Klinisk strålebiologi I

Klinisk strålebiologi I

Dag Rune Olsen,

Det Norske Radium-hospital,

Universitetet i Oslo

Strålebiologiens ‘4 R-er’

• Radiosensitivity (beskrives av celleoverlevelseskurven)

• Reparasjon (DNA-skade av repareres gjennom en rekke systemer)

• Repopulasjon (tumorvekst som skylles celledeling)

• Reoxygenering (bedret oksygenering av tumorceller og dermed økt strålefølsomhet)

• Redistribusjon i cellesyklus (ulik strålefølsomhet gjennom cellesyklus gir ulikt celledrap)

• ….

Molekylær strålebiologi

Strålingseffekt er i første rekke knyttet til skader på DNA-molekylet

Watson & Crick’s modell

av DNA

Molekylær strålebiologi

Molekylære strålebiologi

Molekylære strålebiologi

• En rekke typer DNA-skade kan oppstå etter bestråling

• Enkelte av disse kan repareres; andre vil umiddelbart lede til at cellen ikke kan dele seg.

Stråling og kromosomskade

Stråling og kromosomskade

Stråling og kromosomskade

Stråling og kromosomskade

Molekylære strålebiologi

Direkte effekt:vekselvirkning mellom stråling og materie direkte i DNA med der-påfølgende ionisasjon og trådbrudd.Indirekte effekt:Vekselvirkning med andre molekyler enn DNA med derpå-følgende radikaldannelse og trådbrudd

Molekylære strålebiologi

Tettheten av ionisasjoner er begrenset for elektroner og fotoner.

Sannsynligheten for at en direkte ionisasjon i DNA skal forekomme er derfor relativt liten.

Molekylære strålebiologi

Enkelttrådbrudd:

brudd på en av de to DNA-trådene, forårsaket av strålingsvekselvirkning eller interaksjon med radikal

Dobbelttrådbrudd:

samtidig brudd på begge de to DNA-trådene, og på samme nivå i molekylet.

Molekylære strålebiologi

• Cdk (protein-kinaser, cyclin-avhengige) essensielle i cellesyklus-kontroll

• Cdk må bindes til protein og aktiveres av kinaser

• Cdk kan inhiberes og derved indusere cellesyklusarrest ved binding til proteiner som p53.

Molekylære strålebiologi

Evne til apoptose synes å være en viktig parameter som påvirker total celleoverlevelse i cellekulturer,

Molekylære strålebiologi

P53 er vist å influere på strålerespons i eksperimentelle tumorsystemer (xenograft-modeller)

Molekylære strålebiologi

• Ingen klar sammen-heng mellom p53 status og SF2Gy

• Prediksjon basert på SF2Gy eller p53 status vanskelig selv om korrelasjon med respons er vist.

Molekylære strålebiologi

I enhver celle foreligger det en rekke mekanismer som reparerer DNA-skade etter stråling.

Restriksjons-enzymer

Ligander

Komplementær informasjon i motstående tråd

Reparasjons-mekanismene er trolig etablert gjennom evolusjonen

Den enkleste mekanismen kalles ‘excision repair’.

Molekylære strålebiologi

Reparasjon er begrenset av raten (d.v.s. antall skader pr. tid som repareres) og kapasitet

tid

Res

idua

l DN

A-s

kade

50%

T1/2 T1/2

100%

Stråling og celleoverlevelse

• Det relative antall overlevende celler er avhengig av stråledosen, d.

• For å oppnå tumorkontroll må det være mindre enn en gjenlevende klonogen celle

• Effekt på normalvev vil også være avhengig av antall overlevende normalceller

Cell survival (SF) beskrives av ligningen:

SF=e-(•D+•D2)

Dose (Gy)0 5 10 15 20 25 30 35

Su

rviv

ing

fra

ctio

n -

SF

100

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

10-12

10-14

10-16

10-18

10-20

10-22

10-24

’-kill’

’-kill’

Stråling og celleoverlevelse

• ’Radiation hyper-sensitivity’ (RHS) er observert av bl. annet Joiner et al.

• økt celledrap ved doser i størrelse 0.25-0.75 Gy sammenlignet med konvensjonell celle overlevelse.

Sur

vivi

ng f

ract

ion

- S

F Dose (Gy)

M. Joiner at al. 2001

Stråling og celleoverlevelse

• Cellene vil ha ulik følsomhet ovenfor stråling avhengig av hvilken del av celle-syklus de befinner seg i:– S - syntesefase

– G1 og G2 - vekstfaser

– M - celledelingsfasen

Stråling og celledød

• Celler er mest strålefølsomme i og nær mitose (celledeling)

• Overlevne celler etter en fraksjon blir dermed de som befinner seg i mer resistente faser i det stråling gis.

Stråling og celleoverlevelse

‘Cell survival’ (SF) beskrevet med LQ

formelen:

SF=e-(•D+•D2)

’Regneverksted’• anta at tumorvev har en tetthet

av tumorceller lik 107 pr. mm3.• anta =0.1 og =0.01.

Hvor mange gjenlevende celler finner vi i en tumor med utgangsvolum 1 cm3 etter en dose på 2 Gy og 15 Gy ?

Stråling og celleoverlevelse

Tumorkontroll-sansynligheten (TCP) beskrives av Poisson-

statistikk:

SF=e-No• SF

hvor er antall tumorceller

’Regneverksted’• anta at tumorvev har en

tetthet av tumorceller lik 107 pr. mm3.

• anta =0.1 og =0.01.

Beregn TCP etter en enkelt stråledose på 10 Gy.

Tumorfysiologi og hyposki

Tumorfysiologi og hyposki

Tumorfysiologi og hyposki

Tumorfysiologi og hyposki

Oksygeneffekten kan tilskrives:

– Kronisk hypoksi:

diffusjonsbetinget oksygenreduskjon

– Akutt hypoksi:

avklemning av kapilærer

Tumorfysiologi og hyposki

Tumorfysiologi og hyposki

Diffusjonsbetinget hypoksi medfører også avtagende konsentrasjon av kjermoterapi-agens

Tumorfysiologi og hyposki

Celler som er utsatt for lav konsentrasjon av oksygen, d.v.s. hypoksiske celler (pO2 <5 mmHg), er mindre følsom for stråling sammenlignet med celler som er eksponert for to normal pO2. Effekten av hypoksi kan beregnes ved å innføre en korreksjon av LQ-modellen:

SF=e-(•D/OER+•D2/OER2)

Tumorfysiologi og hyposki• Oksygen-effekten synes

å være forårsaket av fiksering av strålingsindusert DNA skade før raparasjon resituerer DNA.

• Tilstedeværelse av O2 øker mengden DNA-skade og dermed celledød.

Tumorfysiologi og hyposki

Tilstedeværelse av hypoksi er vist å påvirke behandlingsresultatet ved stålebehandling av ulike cancer diagnoser

Tumorfysiologi og hyposki

Hypoksisk fraksjon, d.v.s. andelen av tumorceller som er hypoksiske og dermed stråleresistente varierer betydelig fra tumortype til tumortype.

• Hypoksisk fraksjon øker til ~100% rett etter bestråling.

• Noen tumortyper re- oksygenerer betydelig innen 24 timer, mens andre viser en mer moderat reoksygenering.

Time (days)0 2 4 6 8H

ypox

ic fr

actio

n (%

)457

10

20

30

5070

100

BEX-t

HUX-t

Tumorfysiologi og hyposki

Reoksygenering være av minst like stor betydning for være av minst like stor betydning for tumorrespons som initiell hypoksisk fraksjontumorrespons som initiell hypoksisk fraksjon

Tumorfysiologi og hyposki

Reduksjon av hypoksisk fraksjon etter bestråling kalles repoksygenering; dette skyldes at gjenlevende celler er de som ved forrige fraksjon forbrukte O2.

Tumorfysiologi og hyposki

Strategi for reduksjon av hypoksi:

– Fraksjonering

– Senzitiser (etterligner funksjonen til oksygen)

– Puste inn mettet O2 eller O2 under trykk

– Mild hypertermi

Tumorfysiologi og hyposki

Mild hypertermi dilaterer årene og øker blod flow.

Dersom mild hypertermi gis før stråleterapi øker strålefølsomheten p.g.a. redusert hypoksis fraksjon.

Tissue section prior to mild hyper-theramia

Section after mild hyper-thermia treament

vessels

dilated

vessels