Αρχές Ακτινοβιολογίας. Γ. Τσούγκος

Transcript

1 Αρχές Ακτινοβιολογίας Γ. Τσούγκος

2 Γενικά Στοιχεία Ακτινικές Βλάβες στα Κύτταρα Κύκλος ζωής του κυττάρου Φάσεις Βιολογικής Βλάβης Διεγερτικές Βλαπτικές Κυτταρικές Επιδράσεις Ακτινικές Βλάβες στους Ιστούς Θεωρία του Στόχου Ακτινευαισθησία Ιστών Άμεσα Βιολογικά Αποτελέσματα Ιστοί τύπου Η και F Ολοσωματική Ακτινοβόληση Τοπική Ακτινοβόληση Απώτερα Βιολογικά Αποτελέσματα Στοχαστικά σωματικά αποτελέσματα (καρκινογένεση) Στοχαστικά γενετικά αποτελέσματα (κληρονομικές παθήσεις) Ειδικά σωματικά αποτελέσματα σε έμβρυα και αναπτυσσόμενους ιστούς Στοχαστικές και Μη Στοχαστικές Αντιδράσεις Στοχαστικές (τυχαίες) αντιδράσεις. Μη στοχαστικές (αιτιοκρατικές) αντιδράσεις.

3 Εισαγωγή Η ιοντίζουσα ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί ένας ενεργειακός τοξικός παράγοντας του περιβάλλοντος. Ο ιοντισμός της οργανικής ύλης προκαλεί μεταβολές (μόνιμες ή παροδικές) στα άτομα και στα μόρια των χημικών ενώσεων. Εάν η βλάβη δεν επιδιορθωθεί, παρεμποδίζεται η αναπαραγωγή ή η επιβίωση του κυττάρου. Η πιθανότητα αυτών των βλαβών είναι σχετικά μικρή σε χαμηλές δόσεις ιοντίζουσας ακτινοβολίας αλλά όσο η δόση αυξάνεται η πιθανότητα προσεγγίζει την μονάδα (100%). Ιστορικά, οι πρώτες βιολογικές επιπτώσεις, που αναφέρθηκαν κατά την μελέτη ακτινοβολούμενων ιστών, ήταν το ερύθημα, οι εξελκώσεις του δέρματος και η πτώση των τριχών.

4 Εισαγωγή Γενικά, το βιολογικό αποτέλεσμα της επίδρασης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας (ενός συγκεκριμένου είδους ακτινοβολίας και συγκεκριμένης ενέργειας) στην οργανική ύλη, εξαρτάται από τους κάτωθι παράγοντες: 1. Απορροφώμενη Δόση. Το ζητούμενο είναι ένα όριο δόσης, όπου επίπεδα δόσεων κάτω από αυτό δεν προκαλούν βιολογικές αντιδράσεις και δεν υφίσταται πρόβλημα ακτινοπροστασίας. 2. Ρυθμός δόσης Το ίδιο ποσό δόσης όταν αποδίδεται σε ένα μικρό χρονικό διάστημα (π.χ. 1 sec) προκαλεί σοβαρότερο βιολογικό αποτέλεσμα σε σχέση με την ακτινοβόληση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (π.χ. 1 εβδομάδα). 3. Όγκο του υπό ακτινοβόληση ιστού και τις ιδιότητες αυτού Οι ως άνω παράγοντες επηρεάζονται άμεσα ή έμμεσα από μία σειρά ακτινοβιολογικούς παράγοντες όπως η ευαισθησία των κυττάρων, η φάση του κυτταρικού κύκλου, η ευαισθησία των ιστών και οργάνων, το επιζητούμενο κλινικό αποτέλεσμα, κ.α.

5 Εισαγωγή Εάν όμως πρόκειται να συγκριθούν διαφορετικά είδη ακτινοβολιών, διαφορετικής έντασης, θα πρέπει να ληφθεί υπ όψιν ότι: 1. Για την ίδια ποσότητα δόσης, η ποιότητα και ο αριθμός των ιονισμών (οι οποίοι παράγονται από όλες τις ιοντίζουσες ακτινοβολίες). 2. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα μίας ιοντίζουσας ακτινοβολίας εξαρτάται σημαντικά από το είδος (π.χ. φωτόνιο ή σωματίδιο) και την ενέργειά της. 3. Συνεπώς, αυτές οι διαφορές προκύπτουν βασικά από το γεγονός ότι ακτινοβολίες διαφορετικής ποιότητος και είδους, παράγουν διαφορετικά μονοπάτια (patterns) ιονισμού.

6 Ο βασικός παράγοντας ο οποίος καθορίζει την βιολογική αποτελεσματικότητα είναι η πυκνότητα των ιονισμών: - οι ενεργητικές ακτίνες Χ προκαλούν αραιούς ιονισμούς (λόγω μεγάλης διεισδυτικότητος) - σωματίδια άλφα (λόγω όγκου) και χαμηλής ενέργειας ακτίνες Χ (λόγω μικρής διεισδυτικότητος) προκαλούν πυκνούς ιονισμούς. Γενικώς, οι ακτινοβολίες οι οποίες προκαλούν πυκνούς ιονισμούς είναι περισσότερο αποτελεσματικές από εκείνες οι οποίες προκαλούν αραιούς ιονισμούς. α) η Γραμμική μεταφορά ενέργειας L.E.T. (Linear Energy Transfer) και β) η Σχετική Βιολογική Δραστικότητα (R.B.E.).

7 Το φορτηγό δεν πηγαίνει μακριά, αλλά καταστρέφει τα πάντα στο πέρασμά του Το αυτοκίνητο πηγαίνει μακρύτερα από ότι το φορτηγό. Κάνει λιγότερες ζημιές ανά μέτρο διαδρομής από ότι το φορτηγό Η μοτοσυκλέτα διασχίζει όλο τον δρόμο και κάνει ακόμη λιγότερες ζημιές ανά μέτρο διαδρομής

8 L.E.T. Γραμμική μεταφορά ενέργειας L.E.T. (Linear Energy Transfer) ορίζεται ως το πηλίκο της ενέργειας de, που μεταφέρεται από ένα φορτισμένο σωματίδιο στο υλικό μέσο εντός του οποίου κινείται (λόγω διεγέρσεων και ιονισμών) προς την μονάδα μήκους διαδρομής dx. L.E.T. = de/dx Υψηλή τιμή LET (σε KeV/μm) δηλώνει πυκνούς ιοντισμούς και συνεπώς μεγαλύτερη βιολογική βλάβη. Οι υψηλής LET ακτινοβολίες προκαλούν ρήξεις της διπλής έλικας του DNA, οι οποίες δύσκολα επιδιορθώνονται και μπορεί να επιφέρουν συνολική καταστροφή του κυττάρου. Ακτινοβολίες με τιμή LET < 10 KeV/μm θεωρούνται ως χαμηλής LET, ενώ ακτινοβολίες με τιμή LET > 10 KeV/μm θεωρούνται ως υψηλής LET.

9 L.E.T. Τύπος Ακτινοβολίας L.E.T. (KeV.μm -1 ) 50 KV X 13,1 200 KV X 9,4 Co-60 γ 6,9 2 MV X 6,1 22 MV X 6,0 5,3 MV α 63,0 H επίδραση της ακτινοβολίας σε έναν οργανισμό εξαρτάται από τον παράγοντα L.E.T. και το βιολογικό σύστημα. Η συμμετοχή του βιολογικού συστήματος στον καθορισμό της επίδρασης εκφράζεται από την σχετική βιολογική δραστικότητα R.B.E. (Relative Biological Effectiveness). Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιείται η μονάδα rem, όπου 1 rem = 1 rad x R.B.E.

10 R.B.E. Η σχετική βιολογική δραστικότητα (R.B.E.) ορίζεται ως ο λόγος της απορροφώμενης δόσης χαμηλού L.E.T. ακτινοβολίας (συνήθως φωτόνια Χ, ΚeV) που προξενεί το ίδιο βιολογικό αποτέλεσμα με την υπό εξέταση ακτινοβολία. Η τιμή της R.B.E. δεν είναι σταθερή για κάθε ακτινοβολία, αλλά επηρεάζεται από το βιολογικό αποτέλεσμα που μελετάται (π.χ. θάνατος κυττάρων, χρωμοσωμικές ανωμαλίες, καρκινογένεση, αναστολή μιτώσεων).

11 R.B.E. Η RBE εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: Δόση ακτινοβολίας Ρυθμός ακτινοβολίας Δόση ακτινοβολίας ανά συνεδρία (στην Ακτινοθεραπεία) Ποιότητα ακτινοβολίας (π.χ. LET) Βιολογικό Σύστημα ή επιζητούμενο κλινικό αποτέλεσμα (endpoint), π.χ. τύπος, κύκλος ή επιβίωση κυττάρου Φάση κυτταρικού κύκλου (ιδιαίτερα για τις ακτίνες Χ, που εμφανίζουν χαμηλή LET).

12 Πολυάριθμες έρευνες σε ζωικούς και φυτικούς οργανισμούς συνηγορούν ότι η R.B.E. αυξάνεται με την L.E.T. μέχρι το όριο των 100 KeV/μm και έπειτα η R.B.E. μειώνεται για υψηλότερες τιμές της L.E.T. Τα πειραματικά αυτά δεδομένα ερμηνεύονται με το γεγονός ότι όσο αυξάνεται η L.E.T. τόσο περιορίζεται ο χώρος εναπόθεσης ενέργειας και αυξάνεται η πιθανότητα να πάθει βλάβη ή να φονευθεί ένα κύτταρο. Σε υψηλές τιμές L.E.T., η προσφερόμενη ενέργεια είναι κατά πολύ μεγαλύτερη από την ελάχιστη ενέργεια θανάτωσης του κυττάρου, οπότε η R.B.E. μειώνεται. Σχέση RBE και LET

13

14 Ακτινικές Βλάβες στα Κύτταρα Τα κύτταρα αποτελούν τους δομικούς λίθους της ζώσας ύλης, με τον ίδιο τρόπο που τα άτομα αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους της ύλης. Τα κύτταρα μπορούν να χαρακτηριστούν ως οι λειτουργικές υπομονάδες οι οποίες ελέγχουν την ανάπτυξη και την εν γένει λειτουργία των ιστών και οργάνων του ανθρωπίνου σώματος. Ο κύκλος της ζωής του κυττάρου από την στιγμή που προκύπτει από το μητρικό κύτταρο έως ότου να διαιρεθεί και το ίδιο, αποτελείται από το στάδιο (φάση) της μιτώσεως Μ που διαρκεί περίπου 2h και τη μεσόφαση που διαρκεί 24-48h. Το στάδιο της μεσόφασης υποδιαιρείται στις φάσεις G0 - G1, S και G2

15 Ακτινικές Βλάβες στα Κύτταρα Η αναπαραγωγή του DNA λαμβάνει χώρα κατά την φάση S (Synthesis). Στη συνέχεια ακολουθεί ένα διάστημα που λέγεται φάση G2 και στο οποίο το κύτταρο προετοιμάζεται για την μίτωση, με το διάστημα μεταξύ δύο μιτώσεων να ονομάζεται μεσόφαση. Η μίτωση (φάση M), που είναι και η βραχύτερης διάρκειας φάση, είναι η φάση στην οποία το κύτταρο, έχοντας ήδη αντιγράψει το DNA, διαιρείται σε δύο θυγατρικά κύτταρα. Τα δύο θυγατρικά κύτταρα περνούν στην φάση G1 (Gap), στην οποία ή προετοιμάζονται για νέα διαίρεση, ή διαφοροποιούνται για να επιτελέσουν κάποια λειτουργία ή μένουν καθηλωμένα και αδρανή. Στην τελευταία περίπτωση θεωρείται ότι ευρίσκονται στην φάση G0. Από την φάση G0 έχουν την δυνατότητα να επανενεργοποιηθούν και να επανεισέλθουν στην διαδικασία της αναπαραγωγής δηλαδή στον κυτταρικό κύκλο. Κατά την φάση G1 τα κύτταρα αυξάνονται σε μέγεθος, συνθέτουν RNA και πρωτεΐνες και προετοιμάζονται για την αντιγραφή του DNA για μία νέα διαίρεση.

16 Ακτινικές Βλάβες στα Κύτταρα Πολύ σημαντικός παράγοντας αναφορικά με την κυτταρική βλάβη αποτελεί η φάση στην οποία ευρίσκεται η πλειοψηφία των κυττάρων κατά την ακτινοβόληση. Επίσης, η διαφορά της ακτινευαισθησίας κατά τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου δύναται να οδηγήσει ένα πληθυσμό κυττάρων που αποτελείται από διάφορες φάσεις του κυτταρικού κύκλου σε ένα προκλητό κυτταρικό συγχρονισμό. Έχει παρατηρηθεί ότι μετά από ακτινοβόληση κυτταρικού πληθυσμού, τα κύτταρα έχουν την τάση να αναμένουν στη φάση G2. Το φαινόμενο καλείται G2 arrest και αποδίδεται στην προσπάθεια των κυττάρων να αμυνθούν στην εξωγενή παρεμβολή (ακτινοβολία).

17 Βιολογική δράση της ακτινοβολίας 2 mm 200 nm 20 nm 2 nm

18 Βιολογική δράση της ακτινοβολίας Κατά την απορρόφηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τα διάφορα βιολογικά υλικά δημιουργούνται ιοντισμοί και διεγέρσεις που μπορούν να επιφέρουν βλάβη στη διπλή έλικα του DNA. (άμεση δράση) s Ρήξη Μονής Αλυσίδας SSB

19 Βιολογική δράση της ακτινοβολίας Κατά την απορρόφηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τα διάφορα βιολογικά υλικά δημιουργούνται ιοντισμοί και διεγέρσεις με άμεση δράση στη διπλή έλικα του DNA. (άμεση δράση) s e - Ρήξη Διπλής Αλυσίδας DSB

20 Βιολογική δράση της ακτινοβολίας Κατά την απορρόφηση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας από τα διάφορα βιολογικά υλικά δημιουργούνται ιοντισμοί και διεγέρσεις με αποτέλεσμα τη δημιουργία σχηματισμών που ονομάζονται ελεύθερες ρίζες. (έμμεση δράση) s H + + OH 80-85% H 2 O H 2 O H 2 O + + e -

21 Βιολογική δράση της ακτινοβολίας Επιδιόρθωση Μερική επιδιόρθωση Βλάβη Λειτουργικό κύτταρο μετάλλαξη καρκίνος Κυτταρικός θάνατος

22 Φάσεις Βιολογικής Βλάβης Η βιολογική βλάβη είναι αποτέλεσμα διεργασιών, που λαμβάνουν χώρα κατά: το φυσικό, το φυσικο-χημικό, το βιοχημικό και το βιολογικό στάδιο.

23 Φυσικό Στάδιο Η ιοντίζουσα ακτινοβολία προκαλεί τοπική εναπόθεση ενέργειας μέσω υψηλής ταχύτητας ηλεκτρονίων (πρωτογενή ιόντα), τα οποία προκαλούν δευτερογενείς ιοντισμούς (ακτίνες δ ). Εάν η τιμή L.E.T. είναι χαμηλή, η ακτινοβολία προκαλεί μικρό αριθμό ιονισμών και διεγέρσεων ανά μm, ενώ εάν η τιμή L.E.T. είναι υψηλή προκαλούνται αρκετοί ιονισμοί και διεγέρσεις ανά μm. Το φυσικό στάδιο περιλαμβάνει την απορρόφηση της ενέργειας και την πρόκληση των ιοντισμών στην ύλη μέσω φυσικών μηχανισμών (π.χ. φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, φαινόμενο Compton). Το στάδιο αυτό διαρκεί s.

24 Φυσικο - Χημικό Στάδιο Στα κύτταρα, τα μόρια του Η 2 Ο διακρίνονται σε ελεύθερα και σε δεσμευμένα με άλλα μόρια (κυρίως πρωτεϊνικά), μέσω δεσμών υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου του Η 2 Ο είναι πολύ ασθενείς (της τάξης των kj/mole) και διασπώνται και επανασχηματίζονται συνεχώς, δεδομένου ότι η θερμική ενέργεια του Η 2 Ο είναι αρκετά μεγάλη (2,5 kj/mole). Στην οργανική ύλη επικρατούν οι δεσμοί C-C, C-H, C-N, C-P και C-O. Η ενέργεια διασπάσεως αυτών των δεσμών είναι της τάξης των 5 7 ev. Για παράδειγμα, εάν ένα φωτόνιο ακτινοβολίας Χ ενέργειας 100 KeV επιδράσει σε οργανική ύλη μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η κινητική ενέργεια του προκύπτοντος ηλεκτρονίου ισούται με 100 ΚeV και είναι αρκετή για την διάσπαση χημικών δεσμών. Στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας δαπανάται σε απλές διεγέρσεις και συνεπώς διασπώνται πολύ λιγότεροι χημικοί δεσμοί.

25 Φυσικο - Χημικό Στάδιο

26 Φυσικο - Χημικό Στάδιο

27 Φυσικο - Χημικό Στάδιο Οι βιολογικές διαταραχές οφείλονται στις διεγερμένες και στις ιονισμένες χημικές ενώσεις. Μία διεγερμένη χημική ένωση είναι ασταθής και έχει αυξημένες πιθανότητες να αντιδράσει χημικά, ενώ μία ιονισμένη ένωση είναι ακόμη περισσότερο ασταθής και αντιδρά ισχυρότερα. Στο φυσικο-χημικό στάδιο, παράγονται ελεύθερες ρίζες και διεγερμένα μόρια. Οι ελεύθερες ρίζες είναι άτομα ή μόρια ηλεκτρικώς ουδέτερα, με ίσους αριθμούς πρωτονίων και ηλεκτρονίων, αλλά ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής τους στοιβάδας είναι ασύζευκτο (δεν σχηματίζει ζεύγος), με αποτέλεσμα οι ελεύθερες ρίζες να είναι χημικώς, εξαιρετικά δραστικές.

28 Φυσικο - Χημικό Στάδιο Προτείνονται τρεις θεωρίες για την εξήγηση της επίδρασης της ακτινοβολίας στο κύτταρο: 1. Η «θεωρία των στόχων» ή «άμεσος μηχανισμός», κατά την οποία τα κβάντα ενέργειας προσκρούουν στα μακρομόρια των κυττάρων-στόχων και προκαλούν βλάβες. Εάν αλλοιωθούν σημαντικά μακρομόρια (DNA, RNA) προκαλείται σημαντική βλάβη ή επέρχεται ο θάνατος του κυττάρου.

29 Φυσικο - Χημικό Στάδιο 2. Η «θεωρία ενεργοποίησης του ύδατος» ή «έμμεσος μηχανισμός», κατά την οποία επειδή το μόριο που κυριαρχεί ποσοτικά σε όλα τα βιολογικά υλικά είναι το μόριο του ύδατος, αυτό δέχεται κατά κύριο λόγο την επίδραση της ακτινοβολίας, προκαλείται υδρόλυση, δημιουργία ελευθέρων ριζών και ενεργοποίηση των μορίων Η 2 Ο με αποτέλεσμα την δημιουργία χημικών ενώσεων ξένων προς το κύτταρο (κυτταρικός θάνατος). 3. Η «θεωρία της διαχύσεως», κατά την οποία τα κβάντα μεταφέρουν ενέργεια στα μόρια του κυττάρου και τα ενεργοποιούν. Τα ενεργοποιημένα μόρια μετακινούνται άτακτα διαμέσου των ημιπερατών κυτταρικών μεμβρανών μεταξύ πυρήνα κυτταροπλάσματος εξωκυτταρίου χώρου, με αποτέλεσμα την μεταβολή της ενδοκυττάριας και εξωκυττάριας συγκέντρωσης ουσιών (κυτταρικός θάνατος).

30 Φυσικο - Χημικό Στάδιο Όμως: Καθώς η εμβέλεια των ελευθέρων ριζών είναι της τάξης των μερικών mm, αμφισβητείται η ύπαρξη έμμεσης δράσης της ακτινοβολίας, αφού όπως υποστηρίζεται το DNA δεν περιβάλλεται από νερό εξαιτίας της εξαιρετικά μεγάλης ελίκωσης. Εντούτοις υπολογίζεται ότι π.χ αναφορικά με τις ακτινοβολίες οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως στην ακτινοθεραπεία, το 85% των βιολογικών επιδράσεων οφείλεται στην έμμεση δράση της ακτινοβολίας και μόνο το 15% στην άμεση. To φυσικο-χημικό στάδιο διαρκεί από 10-4 έως 10-3 s.

31 άμεσος μηχανισμός e - Σύμφωνα με τον άμεσο μηχανισμό, σχηματίζονται ελεύθερες ρίζες από τα βιολογικά μακρομόρια στόχους (έστω RH): RH RH + R o + H + Παρουσία οξυγόνου, είναι δυνατόν να δημιουργηθούν όμως και άλλες ρίζες, π.χ.: R o + O 2 RO 2 o

32 έμμεσος μηχανισμός Σύμφωνα με τον έμμεσο μηχανισμό, προηγείται η ραδιόλυση του Η 2 Ο: Περίπου δευτερόλεπτα αργότερα το ηλεκτρόνιο συνδέεται με μόρια ύδατος (ενυδατωμένο ηλεκτρόνιο, e aq ): Τα ιόντα ΗΟΗ + και ΗΟΗ - είναι σχετικά ασταθή και μπορούν να διασπαστούν σχηματίζοντας τα ζεύγη ιόντων Η +, ΟΗ - και τα ζεύγη ελευθέρων ριζών Η ο, ΟΗ ο. Τα ιόντα επανασυνδέονται χωρίς περαιτέρω επίδραση: Οι ελεύθερες ρίζες, παρόλο που είναι βραχύβιες (10-5 s σε καθαρό Η 2 Ο), είναι εξαιρετικά δραστικές και μπορεί να προκαλέσουν βιολογικές βλάβες, εάν επιδράσουν σε σημαντικά μόρια. Οι ρίζες μπορεί να διαχυθούν και να επηρεάσουν απομακρυσμένες περιοχές του κυττάρου. Εάν δύο ρίζες υδροξυλίου συνενωθούν, προκύπτει το υπεροξείδιο του υδρογόνου που είναι δηλητηριώδες για το κύτταρο: Η ελεύθερη ρίζα του υδρογόνου Η ο μπορεί να αντιδράσει με το Ο 2 και να δημιουργήσει ρίζα υπεροξειδίου: H 2 O HOH + + e - H 2 O HOH + + e - aq HOH - HOH + H + + OH o HOH - H o + OH - H + + OH - H 2 O H o, OH o OH o + OH o H 2 O 2 H o + O 2 HO o 2 Η ρίζα υπεροξειδίου δημιουργεί υπεροξείδιο του υδρογόνου: HO 2 o + HO 2 o H 2 O 2 + O 2

33 Βιοχημικό Στάδιο Σύμφωνα με τον έμμεσο μηχανισμό, οι ελεύθερες ρίζες αντιδρούν με διάφορα οργανικά μόρια κατά το βιοχημικό στάδιο: ρίζα δράση χημική διαδικασία Η ο Ισχυρή αναγωγική δράση πολυμερισμό και απόσπαση ατόμων Η ή άλλων μορίων RH + H o R o + H 2 RNH 2 + H o R o + NH 3 ΟΗ ο ισχυρή οξειδωτική δράση προσλαμβάνει e - για να εξισορροπήσει την ασύζευκτη κατάσταση της εξωτερικής στιβάδας και θεωρείται ως ο κυριότερος βλαπτικός παράγοντας του DNA. Επίσης, μπορεί να σχηματίσει πρόσθετα παράγωγα σε αμινοξέα, πεπτίδια, βάσεις νουκλεοσιδίων και σάκχαρα. RCH = CHR + OH o RCHOH - CH o R

34 Βιοχημικό Στάδιο Τα τελικά παράγωγα μπορεί να σχηματίσουν διμερή (π.χ. R 1 o + R 2 o -> R 1 R 2 ), να προκαλέσουν έντονες αντιδράσεις, να υδρολύσουν, να μεταφέρουν Η, να προσθέσουν Ο και να δημιουργήσουν αποκαρβοξυλιώσεις σε οποιοδήποτε βιολογικό μόριο. Το DNA δομείται από μία αλληλουχία 4 βάσεων: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), θυμίνη (T), κυτοσίνη (C). Οι αδενίνη και γουανίνη αποτελούν τις πουρίνες και οι θυμίνη και κυτοσίνη αποτελούν τις πυριμιδίνες.

35 Βιοχημικό Στάδιο Οι πυριμιδίνες είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητες από τις πουρίνες. Τα ενυδατωμένα ηλεκτρόνια αντιδρούν με τις βάσεις και τα σάκχαρα. Οι ρίζες Η ο αντιδρούν με τις βάσεις σε μικρότερο βαθμό. Η μοριακή βλάβη αφορά την διάσπαση των δεσμών φωσφόρου εστέρος της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας ή την διάσπαση των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των βάσεων των δύο αλυσίδων του DNA.

36 Βιοχημικό Στάδιο H πιθανότητα να συμβεί βλάβη σε μία από τις αλυσίδες του DNA είναι μεγαλύτερη από την πιθανότητα να συμβεί βλάβη και στις δύο αλυσίδες. Η ακτινοβολία επιφέρει πολλών ειδών βλάβες στο μόριο του DNA, πολλές από τις οποίες το κύτταρο τις επιδιορθώνει, άλλες τις μεταβιβάζει στους απογόνους του, ενώ μικρό σχετικά ποσοστό βλαβών, οδηγούν στον κυτταρικό θάνατο.

37 Βιοχημικό Στάδιο Φυσιολογικό DNA Βλάβες στη Βάση ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Διασταυρούμενες συνδέσεις Θραύση δεσμού σε ένα σημείο Θραύση δεσμού σε δύο σημεία

38 Βιοχημικό Στάδιο Τύπος Ακτινικής Βλάβης Αριθμός ανά Sv Ρήξη διπλής αλυσίδας (Double Strand Brake) 50 Ρήξη μονής αλυσίδας (Single Strand Brake) Καταστροφή Βάσης Καταστροφή σακχάρου Διασταυρούμενη σύνδεση DNA-DNA 30 Διασταυρούμενη σύνδεση DNA-Πρωτείνες 150 Τύπος και αριθμός ακτινικής βλάβης του DNA ανά Sv ακτινοβολίας Τα νουκλεϊκά οξέα είναι τα περισσότερο ευπαθή μακρομόρια στην ιοντίζουσα ακτινοβολία. Ευαίσθητες στην ακτινοβολία είναι οι πρωτεΐνες των κυτταρικών μεμβρανών. Στα πρωτεϊνικά μόρια, ο έμμεσος μηχανισμός επικρατεί του άμεσου, όσον αφορά την πρόκληση βλαβών.

39 Τύπος Ακτινικής Βλάβης Αριθμός ανά Sv Ρήξη διπλής αλυσίδας (Double Strand Brake) 50 Ρήξη μονής αλυσίδας (Single Strand Brake) Καταστροφή Βάσης Καταστροφή σακχάρου Διασταυρούμενη σύνδεση DNA-DNA 30 Διασταυρούμενη σύνδεση DNA-Πρωτείνες 150 Τύπος και αριθμός ακτινικής βλάβης του DNA ανά Sv ακτινοβολίας Οι ελεύθερες ρίζες (κυρίως η ΟΗ ο ) αντιδρούν με τα αμινοξέα που περιέχουν Δισφουλφιδικές Ομάδες, με αποτέλεσμα την διάσπαση των δεσμών της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Η διάσπαση των πεπτιδικών δεσμών μεταβάλλει την δευτεροταγή και την τριτοταγή δομή των πρωτεϊνών. Επίσης, επέρχεται μείωση του μοριακού βάρους, το οποίο μεταβάλλεται συναρτήσει της δόσης.

40 Βιοχημικό Στάδιο Η ακτινοευαισθησία των ενζύμων in vivo είναι υψηλότερη από την in vitro ακτινοβόληση, επειδή αναπτύσσονται επιπρόσθετοι μηχανισμοί (π.χ. δομικές βλάβες κυτταρικών μεμβρανών) που συνεισφέρουν στην απώλεια της ενζυματικής λειτουργίας. Τα λίπη υφίστανται διασπάσεις μορίων και υπεροξειδώσεις (ιδίως στις αλυσίδες των πολυακόρεστων λιπαρών οξέων των φωσφολιπιδίων).

41 Βιοχημικό Στάδιο Οι υδατάνθρακες υφίστανται διασπάσεις δεσμών και αποπολυμερισμούς. Άλλες μοριακές μεταβολές αφορούν τις συνενώσεις διαφόρων μακρομορίων και τμημάτων του ίδιου μορίου, με αποτέλεσμα την αλλοίωση της φυσικοχημικής κατάστασης των μορίων και την παθολογική έκφραση της βλάβης. Η διάρκεια της ανάπτυξης της μοριακής βλάβης κυμαίνεται από λίγα δευτερόλεπτα έως και ώρες.

42 Βιολογικό Στάδιο Κατά το βιολογικό στάδιο, η κυτταρική βλάβη των ιστών μπορεί να είναι είτε άμεση είτε έμμεση (λόγω της καταστροφής των αιμοφόρων αγγείων ή της ραδιόλυσης του μεσοκυτταρίου υγρού). Σε κάθε επίπεδο οργάνωσης των θηλαστικών (κύτταρα ιστοί όργανα), οι μη επανορθώσιμες βλάβες προκαλούν συστηματικές βιολογικές επιπτώσεις.

43 Βιολογικό Στάδιο Η διάρκεια του βιολογικού σταδίου στα θηλαστικά κυμαίνεται από λίγα λεπτά έως και έτη. Τα άμεσα βιολογικά αποτελέσματα της ακτινοβολίας εκδηλώνονται εντός τεσσάρων ή περισσότερων εβδομάδων, ενώ τα απώτερα αποτελέσματα εκδηλώνονται σε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Οι σωματικές βλάβες αφορούν τα σωματικά κύτταρα και είναι επικίνδυνες μόνο για τον ακτινοβοληθέντα οργανισμό (π.χ. καρκινογένεση). Οι γενετικές βλάβες αφορούν τα γεννητικά κύτταρα (γαμέτες) και, εάν δεν επέλθει στειρότητα, κληρονομούνται στις επόμενες γενεές.

44 Διεγερτικές Βλαπτικές Κυτταρικές Επιδράσεις Οι βιολογικές μεταβολές, που συμβαίνουν σε κυτταρικό επίπεδο από την ιοντίζουσα ακτινοβολία, διεγείρουν τους επιδιορθωτικούς ενζυμικούς μηχανισμούς. Εάν οι μηχανισμοί είναι ακέραιοι, αποκαθιστούν πλήρως την βλάβη και η επίδραση της ακτινοβολίας είναι διεγερτική, καθώς ενεργοποιεί τον κυτταρικό μεταβολισμό και την σύνθεση του RNA.

45 Διεγερτικές Βλαπτικές Κυτταρικές Επιδράσεις Αντίθετα, εάν οι μηχανισμοί έχουν αδρανοποιηθεί ή δυσλειτουργούν, δεν αποκαθίσταται η βλάβη και η επίδραση της ακτινοβολίας είναι επιβλαβής ή καταστροφική. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι βιολογικές μεταβολές προκαλούν μορφολογικές ανωμαλίες, λειτουργικές διαταραχές και κυτταρικό θάνατο.

46 Διεγερτικές Βλαπτικές Κυτταρικές Επιδράσεις Οι κυριότερες βλαπτικές επιδράσεις της ακτινοβολίας στα κύτταρα περιλαμβάνουν: Α. την καθυστέρηση της κυτταρικής διαίρεσης, Β. τις χρωμοσωμικές διαταραχές και Γ. τον κυτταρικό θάνατο

47 Α. Καθυστέρηση της κυτταρικής διαίρεσης Οι μικρές δόσεις των ιοντιζουσών ακτινοβολιών μπορεί να αναστείλουν ή να καθυστερήσουν την μιτωτική φάση του κυτταρικού κύκλου, χωρίς να επηρεαστεί η μετέπειτα αναπαραγωγική ικανότητα και η επιβίωση του κυττάρου. Η καθυστέρηση της μίτωσης είναι αντιστρεπτό φαινόμενο και μελετάται βάσει της μείωσης του μιτωτικού δείκτη.

48 Α. Καθυστέρηση της κυτταρικής διαίρεσης Ως μιτωτικός δείκτης ορίζεται ο λόγος του αριθμού των κυττάρων σε μίτωση προς τον συνολικό αριθμό του κυτταρικού πληθυσμού. Η χρονική διάρκεια της μιτωτικής καθυστέρησης εξαρτάται από την δόση της ακτινοβολίας. Σε μεγάλες δόσεις αναστέλλεται η φάση G1 και σε ακόμα μεγαλύτερες αναστέλλεται η σύνθεση του DNA (φάση S).

49 Β. Χρωμοσωμικές διαταραχές Τα τμήματα των χρωμοσωμάτων, που αποκόβονται, μπορεί: - είτε να επανενωθούν (αποκατάσταση βλάβης), - είτε να μην γίνει επανένωση, - είτε να επανενωθούν σε άλλες θέσεις (δημιουργία χρωμοσωμάτων παράδοξης μορφολογίας).

50 Β. Χρωμοσωμικές διαταραχές Οι διαταραχές αυτές οδηγούν σε κυτταρικό θάνατο, σε εμφάνιση κακοηθών νεοπλασιών ή μεταβιβάζονται στους απογόνους, οπότε είναι ιδιαίτερα επικίνδυνες. Στις διαταραχές αυτές περιλαμβάνονται: α. οι μεταβολές του αριθμού των χρωμοσωμάτων, β. οι γονιδιακές μεταλλάξεις και γ. οι χρωμοσωμικές μορφολογικές διασπάσεις.

51 Β. Χρωμοσωμικές διαταραχές α. αριθμητικές μεταβολές Οι αριθμητικές μεταβολές αποτελούν ορατές ποσοτικές μεταβολές του σταθερού αριθμού των χρωμοσωμάτων ανά κύτταρο και δημιουργία πολυπλοειδικών γιγαντοκυττάρων. Σε νεοπλασματικούς ιστούς απαντώνται φαινόμενα πολυπλοειδίας με μεγάλη συχνότητα. Στις γονιδιακές μεταλλάξεις επέρχονται μεταβολές της φυσιολογικής σειράς των βάσεων των νουκλεοτιδίων ενός γονιδίου.

52 Β. Χρωμοσωμικές διαταραχές β. γονιδιακές ή σημειακές μεταλλάξεις Είναι μεταβολές του γενετικού κώδικα που ή επιφέρουν κυτταρικό θάνατο ή μεταβιβάζονται στους απογόνους. Η πρόκληση μίας γονιδιακής μετάλλαξης είναι δυνατόν να πιστοποιηθεί μόνο από την σωματική εκδήλωση του γονοτύπου. Οι μεταλλάξεις σε χαμηλές δόσεις και ρυθμούς δόσεων είναι δυνατόν να επιδιορθωθούν και συνεπώς δεν υπάρχει γραμμική σχέση. Η πιθανότητα ακτινοπροκλητής μετάλλαξης υπολογίζεται σε 1 ανά 106 ακτινοβολούμενα κύτταρα με 10 msv.

53 Β. Χρωμοσωμικές διαταραχές γ. χρωμοσωμικές μορφολογικές διασπάσεις Οι χρωμοσωμικές διασπάσεις προκαλούνται (όπως και οι γονιδιακές μεταλλάξεις) από την τοπική συγκέντρωση ιονισμών σε μία περιοχή της χρωματίνης. Γενικά είναι δυνατό να συμβούν τα εξής: Να μη γίνει κανενός είδους επανένωση και απλά να εξαλειφθεί ένα τμήμα του χρωμοσώματος και φυσικά του γενετικού υλικού. Τα τμήματα που αποκόπηκαν να επανενωθούν αποκαθιστώντας την βλάβη, και Τα τμήματα των χρωμοσωμάτων να ενωθούν με διάφορους συνδυασμούς και να προκύψουν χρωμοσώματα με δομική ανωμαλία.

54 Μετα-Ακτινικές Χρωμοσωμικές Διαταραχές

55 Γ. Κυτταρικός Θάνατος Ο κυτταρικός θάνατος αποτελεί την κυριότερη επίπτωση της ακτινοβολίας σε υψηλές δόσεις. Διακρίνεται σε: α. αναπαραγωγικό θάνατο, β. μεσοφασικό θάνατο γ. απόπτωση

56 α. αναπαραγωγικός θάνατος Ο αναπαραγωγικός θάνατος εκδηλώνεται ως: ανικανότητα του κυττάρου να αναπαραχθεί με φυσιολογικό ρυθμό ή πλήρης ανικανότητα αναπαραγωγής με διατήρηση του κυτταρικού μεταβολισμού ή άμεσος μεταβολικός θάνατος στην φάση της μίτωσης.

57 α. αναπαραγωγικός θάνατος Τα αδιαφοροποίητα διαιρούμενα κύτταρα είναι πιο ακτινοευαίσθητα από τα διαφοροποιημένα κύτταρα. Εξαίρεση αποτελούν τα διαφοροποιημένα Β- λεμφοκύτταρα, τα οποία ευρίσκονται στην φάση Go. Τα λεμφοκύτταρα θανατώνονται σε πολύ χαμηλές δόσεις (< 500 msv), όπως και τα ωοκύτταρα. Τα Β- λεμφοκύτταρα του περιφερικού αίματος αποτελούν το καταλληλότερο βιολογικό δοσίμετρο. Ως βιολογικό δοσίμετρο ορίζεται ένα σύστημα στο οποίο ο βαθμός της βιολογικής απόκρισης είναι ανάλογος της απορροφόμενης δόσης και χρησιμοποιείται ως μέτρο αυτής.

58 β. μεσοφασικός θάνατος Ο μεσοφασικός θάνατος συμβαίνει στην φάση της μεσόφασης είτε: σε μη διαιρούμενα κύτταρα (π.χ. νευρικά, ωοκύτταρα) είτε: σε ταχέως διαιρούμενα κύτταρα, εάν ακτινοβοληθούν πριν από την μίτωση.

59 β. μεσοφασικός θάνατος Μεσοφασικός θάνατος επέρχεται σε όλα τα κύτταρα σε επίπεδα δόσης 100 Sv και εκδηλώνεται με πύκνωση του πυρήνα και νεκρωτική καταστροφή του κυττάρου. Ο μηχανισμός πρόκλησης συσχετίζεται με την μειωμένη παραγωγή ενέργειας από τα μιτοχόνδρια και δυσλειτουργίες των χρωμοσωμάτων. Οι βλάβες εκδηλώνονται εντός λίγων ημερών από την ακτινοβόληση.

60 γ. απόπτωση Το μεγαλύτερο ποσοστό του κυτταρικού θανάτου σε ακτινοβοληθέντα κύτταρα οφείλεται στον αναπαραγωγικό θάνατο, ενώ σε μικρότερο βαθμό πραγματοποιείται απόπτωση. Η απόπτωση είναι ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος και θεωρείται απαραίτητη διαδικασία για την ομοιοστασία του οργανισμού.

61 γ. απόπτωση Εκτός από ορισμένα κύτταρα (π.χ. λεμφοκύτταρα, ωοκύτταρα) που καταστρέφονται κατά την μεσόφαση μετά από ακτινοβόληση, όλα τα άλλα ήδη των κυττάρων των θηλαστικών υφίστανται τον επονομαζόμενο μιτωτικό θάνατο, που σημαίνει ότι τα κύτταρα δεν αποβιώνουν αμέσως, αλλά μόλις επιχειρήσουν την επόμενη ή τις λίγες επόμενες μιτώσεις. Κατά σύμβαση το κριτήριο ακεραιότητας ενός κυττάρου είναι να αποδώσει 50 καινούργια κύτταρα δηλαδή να ολοκληρώσει περίπου 5 με 6 μιτώσεις (2 5 =32, 2 6 =54). Η εξήγηση αυτού έγκειται στο ότι υπάρχουν ποσότητες RNA που δεν έχουν επηρεαστεί από τις βλάβες του DNA, και που μπορούν να συνθέσουν ακόμη φυσιολογική πρωτεΐνη, συνεχίζοντας για μικρό διάστημα, τις κυτταρικές λειτουργίες.

62 Η κατάταξη των ακτινικών επιδράσεων στα κύτταρα θα μπορούσε να απεικονισθεί ανάλογα με το ποσοστό των επιδράσεων και αλλοιώσεων που υφίστανται: Καμία βλάβη Μη θανατηφόρος βλάβη Δυνητικά θανατηφόρος βλάβη Καθυστέρηση στην μίτωση Υπό-θανατηφόρος βλάβη Θανατηφόρος βλάβη Διατήρηση φυσιολογικής αναπαραγωγικής ικανότητας Διατήρηση φυσιολογικής αναπαραγωγικής ικανότητας μετά από διάστημα ανανήψεως Διατήρηση φυσιολ. αναπαραγ. ικανότητας μετά από ανάνηψη σε κατάσταση ηρεμίας Καθυστέρηση στις φάσεις G 2 και S, ανεξάρτητα απο θανατηφόρο ή μη επίδραση Διατήρηση φυσιολ. αναπαρ. Ικανότητας, αργός ρυθμός ανάπτυξης Απώλεια αναπαραγωγικής ικανότητας Ακτινικές επιδράσεις στα κύτταρα

63 Γ. Κυτταρικός Θάνατος Στην ακτινοβιολογία η επιβίωση του κυττάρου κατόπιν ακτινοβόλησης, είναι συνώνυμη με την διατήρηση ή μη της αναπαραγωγικής ικανότητας του. Στις δόσεις ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία συνηθέστερος είναι ο μιτωτικός θάνατος. Ωστόσο με την εφάπαξ χορήγηση δόσης της τάξης των εκατοντάδων Sv ο κυτταρικός θάνατος επέρχεται γρήγορα πριν την μίτωση και ονομάζεται μεσοφασικός θάνατος. Για την απώλεια της αναπαραγωγικής ικανότητας των κυττάρων των θηλαστικών, η μέση θανατηφόρος δόση είναι περίπου 15 Sv, ενώ το 50% των λεμφοκυττάρων θανατώνονται κυρίως κατά την μεσόφαση, 24 περίπου ώρες μετά την χορήγηση 10 Sv.

64 Ακτινικές Βλάβες στους Ιστούς

65 Ακτινικές Βλάβες στους Ιστούς Το βιολογικό αποτέλεσμα της ακτινοβόλησης των ιστών οφείλεται στο θάνατο των κυττάρων του ιστού, που είναι υπεύθυνα για την ανανέωσή του. Τα κύτταρα αυτά ονομάζονται κύτταρα-στόχοι. Η ακτινευαισθησία των κυττάρων-στόχων και η ανταπόκρισή τους στις μεταβολές των παραμέτρων της ακτινοβολίας, καθορίζει σε μεγάλο βαθμό και τις μετακτινικές αντιδράσεις του αντίστοιχου ιστού. Οι καμπύλες επιβίωσης αποτελούν γραφικές παραστάσεις δόσης αποτελέσματος, που περιγράφουν την σχέση της αναπαραγωγικής ικανότητας των ακτινοβοληθέντων κυττάρων τα οποία έχουν επιβιώσει, συναρτήσει της δόσης απορρόφησης. Οι καμπύλες αυτές βασίζονται σε μαθηματικές εξισώσεις της θεωρίας του στόχου.

66 Θεωρία του Στόχου Σύμφωνα με την θεωρία του στόχου: H ιοντίζουσα ακτινοβολία μεταφέρει ενέργεια ασυνεχώς σε διακριτές ποσότητες ενέργειας είτε με σωματιδιακή υπόσταση είτε με την μορφή φωτονίων (quanta). Κάθε τέτοια ποσότητα έχει την έννοια της μικροσκοπικής σφαίρας. Κάθε κύτταρο έχει έναν ειδικό αριθμό στόχων, που είναι δυνατό να αδρανοποιηθούν από ένα ή περισσότερα χτυπήματα. Η αδρανοποίηση όλων των στόχων οδηγεί σε αναπαραγωγικό θάνατο. Κάθε χτύπημα στόχου είναι ένα τυχαίο φαινόμενο και κάθε φορά ανεξάρτητο από προηγούμενες πλήξεις.

67 Θεωρία του Στόχου Κατά την θεωρία του στόχου διακρίνονται δύο μαθηματικά μοντέλα κυτταρικής επιβίωσης: Το μοντέλο του «ενός στόχου ενός χτυπήματος», που εφαρμόζεται για βιολογικούς στόχους όπως είναι τα ένζυμα, οι ιοί και τα βακτηρίδια, απαιτεί ένα χτύπημα (ένας ιονισμός) για την αδρανοποίηση ενός ευαίσθητου στόχου και την πρόκληση αναπαραγωγικού θανάτου. Το μοντέλο των «πολλαπλών στόχων ενός χτυπήματος», που εφαρμόζεται για βιολογικούς στόχους όπως είναι τα κύτταρα των θηλαστικών, απαιτεί την αδρανοποίηση πολλών στόχων για την πρόκληση αναπαραγωγικού θανάτου (κάθε στόχος αδρανοποιείται από ένα χτύπημα) και δέχεται ένα φαινόμενο κατωφλίου. Το μοντέλο αυτό εμφανίζει μία περιοχή «ώμου» σε χαμηλές δόσεις απορρόφησης και παρατηρείται η εκθετική σχέση σε υψηλότερες δόσεις.η περιοχή του «ώμου» παριστάνει το εύρος της δόσης, που συμβαίνει υποθανατηφόρος ή επανορθώσιμη βλάβη.

68 Θεωρία του Στόχου Μοντέλο πολλαπλών στόχων. Οι μεταβλητές D 1 και D 0 είναι οι αντίστροφες της αρχικής και της τελικής κλίσης. Aντιστοιχούν στην απαιτούμενη δόση για να μειωθεί το ποσοστό των επιβιωσάντων κυττάρων στο 37% της αρχικής τιμής τους.

69 Ακτινευαισθησία Ιστών Η ακτινοευαισθησία ιστών και οργάνων εξαρτάται από την ακτινοευαισθησία των κυττάρων που αποτελούν τον ιστό αυτό. Με κριτήριο τον αναπαραγωγικό θάνατο, οι Bergonie Tribondeau (1906) διατύπωσαν τον νόμο της ακτινοευαισθησίας των ιστών. Σύμφωνα με τον νόμο των Bergonie Tribondeau, η ακτινοευαισθησία των ιστών: είναι ανάλογη της μεταβολικής δραστηριότητας. Τα κύτταρα με υψηλά επίπεδα μεταβολικής δραστηριότητας (π.χ. κύτταρα βλεννογόνου) εμφανίζουν μεγάλη ακτινοευαισθησία και κατ επέκταση, άμεση αντίδραση. είναι ανάλογη του ρυθμού πολλαπλασιασμού και του αναπτυξιακού ρυθμού των ιστών. Η αύξηση του ρυθμού πολλαπλασιασμού συνεπάγεται αύξηση της ακτινοευαισθησίας.

70 Ακτινευαισθησία Ιστών είναι αντιστρόφως ανάλογη της διαφοροποίησης των κυττάρων: Τα λιγότερο διαφοροποιημένα κύτταρα είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητα σε σχέση με τα κύτταρα υψηλής διαφοροποίησης. Τα βλαστικά κύτταρα (stem cells) είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητα συγκριτικά με τα ωριμότερα κύτταρα της ίδιας σειράς. Ο σημαντικά διαφοροποιημένος νευρικός ιστός είναι ο λιγότερο ακτινοευαίσθητος ιστός. Εξαιρέσεις: λεμφοκύτταρα και ωοκύτταρα, τα οποία είναι πολύ ακτινοευαίσθητα παρόλο που είναι διαφοροποιημένα και δεν εμφανίζουν αυξημένο ρυθμό πολλαπλασιασμού. είναι ανάλογη της ηλικίας των κυττάρων στον κυτταρικό κύκλο. Τα νεότερα κύτταρα είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητα.

71 Δόση (Sv) Κύτταρο - Στόχος Βιολογικό Αποτέλεσμα Η ιστική βλάβη εξαρτάται από την ακτινοευαισθησία των παρεγχυματικών κυττάρων, αλλά και από την προκαλούμενη βλάβη στο στρώμα του οργάνου (συνδετικός ιστός, αγγειακό δίκτυο). Η βλάβη του στρώματος επιφέρει μείωση της αναπαραγωγικής ικανότητας των παρεγχυματικών κυττάρων και υποπλασία ατροφία του ιστού. Τέλος, υπάρχει η πιθανότητα μεταβολής του φυσιολογικού ιστού σε νεοπλασματικό Λεμφοκύτταρα Σπερματοκύτταρα Ωοκύτταρα Φακός Στελεχιαία κύτταρα μυελού οστών Μαλπιγγιακό σωμάτιο νεφρού Πνευμονοκύτταρα ΙΙ Αγγειακό στρώμα διαμέσου ιστού πνεύμονος Κεντρική φλέβα ήπατος Μυελός οστών Λεμφοπενία Στειρότητα Στειρότητα Καταρράκτης Οξεία απλασία Αρτηριονεφροσκλήρυνση Πνευμονίτιδα Ίνωση Ηπατοπάθεια Υποπλασία Καρδιά Περικαρδίτιδα Νωτιαίος μυελός Απόφραξη Νέκρωση Μυελοπάθεια Εγκέφαλος Ορθό Ουροδόχος κύστη Εγκεφαλοπάθεια Έλκος Έλκος Σχετική ακτινοευαισθησία ιστών και οργάνων

72 Ακτινευαισθησία Ιστών Άμεσα Βιολογικά Αποτελέσματα Συμβατικά, όψιμες αντιδράσεις θεωρούνται αυτές που παρατηρούνται τρεις, η σύμφωνα με άλλους, έξι μήνες μετά το τέλος της ακτινοθεραπείας. Γενικά οι όψιμες παρενέργειες της ακτινοθεραπείας συνίστανται στην νέκρωση ή / και αντικατάσταση του φυσιολογικού λειτουργικού ιστού από ουλώδη ιστό. Οι όψιμες παρενέργειες που παρατηρούνται στο δέρμα είναι: σκλήρυνση, τηλαγγειεκτασίες, νέκρωση, εξέλκωση και δημιουργία συριγγίων. Για το νευρικό ιστό είναι απομυελίνωση, νέκρωση και δημιουργία ουλώδους ιστού. Ουσιαστικό κριτήριο επιτυχίας της ακτινοθεραπευτικής αγωγής είναι η αποφυγή όψιμων παρενεργειών, αφού αυτές είναι μη αναστρέψιμες και μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο την ζωή ή την ακεραιότητα του ασθενούς. Τα άμεσα βιολογικά αποτελέσματα είναι μη στοχαστικά.

73 Ακτινευαισθησία Ιστών Ιστοί τύπου Η και F Οι ιστοί διακρίνονται σε τύπου Η (hierarchial) και σε τύπου F (flexible) με τα εξής χαρακτηριστικά: Οι ιστοί τύπου Η, χαρακτηρίζονται από ιεραρχία των διαμερισμάτων των συστημάτων κυτταρικής αναγέννησης εμφανίζουν υψηλό μιτωτικό δείκτη η ανανέωση και η λειτουργία επιτελείται από διαφορετικούς κυτταρικούς πληθυσμούς όπως στα επιθήλια (έντερο, δέρμα κ.λ.π.) Οι ιστοί τύπου F, έχουν ειδική λειτουργία και ικανότητα πολλαπλασιασμού εμφανίζουν χαμηλό ή μηδενικό μιτωτικό δείκτη διαθέτουν μια σχετική ευελιξία στην βιολογική τους συμπεριφορά (π.χ. ήπαρ, πνεύμονας, νεφροί)

74 Ακτινευαισθησία Ιστών Ιστοί τύπου Η και F Η διάκριση μεταξύ τύπου Η και F, συνδέεται άμεσα με τον χρόνο εκδήλωσης των βιολογικών αποτελεσμάτων. Η διάκριση μεταξύ οξέως και οψίμως αντιδρώντες ιστούς, που καλείται κυτταρική κινητική, καθορίζει τον τρόπο ανταπόκρισης τους στην ακτινοβολία και κατ επέκταση τον τρόπο εισαγωγής τους ως ακτινοβιολογικές παράμετροι.

75 Ιστοί τύπου Η Με κριτήριο τον αναπαραγωγικό θάνατο, οι ιστοί τύπου Η είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητοι, λόγω της έντονης αναπαραγωγικής λειτουργίας - μεγαλύτερη μιτωτική δραστηριότητα (π.χ. γενετικό επιθήλιο όρχεων, αιμοποιητικά κύτταρα, εντερικό επιθήλιο, κύτταρα βασικής στιβάδας επιδερμίδας). Αυτό σημαίνει ότι τα ώριμα-λειτουργικά κύτταρα (που φυσιολογικά καταστρέφονται με τον ρυθμό που χαρακτηρίζει τον κάθε ιστό), δεν αντικαθίστανται επαρκώς.

76 Ιστοί τύπου Η Επειδή φυσιολογικά οι χρόνοι ζωής των κυττάρων στους ιστούς τύπου H είναι της τάξεως ημερών ή λίγων εβδομάδων, οι αντιδράσεις τους παρατηρούνται, π.χ. στην κλινική ακτινοθεραπεία, όσο διαρκεί η αγωγή. Γι αυτό τον λόγο ονομάζονται οξείες αντιδράσεις και οι ιστοί τύπου Η συχνά αποκαλούνται οξέως αντιδρώντες ιστοί (ΟΞ.Α.Ι.) στις πολύ υψηλές δόσεις ο χρόνος που χρειάζεται για να εκδηλωθεί η ακτινική βλάβη είναι ανεξάρτητος της δόσης, αφού η περαιτέρω ακτινοβόληση δεν έχει καμιά επίδραση σε έναν ιστό που ήδη στερείται κυτταρικών εφεδρειών

77 Ιστοί τύπου F Ο ρυθμός κυτταρικής ανανέωσης είναι βραδύς και γι αυτό η ακτινική βλάβη εκδηλώνεται μετά από μακρό χρονικό διάστημα, που μπορεί να εκτείνεται έως και χρόνια μετά την ακτινοβόληση. Γι αυτό και οι αντιδράσεις των ιστών αυτών ονομάζονται όψιμες, ενώ οι ιστοί οψίμως αντιδρώντες ιστοί (ΟΨ.Α.Ι)

78 Ολοσωματική Ακτινοβόληση Η ολοσωματική εφ άπαξ έκθεση (οξεία ακτινοβόληση) σε υψηλές δόσεις ακτινοβολίας (1 Sv) προκαλεί: εκτεταμένο κυτταρικό θάνατο στον μυελό των οστών και στο έντερο σε πολύ υψηλές δόσεις ακτινοβόλησης του ανθρώπου (10 Sv) προκαλείται μία μη αντιστρεπτή καταστροφική βλάβη στο Κ.Ν.Σ. (Κεντρικό Νευρικό Σύστημα) αιμοποιητικό σύνδρομο (ενδέχεται να μην είναι θανατηφόρο) γαστρεντερικό σύνδρομο (θανατηφόρο) σύνδρομο του Κ.Ν.Σ. (θανατηφόρο)

79 Αιμοποιητικό Σύνδρομο Γαστρεντερικό Σύνδρομο Νευρολογικό Σύνδρομο Κρίσιμο όργανο Μυελός οστών Λεπτό έντερο Εγκέφαλος Δόση κατωφλίου 1 Sv * 5 Sv ** 20 Sv *** Δόση θανάτου > 2 Sv > 10 Sv > 50 Sv Πρόδρομη φάση 1 2 ημέρες ώρες λεπτά ή ώρες Λανθάνουσα φάση 2 3 εβδομάδες 3 5 ημέρες 15 λεπτά 3 ώρες Κύρια φάση (χρόνος θανάτου) 3 8 εβδομάδες 3 ημέρες 2 εβδομάδες Εντός 2 ημερών Κύρια σημεία - συμπτώματα Κακουχία Πυρετός Δύσπνοια Καταβολή Λευκοπενία Θρομβοπενία Πορφύρα Αιμόπτυση Αιματέμεση Μέλαινες κενώσεις Κακουχία Ανορεξία Ναυτία Έμετος Διάρροια Δυσλειτουργία ΓΕΣ + Πυρετός Αφυδάτωση Απώλεια ηλεκτρολυτών Κυκλοφορική κατάρρευση Συμπτώματα αιμοποιητικού συνδρόμου Τρόμος Λήθαργος Σπασμοί Αταξία Συμπτώματα συνδρόμου ΓΕΣ εάν παραταθεί ο χρόνος επιβίωσης Παθολογοανατομικά ευρήματα Ατροφία μυελού οστών Πανκυτταροπενία Λοίμωξη Αιμορραγία Αναιμία Απώλεια εντερικού επιθηλίου Ουδετεροπενία Λοίμωξη Αγγειίτιδα (Κ.Ν.Σ.) Εγκεφαλίτιδα Μηνιγγίτιδα Οίδημα Κ.Ν.Σ. Θεραπεία Αντιβίωση, μεταγγίσεις ολικού αίματος αιμοπεταλίων, κορτιζόνη, βιταμίνες, σίδηρος, αντιεμετικά, μεταμόσχευση μυελού των οστών σε ημέρες από την ακτινοβόληση (εάν δεν υπάρχουν σημεία ανάνηψης της κυτταρικής βλάβης). Αντισηψία περιβάλλοντος. Αντιβίωση, μεταγγίσεις αίματος υγρών ηλεκτρολυτών θρεπτικών ουσιών, αντιεμετικά. Άσηπτο περιβάλλον. Κατασταλτικά, ηρεμιστικά υπναγωγά, μείωση εγκεφαλικού οιδήματος. * Δόση που αντιστοιχεί σε ακτινογραφίες θώρακος εφ άπαξ (1 α/α θώρακος = μsv) ** Δόση που αντιστοιχεί σε ακτινογραφίες θώρακος εφ άπαξ

80 Ακτινευαισθησία Ιστοί, όργανα Κύτταρα Υψηλή Μέση Λεμφαδένες, Σπλήνας, Θύμος Όρχεις Ωοθήκη Μυελός των οστών Λεπτό έντερο Δέρμα Δερματικά εξαρτήματα Οφθαλμός Αγγεία Οστούν σε ανάπτυξη Λεμφοκύτταρα Σπερματογόνα Ωάριο Ερυθροβλάστες, Μυελοκύτταρα Επιθηλιακά κύτταρα Κύτταρα σε κατάσταση Κύτταρα σμηγματογόνου και ιδρωτοποιού αδένα Επιθήλιο κρυσταλοειδούς Ενδοθήλιο Κύτταρα χόνδρου σε οστεοβλάστη Μειωμένη Ήπαρ, Νεφροί, Πνεύμονες Κεντρικό και περιφερικό νευρικό σύστημα Ενδοκρινείς αδένες Σύνολο ραβδωτών μυών Μυοκάρδιο Συνδετικός ιστός Σκελετός Ηπατικά κύτταρα, κυψελιδικό επιθήλιο Κύτταρα σωληνοειδών και νευρωνίων Επιθήλια αδένων Κύτταρα μυών Κύτταρα συνδετικών ιστών Κύτταρα δυκτυωτών συστημάτων Οστεοκύτταρα

81

82 Τοπική Ακτινοβόληση Για να προκληθεί μία βιολογική αντίδραση από την τοπική ακτινοβόληση απαιτείται υψηλότερη δόση σε σύγκριση με την ολοσωματική ακτινοβόληση, λόγω της αναγεννητικής ικανότητας των βλαστικών κυττάρων των μη ακτινοβολημένων περιοχών και της μετανάστευσης αυτών των κυττάρων στο σημείο της βλάβης. Δέρμα: Η ακτινική βλάβη του δέρματος χαρακτηρίζεται από την πρόδρομη, την κύρια και την απώτερη δερματική αντίδραση: Η πρόδρομη αντίδραση (πρώτες 6 ημέρες) περιλαμβάνει το πρώιμο ερύθημα, το οποίο υποχωρεί εντός 10 ημερών. Η κύρια αντίδραση (2 3 εβδομάδες) περιλαμβάνει το κύριο ερύθημα, το οποίο υποχωρεί εντός ημερών. Η απώτερη αντίδραση περιλαμβάνει εναπόθεση χρωστικής, ατροφία του επιθηλίου και εναπόθεση κολλαγόνου.

83 Ακτινική Βλάβη Ουδός δόσης στο δέρμα (Sv) Εμφάνιση (σε εβδομάδες) Πρώιμο παροδικό ερύθημα 2 <<1 Παροδική απώλεια τριχοφυΐας 3 3 Κύρια ερυθηματώδης βλάβη 6 1,5 Μόνιμη απώλεια τριχοφυΐας 7 3 Ξηρή απολέπιση 10 4 Διηθητική ίνωση 10 Ατροφία δέρματος 11 >14 Τελεαγγειεκτασία 12 >52 Υγρή απολέπιση 15 4 Απώτερη ερυθηματώδης βλάβη Νέκρωση δέρματος 18 >10 Δευτεροπαθής εξέλκωση 20 >6

84 «Εγκαύματα» του δέρματος είναι σπάνια στην διαγνωστική ιατρική, αλλά συμβαίνουν κατά την πραγματοποίηση ορισμένων ιατρικών πράξεων εφόσον η έκθεση στην ακτινοβολία είναι παρατεταμένη (π.χ. επεμβατική ακτινολογία). Πλάτη ασθενούς, που υποβλήθηκε 6 8 εβδομάδες νωρίτερα σε πολλαπλή στεφανιογραφία και αγγειοπλαστική.

85 Άμεσα Γενετικά Αποτελέσματα Τα άμεσα γενετικά αποτελέσματα είναι μη στοχαστικά και αναφέρονται κυρίως στην πρόκληση στειρότητας: Οι γεννητικοί αδένες είναι όργανα υψηλής ακτινοευαισθησίας, η οποία εξαρτάται από τον βαθμό ωριμότητας Τα πρωτογενή σπερματοκύτταρα είναι περισσότερο ακτινοευαίσθητα σε σχέση με τις σπερματίδες και τα σπερματοζωάρια

86 Άμεσα Γενετικά Αποτελέσματα Στα θήλεα άτομα, παροδική στειρότητα προκαλείται από εφ άπαξ τοπική ακτινοβόληση 1,7 6,4 Sv και μόνιμη στειρότητα με δόσεις των 3,2 10 Sv (ακόμα και κλασματικώς χορηγούμενες) Χαμηλές δόσεις, της τάξης των 100 msv, είναι δυνατό να επιφέρουν καθυστέρηση της εμμήνου ρύσεως Στα άρρενα άτομα, παροδική στειρότητα ενός έτους προκαλείται από εφ άπαξ δόσεις των msv και επιμένουσα ασπερμία επέρχεται σε δόσεις άνω των 2 Sv. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ανάνηψη είναι βραδεία.

87 Όργανο Αποτέλεσμα Δόση (Sv) Όρχεις Ωοθήκες Ελάττωση σπερμογονιών Δυσλειτουργία κυττάρων Leydig Αμηνόρροια Στειρότητα 0,5 > 0,5 4 Θυρεοειδής Υποθυρεοειδισμός > 1 Εγκέφαλος Ιστοπαθολογικές αλλοιώσεις Νευροενδοκρινικά αποτελέσματα Οφθαλμός Καταρράκτης 2 Μαστός Υποπλασία 2 18 > 18 Πνεύμονας Ίνωση 8 11 Ήπαρ Ίνωση 12 Νεφρός Ελάττωση ρυθμού σπειραματικής διήθησης 12 Σκελετός Μεταβολές 10 Καρδιαγγειακό Καρδιομυοπάθεια 40 Ερυθρός μυελός οστών Υπολειτουργία 0,5 Βιολογικά Αποτελέσματα (Ψαρράκος, 1997)

88 Απώτερα Βιολογικά Αποτελέσματα Τα απώτερα βιολογικά αποτελέσματα παρατηρούνται σε χαμηλότερες δόσεις και μικρότερους ρυθμούς δόσεων ακτινοβολίας σε σχέση με τα άμεσα αποτελέσματα. Χαρακτηρίζονται από μία μακρά λανθάνουσα περίοδο και προκαλούνται είτε από ολοσωματική είτε από τοπική ακτινοβόληση. Τα απώτερα αποτελέσματα διακρίνονται σε: Στοχαστικά σωματικά αποτελέσματα (καρκινογένεση) Στοχαστικά γενετικά αποτελέσματα (κληρονομικές παθήσεις) Ειδικά σωματικά αποτελέσματα σε έμβρυα και αναπτυσσόμενους ιστούς

89 Στοχαστικά σωματικά αποτελέσματα (καρκινογένεση) Τύπος Νεοπλασίας Ολικός Κίνδυνος / 1 Sv (I.C.R.P., 1977) Ολικός Κίνδυνος / 10 msv (U.N.S.C.E.A.R., 1977) Καρκίνος (όλοι οι τύποι) Λευχαιμία 2 x x 10-6 Καρκίνος πνευμόνων 2 x x 10-6 Καρκίνος μαστού 2,5 x (γυναίκες ετών) 60 x 10-6 (γυναίκες ετών) Καρκίνος οστών 0,5 x x 10-6 Καρκίνος θυρεοειδούς 0,5 x x 10-6 Άλλα όργανα 5 x 10-3 Χρονική Διάρκεια 30 έτη Μέση περίοδος 25 ετών Ακτινοπροκλητές Κακοήθεις Νεοπλασίες

90 Ακτινοβιολογική Προσέγγιση στην Ακτινοθεραπεία Βιομαθηματικά Μοντέλα PTV Πνεύμονας

91 Ακτινοθεραπεία Στόχος της ακτινοθεραπείας είναι η χορήγηση ικανής δόσης ακτινοβολίας για την εξάλειψη του όγκου, με την ελάχιστη δυνατή επίπτωση στους υγιείς ιστούς. Ενδεικτικά υπολογίζεται ότι το 15% του συνολικού αριθμού ασθενών με συμπαγή νεοπλάσματα μπορούν να αντιμετωπιστούν αμιγώς με ακτινοθεραπεία, ενώ παράλληλα η τοπική θεραπεία που περιλαμβάνει και χειρουργική, επιφέρει ίαση στο 40% των ασθενών. Καθοριστικό ρόλο στη σύγχρονη ακτινοθεραπεία παίζει η ποσοτικοποίηση των βιολογικών αποτελεσμάτων της ακτινοβολίας.

92 Ακτινοθεραπεία του μαστού και του πνεύμονα 100 PTV PTV Πνεύμονας Πνεύμονας

93 Ακτινοθεραπεία του μαστού και του πνεύμονα 100 PTV PTV Πνεύμονας Πνεύμονας

94 Ακτινικές βλάβες στα κύτταρα Η κατάταξη των ακτινικών επιδράσεων στα κύτταρα θα μπορούσε να απεικονισθεί ανάλογα με το ποσοστό των επιδράσεων και αλλοιώσεων που υφίστανται στον πίνακα Καμία βλάβη Μη θανατηφόρος βλάβη Δυνητικά θανατηφόρος βλάβη Διατήρηση φυσιολογικής αναπαραγωγικής ικανότητας Διατήρηση φυσιολογικής αναπαραγωγικής ικανότητας μετά από διάστημα ανανήψεως Διατήρηση φυσιολ. αναπαραγ. ικανότητας μετά από ανάνηψη σε κατάσταση ηρεμίας Καθυστέρηση στη μίτωση Καθυστέρηση στις φάσεις G 2 και S, ανεξάρτητα απο θανατηφόρο ή μη επίδραση Υπό-θανατηφόρος βλάβη Διατήρηση φυσιολ. αναπαρ. Ικανότητας, αργός ρυθμός ανάπτυξης Θανατηφόρος βλάβη Απώλεια αναπαραγωγικής ικανότητας

95 Ο ρόλος του παράγοντα χρόνος Αναφορικά στην κυτταρική επιβίωση μετά από κερματισμένη ακτινοβόληση, έχει καθοριστεί από τους Elkind & Sutton το 1959, ότι: η συνολική δόση που απαιτείται για κάποιο επίπεδο κυτταρικής επιβίωσης αναμένεται να αυξηθεί με την αύξηση του κερματισμού της δόσης. Οι παράγοντες αυτοί και ο ρόλος τους στην κερματισμένη ακτινοβόληση συνοψίστηκαν από τον R. Withers ως τα 4 R της ραδιοβιολογίας, αν και πλέον αυτά τα R αναφέρονται ώς 5 1. Επιδιόρθωση (Repair), 2. Επαναποικισμός (Repopulation), 3. Ανακατανομή (Redistribution), 4. Επανοξυγόνωση (Reoxygenation) 5. Ενδογενής ακτινοευαισθησία (Radiosensitivity)

96 1. Επιδιόρθωση (Repair) Τα κύτταρα υφίστανται μη θανατηφόρες ακτινικές βλάβες που είναι δυνατόν να επιδιορθωθούν με την βοήθεια ενζυμικών μηχανισμών εάν το κύτταρο δεν επανακτινοβοληθεί για μερικές ώρες. Στο γεγονός αυτό οφείλεται η ύπαρξη «ώμου» στην περιοχή των χαμηλών δόσεων καθώς και η επανάληψή του επί κερματισμένης ακτινοβολήσεως, με αποτέλεσμα την αύξηση της ισοδραστικής δόσης με την κερματισμένη ακτινοβόληση.

97 2. Επανοικισμός (Repopulation) Τα φυσιολογικά κύτταρα που καταστρέφονται από την ακτινοβολία, αντικαθίστανται με την βοήθεια ομοιοστατικών μηχανισμών, από τις διαθέσιμες κυτταρικές δεξαμενές. Αυτό επιτυγχάνεται με 3 κυρίως τρόπους: α) Με μείωση του χρόνου του κυτταρικού κύκλου. β) Με αύξηση του κλάσματος υπό αναπαραγωγή (growth fraction). γ) Με μείωση του ποσοστού απώλειας κυττάρων (cell loss factor). Οι κακοήθεις όγκοι επαναποικίζονται επίσης με μηχανισμούς παρόμοιους με τους ανωτέρω. Μερικοί μάλιστα με τόσο ταχύ ρυθμό που, κάποιες φορές ξεπερνά τον ρυθμό της ακτινικής καταστροφής τους, με αποτέλεσμα την αδυναμία τοπικού ελέγχου του όγκου.

98 3. Ανακατανομή (Redistribution) Η κυτταρική ακτινοευαισθησία διαφέρει κατά τις διάφορες φάσεις του κυτταρικού κύκλου. Είναι μεγαλύτερη στην φάση Μ και G2, ενώ είναι σχετικά μικρή στη φάση S. Με την ακτινοβόληση θανατώνονται επιλεκτικά τα κύτταρα που βρίσκονται σε πιο ακτινευαίσθητες φάσεις. Ταυτόχρονα, τα ακτινοβολημένα κύτταρα, έχει παρατηρηθεί ότι συσσωρεύονται στην προμιτωτιτική φάση G2. Αποτέλεσμα των φαινομένων αυτών είναι ο σχετικός συγχρονισμός των υπολοίπων κυττάρων. Επομένως, αν επόμενη δόση χορηγηθεί τη στιγμή που τα κύτταρα περνούν όλα μαζί από φάση που είναι ακτινευαίσθητα, τότε επιτυγχάνεται το μέγιστο δυνατό πλήγμα.

99 4. Επανοξυγόνωση (Reoxygenation) Η τάση του οξυγόνου στα ακτινοβολούμενα κύτταρα έχει μεγάλη σημασία. Η κλασματική χορήγηση της ακτινοβολίας επιτρέπει την σταδιακά καλύτερη οξυγόνωση των κυττάρων του όγκου, αφού βαθμιαία μειώνονται οι διατροφικές απαιτήσεις, λόγω της κυτταρικής καταστροφής. Η επανοξυγόνωση αυξάνει την ακτινοευαισθησία των κυττάρων του όγκου, αυξάνει, όμως, και την αναπαραγωγική και επανορθωτική ικανότητα των κακοήθων κυττάρων. Προσπάθεια για την βελτίωση της οξυγόνωσης των κακοήθων όγκων με διάφορους τρόπους (υπερβαρικό οξυγόνο, ακτινευαισθητοποιές ουσίες, όπως μέτρο-, μίσο- ετανιδαζόλη κ.λπ.) δεν έχουν αποδώσει τα αναμενόμενα.

100 5. Aκτινευαισθησία (Radiosensitivity) Ενδογενής ακτινευαισθησία των κυττάρων (Radiosensitivity), που περιγράφεται από την αρχική κλίση των καμπυλών επιβίωσης. Οι 3 κυριότεροι λόγοι αυξημένης ακτινοαντοχής κυττάρων και ιστών είναι: α) η μικρή ενδογενής ακτινοευαισθησία, β) η υποξία και γ) ο ταχύς ρυθμός επαναποικισμού. Ο πρώτος αναφέρεται ως ο πιο σημαντικός.

101 Μοντέλα κυτταρικής επιβίωσης Η δυνατότητα πρόβλεψης των διαφορετικών ραδιοβιολογικών μοντέλων δεν εξαρτάται μόνο από την ικανότητά τους να περιγράφουν επακριβώς τους ακτινοθεραπευτικούς και βιολογικούς μηχανισμούς, αλλά και από την ακρίβεια προσδιοριμού των ραδιοβιολογικών παραμέτρων του μοντέλου. Πρωταρχικό ρόλο παίζει η γνώση της κυτταρικής επιβίωσης σε μικροσκοπικό επίπεδο.

102 Μοντέλα κυτταρικής επιβίωσης Το θεμελιώδες χαρακτηριστικό γνώρισμα των περισσότερων μοντέλων κυτταρικής επιβίωσης είναι ότι ο θάνατος των κλωνογόνων κυττάρων (clonogenic cell death) είναι κυρίως μια εκθετική διαδικασία, δηλαδή ο αριθμός των κυττάρων που χάνονται είναι ανάλογος προς τη δόση και τον αρχικό αριθμό κυττάρων πριν από την ακτινοβολία. Εντούτοις, παρατηρείται πειραματικά ότι οι καμπύλες επιβίωσης των διαφόρων ιστών παρεκκλίνουν ουσιαστικά από το βασικό εκθετικό μοντέλο, γεγονός που οφείλεται στην φτωχή πρόβλεψη στις χαμηλές δόσεις (D < 5 Gy)

103 Μοντέλα κυτταρικής επιβίωσης Η αδρανοποίηση των στόχων με απλό ακτινικό πλήγμα (single hit injury) είναι ένας τρόπος να περιγραφεί ο θάνατος των κυττάρων, ο οποίος οδηγεί καθαρά σε μια εκθετική καμπύλη επιβίωσης. Ένα ρεαλιστικότερο μοντέλο είναι η θεωρία του απλού πλήγματοςπολλαπλών στόχων, η οποία υπονοεί ένα χτύπημα σε n στόχους: D / D 0 S ( D) 1 (1 e ) SHMT n

104 Μοντέλα κυτταρικής επιβίωσης Εντούτοις, από την πρωτοποριακή εργασία των Elkind και Sutton, ξέρουμε ότι ο ώμος είναι κυρίως ένα φαινόμενο επιδιόρθωσης ανεξάρτητο από τις θεωρητικές υποθέσεις στόχων. Το γραμμικότετραγωνικό μοντέλο (το μοντέλο LQ) αρχικά προτάθηκε στη δεκαετία του '60 αλλά χωρίς οποιαδήποτε σύνδεση σε μια συγκεκριμένη θεωρία. Αργότερα στο LQ ενσωματώθηκε η θεωρία του στόχου, που έθεσε ως κρίσιμο στόχο την έλικα του DNA. Με το LQ η επιβίωση των κυττάρων περιγράφεται από την εξίσωση: S ( D) e D LQ D 2

105 Βιολογική σημασία των συντελεστών α και β Τα μοντέλα που περιγράφουν την κυτταρική επιβίωση μετά από ακτινοβόληση περιλαμβάνουν 2 συνιστώσες κυτταρικής βλάβης: ένα γραμμικά ανάλογο της δόσης (γραμμικό) και ένα καμπυλόγραμμο. Στο γραμμικό τετραγωνικό μοντέλο (LQ), το γραμμικό μέρος περιγράφεται από τον συντελεστή α. Η βλάβη του απλού πλήγματος (βλάβη τύπου α) κυριαρχεί στις πολύ μικρές δόσεις και στο χαμηλό ρυθμό δόσης. Αυτός είναι ο λόγος που οι καμπύλες επιβίωσης είναι ευθύγραμμες στο ρυθμό δόσης 1-2 Gy/ ώρα. Με τον ρυθμό αυτό είναι αμελητέα η βλάβη πολλαπλών πληγμάτων (τύπου-β, καμπυλόγραμμη). Η γραμμική συνιστώσα είναι όχι μόνο η κυριότερη βλάβη στις δόσεις κλινικού εύρους αλλά είναι εκείνη που καθορίζει την ακτινοευαισθησία των κυττάρων. Γι αυτό και ο συντελεστής α θεωρείται ένα μέτρο της ενδογενούς ακτινοευαισθησίας.

106 Βιολογική σημασία των συντελεστών α και β Όταν η κλίση της γραμμικής βλάβης είναι μεγάλη η προσθήκη της β συνιστώσας δεν επηρεάζει σημαντικά τη συνισταμένη κλίση της καμπύλης επιβιώσεως. Η διαφορά στις κλίσεις ορίζεται ως συντελεστής ανανήψεως (Σ.Α.) και για το γραμμικό - τετραγωνικό μοντέλο υπολογίζεται ότι: Σ.Α. = exp (2βd 2 ). Η σχέση αυτή δείχνει ότι το μέτρο της κυτταρικής ανάνηψης αυξάνεται με την δόση. Αν συγκριθούν οι κλίσεις για σταθερή επιβίωση (π.χ. SF=0,01) διαφαίνεται ότι η διαφορά των καμπυλών α και ολικής, οφείλεται στην προσθήκη της β συνιστώσας. Η συνεισφορά της συνιστώσας αυτής μειώνεται όσο μειώνεται ο ρυθμός δόσης. Επομένως, στα πλαίσια του γραμμικούτετραγωνικού μοντέλου η τιμή του συντελεστή β φαίνεται να αποτελεί μέτρο κυτταρικής ανάνηψης.

107 Βιολογική σημασία των συντελεστών α και β Δόση α β

108 Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια μέσα στο βιολογικό υλικό στο τέλος της τροχιάς τους χαρακτηρίζονται από υψηλή γραμμική μεταφορά ενέργειας (Linear Energy Transfer LET) λόγω της χαμηλής τους ταχύτητας. Σ αυτή την φάση μπορούν να παράγουν 10 ή περισσότερους ιοντισμούς σε ακτίνα 5-7 nm. Στην κλίμακα μεγέθους της αλυσίδας του DNA (διάμετρος 2 nm) η συσσώρευση τόσων ιοντισμών αναμένεται να προκαλέσει καταστροφή σε ακτίνα τόση που να περιλαμβάνει 20 ή περισσότερα ζεύγη βάσεων. Αυτού του τύπου οι βλάβες έχουν χαρακτηριστεί ως LMDS (Local Multiple Damage Sites). Οι βλάβες αυτές είναι βαρύτερες και άμεσα θανατηφόρες. Άλλες βλάβες που παρατηρούνται είναι οι διασπάσεις της διπλής έλικας (Double Strand Break - DSB), της μονής έλικας (Single Strand Break - SSB) και η καταστροφή των βάσεων. Η σειρά της βαρύτητας είναι: καταστροφή βάσεων SSB BSB LMDS. Δόση α β