czy pokrywanie się śladów jonowych może wytłumaczyć ... · radioterapia ochrona radiologiczna...
Post on 01-Mar-2019
219 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Czy pokrywanie się śladów jonowych może
wytłumaczyć kwadratową zależność krzywych dawka-efekt
obserwowanych dla aberracji chromosomowych ?
125.01.2018, Warszawa Agata Kowalska
1. MOTYWACJA
2. METODYKA
3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE
4. MODELOWANIE TEORETYCZNE
5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY
2
CEL PROWADZENIA BADAŃ RADIOBIOLOGICZNYCH
Pik Bragga
RADIOTERAPIA OCHRONA RADIOLOGICZNA
poszukiwanie tzw.
Terapia węglowa (2 pola) Terapia fotonowa (9 pól)
Jäkel et al, Med Phys 35, 2008
poszukiwanie tzw. „radiation fingerprint”
ochrona przed pierwotnym i wtórnympromieniowaniem kosmicznym
3
LET
ŚLADY JONOWE
Fazy fizyczne Rozkład elektronów – rozkład dawki Faza biologiczna –aberracje chromosomowe
Średnia strata energetyczna na jednostkę drogi [keV/μm] vs Liniowy przekaz energii (LET) [keV/μm]
- LET odnosi się do tarcz mikrobiologicznych - LET nie uwzględnia wkładu od
elektronów δ o energiach > 100 eV4
SCHEMAT ODPOWIEDZI KOMÓREK NA PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE
ZDROWE KOMÓRKI
USZKODZENIE DNA
NAPRAWA
Start:t≈10-5 s
FAZA BIOLOGICZNA
SUKCES !PRAWIDŁOWA NAPRAWA
BRAK ABERRACJI=
PRZEŻYCIE
PORAŻKA !ABERRACJE
APOPTOZA TRANSFORMACJANOWOTWOROWA
PRZEDWCZESNE RÓŻNICOWANIE
Ritter S., Durante M. Heavy-ion induced chromosomal aberrations: A review, Mut. Res., 701 (1) :38-46 (2010)
5
Mikroskopowy rozkład dawki a statystyczny rozkład aberracji
Rozkład Poissona:
k – liczba aberracji na komórkęλp - średnia liczba aberracji na
komórkę w populacji
Rozkład Neymana
n – liczba uderzeń w komórkęλN - średnia liczba uderzeń
w komórkęμ – średnia liczba aberracji na komórkę
na każde uderzenie
KRZYWE DAWKA-EFEKT
Local Effect Model
gęstośćaberracji
gęstośćdawki
∝
fotony ciężkiejony
RADIOTERAPIA
Ne: 50 MeV/u; LET:136 keV/µm
γ : 1.3 MeV; LET:0.2 keV/µm
NAPRAWAUSZKODZEŃ
POKRYWANIE ŚLADÓW
JONOWYCH
7
1. MOTYWACJA
2. METODYKA
3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE
4. MODELOWANIE TEORETYCZNE
5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY
8
σ ≈ 25μm2
LIMFOCYTY KRWI OBWODOWEJ:
� Łatwo dostępna tkanka
� Mało inwazyjny sposób pobrania
� Zsynchronizowana populacja
� Wrażliwość na promieniowanie jonizujące
limfocytów zbliżona jest do wrażliwości
komórek szpiku kostnego
METODYKA
CHROMOSOMY WIDOCZNE SĄ JEDYNIE W METAFAZIE PODZIAŁU KOMÓRKOWEGO!
9
PROCEDURA PRZYGOTOWANIA MATERIAŁU BADAWCZEGO
IrradiationCell culture
(48 h; 370C; 5% CO2)
Fixation
• drop fixator
(metanol+acetic acid)
• centrifuge 1200 rpm, 10 min
• remove supernatant
ABERRACJE CHROMOSOMOWE
J.R.K. Savage J Med. Genetics 12,103-122 (1975)
• centrifuge 1000 rpm, 10 min;
• remove supernatant
• drop KCl
• keep 20 min in 370 C
• centrifuge 1000 rpm, 10 min;
• remove supernatant
• remove supernatant
• repeat this process
• drop on slides
prepared material
• stain with Giemsa
IAEA Cytogenetic dosimetry: application in preparedness for and response to radiation emergencies. IAEA, Vienna (2011)10
PhasotronJINR, Dubna
� Promieniowanie referencyjne:
Kwanty γ z rozpadu 60Co
� Dawki:
0.5 ; 0.75 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 3.0 Gy
PARAMETRY WIĄZEK UŻYTYCH DO NAPROMIENIOWANIA
AkceleratorITEP-TWAC Moskwa
Cyklotron MC-400JINR, Dubna Aparat radioterapeutyczny
Rokus-M, JINR, Dubna
11
150 MeV
~20 MeVNAPROMIENIANIE PROTONAMI
1.Komory jonizacyjne 2. Kolimator I 3. Filtr grzebieniowy 4. Kolimator II
5. blok z plexiglasu (o szerokości odpowiadającej 40mm wody) 6. Kolimator III
7. blok z plexiglasu (o dowolnie dobranej szerokości) 8. próbka krwi
J. Kubancak, A.G. Molokanov, Measurements of LET spectra of JINR
phasotron radiotherapy proton beam, BATH, 6,8-14, 2013
SOBP
150 MeV
12
NAPROMIENIANIE JONAMI BORU
sample container (~0.2 ml)
1.5 mm
13 mmIZOLACJA LIMFOCYTÓW
A.A. Bezbakh et al.,Upgrading the Genome Facility for Radiobiological Experiments with Heavy-Ion Beams, Physics of
Particles and Nuclei Letters, 10, 175-178, 2013
13
1. MOTYWACJA
2. METODYKA
3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE
4. MODELOWANIE TEORETYCZNE
5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY
14
ROZKAŁADY STATAYSTYCZNE ABERRACJI CHROMOSOMOWYCHDLA WYBRANYCH DAWEK - PRZYKŁADY
150 MeV protons; Poisson fit1,0
60Co γ irradiation; Poisson fitPOISSON
n – liczba uderzeń w komórkę;
λN - średnia liczba uderzeń w komórkę;
μ – średnia liczba aberracji na komórkę
na każde uderzenie
����� = ��� ����� ��� = � ����−�!
∞
�=0∙ ��
� �−���!
∞
�=0= ! �
��! ��
−∞
�=0����
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 11B ions; Neyman fit
0.2 Gy
λP=0.36; λ
Ν=0.43; µ=0.84; X2
= 0.34
0.5 Gy
λP=1.17; λ
N=1.07; µ=1.06; X2
=3.48
1.5 Gy
λP=3.4; λ
N=3.2; µ=1.05; X 2
=0.85
Fre
que
ncy
Number of total aberrations/cell
NEYMAN A
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Number of total aberrations/ cell
SOBP protons ; Poisson fit
0.5 Gy
λP=0.14 ; X
2= 0.54
3 Gy
λP=1.82 ; X
2= 1.84
5 Gy
λP=4.1 ; X
2= 1.34
150 MeV protons; Poisson fit
0.5 Gy
λP=0.09 X
2= 0.62
3 Gy
λP=1.32 X
2= 1.59
5 Gy
λP=3.6 X
2= 0.64
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,060Co γ irradiation; Poisson fit
0.5 Gy
λP=0.14; X 2
=0.48
2 Gy
λP=0.78; X 2
=1.11
3 Gy
λP=1.68; X 2
=0.90
Fre
qu
en
cy
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 12C ions; Poisson fit
0.8 Gy
λP= 0.43 X 2
= 0.31
2.92 Gy
λP= 2.48 X 2
= 0.62
4.44 Gy
λP= 4.51 X 2
= 2.29
Fre
qu
en
cy
Number of total aberrations/cell
POISSON
15
ROZKŁADY STATYSTYCZNE ABERRACJI CHROMOSOMOWYCH –POISSON VS. NEYMAN A + ZALEŻNOŚĆ PARAMETRU μ OD DAWKI
0 2 4 6 8 10 12 141E-3
0,01
0,1
1
Fre
quen
cy
12C ions
3.22 Gy
Poisson fit
λP=3.4 X
2=0.24
Neyman fit
λN=30.7 µ=0.11 X
2=0.44
Number of total aberrations/cell
0 2 4 6 8 10 12 141E-3
0,01
0,1
111
B ions
1.5 Gy
Poisson fit
λP=3.39; X
2= 4.2
Neyman fit
λN=3.22; µ=1.05; X
2=0.86
Fre
quency
Number of total aberrations/cell
λN - średnia liczba uderzeń w komórkę
λp - średnia liczba aberracji na komórkę
μ – średnia liczba aberracji na komórkę na każde uderzenie
0 1 2 3 4 5 6
1E-3
0,01
0,1
1 µ 150 MeV p( linear fit )
µ SOBP p ( linear fit )
µ 12C ions ( linear fit )
µ 11
B ions ( linear fit)
Mean n
um
ber
of aberr
ations
in
duced b
y s
ingle
hit −
µ
Dose (Gy)
Zależność parametru μ od dawki:
na każde uderzenie
� największy wzrost dla protonów (SOBP i150 MeV)
� dla 11B parametr μ nie zależy od dawki
POKRYWANIE SIĘ ŚLADÓW JONOWYCH ?
16submitted to Rad. Env. Biophys.
0 1 2 3 4 5 6
0
1
2
3
4
5 60
Co γ rays
high energy protons
SOBP protons
12
C ions
11
B ions
exchange type a
berr
ations/c
ell
Dose (Gy)
KRZYWE DAWKA-EFEKT
ZŁAMANIAWYMIANA ELEMENTÓW CHROMATYD
0 1 2 3 4 5 6
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 60
Co γ rays
high energy protons
SOBP protons
12C ions
11B ions
chro
mosom
e a
nd
chro
matid b
rea
ks/c
ell
Dose (Gy)0 1 2 3 4 5
0
1
2
3
4
5
SOBP protons
60
Co γ rays
high energy protons
11
B ions
12
C ions
Yexchanges/Y
non-e
xcha
nge a
berr
ation types
Dose (Gy)
17EPJ D (2015)
1
2
3
4
5
6
7 60
Co γ rays
high energy protons
SOBP protons
12
C ions
11
B ions
ab
err
atio
n n
um
be
r/ce
ll
KRZYWE DAWKA-EFEKT
LET α
0 1 2 3 4 5 6
0
1ab
err
atio
n n
um
be
r/ce
ll
Dose (Gy)
LET α
β=const
fit
parameters
60Co γ
rays
high energy
protons
SOBP
protons 12
C ions 11
B ions
Total
aberration
yield
α 0.10±0.05 0.07±0.03 0.18±0.04 0.46±0.06 2.2±0.1
β 0.15±0.02 0.13±0.01 0.13±0.01 0.12±0.01 -
Int. 0.02±0.01 0.02±0.01 0.02±0.01 0.01±0.01 0.006±0.009
LET
(keV/μm) - 0.2 0.57 1.31 16 76
18
WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ BIOLOGICZNA – (RELATIVE BIOLOGICAL EFFECTIVENESS – RBE)
10 SOBP protons
150 MeV protons
199 MeV/n C ions
22 MeV/n B ions
RB
Ee
ff
10 SOBP protons
150 MeV protons
199 MeV/n C ions
22 MeV/n B ions
RB
Ed
1 2 3 4 5 6
1
aberration number per cell
1 2 3 4 5 6
1
RB
EDose (Gy)
19
1. MOTYWACJA
2. METODYKA
3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE
4. MODELOWANIE TEORETYCZNE
5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY
20
EFEKTYWNY PROMIEŃ ŚLADU JONOWEGO
średnia odległość między uderzeniami więcej uderzeń L
gęstość prawdopodobieństwa
odległości między śladami jonowymi
średnia powierzchnia pokrywających się śladów
kwadraty
okręgi
wsp. geometryczny
F≈0.58
związek między promieniemśladu a zakrzywieniem
odpowiedzi dawka-efekt:21
EFEKTYWNY PROMIEŃ FIZYCZNY R’ WYNIKAJĄCY Z ROZKŁADU DAWKI ELEKTRONÓW WOKÓŁ ŚLADU JONOWEGO
gęstość radialna dawki (radialny profil dawki)
0,01 0,1 1 10 100
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
1 d
r(r)
R’
rc rp
dawka jednego śladu jonowego:
z drugiej strony:
efektywny promień fizyczny:
r (µm)
promień rdzenia rc :
promień otoczki rp:
22
EKSPERYMENT VS. TEORIA
A. Chatterjee, H.J. Schaefer, 1976
100
101
102
103
rc
R'
R, 12
C ions
R, 150 MeV p
R, SOBP p
Radiu
s (
nm
)
rc
(nm)
rp
(µm)
R
(nm)
R’
(nm)
(β/α)exp
(Gy -1
)
60Co γ rays - - 180±45 - 1.56±0.77
150 MeV protons 5.8 93 318±69 23.02 1.86±0.81
SOBP protons 2.32 8.14 287±32 9.65 0.72±0.17
12C ions 6.56 126.9 620±81 29.86 0.26±0.04
11B ions 2.55 9.65 - 10.95 -
BIOLOGIA CZY FIZYKA?
101
102
103
Energy (MeV/nucleon)
23EPJ D (2017)
BIOLOGIA CZY FIZYKA I
BIOLOGIA FIZYKA- POCZĄTKOWE USZKODZENIA DNA
BRAK POKRYWANIA SIĘ ŚLADÓW JONOWYCH t = 0 h
Repair C
oeffic
ient
RC
RC0
Repair C
oeffic
ient
Dose (Gy)D0
Dose (Gy)
(β/α)exp
(Gy -1
)
(β/α)phys
(Gy -1
)
(β/α)biol
(Gy -1
)
150 MeV protons 1.86±0.81 0.01 1.85
SOBP protons 0.72±0.17 0.009 0.71
12C ions 0.26±0.04 0.0005 0.259
24
1,5
2,0
2,5
3,0
) exp
(β/α)exp= 0.87 LET -0.44
(β/α)exp= 1.1 LET -2
FIZYKA CZY BIOLOGIA II
PRZEWIDYWANIA MODELU POKRYWAJĄCYCH SIĘ TRAKÓW:
FIZYKA:
BIOLOGIA:
0,1 1 10 100
0,0
0,5
1,0
(β/α
)
LET (keV/µm)PUNKTY POMIAROWE NALEŻA KOLEJNO DO: kwantów gamma z rozpadu 60Co, szybkich protonów,protonów z rozszerzonego piku Bragga, jonów węgla oraz jonów boru (przy założeniu, że β=1.13±0.01
ZAKŁADAJĄC DLA D→0:
WÓWCZAS:
25
EFEKTYWNOŚĆ MECHANIZMÓW REPERACJI
∑=
−−−−
=n
i i
iii xbxbay
n 12
22
212 )(
3
1
σχ
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
20
40
60
80
100
120
Co 60 gamma irradiation
aberr
ation
nu
mber/
50 c
ells
dose (Gy)
12 =χ
rozrzut punktów pomiarowychdokoła krzywej teoretycznej:
funkcja chi kwadrat
Gdy (błędy są dobrze określone) σσ = 1=χ
Y
YRFk
p
'12
2 ===χ
= 1
1≥k222
iP ki
σσ =
∑=
−−−−
=n
i i
iiiP
k
xbxbay
n 122
22
212 )(
3
1
σχ
∑=
−−−−
=n
i i
iiiP
xbxbay
nk 12
22
21
2
2 )(
3
11
σχ
Gdy (błędy są dobrze określone)
Ale , wprowadzamy iPi σσ >
czynnik Fano
iPi σσ =
26Acta Phys. Pol. A (2018)
20
40
60
80
100
Re
pair
Coe
ffic
ien
t (R
C)
WSPÓŁCZYNNIK REPERACJI I PROCENT ZRPEROWANYCH CHROMOSOMÓW
0,1 1 10 100
0
20
Re
pair
Coe
ffic
ien
t (R
C)
LET (keV/µm)�2 RF RC (%)
60Co γ rays 0.31±0.20 3.2±2.0 69±20
150 MeV protons 0.37±0.23 2.7±1.7 63±23
SOBP protons 0.67±0.40 1.5±0.9 33±40
12C ions 0.26±0.18 3.8±2.7 73±18
11B ions 0.43±0.21 2.3±1.1 57±21
27
UNIWERSALNOŚĆ METODY
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
12
C ions
60
Co γ rays
aberr
ation n
um
ber/
cell
KOMÓRKI CHO-K1(CHINESE HAMSTER OVARY CELLS)
� KRÓTKI CYKL KOMÓRKOWY 12-14 h
www.phe-culturecollections.org.uk
0 1 2 3 4 5 6 70,0
Dose (Gy)
J. Czub et al., Cell survival and chromosomal aberrations in CHO-K1 cells irradiated by carbon
ions, Applied Radiation and Isotopes, 67, 447-453, 2009
Cell
type
Radiation
species
LET
(keV/m) �2 RF RC (%)
CHOK1
60Co γ rays 0.2 0.006±0.0025 160±70 99.0±0.3
8.09 MeV 12
C 830 0.44±0.28 2.3±1.4 56±28
� ZDOLNOŚCI ADHEZYJNE
� TWORZENIE KOLONII
� 22 CHROMOSOMY
28
1. MOTYWACJA
2. METODYKA
3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE
4. MODELOWANIE TEORETYCZNE
5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY
29
PODSUMOWANIE
� Zaobserwowano:
o Stałą wartość parametru β modelu liniowo kwadratowego
o Zależność parametru μ z rozkładu Neymana A (opisującego prawdopodobieństwo
powstania aberracji na jedno uderzenie ) od dawki
o Dużą efektywność mechanizmów reperacji i ich dominujący wpływ na zakrzywienie
odpowiedzi dawka-efekt
o RBE<1 dla szybkich protonów
o Model pokrywających się śladów nie opisuje zależności β/α od LET
� Zaproponowano statystyczną metodę oszacowania mechanizmów reperacji �
faktor Fano dla aberracji chromosomowych
30
PERSPEKTYWY –PCC (Premature Chromosome Condensation)
31
ϒ-rays:~20 chromatidbreaks/cell/Gy
Caluculin A
PLANY NA PRZYSZŁOŚĆ
Badanie oddziaływania neutronów prędkich i termicznych z limfocytami krwi obwodowej• Eksperymenty w Dubnej – reakcje D-T, neutrony reaktorowe, Cf, Pu-Be, Am-Be• Eksperymenty w Szczecinie (eLBRUS) – reakcje D-D
Wykorzystanie metody PCC • Badanie mechanizmów reperacji komórkowej w zależności od czasu po napromienianiu• Wyznaczenie czynnika Fano w zależności od czasu po napromienianiu• Badanie rozkładów statystycznych uszkodzeń po napromienianiu neutronami –
32
• Badanie rozkładów statystycznych uszkodzeń po napromienianiu neutronami –wyjaśnienie obserwowanych odchyleń od statystyki Poissona
• Badanie efektów porywania się obszarów oddziaływania pojedynczych neutronów –rozdzielenie efektów fizycznych i biologicznych
GRUPA BADAWCZA
K. Czerski A. Kowalska E. Nasonova
33
K. CzerskiW. PereiraM. KaczmarskiN. Targosz-Ślęczka
A. Kowalska E. NasonovaP. KutsaloE. Krasavin
top related