UNIVERZA V LJUBLJANIVISOKA ŠOLA ZA ZDRAVSTVOLJUBLJANA – Poljanska cesta 26 aII. letnik – redni

VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJSKI PROGRAM RADIOLOGIJAŠtudijsko gradivo za predmet:

RADIOBIOLOGIJAprof.dr. Gregor Serša

Ljubljana 2006/2007

Biologija tumorjev

Rak

Rak je poznan skozi vso zgodovinoZ naraščanjem življenske dobe se povečuje incidencaDanes vsak peti človek zboli za rakomPrevencija 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

koža prostata želodecdanka d.črevo usta in žrelomehur ledvica grlomaligni me drugo

koža mat.telo d.ćrevomat.vrat danka želodecpljuča jajčniki treb.slinavkam.melanom drugo

M

N = 4328

pljuča19% Ž

dojka22%

N = 4299

Vir podatkov: Register raka za Slovenijo

Odvisnost incidence nekaterih najpogostejših rakov od starosti populacije

Značilnosti rasti in diferenciacije celic

Normalne celice in tkiva

Kontrola rastiNekatera tkiva imajo zarodne celiceSpodbujevalni 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

Spremembanormalne v rakavocelico nastane pod vplivom:– bioloških agensov– kemičnih agensov– fizikalnih agensov

Nekatere značilnosti malignotransformiranih 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 transformacijinormalnih 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 – Mutiranisupresorski 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 priženskah v odvisnosti od starosti

Incidenca strmo narašča s starostjo.Če bi bila potrebna samo enamutacija, bi se rak pojavljalenako pri vseh starostnihskupinah.Podatki nakazujejo, da jepotrebno 6 neodvisnih učinkovna DNA preden pride do nastanka črevesnega raka.

Nekatere značilnosti malignotransformiranih 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 najpomembnejšihstopenj v procesumetastaziranja

Metastaziranje

Invazija (metaloproteaze)Migracija po krvnih žilah ali limfi Invazija na novem mestu - proliferacija

Rak debelega črevesa pogosto met. v jetra

Rak prostate pogosto met. v kosti

Maligni melanom pogosto met. v pljuča

Klasifikacija tumorjev

Klasifikacija tumorjev

Benigni tumorji– pripona OMA zraven vrste tkiva (adenom, lipom, fibrom)

Maligne tumorje klasificiramo glede na tkivo , biološkoobnašanje , anatomsko pozicijo in stopnjo diferenciacije– karcinom - epitelnega izvora– sarkom - mezenhimskega izvora

• nomenklatura: histološki tip + (karcinom/sarkom) + organ (adenokarcinom dojke, leiomiosarkom uterusa)

– LimfomiTNM klasifikacija: T – tumor; N – bezgavke; M - metastaze

Specifične lastnosti malignih tumorjev v primerjavi z benignimiZnačilno za maligne tumorje je, da je to abnormalna rast tkiva, ki ne služifunkciji 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 normalnecelice iz katerih izhajajo. Benigni tumorji so bolj podobni normalnim tkivom, kotmaligni tumorji.Maligni tumorji običajno rastejo hitreje kot benigniDifencialna diagnostika je na osnovi biopsije, kirurške odstranitve ali citološkepreiskave.

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

KancerogenezaMolekularni aspekti maligne transformacije celiceDelitev celic in celična smrtRastni faktorji in medcelična komunikacijaMedcelični prostor in angiogeneza tumorjevRast tumorjev in metastaziranjeImunologija raka

Rak kot bolezen celic

Eksponencialna rast tumorja

Koncept klonogenih celic v tumorju

Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti

terapije

Rast tumorjev

Odvisnost med številompodvojitev tumorskihcelic, številom celic in težo tumorja

Predpostavka: 109 celic na gram tkiva

Eksponencialna rast tumorjev

Eksponencialna rastnakrivulja narisana nalinearni (A) in logaritemski skali (B)

Klinična faza rastitumorja predstavlja krajšeobdobje rasti tumorja

Hipotetična rastna krivulja

Rastna krivuljahumanega tumorja, kiprikazuje latentnoobdobje pred kliničnodetekcijo

Tumor ima lahko začetnolag fazo in upočasnjenorast pri velikem volumnu

Tumor odkrijemo v pozni fazi njegove rasti

Ožiljenje tumorjev

Angiogeneza-stopnjeTvorba in sproščanje angiogenih signalov s tumorskih in gostiteljskih celicRazgradnja ekstracelularnega matriksaInvazija in migracija endotelnih celic skozi bazalno membranoVraščanje 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 tumorjaAvaskularna faza (leta) Angiogeneza

Vaskularna faza (meseci)

Podvojitveni časi humanih tumorjevMetastaze 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 humanegatumorja

Celični ciklus (∼2 dni) (cell cycle time)

Rastni delež (∼40%) (growth fraction)

Potencialni podvojitveni čas (∼5 dni)

Izguba celic (∼90%) (cell loss)

Čas podvojitve volumna tumorja (∼60 dni)

Rak kot bolezen celic

Eksponencialna rast tumorja

Koncept klonogenih celic v tumorju

Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti

terapije

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 kotklonogenost ali kolonijo celic

Test klonogenosti celic

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 reproduktivnosposobnost, so izrasle v kolonije normalne velikosti. Celice, ki niso ohranile te sposobnosti, so odmrle ali izrasle v abortivne kolonije.

Delež preživelih celic = Število kolonij / Število nasajenih celic x (PE/100)

Delitev celic po obsevanju in vitroTest klonogenosti

Prva krivulja preživetja celic in vitro

HeLa celice po obsevanju Leta 1956

DEL

EŽPR

EŽIV

ELIH

C

ELIC

DOZA (R)

Krivulje preživetja celic po delovanjukemoterapevtikov

A - droge ki delujejoneodvisno od celičnegaciklusa

B - droge ki delujejoodvisno od celičnegaciklusa

Razlika v delovanju jeodvisna od hitrosticeličnega ciklusa

Celični ciklus in delovanje različnihterapij

Faze celičnega ciklusapri katerih imajo različnikemoterapevtiki in obsevalna terapijaselektivno citotoksičnodelovanje

Model klonogenih celic v tumorju

Model ima velik pomen za zdravljenjeKurativno zdravljenje zahteva uničenje klonogenih celicSprememba volumna tumorja ali delitve celic vpliva na vse celice v tumorjuVrednotenje učinka na klonogene celice zahteva uporabo testa klonogenosti celic

populacija celic tumorja vpliv zdravljenja

ozdravitev

omejevanjetvorbe kolonij

omejevanjeproliferacije

celic

spremembavolumnatumorja

samoobnavljanje

matična celica

klonalna ekspanzija

(proliferacija celic)

celice, ki se ne proliferirajo

smrt celice

Rak kot bolezen celic

Eksponencialna rast tumorja

Koncept klonogenih celic v tumorju

Terapije in postopki za ocenjevanje uspešnosti

terapije

Testiranje in uvajanje novih zvrstizdravljenja raka

RadioterapijaKirurgijaKemoterapijaBiološka terapijaHipertermija in fotodinamska terapijaGenska terapijaKombinacije terapijNovejši 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 uspešnostiterapije

A - rastne krivulje

B - zavora rasti tumorja

C - test kontrole rasti tumorjev

nezdravljenzakasnitev

rasti

čas

velik

ost t

umor

ja (l

og. s

kala

)ča

s za

kasn

itve

rast

i

dele

žna

dzor

ovan

ihtu

mor

jev

doza za nadzor 50% tumorjev(TCD50)

Sevalna doza

Sevalna doza

nadzor tumorja

Doza Doza

a) b)

Del

ežod

ziva

nadzortumorja

poškodbanormalnegatkiva

nadzortumorja

poškodbanormalnegatkiva

Terapevtski indeks

Terapevtski indeks je razmerje med dozamo obsevanja, ki povzročedoločen odstotek (običajno 50%) kontrole tumorja in komplikacij. Terapevtski indeks predstavlja horizontalni razmik med krivuljama.

Cilji delovanjaPrenos 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 sevanjuNaravni viri sevanja Umetni viri sevanja

inhalacija (radon)

ingestija

gradbeni materiali

zemeljskaskorja

kozmično sevanje

poskusne jedrske

eksplozije

letalski promet (dodatno kozmično sevanje)zobozdravstveni rentgen

jedrske elektrarne

svetilne barve (ročne ure)

odloženi radioaktivni odpadki

medicinski rentgen

televizija

Porazdelitev letne doze(v povprečju)

Povprečna letna doza na prebivalca (EU) je ocenjena na 2.2 mSv

Različne izpostavitve sevanju

VIR PRISPEVEK

Naravno sevanje 2.4 mSv/letoMedicinska diagnostika 0.4 – 10 mSv/letoPoskusne jedrske eksplozije 0.15/7.2 mSv/letoČernobilska kontaminacija 0.72/1.1 mSv/leto

odrasli/otrociNE Krško prebivalcu Krškega manj kot 0.01 mSv/leto

Prejeta doza sevanja pri medicinskih preiskavah

Preiskava Efektivna doza Rtg slikanje pljuč 80 μSvRtg slikanje glave 200 μSvRtg slikanje kolkov 830 μSvCT glave in telesa 11 mSv

Biološki učinki ionizirajočega sevanja

Fizikalna

Biološka

Kemična

Stopnje interakcije

Razvoj sevalne poškodbe

Vzbujanje, ionizacija atomovObsevanje

Direktni učinekIndirektni učinek

Molekularne spremembe

Celičnih organelovDNK

MutacijeSpremembe delovanja celic

Celična smrt

Popravljanje poškodb

Encimov

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

– 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)

rentgenski žarek

vzbujanje

ionizacija

Klasifikacija ionizirajočega sevanja

Sevanje trdih delcev

Elektromagnetno sevanje

Radioaktivni razpad nuklidov

Elektromagnetno sevanje

Vrste: rentgenski in žarki γEnergija se prenaša v obliki kvantnih delcev -fotonovKoličina energije fotona je odvisna od valovne dolžine in frekvence

Absorbcija X- žarkov - Comptonov efekt

Višje energije od0.5MeV do 5MeVKoblat 60 in linearniakceleratorFoton zadane orbitalnielektronTvori se izbiti elektronin odbit foton z manjšoenergijo

Absorbcija X- žarkov - Fotoelektrični efekt

Nižje energije, pod 0.5MeVFoton zadane K, L ali M orbitale atoma, kjerelektronu odda vso svojoenergijoFoton izbije elektron izorbite, nadomeste gaelektroni iz zunanjih orbit

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

Direktni in indirektni učinek sevanja

Kritična tarča je DNADirektni učinek: neposredno na kritično tarčoIndirektni učinek: sevanje deluje na molekule, ki tvorijo proste radikale in ti poškodujejo kritično tarčo

Prosti radikali – radioliza vode

H2O obsevanje H20+• + e- ionski prosti radikal

H20+• H+ + OH-• hidroksilni radikal

Pomen direktnega in posrednega učinkasevanja glede na vrsto ionizirajočega sevanja

Direktni učinek sevanja je verjetnejši pri gostoionizirajočem sevanjuPosredni učinek sevanja je verjetnejši pri redkoionizirajočem sevanju

Biološki učinki sevanja

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

Organizacija celice

Membranski sistemi celice– celična membrana– Golgijev aparat– endoplazemski

retikulum– lizosomi,

peroksisomiCelično jedroCitoskeletMitohondriji

Golgijev aparat

mitohondrij

zrnatiedoplazemskiretikulum

gladkiedoplazemskiretikulum

mikroresice mikrofilamenti

centriol

jedro

ribosomi

lizosomi

membrana

DNA kot tarča ionizirajočega sevanja

Vsi dokazi govore da je DNA glavna tarčaDNA je tarča pri celičnem ubijanju, mutacijah in kancerogenezi

DNA je kritična tarča sevalne poškodbe celice

DNA je glavna tarča pri celičnem ubijanju, mutacijah in kancerogeneziRadiosenzitivnost makromolekul: DNA → RNA →proteini → lipidi

Vrste biološko pomembnih molekul, ki so tarča ionizirajočega sevanja

Poškodbe DNA in kromosomskeaberacije

Vrste poškodb DNA, ki jih povzroča ionizirajoče sevanje

Kromosomske aberacije poobsevanju

Pri obsevanju lahko nastanejo poškodbe nakromosomihPoškodovani ali odlomljeni deli se lahko prilepijo nadruge dele kromosomovOdlomljeni 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 kromosomB: Kromosomska aberacija prstanC: Kromatidna aberacija anafazni most

Kromosomska mutacija -translokacija

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

Razvoj sevalne poškodbe

Vzbujanje, ionizacija atomovObsevanje

Direktni učinekIndirektni učinek

Molekularne spremembe

Celičnih organelovDNK

MutacijeSpremembe delovanja celic

Celična smrt

Popravljanje poškodb

Encimov

Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

Možni odgovori celice na obsevanje

Umiranje celic z apoptozo

Krivulje preživetja celic

Reprodukcijska integriteta

Krivulja preživetja celic opiše odnos med dozosevanja 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 kotklonogenost ali kolonijo celic

Test klonogenosti celic

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 reproduktivnosposobnost, so izrasle v kolonije normalne velikosti. Celice, ki niso ohranile te sposobnosti, so odmrle ali izrasle v abortivne kolonije.

Delež preživelih celic =

Število kolonij / Število nasajenih celic x (PE/100)

Postopek testa klonogenosti

Uporaba postopka gojenjacelic v pogojih in vitro zaugotavljanje deležapreživelih celic po terapijiz X žarki

Prva krivulja preživetja celic in vitro

HeLa celice po obsevanju Leta 1956

DE

LEŽ

PR

EŽ

IVE

LIH

CE

LIC

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 sevanjaVzorec ionizacij in vzbujanj je značilen za vsako vrsto sevanja Direktni učinek sevanja je verjetnejši pri gosto ionizirajočem sevanjuIndirektni 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

LETLET - Linear Energy Transfer - linerni prenos energije

Definicija: Količina oddane energije vpadnega fotona atomombiološke snovi vzdolž poti fotona.

Količina: Število nastalih elektronov, ionov ter ekscitacij na poti1 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 0.2250 kV X-žarki 2.010-MeV protoni 4.72.5 MeV α delci 1662-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 ionizacijo100 ionskih parov za mikron poti v vodi, za določen biološki sistemin za določen biološki efekt ter pri pogojih pri katerih obsevamo. Označuje torej razliko dveh različnih vrst sevanja v biološkemučinku.

RBE neutroni =1000 cGy (200 KV X-žarkov) / 250 cGy (neutroni 1 MeV) = 4

Radiacijski utežni faktorji

Vrsta sevanja Radiacijaki utežni faktorjiFotoni 1Elektroni 1Nevtroni 5-20Protoni 5Žarki alfa 20

Utežni faktorji sevanja so predpisani od ICRP in predstavljajo RBE za določenovrsto 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 LETZ naraščanjem LET narašča tudi RBE DE

LEŽ

PREŽ

IVET

JA

DOZA V Gy

RBE v odvisnosti od LET

RBE narašča z naraščajočim LETRBE dosežemaksimum pri 100 keV/μm

Zakaj je 100 keV/μm LET optimalen zabiološki učinek?

Pri takem LET je razdaljamed ionizacijami enakakot je razdalja med verigama DNK (2 nm)Pri tej gostoti je največjaverjetnost da bo prišlo do dvojnih prelomov DNK

Ekvivalentna doza

Potencialno biološko škodo opredeljujemo zekvivalentno 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

Razvoj sevalne poškodbe

Vzbujanje, ionizacija atomovObsevanje

Direktni učinekIndirektni učinek

Molekularne spremembe

Celičnih organelovDNK

MutacijeSpremembe delovanja celic

Celična smrt

Popravljanje poškodb

Encimov

Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

Ocenjevanje odgovorov normalnih tkivna sevanje

Principi za ocenjevanje so:– Splošno stanje tkiva z 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 poškodbetkiv

Sistemi, ki ocenjujejo klonogenost prinormalnih 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 normalnihtkiv, med njimi celic kostnega mozga: D0 ≈ 1 gy

Ocenjevanje klonogenosti v koži

Princip metodeIzoliramo področje z visokodoznimobsevanjem robaCentralni del obsevamo s testnodozoOpazujemo izrastklonogenih celic v koži

Regeneracijačrevesnih resic poobsevanju

Test za določanje matičnih celickostnega mozga

Razlike v občutljivosti tkiv

Bergonie-jev in Tribondeau-jev zakon (1906) – celice so radioobčutljive če:Imajo visoko mitotsko aktivnostImajo dolgo mitotsko prihodnost (v normalnih okoliščinah bi se velikokrat delile)So primitivne (manj diferencirane)

Hierarhični tip tkiv Fleksibilni tip tkiv

ZARODNE CELICE(samoobnovljive)

PREKURZORJI(ojačitev)

ZRELE CELICE(funkcija)

ZARODNE CELICE

ZRELE CELICE(funkcija)

Razdelitev sesalskih celic po radioobčutljivosti

Skupina 1: Najbolj radioobčutljiveZreli limfociti, eritroblasti, spermatogoniji, ovarijske granularne celice, celice kostnega mozga, celice črevesnih resic, celice zarodne plasti kože

Skupina 2Žlezne celice želodca, endotelne celice majhnih žil

Skupina 3Osteoblasti, osteoklasti, hondroblasti, spermatociti, epitelne celice črevesja

Skupina 4: Najbolj radiorezistentneParenhimske in duktalne celice žlez, fibroblasti, endotelne celice velikih žil, eritrociti, mišične in živčne celice

KA

RA

KTE

RIS

TIČ

NI I

ND

EKS

(%)

LATENTNI INTERVAL (dnevi)

črevesje

kožapožiralnik

kostni mozeg

pljučahrbtenjača

ledvica

mehur

Dinamika repopulacije nekaterih tkiv in organov

Radioobčutljivost različnih vrst normalnih tkiv

Razlike v radioobčutljivosti različnih celic iz normalnih tkiv, merjeno s testom klonogenosti

DEL

EŽPR

EŽIV

ETJA

DOZA (Gy)

testisizarodnecelice

ščitnica

mlečnecelice

kriptetankega črevesa

kostni mozegčloveške A-Tcelice

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 radiosenzitivnaPosledice so deterministične, odvisne od prejete doze, hitrosti doze in vrste sevanjaRadiobiološki 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

LuščenjePoškodbenohtov

Radiacijska katarakta

Nastanek katarakte v odvisnosti od prejete doze ionizirajočega sevanja in trajanja obsevanja

Trajanje Minimalna doza Maksimalna dozaza 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 letZa prejeto dozo 2.5 do 6.5 Gy je latentno obdobje približno 8 let

http:/n50/disaster/Cataract-p-big.gif

Radiacijska karcenogeneza

Stohastičen učinek sevanjaČas med izpostavitvijo sevanju in nastankom raka imenujemo LATENCA: za levkemije 5-7 let, za solidne tumorje 10-50 letSevanje 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 celicStohastičen 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” projektSevanje ne povzroča novih mutacij, ampak poveča incidenco spontanih mutacij

Učinki sevanja na zarodek in plodDeterministični 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

SrceOkončineOčiUšesa

ZobjeNebo

Zunanje genitalije

Nadaljnji razvoj, manj občutljiv na teratogene učinkeZelo občutljiv interval

Prenatalna smrt

Večja morfološka poškodba Fiziološki defektiin manjše morf. poškodbe

Možgani

Organ

Nosečnost (v tednih)1 2 3 4 5 6 7 8 9 // 16 // 20 – 36 38

Delitev Zarodek Plodin vsaditev

Običajno neobčutljivi na teratogene

Razvoj sevalne poškodbe

Vzbujanje, ionizacija atomovObsevanje

Direktni učinekIndirektni učinek

Molekularne spremembe

Celičnih organelovDNK

MutacijeSpremembe delovanja celic

Celična smrt

Popravljanje poškodb

Encimov

Spremenjeno delovanje Tkiv, Organov, Organizma

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

Sindrom centralnega živčnega sistemaGastrointestinalni sindromGASTROINTESTINALNA OBLIKA

KARAKTERISTIČNIZNAKI IN SIMPTOMI

OSNOVNAPATOLOGIJA

izguba teka

slabost

bruhanje

vročica

driska

sprememba ravnotežja elektrolitov

ustavitev mitoze v epiteliju

razgaljanje in gnojenje črevesne stene

RES

NO

ST O

DZ

IVA

10-50 Gy

PRODROMALNA FAZA

SEVALNO POVZROČENENTROKOLITIS

DNEVI PO OBSEVANJU

KARAKTERISTIČNIZNAKI IN SIMPTOMI

OSNOVNAPATOLOGIJAMOŽGANSKA OBLIKA

izguba teka

slabost

bruhanje

apatija

letargija

zaspanost

tresenje

krči

izguba koordinacije

vaskulitis meningitis encefalitis

možganski edem

piknoza možganskih celic

RES

NO

ST O

DZ

IVA

100 Gy

PRODROMALNA FAZA

URE PO OBSEVANJU

VNETNA FAZA

FAZA KRČEV

Sindrom kostnega mozgaKARAKTERISTIČNIZNAKI IN SIMPTOMI

OSNOVNAPATOLOGIJAKRVNA OBLIKA

izguba teka

slabost

bruhanje

pegavica

krvavitev

dovzetnost za infekcije

aplazija kostnega mozga

zmanjšano število belih krvničk in krvnih ploščic

anemija

RES

NO

ST O

DZ

IVA

3-5 Gy

PRODROMALNA FAZA

TEDNI PO OBSEVANJU

FAZA UPADANJA KOSTNEGA MOZGA

Smrtnost glede na oddaljenost od hipocentera

Akutne reakcije

Odstotek umrlih (n=333) in preživelih (n=5520) s specifičnimi simptomi

Vročina

Driska

Bruhanje

RdečicaVnetje ustne sluznice

Glavobol

Izguba dlak

Bolečina v trebuhu

Vrtoglavica

Motnje zavesti

Simptomi Umrli Preživeli

Ocena prejete doze po eksploziji atomske bombe v Hirošimi in Nagasakiju

Relativno tveganje za nastanek raka (glede na vrsto tumorja)

http:/n50/disaster/RR-g-big.gif

Tumorski modeliza ocenjevanje uspešnosti zdravljenja

Modeli

In vitroIn vivoSferoidi

Normalna in spremenjena proliferacija matičnih celic

samoobnovljiva zarodna celica

hčerinska celica z omejeno zmožnostjo proliferacije

končna diferenciacija

celice, ki se ne delijoin na koncu propadejo

tumor

tumor

Sprememba velikosti tumorja poobsevanju

Spremembavelikosti tumorja prine do koncapozdravljenemtumorju jerezultatanta dvehprocesov:– regresija– ponovna izrast

Model klonogenih celic v tumorju

Model ima velik pomen za zdravljenjeKurativno zdravljenje zahteva uničenje klonogenih celicSprememba volumna tumorja ali delitve celic vpliva na vse celice v tumorjuVrednotenje učinka na klonogene celice zahteva uporabo testa klonogenosti celic

populacija celic tumorja vpliv zdravljenja

ozdravitev

omejevanjetvorbe kolonij

omejevanjeproliferacije

celic

spremembavolumnatumorja

samoobnavljanje

matična celica

klonalna ekspanzija

(proliferacija celic)

celice, ki se ne proliferirajo

smrt celice

Odnos med preživetjem celic in odgovorom tumorja na terapijo

Test zavore rasti tumorja

Test lokalne kontrole rasti tumorja (TCD50)

Test klonogenosti v pljučnem parenhimu

Test klonogenosti - in vivo zdravljenje in vitrodoločanje klonogenosti celic

Test zavore rasti tumorja

Tipična krivuljarasti tumorja poobsevanju z dozo(D) X-žarkov

nezdravljen

zakasnitevrasti

čas

velik

ost t

umor

ja (l

og. s

kala

)ča

s za

kasn

itve

rast

i

dele

žna

dzor

ovan

ihtu

mor

jev

doza za nadzor 50% tumorjev(TCD50)

Sevalna doza

Sevalna doza

nadzor tumorja

Postopki za ocenjevanje uspešnostiterapije

A - rastne krivulje

B - zavora rasti tumorja

C - test kontrole rasti tumorjev

Doza Doza

a) b)

Del

ežod

ziva

nadzortumorja

poškodbanormalnegatkiva

nadzortumorja

poškodbanormalnegatkiva

Terapevtski indeks je razmerje med dozama obsevanja, ki povzročedoločen odstotek (običajno 50%) kontrole tumorja in komplikacij na normalnih tkivih. Terapevtski indeks predstavlja horizontalni razmikmed krivuljama.

Terapevtski indeks

Test klonogenosti v pljučnemparenhimu

Shematični prikaz testa

In vivo / in vitro tehnika za ugotavljanjeklonogenosti po terapiji

Shematični prikaz testa

Odgovor tumorja na obsevanje

Odgovor R1 tumorja v miši po obsevanju z X-žarki (20 Gy)A - Spremembavelikosti tumorjaB - Delež preživelihklonogenih celic

Ksenografti humanih tumorjev

Korelacija med odgovoromhumanih tumorjev v miših (ksenograftih) in kliničnimikompletnimiremisijami pokemoterapiji

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

•ProfazaMetafazaAnafazaTelofaza

Parametri celične kinetike

CHO celice (h) HeLa celice (h)

TC 11 24TM 1 1TG1 6 8TG2 3 4TS 1 11

Trajanje celičnega ciklusa različnih tkiv

Celice v hitro delečih tkivih imajo čas celičnega ciklusapribližno 10 ur.Celice počasi delečih tkiv imajo lahko čas celičnega ciklusatudi 10 dni.Razlika v celičnem ciklusu med hitro in počasi delečimicelicami je v dolžini G1 faze, lahko traja 1 uro ali tudi nekajtednov.

Radiosenzitivnost različnih fazceličnega ciklusa

CHO celice v različnih fazahceličnega ciklusa in njihovaradiosenzitivnost

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, nepopravljivain neizbežnovodi v celičnosmrt

Potencialno letalna poškodba - PLD

Je komponenta obsevalne poškodbe na katero lahkovplivamo s spreminjanjem pogojev po obsevanju z X –žarki.Popravilo potencialno letalne poškodbe je možno, čepreprečimo 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 dobrimpopravilom potencialno letalne poškodbe.

Popravilo potencialno letalne poškodbe in vivo

Delež preživelih celicv tumorju takoj in nekaj ur poobsevanju(prekinjena črta)Popravilo potencialoletalne poškodbe jemožno po obsevanjuz X žarki, ne pa poobsevanju z nevtroni

Subletalna poškodba - SLD

Popravilo subletalne poškodbe je operativni izraz, ki opisuje porastpreživetja celic v primeru, ko dozo obsevanja razdelimo na dve, ki stačasovno ločeni

Polovični čas popravila subletalne poškodbe je cca. 1 uro

Popravilo subletalne poškodbe nastopa v tumorjih in normalnih tkivihin vivo, kakor tudi in vitro

Popravilo subletalne poškodbe predstavlja popravilo prelomov DNK, predno se ti lahko povežejo in povzroče letalne kromosomskeaberacije

Subletalna poškodba -nedeleče celice

Preživetje CHO celic, če celokupno dozoobsevanja razdelimo v dve in povečujemointerval med dozamaPri intervalu 2 ur, jedosežen plato, ko se razmerje ne povečaza več kot 4x

Subletalna poškodba -deleče celice

Popravilopoškodbe jesestavljeno iz trehprocesov, kinastopajoistočasno– poravilo poškodbe– prerazporeditev– repopulacija

Popravilo poškodbe po frakcioniranemobsevanju

Delež preživelihcelic se poveža, če dozorazdelimo v dves časovnimintervalom

5 R v radioterapiji

Biološki faktorji, ki vplivajo na odzivnost normalnihin neoplastičnih tkiv pri frakcionirani terapiji

Withers 19754 R + 1– Popravilo (Repair)– Prerazporeditev (Reassortment)– Repopulacija (Repopulation)– Reoksigenacija (Reoxygenation)

– Radiozenzitivnost (Radiosensitivity)

Popravilo - Repair

Določen deležpoškodb, nekaj urpo obsevanju se lahko popravi s popravljalnimimehanizmi celice

Prerazporeditev - Reassortment

Učinek progresijeceličnega ciklusaCelice, ki preživijo prvodozo obsevanja so v rezistentni faziPo nekaj urah lahkonapredujejo v boljsenzitivno fazoceličnega ciklusa

Repopulacija - Repopulation

V času trajanjaradioterapija(nekaj tednov), se celice, ki so preživeleobsevanje delijo in tako povečajoštevilo celic, ki jihmoramo uničiti

Reoksigenacija - Reoxygenation

V tumorju po prvi doziobsevanja preživepredvsem hipoksičneceliceZ reoksigenacijotumorja postajajo prejhipoksične celice boljeoksigenirane

Radiosenzitivnost - Radiosensitivity

Radiosenzitivnostirazličnih tkiv alivrst celic

Pomen kisika za učinekionizirajočega sevanja

Krivulja preživetja celic v oksičnih in hipoksičnih pogojih

OER Oxygen Enhancement Ratio - faktor potenciranjas kisikomKisik deluje kotfaktor modificiranjadoze obsevanja

Krivulja preživetja celic v oksičnih in anoksičnihpogojih obsevanih z nevtroni ali X žarki

HeLa celice so bile obsevane z nevtroni(14 MeV) ali 250 kV rentgenomHipoksija je biladosežena z dodajanjem dušikamed obsevanjem

Učinek kisika na krivulje preživetja celicv odvisnosti od koncentracije kisika

A - v pogojih zrakaB - v anoksijiŽe prisotnost male količine kisikapomakne krivuljo zapolovicoPrisotnost 2% kisikaima enak učinek kotv pogojih zraka

Stopnja radiosenzibilzacije kisika je odvisnaod parcialnega tlaka kisika v tkivu

Pod 20 mmHg padaradiosenzibilizirajočiučinek kisikaPri 3 mmHg kisika jeOER med učinkom v anoksičnih in oksičnihpogojih

Kdaj deluje kisik?

Kisik deluje samo kadar je prisoten med obsevanjemLahko deluje tudi če ga dodamo poobsevanju, vendar samo nekaj mili sekund

Kisik fiksira poškodbe z ionizirajočimsevanjem

Pri sevanju se tvorijo prostiradikaliVečina prostih radikalovnastane iz vodeČe je prisoten kisiknastanejo RO2 radikali kidelujejo na DNKV primeru ko ni kisikaradikali 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 zunanjihplasteh, medtem ko bo v notranjih plastehnastajala nekroza.V takih pogojih rasti je lahko v tumorjurazličen delež hipoksičnih celic, 0-50%, povprečju 15%.Tudi če je ta delež samo 10% je to lahko zelopomemben delež

Pomen hipoksičnih celic na učinekradioterapije

Shematični prikazkrivulje preživetjacelic na populacijotumorskih celic, kivsebuje 10% hipoksičnih celic.

Uspeh radioterapije glede naoksigeniranost tumorjev

Proces reoksigenacije tumorjev poobsevanju

Procent hipoksičnihcelic v mišjemsarkomu poobsevanju z 10 GyTakoj po obsevanjuje tumor popolnomahipoksičen, ker so prizadete skoraj vseoksigenirane celice

UNIVERZA V LJUBLJANI�VISOKA ŠOLA ZA ZDRAVSTVO�LJUBLJANA – Poljanska cesta 26 a�II. letnik – redniBiologija tumorjevRakBreme raka v Sloveniji, 2000Incidenca najpogostejših rakov po primarni lokaciji in spolu - Slovenija 2000Odvisnost incidence nekaterih najpogostejših rakov od starosti populacije Značilnosti rasti in diferenciacije celic��Normalne celice in tkivaSignalizacija v normalni celiciShematični prikaz razmnoževanja in diferenciacije celic kostnega mozgaMaligna transformacija celicRak kot genetska bolezenMaligna transformacija celiceNekatere značilnosti maligno transformiranih celicGeni, ki so udeleženi pri transformaciji normalnih v maligne celiceStopnje v razvoju rakaTipično zaporedje genskih sprememb, ki vodijo v nastanek raka debelega črevesa Razlika med rastjo in odmiranjem normalnih in tumorskih celicSpremenjena kontrola diferenciacije matičnih celic v tumorjuTumor nastaja v različnih stopnjahIncidenca raka debelega črevesa pri ženskah v odvisnosti od starostiNekatere značilnosti maligno transformiranih celicModel najpomembnejših stopenj v procesu metastaziranjaMetastaziranjeKlasifikacija tumorjevKlasifikacija tumorjevSpecifične lastnosti malignih tumorjev v primerjavi z benignimi��Značilno za maligne tumorje je, da je to abnormalna rast tkivRazlika med benignim in malignim tumorjemBiološke lastnosti rasti tumorjaPomen tumorske biologijeNekatera področja raziskav v tumorski biologijiRak kot bolezen celicRast tumorjevEksponencialna rast tumorjevHipotetična rastna krivulja Tumor odkrijemo v pozni fazi njegove rasti Ožiljenje tumorjevAngiogeneza-stopnjeRazlika med žiljem v normalnem in tumorskem tkivuRazmerje med spodbujevalci in zaviralci angiogeneze pri rasti tumorjaRazvoj vaskularizacije tumorjaPodvojitveni časi humanih tumorjevKinetika rasti tipičnega humanega tumorjaRak kot bolezen celicReprodukcijska integritetaTest klonogenosti celicDelitev celic po obsevanju in vitro�Test klonogenostiPrva krivulja preživetja celic in vitroKrivulje preživetja celic po delovanju kemoterapevtikov Celični ciklus in delovanje različnih terapijModel klonogenih celic v tumorjuRak kot bolezen celicTestiranje in uvajanje novih zvrsti zdravljenja rakaRegresija in ponovna izrast tumorjaPostopki za ocenjevanje uspešnosti terapij �Postopki za ocenjevanje uspešnosti terapijeTerapevtski indeksCilji delovanjaIzzivi translacijskih raziskavFizikalni in kemični učinki sevanjaVrste in načini izpostavitve sevanjuPorazdelitev letne doze�(v povprečju)Različne izpostavitve sevanjuPrejeta doza sevanja pri medicinskih preiskavah Biološki učinki ionizirajočega sevanja�Razvoj sevalne poškodbeČasovna odvisnost bioloških učinkov sevanjaStohastični in deterministični učinkiStopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialomAbsorpcija energije sevanjaKlasifikacija ionizirajočega sevanjaRadioaktivni razpad nuklidovElektromagnetno sevanjeAbsorbcija X- žarkov - Comptonov efektAbsorbcija X- žarkov - Fotoelektrični efektStopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialomDirektni in indirektni učinek sevanjaProsti radikali – radioliza vodePomen direktnega in posrednega učinka sevanja glede na vrsto ionizirajočega sevanjaBiološki učinki sevanjaStopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialomOrganizacija celiceDNA kot tarča ionizirajočega sevanjaDNA je kritična tarča sevalne poškodbe celiceVrste biološko pomembnih molekul, ki so tarča ionizirajočega sevanjaPoškodbe DNA in kromosomske aberacijeVrste poškodb DNA, ki jih povzroča ionizirajoče sevanjeKromosomske aberacije po obsevanjuCelični ciklus in delitev celiceKromosomske in kromatidne aberacije, ki povzročajo smrt celicKromosomska mutacija -translokacijaStopnje interakcije ionizirajočega sevanja z biološkim materialomRazvoj sevalne poškodbeMožni odgovori celice na obsevanjeUmiranje celic z apoptozoKrivulje preživetja celicReprodukcijska integritetaTest klonogenosti celicPostopek testa klonogenostiPrva krivulja preživetja celic in vitroKrivulje preživetja celicLinearno kvadratni modelAbsorbirana dozaDepozicija sevalne energije LET in RBELETTipične LET vrednostiRBERadiacijski utežni faktorji Biološki učinki sevanja z različnim LET in učinki na RBERBE v odvisnosti od LETZakaj je 100 keV/μm LET optimalen za biološki učinek? Ekvivalentna dozaObčutljivost normalnih tkivRazvoj sevalne poškodbeOcenjevanje odgovorov normalnih tkiv na sevanjeSistemi, ki ocenjujejo klonogenost pri normalnih tkivih so:Ocenjevanje klonogenosti v kožiRegeneracija črevesnih resic po obsevanjuTest za določanje matičnih celic kostnega mozgaRazlike v občutljivosti tkivRazdelitev sesalskih celic po radioobčutljivostiDinamika repopulacije nekaterih tkiv in organovRadioobčutljivost različnih vrst normalnih tkivRazvrstitev organov po radioobčutljivostiVrste sevalnih poškodbRazvoj sevalne poškodbe do determinističnih in stohastičnih učinkovStohastični in deterministični učinkiRazdelitev determinističnih in stohastičnih učinkov na zgodnje in kasneZgodnje in kasne posledice sevanja na kožiPosledice sevanja na kožiPosledice sevanja na koži-rentgenska kožaRadiacijska kataraktaRadiacijska karcenogenezaDedni učinki sevanjaDeterministični dedni učinkiStohastični učinki na potomceUčinki sevanja na zarodek in plodNagasaki – abnormalnosti med nosečnostjo in porodomRazvoj organov med nosečnostjoRazvoj sevalne poškodbeUčinki obsevanja celotnega telesaStopnje akutnega radiacijskega sindromaSpremembe v organizmu po enkratnem obsevanju z visokimi dozamiSindromi pri obsevanju celotnega telesaSmrtnost glede na oddaljenost od hipocenteraAkutne �reakcije��Odstotek umrlih (n=333) in preživelih (n=5520) s specifičnimi simptomiOcena prejete doze po eksploziji atomske bombe v Hirošimi in NagasakijuRelativno tveganje za nastanek raka (glede na vrsto tumorja)Tumorski modeli�za ocenjevanje uspešnosti zdravljenjaModeliNormalna in spremenjena proliferacija matičnih celicSprememba velikosti tumorja po obsevanjuModel klonogenih celic v tumorjuOdnos med preživetjem celic in odgovorom tumorja na terapijoTest zavore rasti tumorjaPostopki za ocenjevanje uspešnosti terapijeTerapevtski indeksTest klonogenosti v pljučnem parenhimuIn vivo / in vitro tehnika za ugotavljanje klonogenosti po terapijiOdgovor tumorja na obsevanjeKsenografti humanih tumorjevCelični ciklus in radiosenzitivnostVrste celičnih populacijFaze celičnega ciklusaMitozaMitozaParametri celične kinetikeTrajanje celičnega ciklusa različnih tkivRadiosenzitivnost različnih faz celičnega ciklusaRadiosenzitivnost in celični ciklusPopravilo radiacijske poškodbeVrste radiacijskih poškodbLetalna poškodbaPotencialno letalna poškodba - PLDPopravilo potencialno letalne poškodbe in vivoSubletalna poškodba - SLDSubletalna poškodba - �nedeleče celiceSubletalna poškodba - �deleče celicePopravilo poškodbe po frakcioniranem obsevanju5 R v radioterapijiBiološki faktorji, ki vplivajo na odzivnost normalnih in neoplastičnih tkiv pri frakcionirani terapijiPopravilo - RepairPrerazporeditev - ReassortmentRepopulacija - RepopulationReoksigenacija - ReoxygenationRadiosenzitivnost - RadiosensitivityPomen kisika za učinek ionizirajočega sevanjaKrivulja preživetja celic v oksičnih in hipoksičnih pogojihKrivulja preživetja celic v oksičnih in anoksičnih pogojih obsevanih z nevtroni ali X žarkiUčinek kisika na krivulje preživetja celic v odvisnosti od koncentracije kisikaStopnja radiosenzibilzacije kisika je odvisna od parcialnega tlaka kisika v tkivuKdaj deluje kisik?Kisik fiksira poškodbe z ionizirajočim sevanjemKronična in akutna hipoksija v tumorjihDifuzija kisika v tkivuRast tumorjaPomen hipoksičnih celic na učinek radioterapijeUspeh radioterapije glede na oksigeniranost tumorjevProces reoksigenacije tumorjev po obsevanju