer elektronu odda vso svojo energijo Foton izbije elektron iz orbite, nadomeste ga elektroni iz zunanjih orbit

77 Stopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialom FIZIKALNA - vzbujanje, ionizacija,10-18 s FIZIKALNO-KEMIČNA - prosti radikali, s KEMIČNA - pomembne biološke makromolekule, 10-6 s BIOLOŠKA - posledice kemičnih produktov na organizem, 10-6 s do nekaj let

78 Direktni in indirektni učinek sevanja Kritična tarča je DNA Direktni učinek: neposredno na kritično tarčo Indirektni učinek: sevanje deluje na molekule, ki tvorijo proste radikale in ti poškodujejo kritično tarčo

79 Prosti radikali radioliza vode H 2 O obsevanje H e - ionski prosti radikal H H + + OH - hidroksilni radikal

80 Pomen direktnega in posrednega učinka sevanja glede na vrsto ionizirajočega sevanja Direktni učinek sevanja je verjetnejši pri gosto ionizirajočem sevanju Posredni učinek sevanja je verjetnejši pri redko ionizirajočem sevanju

81 Biološki učinki sevanja

82 Stopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialom FIZIKALNA - vzbujanje, ionizacija,10-18 s FIZIKALNO-KEMIČNA - prosti radikali, s KEMIČNA - pomembne biološke makromolekule, 10-6 s BIOLOŠKA - posledice kemičnih produktov na organizem, 10-6 s do nekaj let

83 Organizacija celice Membranski sistemi celice celična membrana Golgijev aparat endoplazemski retikulum lizosomi, peroksisomi Celično jedro Citoskelet Mitohondriji mikroresice gladki edoplazemski retikulum mitohondrij zrnati edoplazemski retikulum Golgijev aparat mikrofilamenti centriol jedro ribosomi membrana lizosomi

84 DNA kot tarča ionizirajočega sevanja Vsi dokazi govore da je DNA glavna tarča DNA je tarča priceličnem ubijanju, mutacijah in kancerogenezi

85 DNA je kritična tarča sevalne poškodbe celice DNA je glavna tarča pri celičnem ubijanju, mutacijah in kancerogenezi Radiosenzitivnost makromolekul: DNA RNA proteini lipidi

86 Vrste biološko pomembnih molekul, ki so tarča ionizirajočega sevanja

87 Poškodbe DNA in kromosomske aberacije

88 Vrste poškodb DNA, ki jih povzroča ionizirajoče sevanje

89 Kromosomske aberacije po obsevanju Pri obsevanju lahko nastanejo poškodbe na kromosomih Poškodovani ali odlomljeni deli se lahko prilepijo na druge dele kromosomov Odlomljeni deli kromosomov se lahko zlepijo nazaj v prvotno stanje se ne zlepijo in postanejo delecije prerazporedijo in tvorijo nenormalne kromosome

90 Celični ciklus in delitev celice

91 Kromosomske in kromatidne aberacije, ki povzročajo smrt celic A: Kromosomska aberacije dicentrični kromosom B: Kromosomska aberacija prstan C: Kromatidna aberacija anafazni most

92 Kromosomska mutacija - translokacija

93 Stopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialom FIZIKALNA - vzbujanje, ionizacija,10-18 s FIZIKALNO-KEMIČNA - prosti radikali, s KEMIČNA - pomembne biološke makromolekule, 10-6 s BIOLOŠKA - posledice kemičnih produktov na organizem, 10-6 s do nekaj let

94 Razvoj sevalne poškodbe Obsevanje Vzbujanje, ionizacija atomov Indirektni učinek Direktni učinek Molekularne spremembe Popravljanje poškodb DNK Encimov Celičnih organelov Mutacije Spremembe delovanja celic Celična smrt Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

95 Možni odgovori celice na obsevanje

96 Umiranje celic z apoptozo

97 Krivulje preživetja celic

98 Reprodukcijska integriteta Krivulja preživetja celic opiše odnos med dozo sevanja in deležem preživelih celic Kaj pojmujemo pod preživelimi celicami? Celična smrt je izguba reprodukcijske integritete Preživela celica ima reprodukcijsko integriteto, zato lahko iz ene celice izraste klon celic, ki ga identificiramo kot klonogenost ali kolonijo celic

99 Test klonogenosti celic Delež preživelih celic = Število kolonij / Število nasajenih celic x (PE/100) Reprodukcijska integriteta vs. reprodukcijska smrt celic. Kolonije malignih celic v kulturi in vitro. (A) neobsevane celice. (B) celice obsevane z 2 Gy. Celice, ki so ohranile reproduktivno sposobnost, so izrasle v kolonije normalne velikosti. Celice, ki niso ohranile te sposobnosti, so odmrle ali izrasle v abortivne kolonije.

100 Postopek testa klonogenosti Uporaba postopka gojenja celic v pogojih in vitro za ugotavljanje deleža preživelih celic po terapiji z X žarki

101 Prva krivulja preživetja celic in vitro DELEŽ PREŽIVELIH CELIC HeLa celice po obsevanju Leta 1956 DOZA (R)

102 Krivulje preživetja celic

103 Linearno kvadratni model

104 Absorbirana doza Količina energije, ki jo preda ionizirajoče sevanje na enoto mase snovi, se imenuje absorbirana doza. Enota za absorbirano dozo je J/kg oziroma gray (Gy).

105 Depozicija sevalne energije Absorpcija sevanja v tkivu je lokalizirana vzdolž poti sevanja Vzorec ionizacij in vzbujanj je značilen za vsako vrsto sevanja Direktni učinek sevanja je verjetnejši pri gosto ionizirajočem sevanju Indirektni učinek sevanja je verjetnejši pri redko ionizirajočem sevanju

106 LET in RBE Na raporeditev doze v biološkem materialu vpliva razporeditev ionizacij in vzbujanj atomov vzdolž poti žarka. Da bi količinsko zajeli ta pojav, sta bili uvedeni enoti: LET - Linear Energy Transfer Linearni prenos energije RBE - Relative Biological Effectiveness Relativna biološka učinkovitost

107 LET LET - Linear Energy Transfer - linerni prenos energije Definicija: Količina oddane energije vpadnega fotona atomom biološke snovi vzdolž poti fotona. Količina: Število nastalih elektronov, ionov ter ekscitacij na poti 1 mikrometra fotona - kev/µm. LET je odvisen od hitrosti in naboja delca ter njegove mase. Neutroni in π- mezoni imajo visok LET, žarki γ in X ter elektroni imajo nizek LET. Sevanja z visokim LET povzroče večje spremembe na tkivih, kot sevanja z nizkim LET. Zaradi tega je potrebno uvesti dodatno biološko enoto - RBE

108 Tipične LET vrednosti Vir sevanja LET (kev/μm) Kobalt-60 γ žarki kv X-žarki MeV protoni MeV α delci GeV Fe ioni 1000

109 RBE RBE - Relative Biological Effectiveness - relativna biološka učinkovitost Definicija: Vrednost biološke učinkovitosti določenega sevanja, v primerjavi s sevanjem, ki povzroči v povprečju specifično ionizacijo 100 ionskih parov za mikron poti v vodi, za določen biološki sistem in za določen biološki efekt ter pri pogojih pri katerih obsevamo. Označujetorejrazlikodvehrazličnih vrst sevanja v biološkem učinku. RBE neutroni =1000 cgy (200 KV X-žarkov) / 250 cgy (neutroni 1 MeV) = 4

110 Radiacijski utežni faktorji Vrsta sevanja Fotoni 1 Elektroni 1 Radiacijaki utežni faktorji Nevtroni 5-20 Protoni 5 Žarki alfa 20 Utežni faktorji sevanja so predpisani od ICRP in predstavljajo RBE za določeno vrsto sevanja pri nizkih dozah.

111 Biološki učinki sevanja z različnim LET in učinki na RBE Krivulje preživetja humanih celic in vitro glede na vrsto sevanja in njihovega LET Z naraščanjem LET narašča tudi RBE DELEŽ PREŽIVETJA DOZA V Gy

112 RBE v odvisnosti od LET RBE narašča z naraščajočim LET RBE doseže maksimum pri 100 kev/μm

113 Zakaj je 100 kev/μm LET optimalen za biološki učinek? Pri takem LET je razdalja med ionizacijami enaka kot je razdalja med verigama DNK (2 nm) Pri tej gostoti je največja verjetnost da bo prišlo do dvojnih prelomov DNK

114 Ekvivalentna doza Potencialno biološko škodo opredeljujemo z ekvivalentno dozo, enota zanjo je sievert (Sv). Ekvivalentna doza je absorbirana doza pomnožena z radiacijskim utežnim faktorjem, s katerim upoštevamo, kako sevanje predaja energijo tkivu in kolikšen je njegov učinek pri povzročanju biološke škode. Ekvivalentna doza (Sv) = Absorbirana doza (Gy) X Utežni faktor

115 Občutljivost normalnih tkiv

116 Razvoj sevalne poškodbe Obsevanje Vzbujanje, ionizacija atomov Indirektni učinek Direktni učinek Molekularne spremembe Popravljanje poškodb DNK Encimov Celičnih organelov Mutacije Spremembe delovanja celic Celična smrt Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

117 Ocenjevanje odgovorov normalnih tkiv na sevanje Principi za ocenjevanje so: Splošnostanjetkivaz določanjem stopnje poškodbe (uspešno pri površinskih tkivih) Funkcionalnost tkiva s testi kot so: hitrost dihanja kot ocena pljučne funkcije EDTA klirens kot ocena funkcije ledvic krvna slika kot ocena funkcije kostnega mozga Test klonogenosti kot najboljši test za oceno poškodbe tkiv

118 Sistemi, ki ocenjujejo klonogenost pri normalnih tkivih so: In situ: koža celice kript v tankem črevesu matične celice testisov tubuli ledvic S presajanjem: kostni mozeg celice ščitnice celice dojke Na osnovi takih testov so določili radioobčutljivost različnih normalnih tkiv, med njimi celic kostnega mozga: D 0 1 gy

119 Ocenjevanje klonogenosti v koži Princip metode Izoliramo področje z visokodoznim obsevanjem roba Centralni del obsevamo s testno dozo Opazujemo izrast klonogenih celic v koži

120 Regeneracija črevesnih resic po obsevanju

121 Test za določanje matičnih celic kostnega mozga

122 Razlike v občutljivosti tkiv Bergonie-jev in Tribondeau-jev zakon (1906) celice so radioobčutljive če: Imajo visoko mitotsko aktivnost Imajo dolgo mitotsko prihodnost (v normalnih okoliščinah bi se velikokrat delile) So primitivne (manj diferencirane) Hierarhični tip tkiv ZARODNE CELICE (samoobnovljive) PREKURZORJI (ojačitev) Fleksibilni tip tkiv ZARODNE CELICE ZRELE CELICE (funkcija) ZRELE CELICE (funkcija)

123 Razdelitev sesalskih celic po radioobčutljivosti Skupina 1: Najbolj radioobčutljive Zreli limfociti, eritroblasti, spermatogoniji, ovarijske granularne celice, celice kostnega mozga, celice črevesnih resic, celice zarodne plasti kože Skupina 2 Žlezne celice želodca, endotelne celice majhnih žil Skupina 3 Osteoblasti, osteoklasti, hondroblasti, spermatociti, epitelne celice črevesja Skupina 4: Najbolj radiorezistentne Parenhimske in duktalne celice žlez, fibroblasti, endotelne celice velikih žil, eritrociti, mišične in živčne celice KARAKTERISTIČNI INDEKS (%) črevesje koža požiralnik kostni mozeg pljuča hrbtenjača ledvica LATENTNI INTERVAL (dnevi) mehur

124 Dinamika repopulacije nekaterih tkiv in organov

125 Radioobčutljivost različnih vrst normalnih tkiv Razlike v radioobčutljivosti različnih celic iz normalnih tkiv, merjeno s testom klonogenosti DELEŽ PREŽIVETJA testisi zarodne celice ščitnica človeške A-T celice kostni mozeg mlečne celice kripte tankega črevesa DOZA (Gy)

126 Razvrstitev organov po radioobčutljivosti

127 Vrste sevalnih poškodb

128 Razvoj sevalne poškodbe do determinističnih in stohastičnih učinkov

129 Stohastični in deterministični učinki Stohastični učinki: Učinek neodvisen od prejete doze Verjetnost njihovega pojava je sorazmerna prejeti dozi brez praga Primer: kancerogeneza, dedni učinki Deterministični učinki: Učinek odvisen od prejete doze Ima prag doze Primer: poškodbe organov (katarakta)

130 Razdelitev determinističnih in stohastičnih učinkov na zgodnje in kasne

131 Zgodnje in kasne posledice sevanja na koži

132 Posledice sevanja na koži Koža je relativno radiosenzitivna Posledice so deterministične, odvisne od prejete doze, hitrosti doze in vrste sevanja Radiobiološki učinki so eritem (rdečina) in začasna epilizacija (izguba las, dlake) Pri visokih dozah se pojavi stalna epilizacija, poškodba spodaj ležečih organov, tudi žilja in žlez

133 Posledice sevanja na koži-rentgenska koža Luščenje Poškodbe nohtov

134 Radiacijska katarakta Nastanek katarakte v odvisnosti od prejete doze ionizirajočega sevanja in trajanja obsevanja Trajanje Minimalna doza Maksimalna doza za katarakto (Gy) pri kateri ni katarakte (Gy) Enkratno Od 3 tedne do 3 mesece Več kot 3 mesece Latenčna doba je lahko 6 mesecev do 35 let Za prejeto dozo 2.5 do 6.5 Gy je latentno obdobje približno 8 let

135 Radiacijska karcenogeneza Stohastičen učinek sevanja Čas med izpostavitvijo sevanju in nastankom raka imenujemo LATENCA: za levkemije 5-7 let, za solidne tumorje let Sevanje poveča tveganje za nastanek raka (povečanje starostno pogojenega tveganja za nastanek posameznih vrst raka) Tveganje odvisno od: doze, starosti ob obsevanju, časa od obsevanja, spola (pri dol. vrstah raka) Tveganje za nastanek raka je večje pri sevanjih z visokim LET (12%/Sv) kot pri sevanjih z nizkim LET (6%/Sv)

136 Dedni učinki sevanja Determinističen učinek na produkcijo spolnih celic Stohastičen učinek na potomce zaradi mutacij nastalih v spolnih celicah

137 Deterministični dedni učinki Sterilnost pri moških: Prehodna: enkratna doza 0.15 Gy, ki pa ne povzroči sprememb v hormonskem ravnovesju Stalna: prag pri 3.5 do 6 Gy Sterilnost pri ženskah: Ni prehodne sterilnosti: oocite (zrele spolne celice) razvite že na stopnji embrija Stalna: prag pri 2.5 do 6 Gy, kar povzroči enake spremembe kot se pojavljajo v menopavzi

138 Stohastični učinki na potomce Podvojitvena doza: doza sevanja, ki povzroči enako število mutacij, kot je število spontanih mutacij (za ljudi: 1 Gy)- mega mouse projekt Sevanje ne povzroča novih mutacij, ampak poveča incidenco spontanih mutacij

139 Učinki sevanja na zarodek in plod Deterministični učinek, ki se pojavi nad prejeto ekvivalentno dozo 100 msv in je pogojen s stopnjo razvoja ploda. Pojavnost sprememb na plodu in smrtnost ploda poskusnih miši obsevanih z 2 Gy v različnih obdobjih razvoja plodu. Spodnja skala je ocena za odgovarjajoča obdobja razvoja človeškega plodu (J Cell Physiol 1954; 43(Suppl 1): )

140 Nagasaki abnormalnosti med nosečnostjo in porodom

141 Razvoj organov med nosečnostjo Organ Nosečnost (v tednih) // 16 // Delitev Zarodek Plod in vsaditev Možgani Srce Okončine Oči Ušesa Zobje Nebo Zunanje genitalije Običajno neobčutljivi na teratogene Prenatalna smrt Zelo občutljiv interval Večja morfološka poškodba Fiziološki defekti in manjše morf. poškodbe Nadaljnji razvoj, manj občutljiv na teratogene učinke

142 Razvoj sevalne poškodbe Obsevanje Vzbujanje, ionizacija atomov Indirektni učinek Direktni učinek Molekularne spremembe Popravljanje poškodb DNK Encimov Celičnih organelov Mutacije Spremembe delovanja celic Celična smrt Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

143 Učinki obsevanja celotnega telesa Zgodnji učinki: simptomi nastopijo takoj po ekspoziciji V odvisnosti od skupne prejete doze smrt nastopi v minutah, urah, dnevih, tednih po obsevanju Pozni učinki sevanja: za razvoj potrebujejo nekaj let (5-8 let) zvišana incidenca raka, predvsem levkemij

144 Stopnje akutnega radiacijskega sindroma

145 Spremembe v organizmu po enkratnem obsevanju z visokimi dozami AKUTNI RADIACIJSKI SINDROMI: Centralnega živčnega sistema visoka doza (100 Gy), hiter nastop, 100% umrljivost simptomi: koma, delirij Gastro-intestinalnega trakta srednje visoka doza 10 Gy, latenca 1-14 dni, 50% umrljivost v 14 dneh simptomi: driska, krvavitve v črevesju, izguba elektrolitov, infekt Kostnega mozga srednja doza (3-8 Gy), latenca do dva tedna, umrljivost minimalna simptomi: limfopenija, agranulocitoza, anemija, trombocitopenija Začasna sterilnost pri vseh bolnikih, ki so preživeli

146 Sindromi pri obsevanju celotnega telesa RESNOST ODZIVA 3-5 Gy Sindrom kostnega mozga KRVNA OBLIKA PRODROMALNA FAZA FAZA UPADANJA KOSTNEGA MOZGA KARAKTERISTIČNI ZNAKI IN SIMPTOMI izguba teka slabost bruhanje pegavica krvavitev dovzetnost za infekcije OSNOVNA PATOLOGIJA aplazija kostnega mozga zmanjšano število belih krvničk in krvnih ploščic anemija TEDNI PO OBSEVANJU Gastrointestinalni sindrom Sindrom centralnega živčnega sistema GASTROINTESTINALNA OBLIKA KARAKTERISTIČNI ZNAKI IN SIMPTOMI OSNOVNA PATOLOGIJA MOŽGANSKA OBLIKA KARAKTERISTIČNI ZNAKI IN SIMPTOMI OSNOVNA PATOLOGIJA RESNOST ODZIVA Gy PRODROMALNA FAZA SEVALNO POVZROČEN ENTROKOLITIS izguba teka slabost bruhanje vročica driska sprememba ravnotežja elektrolitov ustavitev mitoze v epiteliju razgaljanje in gnojenje črevesne stene DNEVI PO OBSEVANJU 100 Gy RESNOST ODZIVA PRODROMALNA FAZA VNETNA FAZA FAZA KRČEV izguba teka slabost bruhanje apatija letargija zaspanost tresenje krči izguba koordinacije vaskulitis meningitis encefalitis možganski edem piknoza možganskih celic URE PO OBSEVANJU

147 Smrtnost glede na oddaljenost od hipocentera

148 Akutne reakcije Odstotek umrlih (n=333) in preživelih (n=5520) s specifičnimi simptomi Simptomi Umrli Preživeli Vročina Driska Bruhanje Rdečica Vnetje ustne sluznice Glavobol Izguba dlak Bolečina v trebuhu Vrtoglavica Motnje zavesti

149 Ocena prejete doze po eksploziji atomske bombe v Hirošimi in Nagasakiju

150 Relativno tveganje za nastanek raka (glede na vrsto tumorja)

151 Tumorski modeli za ocenjevanje uspešnosti zdravljenja

152 Modeli In vitro In vivo Sferoidi

153 Normalna in spremenjena proliferacija matičnih celic samoobnovljiva zarodna celica hčerinska celica z omejeno zmožnostjo proliferacije končna diferenciacija tumor celice, ki se ne delijo in na koncu propadejo tumor

154 Sprememba velikosti tumorja po obsevanju Sprememba velikosti tumorja pri ne do konca pozdravljenem tumorju je rezultatanta dveh procesov: regresija ponovna izrast

155 Model klonogenih celic v tumorju Model ima velik pomen za zdravljenje Kurativno zdravljenje zahteva uničenje klonogenih celic Sprememba volumna tumorja ali delitve celic vpliva na vse celice v tumorju Vrednotenje učinka na klonogene celice zahteva uporabo testa klonogenosti celic populacija celic tumorja matična celica samoobnavljanje klonalna ekspanzija (proliferacija celic) celice, ki se ne proliferirajo smrt celice ozdravitev vpliv zdravljenja omejevanje tvorbe kolonij omejevanje proliferacije celic sprememba volumna tumorja

156 Odnos med preživetjem celic in odgovorom tumorja na terapijo Test zavore rasti tumorja Test lokalne kontrole rasti tumorja (TCD 50 ) Test klonogenosti v pljučnem parenhimu Test klonogenosti - in vivo zdravljenje in vitro določanje klonogenosti celic

157 Tipična krivulja rasti tumorja po obsevanju z dozo (D) X-žarkov Test zavore rasti tumorja

158 Postopki za ocenjevanje uspešnosti terapije A - rastne krivulje B - zavora rasti tumorja velikost tumorja (log. skala) čas nezdravljen zakasnitev rasti C - test kontrole rasti tumorjev čas zakasnitve rasti nadzor tumorja Sevalna doza delež nadzorovanih tumorjev doza za nadzor 50% tumorjev (TCD 50 ) Sevalna doza

159 Terapevtski indeks a) b) nadzor tumorja nadzor tumorja Delež odziva poškodba normalnega tkiva poškodba normalnega tkiva Doza Terapevtski indeks je razmerje med dozama obsevanja, ki povzroče določen odstotek (običajno 50%) kontrole tumorja in komplikacij na normalnih tkivih. Terapevtski indeks predstavlja horizontalni razmik med krivuljama. Doza

160 Test klonogenosti v pljučnem parenhimu Shematični prikaz testa

161 In vivo / in vitro tehnika za ugotavljanje klonogenosti po terapiji Shematični prikaz testa

162 Odgovor tumorja na obsevanje Odgovor R1 tumorja v miši po obsevanju z X- žarki (20 Gy) A - Sprememba velikosti tumorja B - Delež preživelih klonogenih celic

163 Ksenografti humanih tumorjev Korelacija med odgovorom humanih tumorjev v miših (ksenograftih) in kliničnimi kompletnimi remisijami po kemoterapiji

164 Celični ciklus in radiosenzitivnost

165 Vrste celičnih populacij V tkivih so lahko: deleče diferencirane sterilne mrtve počivajoče

166 Faze celičnega ciklusa Interfaza: G1: med mitozo in začetkom DNA sinteze S: podvojitev dednega materiala G2: dodatni čas za celično rast Mitoza: delitev celice profaza metafaza anafaza telofaza Citokineza

167 Mitoza

168 Mitoza Profaza Metafaza Anafaza Telofaza

169 Parametri celične kinetike CHO celice (h) HeLa celice (h) T C T M 1 1 T G1 6 8 T G2 3 4 T S 1 11

170 Trajanje celičnega ciklusa različnih tkiv Celice v hitro delečih tkivih imajo čas celičnega ciklusa približno 10 ur. Celice počasi delečih tkiv imajo lahko čas celičnega ciklusa tudi 10 dni. Razlika v celičnem ciklusu med hitro in počasi delečimi celicami je v dolžini G1 faze, lahko traja 1 uro ali tudi nekaj tednov.

171 Radiosenzitivnost različnih faz celičnega ciklusa CHO celice v različnih fazah celičnega ciklusa in njihova radiosenzitivnost

172 Radiosenzitivnost in celični ciklus Občutljive: G2 in M fazah celičnega ciklusa Rezistentne: pozna S faza celičnega ciklusa

173 Popravilo radiacijske poškodbe

174 Vrste radiacijskih poškodb Letalna poškodba - LD je ireverzibilna, nepopravljiva in neizbežno vodi v celično smrt Potencialno letalna poškodba - PLD je poškodba na katero lahko vplivamo s postobsevalnimi pogoji okolja Subletalna poškodba - SLD se pod normalnimi pogoji lahko poravi v nekajj urah

175 Letalna poškodba Je nepovratna, nepopravljiva in neizbežno vodi v celično smrt

176 Potencialno letalna poškodba - PLD Je komponenta obsevalne poškodbe na katero lahko vplivamo s spreminjanjem pogojev po obsevanju z X žarki. Popravilo potencialno letalne poškodbe je možno, če preprečimo celicam delitev za najmanj 6 ur. Popravilo potencialno letalne poškodbe je značilno za X - žarke, ne pa za gosto ionizirajoče sevanje. Nekateri povezujejo rezistenco tumorjev z dobrim popravilom potencialno letalne poškodbe.

177 Popravilo potencialno letalne poškodbe in vivo Delež preživelih celic v tumorju takoj in nekaj ur po obsevanju (prekinjena črta) Popravilo potencialo letalne poškodbe je možno po obsevanju z X žarki, ne pa po obsevanju z nevtroni

178 Subletalna poškodba - SLD Popravilo subletalne poškodbe je operativni izraz, ki opisuje porast preživetja celic v primeru, ko dozo obsevanja razdelimo na dve, ki sta časovno ločeni Polovični čas popravila subletalne poškodbe je cca. 1 uro Popravilo subletalne poškodbe nastopa v tumorjih in normalnih tkivih in vivo, kakor tudi in vitro Popravilo subletalne poškodbe predstavlja popravilo prelomov DNK, predno se ti lahko povežejo in povzroče letalne kromosomske aberacije

179 Subletalna poškodba - nedeleče celice Preživetje CHO celic, če celokupno dozo obsevanja razdelimo v dve in povečujemo interval med dozama Pri intervalu 2 ur, je dosežen plato, ko se razmerje ne poveča za več kot 4x

180 Subletalna poškodba - deleče celice Popravilo poškodbe je sestavljeno iz treh procesov, ki nastopajo istočasno poravilo poškodbe prerazporeditev repopulacija

181 Popravilo poškodbe po frakcioniranem obsevanju Delež preživelih celic se poveža, če dozo razdelimo v dve s časovnim intervalom

182 5 R v radioterapiji

183 Biološki faktorji, ki vplivajo na odzivnost normalnih in neoplastičnih tkiv pri frakcionirani terapiji Withers R + 1 Popravilo(Repair) Prerazporeditev (Reassortment) Repopulacija (Repopulation) Reoksigenacija (Reoxygenation) Radiozenzitivnost (Radiosensitivity)

184 Določen delež poškodb, nekaj ur po obsevanju se lahko popravi s popravljalnimi mehanizmi celice Popravilo - Repair

185 Prerazporeditev - Reassortment Učinek progresije celičnega ciklusa Celice, ki preživijo prvo dozo obsevanja so v rezistentni fazi Po nekaj urah lahko napredujejo v bolj senzitivno fazo celičnega ciklusa

186 Repopulacija - Repopulation V času trajanja radioterapija (nekaj tednov), se celice, ki so preživele obsevanje delijo in tako povečajo število celic, ki jih moramo uničiti

187 Reoksigenacija - Reoxygenation V tumorjupoprvidozi obsevanja prežive predvsem hipoksične celice Z reoksigenacijo tumorja postajajo prej hipoksične celice bolje oksigenirane

188 Radiosenzitivnost - Radiosensitivity Radiosenzitivnosti različnih tkiv ali vrst celic

189 Pomenkisikazaučinek ionizirajočega sevanja

190 Krivulja preživetja celic v oksičnih in OER Oxygen Enhancement Ratio - faktor potenciranja s kisikom Kisik deluje kot faktor modificiranja doze obsevanja hipoksičnih pogojih

191 Krivulja preživetja celic v oksičnih in anoksičnih pogojih obsevanih z nevtroni ali X žarki HeLa celice so bile obsevane z nevtroni (14 MeV) ali 250 kv rentgenom Hipoksija je bila dosežena z dodajanjem dušika med obsevanjem

192 Učinek kisika na krivulje preživetja celic v odvisnosti od koncentracije kisika A - v pogojih zraka B - v anoksiji Že prisotnost male količine kisika pomakne krivuljo za polovico Prisotnost 2% kisika ima enak učinek kot v pogojih zraka

193 Stopnja radiosenzibilzacije kisika je odvisna od parcialnega tlaka kisika v tkivu Pod 20 mmhg pada radiosenzibilizirajoči učinek kisika Pri 3 mmhg kisika je OER med učinkom v anoksičnih in oksičnih pogojih

194 Kdaj deluje kisik? Kisik deluje samo kadar je prisoten med obsevanjem Lahko deluje tudi če ga dodamo po obsevanju, vendar samo nekaj mili sekund

195 Kisik fiksira poškodbe z ionizirajočim sevanjem Pri sevanju se tvorijo prosti radikali Večina prostih radikalov nastane iz vode Če jeprisotenkisik nastanejo RO 2 radikali ki delujejo na DNK V primerukonikisika radikali reagirajo z H, in preidejo v prvotno stanje

196 Kronična in akutna hipoksija v tumorjih

197 Difuzija kisika v tkivu

198 Rast tumorja V normalnih pogojih bo tumor rasel v zunanjih plasteh, medtem ko bo v notranjih plasteh nastajala nekroza. V takih pogojih rasti je lahko v tumorju različen delež hipoksičnih celic, 0-50%, povprečju 15%. Tudi če je ta delež samo 10% je to lahko zelo pomemben delež

199 Pomen hipoksičnih celic na učinek radioterapije Shematični prikaz krivulje preživetja celic na populacijo tumorskih celic, ki vsebuje 10% hipoksičnih celic.

200 Uspeh radioterapije glede na oksigeniranost tumorjev

201 Proces reoksigenacije tumorjev po Procent hipoksičnih celic v mišjem sarkomu po obsevanju z 10 Gy Takoj po obsevanju je tumor popolnoma hipoksičen, ker so prizadete skoraj vse oksigenirane celice obsevanju