effetto ossigeno
Post on 25-Jun-2015
506 Views
Preview:
TRANSCRIPT
L’effetto ossigenoin
radiobiologia Università Cattolica del Sacro CuoreScuola di specializzazione in Fisica Sanitaria2003-2004
Claudia Dell’Omo
Fattori fisici
Fattori biologici
Fattori chimici
FATTORI CHE INFLUENZANO L’EFFETTO DELLE RADIAZIONI
• alta o bassa intensità• la dose può essere somministrata come dose singola o frazionata• alto o basso trasferimento lineare di energia (LET)
Fattori fisici:
Curve di sopravvivenza di cellule dopo irradiazioni con dose di raggi x e neutroni.
basso LET
alto LET
• fasi del ciclo cellulare in rapporto all’efficacia delle radiazioni nel provocare la morte cellulare
• recupero del danno• radiosensibilità e radioresistenza dei tessuti in riferimento alla loro attività proliferativa e al grado di differenziazione
Fattori biologici:
Sopravvivenza della capacità riproduttiva di cellule HeLa irradiate con raggi x in quattro differenti momenti del ciclo cellulare:
M, G1, G2 e fase S del DNA.
Esistono differenze di un fattore o due
nella dose richiesta per un determinato livello
di morte cellulare tra le diverse fasi del ciclo.
• protettori: agenti che riducono l’effetto di una determinata dose di radiazione• sensibilizzanti: agenti che aumentano l’efficacia di una determinata dose di radiazione, l’ossigeno è un potente “sensibilizzante”.
Fattori chimici:
In presenza di O2 tutti i sistemi biologici sono molto più sensibili alla radiazione
Il grado di sensibilizzazione è espresso in termini di “Oxygen Enhancement Ratio”:
per produrre lo stesso effetto biologico.
dose in condizioni di ipossia
dose in condizioni aerobicheOER
Oxygen Enhancement Ratio – x rays
OER ha valori tipici di 2,5 – 3 per raggi x e
• curva A: cellule ben ossigenate• curva B: cellule poco ossigenate
Per un livello di effetto E, la dose in condizioni di ossigenazione (4 Gy) è 2,5 volte inferiore alla dose richiesta in condizioni di ipossia (10 Gy).
O2 è perciò un agente dose-modifyingper radiazioni a basso LET.
Curve di sopravvivenza per cellule esposte a raggi x in condizioni ipossiche e non.
Oxygen Enhancement Ratio –altre radiationi
OER ha valori tipici < 2 per radiazioni densamente ionizzanti
Curve di sopravvivenza per cellule esposte a radiazioni adroniche in condizioni ipossiche e non.
Per radiazioni ad alto LET, si nota una diminuzione dell’OER al crescere del LET.
Ad esempio, per particelle (la curva di sopravvivenza non ha la spalla cioè è una funzione esponenziale della dose), le cellule ipossiche ed ossigenate vengono uccise con uguale facilità, ciò vuol dire OER = 1.
Efficacia dell’O2 come agente modificante per le radiazioni ad elevato e basso LET
Coppie di curve di sopravvivanza
per cellule sottoposte ad irradiazione
a LET elevato e basso in condizioni
di ossigenazione e di ipossia.
Nel primo caso l’OER 1
l’O2 non modifica l’effetto
della radiazione ad alto LET.
Perché c’è riduzione dell’effetto O2 all’aumentare del LET?
Spiegazione più probabile:
nei densi percorsi di ionizzazione delle radiazioni ad elevato LET c’è produzione di O2 , questo ossigena e così sensibilizza le cellule al momento dell’irradiazione.
Relazione tra LET, EBR ed OER
Tempi di azione
Affinchè si osservi l’effetto ossigeno, è necessario che l’ossigeno sia presente:
- durante l’esposizione alla radiazione Wright, Howard-Flanders, Acta Radiol 48, 1957Howard-Flanders P., Moore D., Radiat Res 9, 1958
- entro pochi millisecondi dopo l’irradiazioneMichael BD et al., Radiat Res 54, 1973
L’idea di questo ultimo esperimento è che l’ossigeno, contenuto in una camera ad alta pressione, venga fatto esplodere su uno strato singolo di batteri in vari tempi: prima, durante e dopo l’irradiazione con un impulso di elettroni di 2 sec dato da un acceleratore lineare.Il risultato è che l’ossigeno agisce come sensibilizzante se esso viene aggiunto non più tardi di 5 msec dopo l’irradiazione.
Concentrazione richiesta di ossigeno
Dipendenza della radiosensibilità dalla concentrazionedi ossigeno.
Assegnando 1 alla radiosensibilità in condizioni anossiche, si trova sperimentalmente che essa diventa 3 in condizioni di ossigenazione.
La variazione di sensibilità si realizzasoprattutto quando la concentrazione di ossigeno passa da 0 a 30 mm Hg.Dopo, si realizza un plateau.
Il meccanismo dell’effetto ossigeno (1)
Catena di eventi
Interazioni inizialiRadiazioni indirettamente ionizzanti (X, , n) 10-24 – 10-14 sRadiazioni direttamente ionizzanti (e-, p) 10-16 – 10-14 s
Stadio fisico-chimicoDeposito di energia come ionizzazioni delle strutturemolecolari lungo il percorso 10-12 – 10-8 s
Danno chimicoRadicali liberi 10-7 s - ore
Danno biomolecolare Proteine, acidi nucleici ms - ore
Effetti biologici precociMorte cellulare, morte animale ore - settimane
Effetti biologici tardiviInduzione di neoplasie, effetti genetici anni - secoli
Limiti di tempo
Radiochimica dell’acqua; ipotesi della fissazione del danno
H2O H2O+ + e- e- + H2O H2O-
H2O+, H2O- sono instabili:
H2O+ H + + OH° H2O- H ° + OH -
radiation
RH + OH° R° + H2O RH + H° R° + H2
H°, OH° sono radicali liberi, cioè atomi o molecole elettricamente neutri aventi un elettrone spaiato rispettoallo spin nell’orbita esterna. Sono molto reattivi, con una grande tendenza ad accoppiare l’elettrone spaiato (ossidante)oppure a eliminare l’elettrone spaiato (riducente). Ad es., possono estrarre idrogeno da molecole organiche RH:
R° sono radicali liberi secondari che possono interagire con molecole biologicamente importanti e provocare danni azione indiretta delle radiazioni ionizzanti
In presenza di O2:
R° + O2 RO2°Formazione del radicale organico perossido, che può attivare una reazione a catena che coinvolge più RH
RO2° + RH RO2H + R° Fissazione del danno biologico, cioè cambiamento stabile della composizione chimica del target
potenziamento dell’efficacia delle radiazioni
Il meccanismo dell’effetto ossigeno (2)
Effetto ossigeno e radioterapia
Thomlinson & Gray (1955) key paper
Conclusioni ottenute da Thomlinson e Gray dallo studio di sezioni istologiche di carcinoma bronchiale umano.
Conclusioni schematizzate del lavorodi Thomlinson e Gray:
-ogni centro tumorale con raggio maggiore di 200 m presenta un centro necrotico
-nessuna necrosi è presente in tumori con raggio minore di 160 m
-Comunque grande sia il raggio del centro necrotico, lo spessore esternocomposto di cellule tumorali attivenon è mai maggiore di 180 m ed è sempre compreso tra 100 m e 180 m. L’area delle cellule tumorali attive appare, in sezione,
come un anello
Effetto ossigeno e radioterapia
Conclusioni del lavoro di Thomlinson e Gray:
•Le cellule tumorali proliferano e crescono attivamente soltanto se sonoin prossimità di una sorgente diossigeno o nutrienti (stroma).Fino a 150 m dal capillare le cellule sono ossigenate; a distanze maggiori l’ossigeno è consumato e le cellule diventano necrotiche.
•Le cellule ipossiche formano uno strato (di una o due cellule) nel quale la concentrazione di ossigeno è alta abbastanza da permettere la loro attività e bassa abbastanza da renderle relativamente protette dagli effetti dei raggi x.
Diffusione dell’O2 da un capillare
150 m
Conclusioni ottenute da Thomlinson e Gray dallo studio di sezioni istologiche di carcinoma bronchiale umano.
Effetto ossigeno e radioterapiaPowers & Tolmach, 1973
Prima evidenza di cellule ipossiche in tumore - La curva ha due distinte componenti, di
due diverse pendenze (bifasica). Ciò suggerisce che il tumore consiste di due gruppi separati di cellule, uno ossigenato e l’altro ipossico.
-Estrapolando dalla regione di alte dosiall’asse di sopravvivenza si ottiene la frazione di cellule ipossiche al tempo di irradiazione:
livello di sopravivvenza = 1 %
Circa 1 % delle cellule clonogeniche nel tumore hanno una curva di sopravivvenzatipica di cellule ipossiche.
Risposta alla radiazione di un linfosarcoma subcutaneo solido nel topo
A basse dosi (< 900 rad) la risposta è dominata dal killing delle cellule ossigenate.
Ad alte dosi (> 900 rad) la risposta è dominata dal killing delle cellule ipossiche.
Prima evidenza inequivocabile che un tumore solidocontiene una percentuale di cellule clonogeniche sufficientemente ipossiche da essere radioresisrtenti
Effetto ossigeno e radioterapia
Determinazione pratica della frazione di cellule ipossiche
Mouse tumour curva aerobica
– Animale respira aria– Mistura di cellule ipossiche e aerate
curva ipossica– Animale asfissiato mediante
respirazione di N2
curva ossica – Cellule in vitro in O2
La frazione ipossica è 20 %:
(la distanza verticale tra la curva ipossicae quella in aria sull’asse della frazione
di sopravvivenza va da 1.0 a 0,2)
Effetto ossigeno e radioterapia
Introduzione alla reossigenazione
Sperimentalmente è stato dimostrato chela proporzione di cellule ipossiche nel tumore è circa costante,
cioè la stessa sia nel tumore non trattato che dopo il trattamento frazionato.
Spiegazione: durante il trattamento, le cellule si muovono dal compartimento ipossico a quello
ossigenato. Se così non fosse la proporzione di cellule ipossiche dovrebbe aumentare durante il trattamento perché la radiazione dovrebbe spopolare più il
compartimento delle cellule aerate che quello delle cellule ipossiche
REOSSIGENAZIONE
Effetto ossigeno e radioterapiaIl meccanismo della reossigenazione
I tumori umani si reossigenano rapidamente ed efficientemente, come la maggior parte di quelli animali, tra due frazioni di dose.
Ogni frazione di dose uccide una proporzione molto più grande di cellule ossigenate che di cellule ipossiche.
Il processo di riossigenazione ristabilisce la proporzione di cellule ipossiche (ad es. all’ 1 %) prima che venga irradiata la prossima frazione di dose, quindi il compartimento di cellule ipossiche non diventa mai dominante.
Mentre il numero di cellule ossigenate diventa sempre più piccolo, sempre più cellule ipossiche si muovono nel compartimento ossigenato per mantenere la proporzione di cellule ipossiche all’ 1 %.
La morte delle cellule che erano ipossiche all’inizio del trattamento è perciò un risultato della loro irradiazione quando sono diventate ossigenate.
La presenza di un piccolo numero di cellule ipossiche (radioresistenti) può spiegare la differenza tra il successo e l’insuccesso nella terapia di un tumore.Esse rappresentano un focus per la ricrescita
del tumore.
Effetto ossigeno e radioterapia
Dose di radiazioni necessaria per uccidere tutte le cellule nei volumi indicati.
Si ipotizza che i tumori che non rispondono bene alla radioterapia sono quelli che non si reossigenano velocemente
ed efficientemente.
conclusione
Effetto ossigeno e radioterapia
Tumori (animali) includono • Cellule aerate • Cellule ipossiche
L’ipossia conferisce protezione da • Raggi x• Agenti Chemioterapici
La presenza of O2 aumenta il “cell killing”
La reossigenazione delle cellule ipossiche può migliorare il trattamento contro il tumore mediante “radiation therapy”.
conclusioni
E’ una ipotesi plausibile che i tumori che non rispondono bene alla radioterapia sono quelli che non si reossigenano velocemente ed
efficientemente.
top related