Radiobiologia - pcbat1.mi.infn.itpcbat1.mi.infn.it/~battist/FisicaMedica/Radiobiologia Seminario... · 3 Radiobiologia Il corso descrive lo stato delle conoscenze sugli effetti della

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Radiobiologia

-Presentazione del Corso

- Introduzione alla Radiobiologia cellulare

- Radiobiologia in Adroterapia e Radioterapia con fotoni

D. Bettega 11/01/2018

2

Radiobiologia Introduzione

Radiobiologia : studio dell’interazione della radiazione con i sistemi biologici e degli effetti che ne derivano

-aspetti conoscitivi (l’effetto biologico è determinato da processi fisici, da reazioni chimiche, da una risposta biologica)

--aspetti applicativi :

• radioprotezione(conoscere gli effetti e i loro meccanismi

per ridurre i danni conseguenti l’esposizione

a radiazione)

• radioterapia/radiochirurgia(conoscere gli effetti e i loro meccanismi

per sfruttare al meglio le proprietà distruttive

della radiazione, es per le cellule tumorali,

salvaguardando i tessuti sani)

nuove modalità di radioterapia

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Radiobiologia

Il corso descrive lo stato delle conoscenze sugli effetti della radiazione a livello subcellulare e cellulare , di organi, tessuti e dell’intero organismo e le relative tecniche sperimentali e modelli interpretativi.

La parte finale del corso riguarda l’applicazione di queste conoscenze agli ambiti della radioterapia e della radioprotezione

.

Introduzione: Assorbimento di energia del materiale biologico a seguito dell’interazione con la radiazione a vari livelli fino a quello di traccia della particella.Grandezze fisiche di interesse radiobiologico (Dose, LET , grandezze microdosimetriche) . Aspetti chimici dell’assorbimento di energia, la radiolisi dell’acqua.

Effetti della radiazione a livello cellulare e subcellulare : Effetti indotti nel DNA e meccanismi di riparazione del danno radioindotto. Aberrazioni cromosomiche. Inattivazione della capacità proliferativa cellulare (morte clonogenica). Teorie e modelli della sopravvivenza cellulare. Apoptosi. Mutazioni e trasformazione neoplastica da radiazione. Instabilità genomica. Effetti “ bystander “ e adattativi .

Fattori fisici, chimici e biologici che modificano la risposta cellulare alla radiazione: LET della radiazione ed Efficacia Biologica Relativa della radiazione. Distribuzione temporale della dose: effetti di frazionamento e della intensità di dose, recupero del danno subletale.

Effetto ossigeno, fattore OER.

Radiosensibilità nelle diverse fasi del ciclo cellulare.

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Radiobiologia

Effetti dell'esposizione a radiazione di tessuti, organi e dell’intero organismo .Effetti acuti: radiosensibilità di tessuti ed organi. Sindromi da panirradiazione. Effetti a livello prenatale.Effetti a lungo termine: effetti stocastici ( radiocancerogenesi in sistemi animali sperimentali e in popolazioni umane; effetti genetici) ed effetti non stocastici.

Radiobiologia in radioterapiaCrescita cellulare in tessuti normali e tumorali, modelli sperimentali. Curve dose-risposta in radioterapia. Effetti del frazionamento e dell’intensità di dose in radioterapia, calcolo delle relazioni isoeffetto. Ruolo dell’ossigeno nella risposta dei tessuti tumorali. Altri fattori che modulano la risposta del tumore alla radioterapia: dimensioni, ripopolamento, radiosensibilità intrinseca.

Modelli per la previsione del controllo locale del tumore e degli effetti nei tessuti sani circostanti in funzione della dose .

Proprietà fisiche e radiobiologiche di fasci di protoni e di ioni Carbonio.

Fasci di protoni e ioni C per uso clinico ( adroterapia), monoenergetici e a picco di Bragg allargato (SOBP ) ,. RBE e fattori modulanti: OER , frazionamento. Modelli radiobiologici .

Radiobiologia nella radioprotezione dalla radiazione spaziale

L’ultima parte del corso riguarda alcuni aspetti della radiobiologia nella radioprotezione dalla radiazione spaziale ( es risposta dei sistemi biologici a ioni molto pesanti e di alta energia, centinaia di MeV/n). In questo caso il campo di radiazione è complesso e variabile in dipendenza del tipo di missione. Alcuni aspetti sono analoghi a quelli che si hanno in adroterapia.

55

L’irraggiamento di ogni sistema biologico genera una serie di eventi di natura diversa a tempi diversi

dall’irraggiamento :

fase fisica (entro 10 -15 s)

fase chimica/biochimica (entro 10 -5 s)

fase biologica(ore, giorni, mesi, anni…)

Radiobiologia cellulare

66


Fase fisica: interazione della radiazione con gli atomi e le molecole costituenti il tessuto ed in particolare la cellula.

Le particelle cariche producono ionizzazioni ed eccitazioni direttamente (interazione di tipo elettrico tra la particella carica e gli elettroni degli atomi ).

Radiazione che non possiede carica (X, gamma o neutroni), produce particelle cariche secondarie (elettroni nel caso di X o gamma, e principalmente protoni nel caso dei neutroni ) che a loro volta interagiscono elettricamente con gli elettroni degli atomi producendo ionizzazioni ed eccitazioni nelle molecole all’interno della cellula. Gli elettroni emessi possono a loro volta produrre altre ionizzazioni.

I trasferimenti di energia sono distribuiti spazialmente in modo discontinuo lungo le tracce delle particelle cariche

La quantità media di energia depositata per unità di percorso lungo la traccia della particella è chiamato LET , Linear EnergyTransfer (keV/m)

( LET= dE/dx, LETr , LET , LET )

77


Il LET e la distribuzione spaziale

delle ionizzazioni e delle

eccitazioni lungo la traccia ,

dipende dal tipo e dall’energia

della radiazione :

X, gamma , elettroni producono

pochi eventi di deposizione di

energia per unità di percorso

(sparsamente ionizzanti , di basso

LET (<1-2 keV/ m))

particelle alpha , protoni di bassa

energia , ioni pesanti , neutroni

producono un’elevata deposizione di

energia per unità di percorso

(densamente ionizzanti o di alto

LET ( >10 keV/ m))DNA e tracce di particelle sparsamente e

densamente ionizzanti :

ionizzazioni ( tondi pieni ); eccitazioni (

punti )

88


La grandezza fisica macroscopica che descrive la quantità di radiazione a

cui un materiale biologico è stato esposto è la Dose , energia impartita

dalla radiazione all’ unità di massa del materiale irradiato.

Si misura in Joule / kg ( Gy ) .

5 Gy ( 5 J / kg ) è la dose media letale umana

Un’energia termica di 5 J fornita ad 1 kg di acqua ne varia la temperatura di circa

10 –3 °C!!!!!!!!

L’efficacia della radiazione ionizzante nella produzione del danno

biologico è dovuta alla modalita’ dei trasferimenti di energia alla

materia irradiata: rilascia infatti nel materiale attraversato importanti

quantità di energia in modo localizzato : l’energia dissipata in 1 evento di

ionizzazione è circa 30 eV , molto maggiore di quella che serve per rompere

legami di tipo chimico (qualche eV).

Per una Dose di 1Gy ( radiazione di basso LET, es X) circa 10 5

ionizzazioni nel nucleo cellulare(=10m)

99


Fase chimica/biochimica: Atomi e molecole danneggiati ( ionizzati) sono molto reattivi, reagiscono chimicamente con altri componenti cellulari, si hanno rotture di legami chimici, formazione di radicali liberi ed altre reazioni che possono determinare alterazione di macromolecole tra le quali il DNA .

fase chimica : 10-12 s 10-6 s.

Fin dal 1901 Pierre Curie osservò che le soluzioni acquose di sali radio liberano idrogeno e ossigeno. Successivamente si osservò che l’acqua irradiata è altamente reattiva, in grado di causare delle modificazioni chimiche nei composti che vengono in essa disciolti.La reattività dell’acqua irradiata è dovuta alla presenza dei radicali liberi formati a seguito dell’irraggiamento….. I nostri tessuti sono formati in gran parte di acqua!. ………

Radicali liberi sono atomi o molecole con un elettrone spaiato ( non accoppiato ad un elettrone di opposto spin).

Il risultato dell’interazione di una particella ionizzante con una molecola di acqua è:

H2O→H2O+ + e- (G = 2.7 molecole / 100 eV)

H2O+ → H+ + OH° ( in 10-16 - 10-10 s, prossimità della traccia)

e- + H2O → H2O- → H° + OH-

H° + H° → H2

Quindi l’irraggiamento dell’acqua determina inizialmente formazione di radicali H° e OH° .

1010


Azione diretta della radiazione: molecole ionizzate o eccitate sono molto instabili, le configurazioni elettroniche vengono riarrangiate con conseguenti possibili interazioni con altre molecole.

Azione indiretta: Formazione di molecole d’acqua ionizzate e quindi di radicali liberi (10 –12 s) che possono migrare dal luogo in cui sono stati prodotti e reagire con le molecole organiche biologiche provocando il danno prima di essere inattivati (10 –6 s). I radicali liberi acquosi sono quindi intermediari della produzione del danno alle molecole biologiche

1111


Fase Biologica: La fase biologica include tutti i processi che

seguono la fase chimica, all’inizio reazioni enzimatiche fino agli

effetti finali sia precoci , sia tardivi.

fase biologica : pochi minuti molti anni (es. cancerogenesi).

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Effetti della radiazione a livello cellulare

Quello che sappiamo deriva in gran parte da esperimenti condotti con linee cellulari stabilizzate (popolazioni cellulari derivate da tessuti/organi di varie specie di mammifero, con caratteristiche stabili nel tempo ed illimitata capacità proliferativa).

• Sono modelli sperimentali relativamente semplici• Esperimenti in condizioni controllate e riproducibili • E’ possibile studiare vari effetti e valutare

separatamente il contributo dei diversi fattori che eventualmente li modulano.

• Sono facilmente reperibili presso apposite Banche o Laboratori scientifici.

12

13

Danni al DNA

La radiazione deposita energia in modo casuale nelle diverse molecole che costituiscono la cellula ma le conseguenze sono diverse.

Il DNA è il bersaglio più importante ai fini degli effetti indotti dalla radiazione (determina tutte le funzioni cellulari, ed è una grossa molecola).

Numerose evidenze sperimentali lo indicano come principale bersaglio.

13

14

Danni al DNA

Il DNA è costituito da due opposte catene collegate

da legami idrogeno che formano una struttura a

doppia elica. Ogni catena contiene le 4 basi ( A, C, G,

T) (1) in sequenza , connesse ad uno zucchero ed a

un gruppo fosfato. L’ordine delle basi è il codice che

determina quale proteina viene fatta ed anche se il

gene è attivo ( trascritto) o no.

La doppia elica si avvolge ad intervalli regolari

attorno ad un complesso di una specifica classe di

proteine (istoni) formando i nucleosomi.(2) Molte altre

proteine sono associate al DNA : ne controllano il

metabolismo incluso trascrizione, replicazione, riparo.

DNA e le proteine associate costituiscono la

cromatina, filamenti dispersi nel nucleo cellulare.

Al momento della divisione cellulare la cromatina del

nucleo cellulare ( DNA e proteine ) si avvolge in modo

molto compatto fino a formare i cromosomi le cui

dimensioni sono dell’ordine del micron. (3)

(1)

(2)

(3)

14

15

Danni al DNA

Il DNA può essere danneggiato :per azione diretta della radiazione, es ionizzazioni prodotta da un elettrone entro la macromolecola.per via indiretta, mediata dall’azione dei prodotti radiolitici dell’acqua. Le specie radicali prodotte nell’acqua diffondono ed eventualmente lo raggiungono e lo danneggiano.Tra i prodotti radicali, OH° è uno dei i più importanti. L’azione indiretta è prevalente per radiazione sparsamente ionizzante, quella diretta per radiazione densamente ionizzante.I principali tipi di danno sono:-rotture di una o entrambe le catene ( ssb e dsb) -alterazioni delle basi -alterazioni strutturali del DNA

15

16

Danni al DNA

La rottura di una singola catena (ssb) della molecola del DNA non è immediatamente letale . Ci sono dei meccanismi di riparazione efficienti e veloci. Le singole rotture sono eventi frequenti in una cellula.

Più gravi sono le rotture della doppia elica (dsb) che possono essere causate dalla rottura di entrambe le catene simultaneamente e in vicinanza a seguito di un’azione diretta che comporti una notevole deposizione di energia (alto LET) oppure dall’interazione di due ssb, piuttosto vicine ( 6-12 basi) nel tempo e nello spazio

16

17

Danni al DNA

La risposta del DNA al danno è estremamente complessa, si può suddividere in due parti:

-la rivelazione del danno ( sensori)

-la risposta al danno

I sensori del danno sono costituti da un gruppo di proteine che sorvegliano il genoma per individuare la presenza di danni.

La risposta al danno si articola in tre aspetti:

-eliminazione della cellula danneggiata ( processo apoptotico)

-processo di riparo delle rotture.

-blocco temporaneo o permanente della progressione nel ciclo cellulare (checkpoint di danno).

17

18

Danni al DNA

Sensori di danno:evidenza dell’esistenza di un sistema di riconoscimento della presenza di danno (dsb) si ha dal fatto che nei nuclei di cellule irraggiate si ha , subito dopo l’irraggiamento, la formazione di “foci”, regioni microscopiche in cui si addensano un gran numero di proteine, che possono essere evidenziate con apposita colorazione, in corrispondenza al sito dove è avvenuta la rottura del DNA

Questa proprietà ha fornito un metodo molto sensibile per rivelare le dsb e per studiare la cinetica del loro riparo .

18

19

Danni al DNA

Foci nel nucleo di cellule umane irraggiate con ioni pesanti ( fascio parallelo al nucleo) che evidenziano l’attività di riconoscimento, da parte di apposite proteine, delle dsb formate in corrispondenza della traccia degli ioni

Jacob et al (GSI ), 2003

19

20

Danni al DNA

2. Attivazione di check points nel ciclo cellulare

Le cellule irraggiate presentano un ritardo nella progressione nel ciclo cellulare seguente l’irraggiamento ( l’entità dipende dal tipo di cellula e dal tipo di radiazione ed è lineare con la dose)

Ora è noto che la ragione è l’attivazione di punti di controllo , all’interno

del ciclo cellulare. Se ne conoscono 4, in G1, in S , in G2 iniziale e in G2 finale.

Le cellule tumorali mancano di alcuni punti di controllo nel ciclo cellulare ( potrebbe essere importante per il frazionamento in radioterapia )

20

21

Danni al DNA

Una stima delle frequenze dei diversi tipi di lesioni per una dose di 1 Gy di radiazione di basso LET , è la seguente :( Goodhead et all, Int. J. Radiat. Biol. 65, 7,1994 ; UNSCEAR 2000)

105 ionizzazioni nel nucleo2000 ionizzazioni nel DNA1000 rotture della singola catena 1000 danni alle basi40 rotture delle due catene

21

22

Aberrazioni cromosomiche

Al momento della divisione cellulare la cromatina del nucleo cellulare ( DNA e proteine ) si avvolge in modo molto compatto fino a formare i cromosomi le cui dimensioni sono dell’ordine del micron. In questa condizione è possibile vedere con un microscopio ottico eventuali rotture o alterazioni prodotte dalla radiazione (aberrazioni cromosomiche )

22

23


Metafase normale ( A) e con dicentrico (B)

23

24


Due diversi cromosomi prima della replicazione

Entrambe hanno una rottura

I frammenti si ricongiungono in modo errato

Si forma un cromosoma dicentrico e frammenti acentrici .

Un’aberrazione di questo tipo comporta con grande probabilità morte cellulare 24

25


Ci sono aberrazioni cromosomiche che non sono letali , ma possono essere associate ad effetti a lungo termine quali la cancerogenesi ( es le traslocazioni e le delezioni interstiziali )

25

26


Gli studi delle curve dose-effetto per le aberrazioni cromosomiche hanno mostrato che per radiazione a basso LET la frequenza di aberrazioni cresce linearmente con la dose a basse dosi , e quadraticamente con la dose alle dosi più elevate. E’ quindi rappresentabile da una funzione del tipo F = a D +b D 2, dove F è la frequenza , D la dose ,a e b dei parametri.

26

27

Aberrazioni cromosomichecolorazione con Giemsa e FISH(Ibridazione in Situ Fluorescente )

27

28

1 Gy ( radiazione X) :

• 10 5 ionizzazioni nel nucleo cellulare

2000 ionizzazioni nel DNA

1000 rotture singola elica (ssb)

1000 danni alle basi del DNA

40 rotture doppia elica (dsb)

1 aberrazione cromosomica / cellula

…… e la cellula ???

28

29

Effetti a Livello Cellulare: mortalità clonogenica

Gli effetti della radiazione sulla sopravvivenza cellulare sono stati diffusamente studiati anche per l’importanza che rivestono in radioterapia.

In radiobiologia sopravvivenza cellulare è definita come mantenimento della capacità proliferativa illimitata.

L’alterazione della capacità proliferativa delle cellule tumorali è la base della radioterapia, quella della componente cellulare proliferante degli organi sani è la ragione degli effetti collaterali della radioterapia.

Sono però noti altri processi di mortalità delle cellule esposte a radiazione, quali :

• Apoptosi (morte cellulare programmata)

• Necrosi

• Catastrofe mitotica

29

30

Irraggiamento

cellule alla dose D

Semina della sospensione cellulare

a bassa densità

( in dipendenza della dose per

avere 2-3 colonie / cm2)

No cellule/campione

(3-5 campioni / Dose)

Incubazione a 37° per

8-20 giorni (in

dipendenza della linea

cellulare)

Conteggio delle

colonie (con n°

cellule 50) : N

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

0,1

1S

opra

vviv

enza

Dose ( Gy )

Efficienza di piastramento e

Sopravvivenza :

EP (D)=N / No

S(D) =EP(D) / EP(0)

(EP(0) è l’efficienza di

piastramento dei campioni di

controllo)

I campioni di controllo

subiscono esattamente lo

stesso trattamento di quelli

irraggiati, salvo l’esposizione

alla radiazione.

Tecnica per misurare la capacità proliferativa cellulare

30

31

2 Gy

Per convenzione si considerano sopravvissute cellule che hanno dato origine ad una colonia con almeno 50 cellule (5-6 divisioni).

Le cellule irradiate non perdono immediatamente la loro capacità proliferativa:

31

32

Perché una cellula perde la sua capacità proliferativa ?

Le particelle cariche secondarie ed i radicali creati dall’interazione della radiazione con il nucleo cellulare producono una serie di danni al DNA (danni alle basi, rotture della singola elica , rotture della doppia elica…) che vengono parzialmente riparati dalla cellula .

Le lesioni ritenute determinanti per la letalità sono le rotture

alla doppia elica non riparabili o mal riparate.

32

33

La relazione Dose-Sopravvivenza

Le prime misure di curve Dose-Sopravvivenza riguardarono organismi subcellulari ( virus, batteri..). Il fatto che risultassero puramente esponenziali suggerì l’ipotesi che urti (hit) diretti a carico di bersagli sensibili ( target) presenti negli organismi irradiati potessero essere la causa della loro inattivazione.

Tenendo conto della natura stocastica della deposizione di energia della radiazione e supponendo che si trattasse di un processo a singola interazione, si ricavò la frazione di organismi sopravvissuti utilizzando la statistica di Poisson:

S= e - k D

(S = frazione di individui sopravvissuti, D= Dose,).

33

34

La relazione Dose-Sopravvivenza

Le curve Dose- Sopravvivenza di gran parte delle linee cellulari di mammifero esposte a radiazione X risultarono più complesse : es. presentano una " spalla " alle basse dosi.

Si ipotizzò quindi che per inattivare la cellula occorresse inattivare n bersagli all’interno di essa (modello multitarget a singolo hit) :

S = 1- (1- e- D/ Do ) n

( Per D 0 la pendenza è nulla, ad alte

dosi la curva è esponenziale)

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

0,1

1

S= 1-(1-exp(- D/Do))

n

So

pra

vviv

enza

Dose ( Gy )

34

35

La curva di sopravvivenza prevista dal modello multitarget nonrappresenta bene i punti spermentali nella regione delle basse dosi dove i dati sperimentali indicano una pendenza 0. Non descrive inoltre la curvatura nella regione delle dosi medio-alte.

Entrambe le regioni di dose sono meglio descritte da una funzione del tipo : S = exp (- D - D2), dove D può essere interpretato come il contributo all’effetto dovuto ad eventi che avvengono all’interno della stessa traccia delle particelle,mentre D2 quello dovuto ad eventi che avvengono all’interno di due diverse tracce delle particelle.

La funzione S = exp (-D - D2) è stata prevista anche dalla teoria dell’azione duale della radiazione ( Rossi e Keller, 1971 ) e dal modello di Chadwick e Leenhouts (1973 ) anche se alcuni aspetti di entrambe i modelli non hanno trovato riscontro in alcuni risultati di successivi esperimenti

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

0,1

1 S= exp (-D-D

2)

S= 1-(1-exp(- D/Do))

n

So

pra

vviv

en

za

Dose ( Gy )

35

36

Effetti a Livello cellulare

1 Gy ( radiazione X) :

10 5 ionizzazioni nel nucleo cellulare

2000 ionizzazioni nel DNA

1000 rotture singola elica (ssb)

1000 danni alle basi del DNA

40 rotture doppia elica (dsb)

1 aberrazione cromosomica / cellula

20-30 % mortalità cellulare

36

37

Fattori che modulano l’effetto dell’esposizione alla radiazione

• Fisico : LET della radiazione, tipo di radiazione, tempo

• Chimico : presenza di sostanze radiosensibilizzanti o radioprotettive

• Biologico : fase del ciclo cellulare, caratteristiche intrinseche cellulari ( radiosensibilità)

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Fattori che modulano l’effetto delll’esposizione alla radiazione: LET

Dosi uguali di

radiazioni diverse producono effetti quantitativamente diversi

es 2 Gy fotoni riducono la sopravvivenza cellulare a circa il 50%, 2 Gy di ioni C ( LET = 218 keV/m) la riducono a circa 8%.

0 2 4 6 80,01

0,1

1 LN 229 cells

6 MeV photons (3 exp)

218 keV/ m C-ions (3 exp)

Su

rviv

ing f

ra

ctio

n

Dose ( Gy )

39

Per quantificare la diversa efficacia delle radiazioni nel produrre gli effetti

biologici si introduce l’efficacia biologica relativa, RBE.

Per un livello di effetto indotto S, RBE di una radiazione R, rispetto ad una

radiazione di riferimento X, è :

RBE (R) = DX / DR

Dx e DR sono rispettivamente la dose della radiazione di riferimento,

X e della radiazione R che producono lo stesso livello di effetto S.

(ICRU (1986) , radiazione di riferimento : 220 kVp X-rays ). Es. per

produrre lo stesso livello di effetto di 2 Gy di radiazione X con una radiazione

R che ha RBE = 2 occorre una dose di radiazione R pari a 1 Gy .

Qualora si vogliano utilizzare in radioterapia radiazioni diverse da

quelle convenzionali, occorre conoscere con precisione, in ogni

posizione, la loro efficacia biologica relativa. La dose fisica non è più

sufficiente per caratterizzare gli effetti del trattamento .

Efficacia Biologica Relativa

40

Fattori che modulano l’effetto delll’esposizione alla radiazione:

LET

RBE dipende dal livello

dell’effetto (se le due curve hanno

forma diversa).

Se le curve sono descritte dalla

S = exp ( - α D – β D 2 )

RBE → αR / αX per D→0

RBE K DR -½ D intermedie

(per la curva X predomina il termine quadratico)

0 2 4 6 8 100,01

0,1

1

RX - rays

RBE0,1

= 3

RBE0,75

= 6

Su

rviv

ing

fra

ctio

n

Dose (Gy)

41


LET

Per radiazioni di basso LET la

curva di sopravvivenza è

caratterizzata da una spalla, al

crescere del LET la spalla

diminuisce e ai valori di LET più

elevati la curva di sopravvivenza

diventa esponenziale.

1: 165 keV/ m , 2: He 110 keV/ m,

3: He 88 keV/ m, , 4: He 61 keV/ m,

5: He 25 keV/ m, 6: d 20 keV/ m,

7: d 5,6 keV/ m , 8 : 250 kVpX

Barendsen G.W., Current Topics in Radiation Research,

IV, 293-356(1968)

42


LET

• L’efficacia della radiazione

aumenta all’aumentare del LET fino

a circa 100 - 150 keV/m e poi

diminuisce.

• Il LET ottimale per l’induzione degli

effetti biologici corrisponde ad una

distanza media tra le ionizzazioni

dell’ordine del nanometro. Questa

distanza è dello stesso ordine di

grandezza di quella delle due

catene del DNA.

• Valori di LET inferiori (densità di

ionizzazione minori) producono

danno più facilmente riparabile,

valori di LET maggiori implicano

spreco nella deposizione di energia

(overkilling) e, a parità di dose, una

diminuzione nella fluenza delle

particelle.

10 100

1

2

3

4

5

6

7 S=0,5

S=0,01

RB

E

LET ( keV/ m )

43


LET e tipo di particella

La relazione RBE-LET

non è unica, dipende

dal tipo di particella: il

picco si sposta verso i

valori di LET più elevati

per gli ioni più pesanti.

( struttura di traccia delle

particelle)

RBE

S=10 %

10 100

500

LET ( keV/m)

ioni He,ioni C, ioni Ne

Furusawa et al, Rad. Res.,154,485-

496,(2000)

44


tempo(frazionamento dose)

Danno Subletale

La sopravvivenza di cellule esposte ad una dose di radiazione X, somministrata in due o più frazioni separate da adeguati intervalli di tempo, è in generale maggiore di quella prodotta dalla stessa dose somministrata in unica frazione (recupero del danno subletale).

Il recupero è completo in qualche ora (nell’esempio circa 3 ore).

Il fattore di recupero RF è:

RF = S( D fraz) / S( D singola)

Qui RF è circa 2.

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

7.5 Gy + t +7.5 Gy

(radiazione X)

So

pra

vviv

en

za

intervallo di tempo tra le frazioni (ore)

45


tempo

Curva B: Vengono somministrate

dosi crescenti ad una popolazione

preventivamente esposta ad una

dose di 4,6 Gy (Sop.= 0,1) dopo un

intervallo di tempo di 15’. Il

recupero del danno subletale

della prima dose non è completo.

Curva C: Vengono somministrate

dosi crescenti ad una popolazione

preventivamente esposta ad una

dose di 4,6 Gy (Sop.=0,1) dopo un

intervallo di tempo di 3h. Il recupero

del danno subletale della prima

dose è completo.(Esperimento di Elkind e Sutton,1959 per

dimostrare l’esistenza di un danno subletale).0 2 4 6 8 10 12

1E-3

0,01

0,1

1 A Sop. vs D

B Sop. vs ( 4,6 Gy + t=15' + D )

C Sop. vs ( 4,6 Gy + t= 3h + D )

C

B

A

Sopra

vviv

enza

Dose ( Gy )

46

Fattori che modulano l’effetto delll’esposizione alla radiazione: tempo

Frazionamento e LET:

A: dosi singole e frazionate ( 2 o3 frazioni ) di ioni C,190keV/m no riparo

B: dosi singole ioni C,11 keV/ m

C: dosi frazionate (2 frazioni (t = 3.7 h), ioni C,11 keV/ m

riparo del danno subletale

(Ngo, 1980)

Frazionamento della dose in radioterapia : come adeguare la dose totale per avere lo stesso effetto con regimi di frazionamento diversi

A

B

C

47

Fattori che modulano l’effetto delll’esposizione alla radiazione: tempo(intensità di dose)

• Per radiazione di basso LET, la

sopravvivenza cellulare aumenta

quando la dose viene

somministrata a bassa intensità.

• Si ritiene che gli effetti

dell’intensità di dose siano dovuti

a riparazione del danno subletale.

Quando la riparazione del danno

subletale è totale la curva di

sopravvivenza è S= exp (- D).

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

0,1

1

0.5 10-2 Gy / min

3 Gy /min

So

pra

vviv

en

za

Dose ( Gy )

48

Fattori che modulano l’effetto dell’esposizione alla radiazione: ossigeno

La presenza di ossigeno durante l’irraggiamento influenza fortemente l’effetto prodotto da radiazione X .

Si quantifica con OER ((OxygenEnhancement Ratio)

OER = D(no O2 ) / D(+ O2 )

-E’ un fattore modificante la dose

-E’ dovuto a un processo radiochimico (radicali) e non fisiologico

Per raggi X OER: 2-3

Importante in radioterapia, i tumori con regioni ipossiche sono più resistenti alla radiazione dei tessuti sani ben ossigenati (purtroppo!)

0 2 4 6 8 101E-3

0,01

0,1

1

OER=2

N2

( no O2)

Aria

(+O2)

So

pra

vviv

en

za

Dose ( Gy )

49


ossigeno

Le varie specie prodotte diffondono dal punto in cui sono state prodotte

Le reazioni che avvengono successivamente dipendono da molti parametri, tra cui il LET della radiazione:

-per radiazione di alto LET, alta densità di ionizzazione, i radicali OH° ed H°sono molto vicini tra loro, pertanto avvengono le seguenti:

H° + H° → H2

H° + OH° → H2O

OH° + OH° → H2O 2

quindi aumentano i prodotti molecolari a spese dei radicali

-per radiazione di basso LET, bassa densità di ionizzazione i radicali OH°sono piùdistanti tra loro.

Le reazioni più probabili sono: H° + OH° → H2O

0,1 1 10 100

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

G (

n°/1

00

eV

)

LET ( keV / m)

OH°

e-

H2O

2

H2

50


ossigeno

In presenza di ossigeno:

H° +O2 → HO2 °

HO2 ° + HO2 ° → H2O 2 +O2 ulteriore produzione di H2O 2

In presenza di sostanze organiche :

RH+ OH° → R° + H2O (produzione di radicali di molecole

organiche per via indiretta)

RH → RH°+ + e- → R°+ H+ + e- (produzione di radicali di

molecole organiche per via diretta)

In presenza di ossigeno :

R° + O2 → R O2 ° ossigeno fissa il danno

51


ossigeno : OER e LET

166 KeV/m

OER=1±0.1

110

KeV/m

OER=1.3

±0.1

5,6

KeV/m

OER=2.6

±0.2

OER decresce al crescere

del LET.

Per particelle alpha OER1

per LET= 166 keV/m

Data from Barendsen et al. (1966) in Raju -

Heavy particle Radiotherapy . Academic

Press (1980).

52

OER e LET

OER decresce al crescere del LET da 3 a circa 1.2 ( LET 20 - 600 keV/ m)Valori di circa 1.2 per LET > 200 keV/ m

OER di ioni He minori dei valori degli altri ioni (struttura di traccia?).Dati di Furusawa et al. (2000) per cellule V79 e HSG ( tumore ghiandole salivarie umane) esposte a ioni C(), ioni He () e ioni Ne ().

Prevalenza dell’azione diretta e minori distanze dei radicali all’interno della traccia (quindi maggiore probabilità di ricombinazione) per la radiazione ad alto LET, rispetto a quella a basso LET, possono essere cause della dipendenza OER-LET

Tumori con regioni ipossiche potrebbero beneficiare di una terapia con radiazione di alto LET

53


fasi del ciclo cellulare

Cellule esposte a radiazione X nelle diverse fasi del ciclo cellulare.hanno diversa radiosensibilità.

La parte finale della fase di Sintesi è resistente, Mitosi e postsintesi ( G 2 ) sensibili . Le differenze sono significative

Le differenze si attenuano nel caso di radiazione di alto LET : diversa capacità di riparazione nelle diverse fasi???

0 2 4 61E-3

0,01

0,1

1

Tardo S

Inizio S

G1

M e G2

Sop

ravv

iven

za

Dose ( Gy )

54

Fattori che modulano l’effetto dell’esposizione alla radiazione:

radiosensibilità cellulare intrinseca

Le curve RBE-LET relative a diverse linee cellulari variano in dipendenza della loro capacità riparativa.

La linea che non ha capacità riparativa

( CHO-K1 mutant ) non mostra il piccoLET-RBE. Quella più resistente allaradiazione X, (V79), ha il più alto picco LET- RBE .

(Risultato trovato da numerosi altri laboratori con diverse particelle).

Cellule tumorali resistenti a radiazione X ottime candidate per esposizione a ioni di alto LET: Adroterapia con alto LET !!!

10 100

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Redrawn from Weyrather et al. Int. J. Radiat. Biol.1999, 75, 1357-1364 (1999)

V79

CHO-K1

CHO-K1 mutant

(xrs5) (repair deficient)

alp

ha

C/

alp

ha

X

LET ( keV/m)

5555

Basi fisiche e radiobiologiche dell’adroterapia

Basi fisiche :

La probabilità di curare il tumore senza

indurre effetti collaterali inaccettabili

aumenta massimizzando la differenza tra la

dose al bersaglio e la dose ai tessuti sani

coinvolti nell'irradiazione stessa

("selettività balistica" o "conformità"

dell'irradiazione).

5656

Adroterapia, basi fisiche

Per protoni e ioni la curva :

Dose lungo l’asse del fascio vs

profondità del materiale

attraversato è molto diversa da

quella dei fotoni: si ha un picco

di dose (picco di Bragg) alla

fine del percorso della

particella carica,

L’aumento della dose con la

profondità di penetrazione è una

conseguenza dell’aumento dello

stopping power al diminuire della

velocità della particella (relazione

di Bethe-Bloch ):

/dE/dx/ = k z2 / β2

dove z= carica efficace dello ione

β= v/c dello ione

5757


Nel caso di protoni e

soprattuto di ioni , la

distribuzione spaziale della

dose è localizzata, quindi

permette una maggiore

precisione nel conformare il

campo irraggiato con il

bersaglio (volume occupato

dal tumore).

Nella figura: confronto tra la

distribuzione spaziale della

dose (sopra) e sopravvivenza

cellulare (sotto) in funzione

della profondità in acqua.

Kraft et al. GSI

5858


La larghezza del picco di Bragg di

protoni e ioni monoenergetici è

piccola rispetto alle dimensioni

usuali dei tumori da trattare. E’

necessario quindi allargare il picco

di Bragg ( Spread Out Bragg

Peak, SOBP).

Il picco di Bragg può essere

allargato:

- interponendo sul percorso

spessori variabili (modulazione

passiva)

- variando l’energia del fascio

durante l’irraggiamento

(modulazione attiva)

5959

Adroterapia, aspetti radiobiologici

RBE di fasci di protoni:

Fasci di protoni di energia media ed elevata hanno

LET relativamente bassi (es. 30 MeV , LET= 1.9 keV/

micron).

La stessa considerazione vale per i fasci di protoni

usati in terapia ( SOBP) , il LET nel picco è

relativamente basso e solo nella parte distale del

picco, dove i protoni si stanno arrestando , sale. Dal

punto di vista radiobiologico si comportano quindi circa

come i fotoni, salvo che nell’estrema parte distale del

picco allargato.

ICRU 2007 raccomanda per i protoni RBE =1.1

6060


0 1 2 3 4 5 6 7 8

10-3

10-2

10-1

100

Dose (Gy)

Surviving fraction

2 mm

15.6 mm

25 mm

27.2 mm

27.8 mm

60

Co

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4 RBE(2Gy )

RBE( 10% )

RB

E

Depth ( mm )

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

SF

( 2

Gy

)

RBE aumenta da 1 a 1.2 da 2 mm a 25 mm ( in accordo con i valori usati nella pratica clinica ),

aumenta poi fino a 2 nella parte di discesa del picco.

6161


Quando si utilizzano in terapia particelle

con efficacia diversa da quella dei

fotoni, la dose fisica deve essere

appropriatamente corretta:

Effective Dose = Dose x RBE (Co GyE)

Nel caso di questo fascio di protoni la

differenza tra dose fisica e dose

biologicamente efficace ( dovuta

all’aumento di RBE) nella parte della

discesa del picco comporta un

allargamento del picco lungo l’asse di

circa 1mm.

0 5 10 15 20 25 30

20

40

60

80

100

120

140

Physical dose

Effective dose

Perc

enta

ge

Depth (mm)

63


Le motivazioni radiobiologiche per una terapia con fasci di ioni più

pesanti dei protoni ( attualmente ioni C ) sono:

- RBE maggiore di 1 nel picco di Bragg, circa 1 all’ingresso .

- OER minore di quello dei fotoni o protoni

- dipendenza dalle fasi del ciclo cellulare: minore

- efficacia per tumori resistenti ai fotoni : maggiore


E’ importante conoscere con precisione l’RBE del fascio

utilizzato nelle diverse posizioni !!!

64

65


Il profilo della dose fisica nel picco di Bragg allargato deve essere pianificato tenendo conto dell’aumento dell’efficacia biologica con la profondità in modo che il profilo della dose biologicamente efficace sia costante e produca un effetto omogeneo nel bersaglio

Radiobiologia e Radioterapia

La radioterapia è uno dei due metodi più efficaci nel trattamento dei tumori .

E’ un trattamento auspicabile per più del 50 % dei pazienti e che in molti

casi ( collo, cervice, vescica , prostata e pelle ) è un’ottima alternativa alla

chirurgia. Oltre all’aspetto curativo, la radioterapia viene utilizzata anche

come palliativo.

La radiobiologia contribuisce alla radioterapia in diversi modi:

- fornendo le conoscenze per identificare i processi alla base della risposta

del tessuto tumorale e di quello normale

- indicando nuove modalità di radioterapia ( es. con radiazioni di alto LET)

- sviluppando metodi per predire il trattamento più idoneo per il singolo

paziente (radioterapia personalizzata)

65


Risposta del tumore alla radiazione

Gli effetti della radiazione sui tumori sia in condizioni cliniche , sia in

condizioni sperimentali possono essere descritte tramite diversi

indicatori, tra cui:

-controllo locale dl tumore

-regressione del tumore

- ritardo nella ricrescita del tumore

66


Curve dose-risposta alla radiazione dei tumori e dei tessuti sani

La prima analisi teorica delle curve dose-risposta alla radiazione dei tumori e

dei tessuti sani risale al 1936 (Holthusen ). Si dimostrò che le curve dose-

controllo locale del tumore e quelle dose-incidenza di reazioni nei tessuti sani

avevano entrambe una forma sigmoide .

Diverse funzioni matematiche le possono rappresentare, tra queste quella

prevista dal modello di Poisson

67

Radiobiologia e Radioterapia: curve dose-risposta

Controllo locale dl tumore (TCP)

Il controllo locale del tumore è lo scopo della radioterapia curativa

in quanto ogni miglioramento nel controllo locale del tumore ha

come conseguenza un prolungamento della sopravvivenza del

paziente.

Un tumore è controllato localmente quando tutte le cellule

clonogeniche presenti sono state inattivate . Pertanto la

probabilità di avere il controllo locale del tumore dipende dalla dose

ed è determinata dal numero di cellule clonogeniche che

sopravvivono.

68


Probabilità di controllo locale del tumore (TCP): dipendenza dalla dose

Nel 1961 Munro e Gilbert pubblicarono il modello dose-risposta di Poisson.

In pratica dall’ipotesi che per curare il tumore occorresse eliminare ogni cellula

tumorale clonogenica e dalla natura casuale dell’induzione di mortalità

cellulare da parte della radiazione giunsero alla conclusione che la

probabilità di curare il tumore dovesse dipendere solo dal numero

medio di cellule clonogeniche sopravvissute all’irraggiamento.

In particolare irraggiato con una dose D un certo numero di tumori , ognuno

con N° cellule clonogeniche iniziali, se è il numero medio di cellule

clonogeniche per tumore sopravvissute all’irraggiamento, la frequenza

di tumori con 0 cellule clonogeniche dopo l’irraggiamento è P(0) = e- , con

= N° S(D) dove S(D) è la sopravvivenza alla dose D.

69


Inizialmente si assunse che il numero medio di cellule sopravvissute alla

dose D fosse una funzione esponenziale negativa della dose D ,

successivamente si introdusse l’espressione della sopravvivenza

prevista dal modello lineare quadratico in regime frazionato

TCP = exp( - N° exp ( -alpha D- beta d D) ) dove :

N° è il numero di cellule tumorali clonogeniche iniziali ( prima

dell’irraggiamento)

exp ( -alpha D- beta d D) è la frazione di cellule sopravvissute ad una dose

totale D somministrata in n frazioni, ognuna pari a d ( D= nd), assumendo

riparo totale del danno subletale, secondo il modello lineare quadratico.

70


Probabilità di controllo locale del tumore (TCP) : dipendenza dalla

dose

L’andamento della probabilità di controllo locale del tumore in funzione

della dose , così calcolato, è la tipica curva sigmoidale che veniva osservata

nella pratica clinica .

Dose

TCP

Es. se =1 (numero medio di cellule clonogeniche sopravvissute /tumore =1)

TCP=37%, se =0.7 TCP=50%

100

50

71

Fattori che modulano la risposta di tumori e tessuti sani

Effetti del frazionamento della dose ( tessuti normali)

E’ il primo studio sistematico sugli effetti

del frazionamento della dose: ogni curva è

il risultato dello studio della risposta dei

tessuti normali al frazionamento della dose

: per ogni frazione di dose è stata

determinata la dose totale necessaria per

produrre un determinato effetto ( curve

isoeffetto) per effetti tardivi (linee

continue) ed acuti (linee tratteggiate). La

dose totale aumenta rapidamente al

decrescere della dose / frazione per gli

effetti tardivi. Pertanto usando dosi minori

/frazione si hanno meno effetti tardivi (

riaggiustando la dose totale per mantenere

costanti le reazioni acute ) Studi sperimentali su animali ( topi)

72


Effetti del frazionamento della dose

Questi andamenti sono ben descritti dal modello lineare quadratico secondo cui la sopravvivenza ad una frazione di dose d è:

S(d) = exp ( - d - d2 )

Supponendo recupero totale tra le n frazioni ( nd=D), D dose totale

S(D)= exp ( - n d - n d 2 ) = exp ( - D - Dd )

Pertanto l’effetto della dose D somministrata in n frazioni è:

E(D) = D + Dd

Questa equazione si può riscrivere in molti modi tra cui :

D = (E/) / ( 1+ d/ (/ ))

A parità di effetto, D = k / ( 1+ d/ (/ )) e la dipendenza di D da d è determinata dal rapporto / .

73


Dose totale isoeffettiva in funzione del numero di frazioni per a) reazioni acute

della pelle (/ = 10 Gy) e per b) reazioni tardive nel rene (/ = 3 Gy) (topo).

Le curve calcolate con il modello LQ fittano molto bene i dati sperimentali, mentre le

rette calcolate secondo un modello ( Ellis, 1969) molto usato negli scorsi decenni

sovrastimavano la dose tollerata nei casi estremi ( basse e alte dosi / frazione )

Effetti del frazionamento della dose

74

Radiobiologia - pcbat1.mi.infn.itpcbat1.mi.infn.it/~battist/FisicaMedica/Radiobiologia Seminario... · 3 Radiobiologia Il corso descrive lo stato delle conoscenze sugli effetti della

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