RADIOBIOLOGIA :
BASI BIOLOGICHE
ED
APPLICAZIONI CLINICHE
SC Radioterapia (dir. P. Gabriele)
IRCC Candiolo (TO)
La RADIOBIOLOGIA studia
gli effetti delle radiazioni
ionizzanti sui tessuti
biologici
Ricerca di base
Applicazioni pratiche
Ricerca teorica di base
• studia gli effetti provocati dalle radiazioni
• stabilisce una correlazione tra causa ed effetto
• sviluppa modelli teorici di base previsionali
Aspetti applicativi
• per produrre effetti desiderati (radioterapia)
• per evitare gli effetti indesiderati (radioprotezione)
Sommario
•
•
•
•
•
•
•
•
Fattori fisico-chimici di risposta biologica
Funzioni cellulari
Sistemi biologici
Effetti dell’irradiazione
Curve di sopravvivenza
Frazionamenti e 4 R
BED
Applicazioni pratiche
Interazione
radiazioni - tessuti
• Fase fisica: interazione tra fotoni ed elettroni orbitali degli
atomi
• Fase chimica: rapide reazioni chimiche cellulari
immediatamente successive all’irradiazione
• Fase biologica: tutti i processi relativi alle manifestazioni
biologiche del danno
Fase fisica e risposta biologica
• modalità di interazione delle
radiazioni con cellule
(fase fisica :
10-16/ 10-12 s)
• processi attivati
(fase chimica : 10-12/ 10-1 s)
• loro interazione per produrre un
particolare effetto biologico
(fase biologica : secondi/ore)
le conseguenze cliniche possono
manifestarsi
da ore a mesi ad anni dopo
l'irradiazione
Le radiazioni sono un fenomeno di
emissione e propagazione di energia nello
spazio o in un mezzo materiale.
 radiazioni ionizzanti (energia > 2 eV)
• Radiazioni elettromagnetiche (X, gamma)
• Radiazioni corpuscolari (alfa, beta, neutroni)
A radiazione corpuscolata
B radiazione elettromagnetica
c la radiazione attraversa
l’atomo senza colpire nulla
a la radiazione colpisce il nucleo
b la radiazione colpisce un elettrone
Fase fisica
• Ionizzazione: espulsione di un elettrone da un
atomo e creazione di una coppia di ioni
• Eccitazione: spostamento di un elettrone ad un
livello energetico superiore, con emissione
fotonica secondaria e innesco di eventuali
ionizzazioni a cascata
Alla dose somministrata di 1 Gy, con radiazioni a
basso LET, avvengono circa 105 ionizzazioni nel
volume del diametro 10 micron
Aspetti radiobiologici:
grandezze
• LET: trasferimento lineare di energia (quantità di energia depositata
da una radiazione per unità di percorso nel materiale attraversato)
• EBR: efficacia biologica relativa (rapporto tra la dose assorbita
somministrata con un fascio di radiazioni di riferimento e la dose
assorbita con radiazioni differenti per ottenere, a parità di altre
condizioni, lo stesso effetto biologico)
Effetto chimico primario
L’instabilità degli atomi ionizzati ed eccitati accresce la reattività
chimica dei medesimi, i quali tendono a modificare i rapporti con gli
atomi e le molecole circostanti
(scissione dei legami in atto o formazione di nuovi legami)
• se la molecola interessata ha attività biologica, la sua modificazione
strutturale può provocare una modificazione della sua attività biologica
(fase biochimica).
• in un sistema biologico, si ha sempre la presenza contemporanea di un
elevato numero di molecole diverse (H20, acidi nucleici).
• negli organismi superiori le molecole di rilevanza biologica sono il 20%
della massa totale, mentre i 4/5 sono rappresentate da H20.
• Per la distribuzione casuale delle ionizzazioni ne consegue che solo 1
interazione su 5 interesserà una molecola di rilevanza biologica, mentre 4
su 5 determineranno semplicemente modificazione delle molecole di H20
presenti nel sistema (il rendimento del sistema però è maggiore).
Fase chimica – teoria del rendimento
Le modificazioni delle strutture
molecolari di importanza biologica
avvengono in parte
• DIRETTA (30%)
• INDIRETTA
mediata dalla
radiolisi
dell' acqua (70%)
interazione
indiretta
interazione
diretta
fotone-DNA
*
H2O2
Effetto diretto
•
•
•
•
interazione diretta con molecole
“biologiche”
*
rottura legami nella catena nucleotidica
del DNA
Effetto indiretto
interazione con le molecole di acqua
presenti nella cellula
produzioni radicali liberi (ROS)
–
fissazione radicali su molecole
biologiche
–
induzione rottura legami chimici
–
induzione legami anomali
–
alterazione della struttura della
molecola
–
alterazione della funzione legata alla
molecola danneggiata
*
*
*
eaq
O.
OH .
H2O
Azione Indiretta - Radicali liberi
hv + H2O
H2O+ + e• Si definisce “radicale libero”ogni atomo o molecola che
possiede un numero dispari di elettroni
• Lo stato quantico dell’elettrone è definito anche dallo spin
(spin bilanciato)
• Se lo spin non è bilanciato, l’atomo tende a cedere un
elettrone o ad assumerlo
• H 2 O+
• H 2O + e-
H+ + OH ° (idrogenione + radicale ossidrile)
H 2 OH° + OH- (radicale libero idrogeno + ossidrile)
H° + H° = H2 (stabile)
H° + OH° = H2O (reazione di ritorno)
OH° + OH°= H2O2 (stabile ad alto potere
ossidante)
Fenomeni di scavenging/fixation
Nel primo millisecondo dall’irradiazione si
instaura una “competizione” tra reazioni di
fissazione del danno, fixation (la presenza di
ossigeno è forse il più importante fattore
sensibilizzante) e reazioni di annullamento dei
radicali liberi, scavenging, mediate da composti
con gruppi tiolici (-SH).
Modalità di combinazione dei radicali liberi
Modalità di combinazione dei radicali liberi
Influenza della presenza di O2
O2 + H° = HO2 °
H° + HO2 ° = H2 O2 ( OER)
La concentrazione di H2 O2 sarà tanto più rilevante quanto
minore sarà la formazione dei radicali liberi e cioè quanto
minore sarà la probabilità di combinazione tra loro dei radicali
OH ° . Poiché ciò dipende dalla distanza relativa tra loro dei
radicali H ° e OH °, l’influenza dell’ossigeno è più rilevante per
radiazioni scarsamente ionizzanti.
È da attendersi una minore efficacia dell’ossigeno a parità di
concentrazione quando aumenta la concentrazione dei
radicali liberi.
Modalità di combinazione dei radicali liberi
con altre molecole
I gruppi tiolici (SH) possono essere ossidati dai OH° e dar
luogo a ponti disolfuri
-SH
OH°
+
-SH
-S
=
OH°
+2 H 2O
-S
RH + OH° = R° + H 2O (radicale libero organico)
R°+ OH° = ROH (formazione alcolica)
R°+ R° = R
R (formazione di un ponte intra o
intermolecolare)
R°+ O2 = R O2 ° (radicale perossidato)
R O2 ° + RH = ROOH + R° (gruppo carbossilico e nuovo R°)
danno di una
base
(mutazione)
__ C__G __
___A___ T___
danno di uno
zucchero
legame crociato
con una proteina
_______
legame crociato tra
singoli filamenti
(impedita la duplicazione
delle due catene)
rottura della doppia
elica (DSB)
rottura di un singolo
filamento
Sommario
•
•
•
•
•
•
•
•
Fattori fisico-chimici di risposta biologica
Funzioni cellulari
Sistemi biologici
Effetti dell’irradiazione
Curve di sopravvivenza
Frazionamenti e 4 R
BED
Applicazioni pratiche
Funzioni cellulari
• Funzione vitale: alcune
strutture esplicano attività
indispensabile per la vita e
se danneggiate
determinano la morte
cellulare
• Funzioni accessorie:
motorie, di sintesi, di
trasferimento che
richiedono la presenza di
molecole complesse
• Funzione proliferativa: funzione direttamente
collegata con la trasmissione e conservazione
dell’informazione ereditaria. Le alterazioni di questa
funzione possono tradursi nella morte riproduttiva
Ciclo cellulare
Ogni cellula per dividersi passa attraverso 4 fasi
G1
Sintesi del DNA
G2
Mitosi
riciclo o passaggio in quiescenza (G0)
Check points = fasi di arresto della progressione del ciclo con
funzione di controllo della integrità cellulare
Reclutamento = trasferimento dalla fase di quiescenza alla fase
di proliferazione
SUSCETTIBILITA' DEL DNA AL DANNO RADIOINDOTTO
L'



associazione del DNA con le proteine a formare la
cromatina "scherma" una cospicua porzione di doppia
elica
il danno è più probabile quando il DNA non
è
organizzato in cromatina :
durante la trascrizione di un gene (fase G2)
durante la mitosi (fase M)
all' inizio della fase S del ciclo cellulare
L' iperploidia rende le cellule meno radiosensibili
( la perdita di geni "critici" viene sopperita dall'
attivazione di copie degli stessi )
suscettibilità al danno radioindotto in funzione
della fase del ciclo cellulare
late-S
frazione
sopravvivente
early-G1
M -G2
early-S
dose
DNA damage
• L’irradiazione a dosi terapeutiche provoca danni di entità
notevole al DNA, la maggior parte dei quali viene riparata
con successo da processi cellulari specifici (polimerasi)
• Evidenze sperimentali indicano che la quota di cell-killing
è legata sostanzialmente al numero delle Double Strand
Breaks radioindotte, che sono considerate le lesioni
critiche
1 la lesione viene riparata
2 la lesione non è riparabile
morte della cellula o della sua progenie
3 la lesione è potenzialmente riparabile,
ma
viene convertita in irreparabile (damage "fixed"
in place)
morte cellulare
4 la lesione viene riparata, ma la riparazione non
è accurata
inconseguente
mutazione
cancerogena
letale
DANNO DI TIPO MITOTICO
•
La morte mitotica avviene quando la cellula che ha subito un danno non
riparabile del DNA si divide (alla prima divisione o dopo alcune divisioni)
•
La morte mitotica è tanto più più probabile quanto maggiore è la frequenza con
cui le cellule clonogeniche si dividono e quanto maggiore è la frazione di cellule
in attività mitotica
•
La dinamica temporale con cui un tessuto organizzato manifesta il danno mitotico
delle cellule che lo compongono dipende dalla organizzazione del ricambio
tessutale di tale tx
Morte “mitotica” : l’entità del danno
cromosomale condiziona i processi di
divisione cellulare; mitosi aberranti
conducono a errori di distribuzione dei
cromosomi e perdita di frammenti:
questi eventi conducono alla morte
delle cellule dopo 1 o più mitosi
MORTE CELLULARE RADIOINDOTTA:
(2)morte in interfase
Alcuni tipi cellulari muoiono, senza attraversare la fase
mitotica, in fase G0-G1, dopo dosi relativamente basse
di radiazioni, per apoptosi (linfociti, cellule germinali,
epiteliali, neoplasie della serie linfoide)
Morte “in interfase” – morte
apoptotica: le cellule vanno
incontro a degenerazione e
apoptosi prima di dividersi;
geneticamente mediata, è tipica
dei linfociti normali e delle cellule
leucemiche. Ha caratteristiche
morfologiche distinte dalla necrosi
APOPTOSI
• L' apoptosi è un processo attivo di morte cellulare che
risulta dall' attivazione di un programma genetico.
• E' un processo fisiologico utilizzato dall' organismo
durante lo sviluppo embrionale e fetale, e nei tessuti
maturi per mantenere l'omeostasi (controllo delle
dimensioni delle popolazioni di cellule normali).
• Può essere indotta, oltre che dalle radiazioni, anche
da alcuni agenti chemioterapici, ipertermia, stress
ossidativo, sospensione di ormoni o fattori di crescita.
APOPTOSI
Gli elementi chiave nel processo di apoptosi sono
prodotti di oncogeni e di geni oncosoppressori
una loro mutazione, o una loro anormale
espressione, può promuovere l' insorgenza di un
tumore.
• Una aumentata espressione di bcl-2, o una
inattivazione di p53, possono promuovere la
progressione tumorale sopprimendo l'apoptosi.
• Una alterazione di questi stessi geni può altresì
alterare negativamente la radiosensibilità intrinseca
delle cellule.
APOPTOSI
• Sono stati identificati diversi geni regolatori dell'
apoptosi:
- PROMOTORI: eg, p53, IRF-1, bax, c-myc
- SOPPRESSORI: bcl- 2
• Il bilancio tra fattori pro- ed anti-apoptotici è
determinato dal tipo di segnali trasdotti dall'
ambiente extracellulare e dal programma interno
della cellula.
Apoptosis main signal transducer : p53
Cell cycle arrest
Differentiation
p53
Senescence
DNA repair
Apoptosis
APOPTOSI E RADIOTERAPIA
• Tumori
animali
contenenti
molte
cellule
spontaneamente apoptotiche mostrano un elevato
indice apoptotico dopo l'irradiazione e sono
relativamente radiosensibili.
• Tumori umani di tipi istologici che tendono a
mostrare maggiore apoptosi spontanea sono più
facilmente controllabili da radio- e chemioterapia.
implicazioni terapeutiche ancora da
valutare ...
… A LIVELLO MOLECOLARE
Eventi del danno radiobiologico regolati da mediatori
espressi da geni attivati dalla esposizione alle radiazioni
• Induzione morte apoptica
• Induzione mediatori della flogosi
(reazione acuta)
• Induzione danno endoteliale
(necrosi tardiva)
• Induzione produzione collageno
(fibrosi tardiva)
• Arresto progressione ciclo
(riparazione DNA)
• Induzione proliferazione
(ripopolazione)
• Variazione microambiente < produzione ROS
(radioresistenza)
Sommario
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Fattori fisico-chimici di risposta biologica
Funzioni cellulari
Sistemi biologici
Effetti dell’irradiazione
Curve di sopravvivenza
Frazionamenti e 4 R
BED
Applicazioni pratiche