Działanie promieniowania na poziomie

molekularnym, subkomórkowym i komórkowym.

Wpływ wielkości dawki i czynników

dodatkowych (moc dawki; obecność wody,

temperatura, utlenowanie).

Względna skuteczność biologiczna, mechanizmy

śmierci komórkowej. Zróżnicowanie odnowy

tkanek i ich promieniowrażliwości.

W następstwie promieniowania na systemy biologiczne wywoływane

są procesy trwające od ułamków sekund do wielu miesięcy i lat.

Można wyróżnić trzy najistotniejsze fazy:

Fizyczną

, trwającą 10

-12

- 10

-18

s, powstawanie wolnych rodników,

wzbudzenie, jonizacja (w ilości ponad 10

5

po dawce 1 Gy w każdej

komórce o średnicy 10 μm, ale tylko jedna z nich ma charakter

letalny),

Chemiczną

, 10

-12

- 1 s, reakcje chemiczne, enzymatyczne,

Biologiczną

, 1 - 10

6

dni, reakcje wczesne, poźne, karcynogeneza,

procesy naprawcze, proliferacja komórek

Efekty działania promieniowania

 Poziom molekularny:

• uszkodzenia na skutek pośredniego lub

bezpośredniego działania promieniowania

 Poziom komórki:

• śmierć mitotyczna (reprodukcyjna)

• śmierć interfazalna (apoptotyczna lub nekrotyczna)‏

 Poziom organizmu:

• efekty stochastyczne i deterministyczne

• wczesne i późne skutki po napromienieniu

Efekty działania promieniowania

na poziomie molekularnym

Najbardziej wrażliwą na promieniowanie częścią

komórki jest jej materiał genetyczny –

DNA.

Jest to związane z faktem, że cząsteczki DNA

występują w komórce na ogół w jednej kopii,

natomiast inne makrocząsteczki (białka, kwasy

rybonukleinowe) – w wielu kopiach, a informacja

zawarta w DNA pozwala na ich odtworzenie.

Efekty działania promieniowania

na poziomie molekularnym

– Uszkodzenie materiału genetycznego DNA

– skutek

bezpośredniego

działania promieniowania przez

zderzenie cząstki promieniowania z nicią DNA (faza

fizyczna)

– skutek

pośredniego

działania promieniowania poprzez

oddziaływanie produktów radiolizy wody (wolnych

rodników) znajdującej się w jądrze komórkowym z DNA

Efekty działania promieniowania

na poziomie molekularnym

– Uszkodzenie materiału genetycznego DNA



Proporcje między bezpośrednim i pośrednim efektem

działania promieniowania na DNA zależą od rodzaju

promieniowania.



W przypadku promieniowania o małej gęstości jonizacji,

np.

X

, uszkodzenia DNA w 70-90% powstają na skutek

działania

pośredniego

.



Ze względu na dużą gęstość jonizacji,

neutrony, protony i

cząstki alfa

uszkadzają DNA w ponad 90% w sposób

bezpośredni

.

Uszkodzenia DNA

Ze względu na to, że woda stanowi zasadniczą część

masy komórki, produkty jej radiolizy odgrywają

wiodącą rolę w mechanizmie pośrednim działania

promieniowania.

Ilość wody w organizmie człowieka jest różna i zależy od wieku,

płci, a także od budowy ciała. Z wiekiem zawartość wody w

organizmie zmniejsza się.

Embrion

ludzki zawiera do

98%

wody,

organizm noworodka ok. 75-80% wody, organizm dorosłego

mężczyzny zawiera ok. 60%, kobiety ok. 54%, natomiast u

starszych

M ok.

54

%

, K ok

.

46%

Uszkodzenia‏pośrednie

– Cząstki promieniowania jonizują wodę:

H

2

O → H

2

O

+

+ e

–

– Zjonizowana cząsteczka wody (nietrwały jon rodnikowy)

może :

1. Reagować z cząsteczką niezjonizowaną, tworząc

uwodniony wodór (proton) oraz

rodnik wodorotlenkowy:

H

2

O

+

+ H

2

O→ H

+

aq

+

OH

.

2. Połączyć się z uwolnionym elektronem, tworząc

wzbudzoną cząsteczkę wody:

H

2

O

+

+ e

–

→ H

2

O*

Na skutek

jej rozpadu

powstają produkty silnie reagujące ze

związkami chemicznymi wchodzącymi w skład komórek

organizmu:

H

2

O* → H

.

+

OH

.

Efekt tlenowy

Decydujący wpływ na rozmiary efektu pośredniego ma

cząstkowe ciśnienie tlenu w komórce. Tlen reaguje z powstałym

na skutek radiolizy wody rodnikiem wodoru, co prowadzi do

powstania

niestabilnego rodnika wodoronadtlenkowego

H

.

+ O

2

→

HO

2

.

Ten rodnik reaguje z drugim takim samym rodnikiem lub z

rodnikiem wodoru tworząc

nadtlenek wodoru

,

cząsteczkę silnie

utleniającą, która powoduje liczne uszkodzenia DNA

2HO

2

.

→

H

2

O

2

+ O

2

HO

2

.

+ H

.

→

H

2

O

2

Wolne rodniki i tlen

Rodniki

są fragmentami cząsteczek chemicznych

zawierającymi w powłoce niesparowany elektron. Mają

krótki okres trwania (ok. 10

-5

s) i cechują się wysoką

reaktywnością (tworzą wolne rodniki organiczne),

reagując z DNA i białkami niszczą je.

Cząsteczkowy

tlen

wykazuje do rodników duże

powinowactwo. Wysokie stężenie O

2

w komórce nasila

i utrwala niekorzystne efekty promieniowania.

Wolne rodniki i tlen

Hipoksja

zmniejsza biologiczne skutki promieniowania.

Podobnie jak cząsteczki zawierające

grupy wodorosiarczkowe

(cysteina, cysteamina i glutation)

,

enzymy

(katalaza,

peroksydaza, dysmutaza ponadtlenkowa),

vit. C, E

,

polifenole

w

zielonej herbacie,

beta-karoten

,

retinol

,

selen

i inne.

Cząsteczki te unieczynniają wolne rodniki – dostarczenie ich

zwierzętom lub kulturom tkankowym bezpośrednio przed

napromienianiem zmniejsza nawet dwukrotnie liczbę trwałych

uszkodzeń popromiennych. Po napromienianiu uczynniane są

enzymy katalizujące

zobojetniające rodniki (największe

znaczenie odgrywa S-transferaza glutationowa).

Uszkodzenia DNA powstałe na skutek

pośredniego lub bezpośredniego

działania promieniowania nie różnią

się od siebie.

Uszkodzenia DNA

– Uszkodzenie podwójnej nici DNA,

– Uszkodzenie pojedynczej nici DNA,

– Uszkodzenie lub utrata zasad azotowych

(purynowej lub pirymidynowej),

– Uszkodzenia reszt cukrowych i fosforanowych,

– Powstawaniu krzyżowych połączeń białek

jądrowych i DNA (w obrębie jednej lub dwóch nici)‏

Uszkodzenia DNA

–

Pęknięcia jednoniciowe

zachodzą bardzo często w DNA

bez

udziału promieniowania i są

łatwo

oraz

skutecznie

naprawiane

przez swoiste grupy enzymów (homogenne odtwarzanie wiązań i

struktury).

– Istnieją

określone miejsca

w nici DNA, których

kilkuogniskowe

uszkodzenie jest nieodwołalnie

letalne

.

– Pęknięcia dwuniciowe

- bardziej skomplikowane strukturalnie

są najtrudniejsze do naprawienia (odtwarzanie niehomogenne) i

najczęściej doprowadzają do

śmierci komórki

. Nie w pełni

naprawione pęknięcia mogą prowadzić do

aberracji

chromosomowych i do

mutacji

genowych

.

Mutacje DNA

Mutacja

naprawiona

- komórka zdolna do życia

Mutacja utrwalona - transformacja w

komórkę

nowotworową

Mutacja

letalna

- śmierć komórki

Naprawa DNA

Podczas terapeutycznego napromieniania dawką 1 Gy

powstaje ok.

10

5

jonizacji

na 1 komórkę ale

tylko jedna

ma nieodwracalny

,

letalny

charakter.

W zdecydowanej większości przypadków

wewnątrzkomórkowe mechanizmy naprawcze są w

stanie zneutralizować wywołane uszkodzenia. W części

przypadków może dochodzić do uszkodzeń utajonych,

które stają się nieodwracalne przy zadziałaniu

dodatkowych czynników fizycznych lub chemicznych

(np. tlenu, ciepła).

Naprawa DNA

Naprawa DNA nie jest procesem przebiegającym bezbłędnie.

Uszkodzenia mogą zostać nie naprawione lub naprawione

błędnie, prowadząc do śmierci komórki lub jej transformacji w

komórkę nowotworową.

Prawdopodobieństwo

utrwalenia uszkodzenia

lub

błędnej

naprawy

jest wprost proporcjonalne do

dawki promieniowania

(wzrasta z poziomem uszkodzenia). O ile można ustalić pewną

progową liczbę uszkodzeń, po której przekroczeniu komórka
ginie, to nie istnieje próg dawki promieniowania, poniżej którego
uszkodzenia zostaną w stu procentach bezbłędnie naprawione.

Mechanizmy naprawy DNA

– Wycinanie uszkodzonych zasad:

glikozylazy i endonukleazy

,

–Bezpośrednia naprawa uszkodzenia:

alkilotransferaza, dioksygenaza

,

–Usuwanie wiązań krzyżowych:

TOP1-DNA

,

–Naprawa niesparowanych zasad,

–Naprawa przez wycinanie nukleotydu:

helikaza, ATP-zależna ligaza DNA

,

–Rekombinacja homologiczna:

egzonukleaza, nukleazy

,

–Niehomologiczne scalanie końców DNA:

ligaza, nukleaza

,

–Modulacja puli nukleotydowej:

dUTPaza

,

–Katalityczne podjednostki polimeraz:

podj. polimerazy DNA (zeta)

,

–Nukleazy wycinające:

5'naukleaza, 3'-egzonukleaza

,

–Szlak Rad6:

enzym koniugujący ubikwitynę

,

–Regulacja struktury chromatyny:

białko histonowe

,

–inne

Następstwa‏

braku

naprawy

lub

niewiernej naprawy

DNA

Przy braku lub niepełnej naprawie DNA powstają aberracje:

– delecje ( dominują w mutacjach spontanicznych),

– aberracja chromosomalna (uszkodzenie obu chromatyd w tych

samych miejscach) powstają w fazie G1

– Aberracja chromatydowa lub subchromatydowa (uszkodzenie

chromatydy lub jej podjednostki) chromatydowe - powstają w

fazach S i G2, subchromatydowe powstaja we wczesnej profazie.

Śmierć‏interfazalna

Śmierć interfazalna następuje w dowolnej części cyklu.

Zachodzi w ciągu od kilku do kilkudziesięciu godzin po

napromienieniu. Może nastąpić w dwojaki sposób: jako

śmierć

apoptotyczna lub nekrotyczna.

Apoptoza

Komórka skierowana na drogę apoptozy początkowo

kurczy się, następnie na jej powierzchni pojawiają sie

pęcherzyki, chromatyna zaś ulega kondensacji i

fragmentacji. Wkrótce potem cała komórka rozpada się,

a jej fragmenty są szybko trawione przez sąsiadujące

komórki.

Śmierć‏nekrotyczna

Nastepuje wówczas, gdy komórki zostają bardzo

poważnie uszkodzone wysokimi dawkami

promieniowania i tracą zdolność zachowania

równowagi wodno-elektrolitowej. Woda i jony, których

nadmiar normalnie usuwany jest na zewnątrz, wnikają

do wnętrza komórki, powodując jej spęcznienie i

nieodwracalne uszkodzenie.

Na ogół

niskie dawki

promieniowania powodują śmierć

mitotyczną lub apoptotyczną. Nie wszystkie komórki

mają zdolność apoptozy, a szczególnie podatne na nią

są komórki grasicy – tymocyty.

Wyższe dawki

promieniowania powodują śmierć

nekrotyczną wszystkich typów komórek.

Transformacja nowotworowa

Nie wszystkie aberracje prowadzą do śmierci komórki. Różnego

rodzaje przemieszczenia, zwane

translokacjami

nie zmieniają

morfologii chromosomów i mogą być przekazywane komórkom

potomnym. Zawsze towarzyszą im mutacje na poziomie DNA, a

gdy nastepują one w genach odpowiedzialnych za kontrolę cyklu

komórkowego lub naprawy DNA są najbardziej niebezpieczne.

Mogą zmienić komórkę prawidłową w nowotworową

(transformacja nowotworowa).

Zwykle następuje to po wielu

mutacjach ale nie można wykluczyć, że jedna mutacja wyzwoli

kaskadę dalszych zmian genetycznych prowadzących do

transformacji.

Efekty działania promieniowania

na poziomie molekularnym

Uszkodzenie innych makrocząsteczek

(białek, kwasów rybonukleinowych)

zniszczenie struktury przestrzennej, wytworzenie wiązań

krzyżowych i zerwanie wiązań kowalencyjnych w

łańcuchach peptydowych zachodzi po napromienieniu

dawkami wielokrotnie wyższymi

od tych, które uszkadzają

DNA (w stopniu wykrywalnym metodami

fizykochemicznymi)‏. Może wpływać na funkcje enzymów,

błon komórkowych, mitochondriów (zaburzając reakcje

biologicznego utleniania i syntezy ATP, przepuszczalność

błon komórkowych).

Promieniowrażliwość

Śmierć mitotyczna leży u podstaw popromiennego deficytu

komórek w tych tkankach i narządach, których funkcjonowanie

wymaga częstej odnowy komórkowej. Dlatego najbardziej

promieniowrażliwe

są te tkanki i narządy, które ulegają

częstej

odnowie

:

szpik kostny, grasica, śledziona, ściany przewodu

pokarmowego, moczowego i oddechowego, skóra oraz gonady

męskie.

Jajniki oraz mózg

i inne części CUN są stosunkowo

promieniooporne – ich uszkodzenie jest jednak nieodwracalne ze

względu na brak komórek macierzystych, które mogłyby zastąpić

utracone komórki funkcjonalne (oocyty i kom. nerwowe).

Promieniowrażliwość

Komórki, które osiągnęły już swój stopień specjalizacji

lub te, które dzielą się rzadko lub wcale są względnie

oporne na dawki promieniowania powodujące śmierć

mitotyczną komórek macierzystych lub często

dzielących się. Z podobnych powodów

rosnące narządy

dzieci i młodzieży

wykazują

znacznie większą

promieniowrażliwość

niż narządy osób dorosłych.