VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM RADIOLOGIJA

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

Biologija tumorjev

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

Breme raka v Sloveniji, 2000 Skupaj Ženske Moški Incidenca 8.627 4.299 4.328 Umrljivost 4.752 2.080 2.672 Prevalenca 48.761 30.224 18.537 Register raka za Slovenijo

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

Odvisnost incidence nekaterih najpogostejših rakov od starosti populacije

Značilnosti rasti in diferenciacije celic

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

Signalizacija v normalni celici STIMULACIJA INHIBICIJA

Shematični prikaz razmnoževanja in diferenciacije celic kostnega mozga

Maligna transformacija celic

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

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

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

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

Stopnje v razvoju raka

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

Razlika med rastjo in odmiranjem normalnih in tumorskih celic

Spremenjena kontrola diferenciacije matičnih celic v tumorju

Tumor nastaja v različnih stopnjah

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.

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

Model najpomembnejših stopenj v procesu metastaziranja

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

Klasifikacija tumorjev

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

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.

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

Biološke lastnosti rasti tumorja

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

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

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

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

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

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

Tumor odkrijemo v pozni fazi njegove rasti

Ožiljenje tumorjev

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

Razlika med žiljem v normalnem in tumorskem tkivu

Razmerje med spodbujevalci in zaviralci angiogeneze pri rasti tumorja

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

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

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)

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

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.

Delitev celic po obsevanju in vitro Test klonogenosti

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

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

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

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

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

Regresija in ponovna izrast tumorja

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

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

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

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

Izzivi translacijskih raziskav

Fizikalni in kemični učinki sevanja

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

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

Različne izpostavitve sevanju VIR Naravno sevanje Medicinska diagnostika Poskusne jedrske eksplozije Černobilska kontaminacija NE Krško prebivalcu Krškega PRISPEVEK 2.4 msv/leto 0.4 10 msv/leto 0.15/7.2 msv/leto 0.72/1.1 msv/leto odrasli/otroci manj kot 0.01 msv/leto

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

Stopnje interakcije Biološki učinki ionizirajočeg a sevanja Fizikalna Kemična Biološka

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

Časovna odvisnost bioloških učinkov sevanja

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)

Stopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialom FIZIKALNA - vzbujanje, ionizacija,10-18 s FIZIKALNO-KEMIČNA - prosti radikali, 10-13 s KEMIČNA - pomembne biološke makromolekule, 10-6 s BIOLOŠKA - posledice kemičnih produktov na organizem, 10-6 s do nekaj let

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 - 4.9 ev) ionizacija

Klasifikacija ionizirajočega sevanja Sevanje trdih delcev Elektromagnetno sevanje

Radioaktivni razpad nuklidov

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

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

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

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

Prosti radikali radioliza vode H 2 O obsevanje H 2 0 + + e - ionski prosti radikal H 2 0 + H + + OH - hidroksilni radikal

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

Biološki učinki sevanja

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

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

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

Vrste biološko pomembnih molekul, ki so tarča ionizirajočega sevanja

Poškodbe DNA in kromosomske aberacije

Vrste poškodb DNA, ki jih povzroča ionizirajoče sevanje

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

Celični ciklus in delitev celice

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

Kromosomska mutacija - translokacija

Možni odgovori celice na obsevanje

Umiranje celic z apoptozo

Krivulje preživetja celic

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

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.

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

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

Krivulje preživetja celic

Linearno kvadratni model

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).

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

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

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

Tipične LET vrednosti Vir sevanja LET (kev/μm) Kobalt-60 γ žarki 0.2 250 kv X-žarki 2.0 10-MeV protoni 4.7 2.5 MeV α delci 166 2-GeV Fe ioni 1000

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

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.

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

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

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

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

Občutljivost normalnih tkiv

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

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

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

Regeneracija črevesnih resic po obsevanju

Test za določanje matičnih celic kostnega mozga

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)

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

Dinamika repopulacije nekaterih tkiv in organov

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)

Razvrstitev organov po radioobčutljivosti

Vrste sevalnih poškodb

Razvoj sevalne poškodbe do determinističnih in stohastičnih učinkov

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)

Razdelitev determinističnih in stohastičnih učinkov na zgodnje in kasne

Zgodnje in kasne posledice sevanja na koži

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

Posledice sevanja na koži-rentgenska koža Luščenje Poškodbe nohtov

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 2.0 2.0 Od 3 tedne do 3 mesece 4.0 10.0 Več kot 3 mesece 5.5 10.5 Latenčna doba je lahko 6 mesecev do 35 let Za prejeto dozo 2.5 do 6.5 Gy je latentno obdobje približno 8 let

Radiacijska karcenogeneza Stohastičen učinek sevanja Čas med izpostavitvijo sevanju in nastankom raka imenujemo LATENCA: za levkemije 5-7 let, za solidne tumorje 10-50 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)

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

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

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

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): 1030-54.)

Nagasaki abnormalnosti med nosečnostjo in porodom

Razvoj organov med nosečnostjo Organ Nosečnost (v tednih) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 // 16 // 20 36 38 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

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

Stopnje akutnega radiacijskega sindroma

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

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 10-50 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

Smrtnost glede na oddaljenost od hipocentera

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

Ocena prejete doze po eksploziji atomske bombe v Hirošimi in Nagasakiju

Relativno tveganje za nastanek raka (glede na vrsto tumorja)

Tumorski modeli za ocenjevanje uspešnosti zdravljenja

Modeli In vitro In vivo Sferoidi

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

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

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

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

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

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

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

Test klonogenosti v pljučnem parenhimu Shematični prikaz testa

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

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

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

Celični ciklus in radiosenzitivnost

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

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

Mitoza

Mitoza Profaza Metafaza Anafaza Telofaza

Parametri celične kinetike CHO celice (h) HeLa celice (h) T C 11 24 T M 1 1 T G1 6 8 T G2 3 4 T S 1 11

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.

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

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

Popravilo radiacijske poškodbe

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

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

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.

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

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

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

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

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

5 R v radioterapiji

Biološki faktorji, ki vplivajo na odzivnost normalnih in neoplastičnih tkiv pri frakcionirani terapiji Withers 1975 4 R + 1 Popravilo(Repair) Prerazporeditev (Reassortment) Repopulacija (Repopulation) Reoksigenacija (Reoxygenation) Radiozenzitivnost (Radiosensitivity)

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

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

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

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

Radiosenzitivnost - Radiosensitivity Radiosenzitivnosti različnih tkiv ali vrst celic

Pomenkisikazaučinek ionizirajočega sevanja

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

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

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

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

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

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

Kronična in akutna hipoksija v tumorjih

Difuzija kisika v tkivu

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

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

Uspeh radioterapije glede na oksigeniranost tumorjev

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