Radiobiologi 1+2

Radiobiologi 

Jørgen øg Gomme 

Fra strålingsabsorption og energideponering til 

biologisk effekt ... og videre 

F22+F23

Hvad er radiobiologi? 

Hovedpunkter p 

Fra strålingsabsorption på atomart niveau til biologisk effekt 

på organ- eller organismeniveau 

Bindingsenergi, ioniseringsenergi, ekscitationsenergi: 

betydning for biologisk effekt 

Direkte og indirekte virkning af ioniserende stråling 

Biologiske effekter af ioniserende stråling: 

Organisationsniveau og tidsramme 

Cellens DNA som ”kritisk site” i forbindelse med stråleskader 

KKemiske i k skader k d på å DNA 

Vands radiokemi 

Overlevelseskurver og g deres tolkningg 

Faktorer af betydning for cellers strålefølsomhed 

Radiobiologi i kontekst 

2013 Isotopteknik F22+F23 (JG) 

2

Hvad er radiobiologi? g 

Radiobiologien g omfatter studiet af den ioniserende strålings g virk- 

ning på biologiske systemer – principper, mekanismer, effekter… 

Radiobiologien benytter sig af biologiske test-systemer (ofte celle- 

kulturer) og deres respons på bestråling 

De anvendte stråledoser varierer fra nogle få Gy og opad… 

… men megen ny viden om lav-dosis effekter dukker op i disse år 

Radiobiologi er et vigtigt, aktivt, eksperimentelt forskningsfelt 

Andre kilder til forståelsen af effekten af ioniserende stråling: 

– Atombombeofrene fra Japan 

(især epidemiologiske undersøgelser vedr. stokastiske skader) 

– Akutte (deterministiske) stråleskader som følge af uheld 

– Effekten af medicinsk stråleterapi p ( (akutte effekter og g epidemiologiske 

p g 

studier vedr. cancer-risiko 

2013 

Isotopteknik F22+F23 (JG) 

3

Baggrund gg 

Strålingsabsorption beskrevet på fysisk niveau 

– direkte og indirekte ioniserende stråling 

– ioniseringstæthed / LET 

Absorberet dosis D 

Biologisk effekt på organ- organ eller organismeniveau 

– deterministiske skader 

– stokastiske skader 

? 

Ved kvantitativ vurdering af stokastiske skader tages 

udgangspunkt i: 

– absorberet dosis (D) 

– strålingsvægtfaktor (w (wR, ”strålingskvalitet” strålingskvalitet , afhængig af LET) 

– vævsvægtfaktor (wT ,strålefølsomhed af forskellige organer) 

– kinetik 

2013 

HT, E, E(50) ( ) 


4

2013 Isotopteknik F22+F23 (JG) 5

Stochhastic 

”DDeterminiistric” 

Forskellige dosisniveauer 

–variation i ti over 6 ddekader k d 

Dosis fra transatlantisk flyvning (Cph – NY t/r) 0.000055 Sv 

Gennemsnitlig årlig persondosis til strålings-udsatte strålings udsatte 

00.00013 00013 Sv 

(”arbejdstagere”) 

Årlig dosisgrænse (”procedures”) for den alm. 

befolkningg 

Gennemsnitlig årlig persondosis fra naturligt radioaktive 

stoffer (alm. befolkning) 

0.001 Sv 

0.003 Sv 

Effektiv dosis fra CT-scan CT scan 00.001 001 – 00.012 012 Sv 

Dosisgrænse (”procedures”) for ”arbejdstagere” 0.020 Sv 

Tærskelværdi for deterministiske skader skader, testes 00.15 15 / 3.5+ 3 5+ Gy 

Do., ovarier 2.5+ Gy 

Do., øjets linse 0.2 Gy 

Do., knoglemarv 0.5 Gy 

Typisk organdosis, stråleterapi 

2 – 5 Gy 

Middel letal dosis, celleproliferation 2 Gy 

Middel letal dosis, celle-stofskifte 100 Gy 

2013 


6

Forskellige g dosisniveauer 

Lave doser / lave dosishastigheder 

Store d doser / store ddosishastigheder h h d 

Fællesnævner på mekanisme-niveau? 


7

Bindingsenergi, ioniseringsenergi, ekscitationsenergi… 


8

Bindingsenergi g g i atomkærner og g atomer 

Bindingsenergien i atomkerner er 1–9 MeV pr. nukleon 

Bi Bindingsenergien di i i atomer t er forskellig f k lli for f de d forskellige 

f k lli 

elektron-niveauer (-skaller): 

– bindingsenergien for de inderste skaller (K-, L-) ligger ofte 

i størrelsesorden 0.5 – 50 keV, afhængigt af Z (dog 

0.0136 keV for H) 

– Bindingsenergien for de yderste elektroner (ioniserings- 

energien) ligger i området å 2–25 eV (OBS: Enhed) 

Når å ioniserende o se e de stråling st å g passerer passe e gennem ge e stof sto sker s e der de en e 

ionisering / ekscitation af stoffets atomer / molekyler 

En primært ioniserende partikel mister i gennemsnit 34 eV pr. 

ionpar dannet i H H2O 2O eller blødt biologisk væv 

Absorption af direkte ioniserende stråling påvirker kun de 

yderste (løsest bundne) af absorberatomernes elektroner 


9

Kemisk binding 

Hydrogenbinding Elektrostatisk – elektrontætheden 

Ionbinding er 0 i et område å mellem atomerne 

Atombinding (covalent binding) 

Metalbinding 

Struktur af 

organiske forbindelser 

Den kemiske binding opstår som følge af et samspil mellem 

elektroner i atomernes yderste y skaller. Sædvanligvis g deles to 

atomer om to elektroner med modsat ’spin’ (parrede elektroner). 

Et atom med en uparret ydre elektron er yderst kemisk reaktivt 

(frit radikal) 


10

Kemisk bindingsenergi 

–covalente l t bi bindinger di 

Molekyle Binding Bindingsenergi 

(eV) 

Organisk C–C 6.33 

CC=C C 10 10.31 31 

H 2O H–O 4.81 

Hydrogenbinding NH, N H, OH, O H, FH F H 05 0.5 

Sædvanlige intermolekylære kræfter (van der Waal): 0.05 eV 

pr pr. molekyle 

Molekylers varmebevægelse ved stuetemperatur: 0.025 eV pr. 

molekyle 

2013 

Ioniserende stråling er i stand til – gennem energideponering 

i stof – at bryde covalente bindinger, fx i organiske 

molekyler molekyler, samt hydrogenbindinger m.v. m v 


11

Vekselvirken af ioniserende stråling med biologiske 

systemer… t 


12

1.8 – 2.3 nm 

DNA som ’primary p y target’ g 

Den biologiske effekt af ioniserende 

stråling formidles primært gennem 

skader på cellens DNA – ’kritisk site’ 

Covalente bindinger 

Molekylet stabiliseret ved: 

Hydrogenbindinger 

Van der Waal (intermolekylære) 

kræfter 


13

Direkte og g indirekte virkning g ppå 

DNA 

Den biologiske effekt af ioniserende stråling formidles primært 

gennem skader på cellens DNA ( (’primary primary target’ target / ’kritisk kritisk site’) site ) 

2013 

Indirekte virkning: Ioniserende 

stråling ioniserer eller eksciterer 

andre molekyler i cellen (H2O) 

frie radikaler effekt på DNA- 

target 


(dominerende ved lav-LET stråling) 

Direkte virkning: Ionisering eller 

ekscitation af cellulært ’target’ 

(DNA) 

(dominerende ved høj-LET stråling) 

’Mean lethal dose’: 

Metabolsk funktion: 100 Gy 

Celleproliferation: 2 Gy 

14

Indirekte virkning 

–via i iionisering i i af f cellevand ll d 

Fri elektron 

H 2O H 2O + + e - (ionisering) 

H 2O + + H 2O H 3O + + OH 

Ion radikal 

Radikal 

H H2O 2O H H + OH OH (ekscitation ’splitting’) splitting ) 

For stråling med lille LET (elektromagnetisk- og elektronstråling) er OH 

ansvarlig for ca. 2/3 af den samlede skade på å DNA 

Sekundære effekter kan forekomme, fx dannelse af H2O2 (under tilstedeværelse af O2) 2013 


15

Indirekte virkning 

–en fri f i elektron l kt i et t vandigt di t miljø iljø 

H2O H2O+ + e- 2 2 (ionisering) 

( g) 

H 2O er en elektrisk dipol. 

e - omgiver sig med en skal af 

vandmolekyler vandmolekyler, og bliver til en 

hydreret elektron (”våd elektron”), e - aq 

e - aq er eksciterbar og kemisk reaktiv. 

Ek Eksempler l på å reaktioner: k i 

e- aq + O2 O - 

2 

e- aq + H2O2 OH + OH- e aq + H2O2 OH + OH 

2013 


16

Indirekte effekt 

–eksempler k l på å sekundære k d processer 

e- + H O + e aq + H3O H + H O 

+ H + H2O H 2O + + H 20 H 3O + + OH 

2 2 3 

e - aq + H 2O + H 2O (rekombination) 

H + OH H 2O (rekombination) 

H + H H 2 

OH + OH H 2O 2 


17

Energideponering langs partikelbane 

–en stokastisk t k ti k proces 

Der dannes et kemisk miljø i afgrænsende områder (’spurs’ og ’blobs’) 

langs den ioniserende partikels bane, hver repræsenterende en lokal 

energideponering. De stærkt reaktive (kortlivede) frie radikaler 

reagerer her med hinanden og med cellens kemiske komponenter. 

’Spur’, 4 nm diameter 


18

Frie radikaler 

– nanosekund-kemi k d k i omkring k i sporet t af f ioniserende i i d partikel tik l 

Der dannes et kemisk miljø i afgrænsende områder (’spurs’ og ’blobs’) 

langs den ioniserende partikels bane, bane hvori de stærkt reaktive frie radikaler 

reagerer med hinanden og med cellens kemiske komponenter. 

Tabellen angiver udbyttet (antal atomer/partikler dannet) pr. 100 eV 

strålingsenergi deponeret af lav-LET lav LET stråling i et O O2-frit 2 frit miljø 

Produkt initialt udbytte / 100 eV Slut-udbytte / 100 eV 

(efter reaktioner i ”spurs”) 

e - 

aq 4.78 2.7 

OH 5.6 2.7 

H 0.62 0.45 

H2 - 0.45 

H2O2 - 0.7 


19

2013 

Etablering g af biologisk g effekt 

Ele ktro m a g ne tisk Energirig elektron 

stråling tåli 

(f (fx 

-pa rtikel) tik l) 

Sekundæ r 

energirig ii elektron l kt 

Ion radikal 

Fi Frit radikal dik l 

Kem isk æ nd ring - 

brydning af covalente 

bindinger 

Biologisk effekt 


H 2O + 

-partikel 

ffx OH O 

20

Organisationsniveau og tidsramme for etablering 

af effekt 

Niveau Proces Tidsramme 

Fysisk Ionisering 10 -15 s 

Kemisk Frie ion-radikaler 10-10 Kemisk Frie ion radikaler 10 s 

H og OH radikaler 10 -9 s 

e aq - 10 -4 s 

DNA og R radikaler 10 -5 s 

Biologisk Celledød timer – dage 

Tidsramme biologisk/fysisk > 10 24 

2013 

Oncogenese 5 – 40 år 

Arvelige defekter generationer 


21

Neutron-stråling 

–eksempel k l på å stråling t åli med d høj LET 

Direkte virkning dominerer 

ved høj LET (stor ioniseringstæthed): 

Stor sandsynlighed for 

markant k t lokal l k l skade k d på å DNA 


22

Om: Direkte/indirekte ioniserende stråling vs. 

di direkte/indirekte ekte/indi ekte virkning i kning 

Stråling: g 

– direkte ioniserende stråling: stråling bestående af 

ladede partikler (successiv energideponering) 

– indirekte ioniserende stråling: elektromagnetisk 

stråling og neutroner 

Biologisk effekt: 

– ddirekte k virkning: k dden ioniserende d stråling ål påvirker å k 

direkte cellens DNA (target) 

– indirekte virkning: Den ioniserende stråling danner 

frie radikaler, der reagerer med DNA 


23

Om: Kritisk organ, kritisk celletype, kritisk 

molek molekylært læ t target ta get 

Kritisk organ g (i ( menneskekroppen): pp ) Det organ, g , hvor for- 

holdet mellem den maksimalt tilladelige dosis og den faktiske 

dosis er mindst 

Kritisk celletype (i organ eller væv): De mest delingsaktive 

celler i det pågældende væv – som erfaringsmæssigt er de 

mest strålefølsomme 

ål f l 

Kritisk ’site’ site i cellen: Cellens DNA – den mest strålefølsom- 

strålefølsom 

me cellekomponent 


24

Kemiske ændringer i DNA som basis for stråleskader… 


25

Evidens for DNA som ’kritisk site’ i forb. m. 

st stråleskader åleskade 

Celledød efter inkorporering af 3 H-thymidin 

Thymidin-analoger (halogenerede pyrimidiner) inkorporeret 

selektivt i DNA øger cellernes strålefølsomhed 

Bestrålingspåvirkning, der influerer på celledød, har en 

parallel effekt på antallet af kromosomskader 

Cellers strålefølsomhed er korreleret med kromosom-volumen 

Di k f d 210 Direkte forsøg med P k ik ål 

210Po-mærket mikronål: 

– Doser over 250 Gy til cytoplasma uden effekt på celleproliferation 

– Dosis fra nogle enkelte -partikler til cellekærnen hindrer 

celleproliferation 

ll lif ti 


26

DNA-struktur 


27

Eksempler på DNA-skader forårsaget af 

ionise ioniserende ende st stråling åling 

Baseændringer 

Basetab 

Enkeltstrengsbrud (SSB, ’Single Strand Break’) 

Dobbeltstrengsbrud (DSB, ’Double Strand Break’) 

DDenaturede t d områder åd 

Intramolekylære tværbindinger 

DNA-protein tværbindinger 

* 

2013 

Skade G(-M)-værdi *, 

intracellulær 

G(-M)-værdi *, 

opløsning 

SSB 0.7 – 1.1 0.3 – 0.5 

DSB 0.08 – 0.3 – 

Baseændring – 1.3 – 2.3 

Denaturering – 7.5 - 14 

G(-M)-værdien angiver antal omdannede molekyler pr. 100 eV absorberet 

energi 


28

DNA-skader (SSB ( og g DSB) ) in cells 

SSB = Single Strand Break 

DSB = Double Strand Break 

SSB i en enkelt streng, eller 

velseparerede SSB i begge 

strenge korrekt reparation 

sandsynlig (den ubeskadigede 

streng bruges som ’template’) 

DSB (dvs. to SSB adskilt af 

højst nogle få basepar) 

mulighed for vedvarende 

skade k d 


29

DSB 

Ca. 4 % af samtlige DNA-skader er DSB (resten SSB) 

Antallet af DSB ved lav LET stiger lineært med absorberet dosis (’single 

hit’ = de d dannes d som følge føl af f et t enkelt k lt ioniseringsspor) 

i i i ) 

Antallet af DSB ved højere LET stiger med kvadratet på den absorberede 

dosis (skyldes to separate ioniseringsspor) 

Reparation af DSB: 

– homolog rekombination (’error-free’) 

– non-homolog rekombination (’illegitimate’, ’error-prone’) 

I praksis er formentlig både direkte og indirekte virkning involveret i de fleste DSB 

2013 


30

’Spurs’ p og g ’blobs’ 

’Locally multiply damaged site’: Energien fra lav-LET stråling 

afsættes ujævnt langs partikelbanen 

2013 

Lokal primær ionisering Primær + sekundær 

ionisering 


31

’Spurs’ og ’blobs’ 

– diff diffusion i af f reaktive kti frie f i radikaler dik l 

”Aktionsradius” defineret af 

diffusionskonstant for reaktive 

forbindelse og middel levetid (ca. 

10-9 s) 


32

DSB er den mest betydningsfulde DNA-skade i 

fo forbindelse bindelse med ioniserende ionise ende stråling st åling 

2 Gy lav lav-LET LET stråling inducerer i pattedyr pattedyr-celler celler i gennemsnit én 

letal skade pr. celle (37 % af en cellepopulation vil være 

ubeskadiget) 

2 Gy fra lav-LET stråling å forårsager: å 

– 1000 baseændringer 

– 1000 SSB 

– 40 DSB 

Celledød korrelerer ikke med SSB, men bedre med DSB 

Kemiske stoffer, der forårsager mange SSB, men få DSB (fx H 2O 2) 

resulterer i kun få døde celler 

DSB k kan føre f til kromosom-ændringer k di celledød ll d d 


33

Kromosom-skader 

Eksempler på kromosomskader i 

humane leukocytter som følge af 

ioniserende stråling å (dicentrisk 

kromosom + fragment) 

(Metafase) 

Forudsætter to uafhængige DSB 

i samme kkromosom 

2013 

Dicentrisk kromosom 


Acentrisk fragment 

34

Dosis-responsrelation p 

for kromosomskader 

Hyppigheden af kromosomskader (dicentriske og ringe) i 

pattedyrceller kan beskrives som en lineær-kvadratisk lineær kvadratisk funktion 

af dosis: 

(To uafhængige DSB) 

Lave doser: Størst 

sandsynlighed for at 

begge DSB fremkaldes af 

den samme elektron 

lineær funktion af dosis 

HHøje j ddoser: MMest t 

sandsynligt, at begge 

DSB fremkaldes af to 

forskellige elektroner 

kvadratisk funktion af 

dosis 


35

Typer yp af celledød ø 

Mitotisk celledød: Celler dør i forbindelse med celledelingen 

som følge af kromosomskader 

– mest almindelige form for celledød i forbindelse med 

ioniserende stråling 

Apoptosis (programmeret celledød): Celledød som følge en 

programmeret serie af morfologiske og biokemiske ændringer 

– mekanismen kun delvis kendt 

– forekomsten afhænger af celletype 

– kan erkendes gennem forekomst af 185 bp DNAfragmenter 


36

Dosis-respons relationer (overlevelseskurver)… 


37

In vitro måling g af celledød ø 

Den ioniserende strålings biologiske 100 % 

effekt registreres oftest som tabet af 

cellers reproduktionskapacitet, dvs. 

tabet af evnen til celledeling i 

etablerede bl d cellelinier ll l 

overlevelse 

Data præsenteres som log(% overlevende 

celler) som funktion af dosis 

(Gy) overlevelseskurver 

Der findes forskellige modeller til 

biologisk tolkning af overlevelseskurver 

Det er generelt ikke muligt at afgøre, 

hvilke af de mulige g modeller, der 

giver den bedste biologiske forklaring 

af de empiriske data 


38

else” 

Overleve 

”O 

Overlevelseskurver for pattedyrceller 

p y 

Linear-quadratic model Multitarget model 

Dosis (Gy) 


39 

1

1 

Overlevelseskurvernes form 

–afhængighed fh i h d af f strålingens t åli LET og type t af f celledød ll død 

Overlevelseskurver har sædvanligvis et logli 

lineært fforløb l b ved d store ddoser – uafhængigt fh i af f 

strålingens LET 

Ioniserende stråling med lav LET (elektro- 

magnetisk stråling og elektronstråling) giver 

oftest overlevelses-kurver med en ”skulder”, 

hvis størrelse dog kan variere fra celletype til 

celletype 

Ioniserende stråling med høj LET (-stråling, 

neutroner) giver altid et log-lineært forløb 

(dvs. ingen skulder) 

Cellelinier, hvor mitotisk celledød er den 

vigtigste årsag til celledød (i modsætning til 

apoptose) giver overlevelseskurver med en 

udpræget skulder 

Cellelinier, hvor apoptose er den dominerende 

mekanisme giver overlevelseskurver uden 

skulder 

2013 


D D0 (d (det t reciprokke i kk af f 

kurvens hældning) 

angiver den dosis, der 

reducerer overlevelsen 

med en faktor 0.37 

40

else” 

Overleve 

”O 

Overlevelseskurver 

–matematisk t ti k bbeskrivelse: k i l li lineær-kvadratisk k d ti k model d l 

2 

Dosis (Gy) 


41

2 Overlevelseskurver 

– ttolkning: lk i li lineær-kvadratisk k d ti k model d l 

D 

Kurven tolkes som resultatet af 

celledød som følge af kromosomskader, 

der forhindrer celledeling 

(mitotisk ( celledød) ) 

Ved små doser er der størst 

sandsynlighed for, at DSB 

S forårsages g af en enkelt energirig g g 

elektron – effekten er derfor en 

lineær funktion af dosis 

S e 

DD Ved større doser er det mest 

sandsynligt, at DSB forårsages af 

to uafhængige energirige 

elektroner – effekten bliver derfor 

2 

proportional med kvadratet på 

dosis 


42

se” 

verlevels 

S, ”ov 


–matematisk t ti k bbeskrivelse: k i l multitarget ltit t model d l 

Dosis (Gy) 


43 

3

Lav LET 

Høj LET 

† 

† 

3 Overlevelseskurver 

– ttolkning: lk i multitarget ltit t model d l 

Kurvens form kan tolkes ud fra 

eksistensen af ’sites’ (af subcellulære 

/ molekylære dimensioner), 

), der hver kræver mere end 

ét hit for at inaktivere cellen 

I eksemplet antages, at cellen dør, 

såfremt det følsomme site (et 

område åd af f DNA) rammes af f 

mindst 3 hits 


44

se” 

verlevels 

S, ”ov 


– ddosishastighedseffekt i h ti h d ff kt / reparation ti 

Dosis (Gy) 


45 

4

4 


– ttolkning: lk i ddosishastighedseffekt i h ti h d ff kt / reparation ti 

DDet t er muligt li t at t tolke t lk skulderen k ld på å 

overlevelseskurver (fra lav-LET 

stråling) som en effekt af 

reparationsmekanismer reparationsmekanismer, der bedst 

manifesterer sig ved lave doser 

dosishastighedseffekt 


46

Tolkning af overlevelseskurver 

–resuméé 

1. Afhængighed af strålingens LET og typen af celledød 

2. Lineær-kvadratisk model (skaden forårsaget af en 

enkelt eller flere energirige elektroner) 

3. Multi-target model: Der kræves flere hits pr. target for 

at inaktivere cellen 

4. Dosishastighedseffekt h h d ff k – cellulære ll l reparationsmekanismer 


47

else” 

”overleve 

S, 

2013 

Dosisfraktionering 

– ” ”effektiv ff kti overlevelseskurve” 

l l k ” 

DDosis i (Gy) (G ) 


Et antal mindre doser 

ffordelt d l over et længere l 

tidsrum 

48

Dosisfraktionering 

– ” ”effektiv ff kti overlevelseskurve” 

l l k ” 

Hvis en dosis gives i et antal 

ffraktioner kti –med d tilstrækkelig til t kk li tid 

imellem de enkelte doser til 

reparation af subletale skader – 

ændrer overlevelseskurven form n 

og hældning: 

– Skulderen på 

fraktion 

overlevelseskurven gentages g gnde 

for hver enkelt fraktion 

– Den effektive 

overlevelseskurve bliver logli 

lineær ( (uden d skulder) k ld ) 

En given dosis til et biologisk 

system y har mindre effekt, 

såfremt å den deles i mindre 

doser, der administreres over et 

længere tidsrum 


49 

Overleve

Mikrodosimetri 

De sædvanlige dosimetriske størrelser er makroskopiske (nonstokastiske) 

Strålingens energideponering og effekt på DNA- eller 

celleniveau er et stokastisk fænomen 

Derfor er de makroskopiske dosisbegreber lidet anvendelige 

på det mikroskopiske plan 

Mikrodosimetri beskriver den ioniserende strålings effekt på 

det mikroskopiske niveau på grundlag af stokastiske størrelser 

Mikrodosimetrien anvender særlige begreber, begreber fx 

Specifik energi i stedet for absorberet dosis 


50

Specifik energi og absorberet dosis 

Specifik energi (z) er den mikroskopiske ækvivalent til absorberet dosis (D) 


Faktorer af betydning y g for cellers strålefølsomhed… 


52

2013 

Strålefølsomhed ø for forskellige g fyla y 


M. radiodurans 

Kartoffelvirus 

B. megatherium 

Fag staph. E 

Gær 

E. coli (B/r) 

E. coli 

PPattedyrceller tt d ll 

(gennemsnit) 

Radiofølsomhed er 

i det væsentligste 

bestemt af cellens 

DNA-indhold 

53

Strålefølsomhed som funktion af cellecyklus-fase 

–undersøgelser d ø l på å synkroniserede k i d celler ll 

Pattedyrcellers strålefølsomhed: 

Størst strålefølsomhed under (eller tæt ved) mitose 

Mindst følsomhed i den sidste del af S-fasen 

Hvis G1 er lang, findes en periode med lille følsomhed i begyndelsen af G1, efterfulgt g af en mere følsom pperiode i slutningen g 

G2 er generelt strålefølsom 

2013 


54

Reparation p af subletale skader 

’Split-dose’ forsøg med hamster-celler: 

En enkelt dosis på 15.58 Gy 

giver en overlevende fraktion 

på å000 0.005 

Ved fordeling over to omtrent 

lige store deldoser fås en 

stigende overlevelse med 

fraktion 

stigende afstand i tid mellem 

de to deldoser 

verlevende f 

Ov 

7.63 + 7.95 Gy 

Inkubation ved 24C ml. 

de to doser 

Antal timer (h) ml. de to doser 


55

Chinese hamster 

cells (CHL-F line) 

Reparation af subletale skader 

– DDosis-hastighedseffekten i h ti h d ff kt 


56

O 2-effekten 

2 

Forsøg med et stort antal celle- 

typer har vist, at følsomhed over 

for lav-LET stråling afhænger af 

tilstedeværelsen af ilt (O2) Forholdet mellem de doser uden 

og med ilt, der giver samme 

effekt, kaldes ’oxygen 

enhancement ratio’ ratio (OER) 

OER afhænger ofte noget af 

dosishastigheden (kan tilskrives 

varierende følsomhed gennem 

cellecyklus), men typiske værdier 

ligger i området 2.5 – 3.5 

O O2-effekten effekten kan tilskrives 

tilstedeværelsen af ilt under eller 

umiddelbart efter bestråling (ej 

stofskifteafhængig) 

2013 


OER = 3.5 

OER = 2.5 

57

+O 2 

O O2-effekten 2-effekten 

(f (fortsat) t t) 

–O 2 

O2-effekten er størst ved lav-LET stråling, stærkt reduceret ved stråling med 

middel LET, og ubetydelig ved stråling med høj LET 


58

OOmkring k i 2/3 af f den d 

biologiske skade forårsaget 

af lav-LET stråling skyldes 

den indirekte effekt (frie 

radikaler). 

Denne skade kan repareres 

under d anoxiske i k betingelser, 

b ti l 

men ”fikseres” under 

tilstedeværelse af O2 (dannelse af organiske 

peroxider) 

R R + O O2 RO RO2 O2-effekten – ’ ’oxygen fi fixation ti hhypothesis’ th i ’ 


59

2013 

Relativ biologisk g effekt (RBE) ( ) 

Den relative biologiske effekt afhænger af bl bl.a.: a : 

LET 

Dosis 

Dosishastighed g / fraktionering g 


60

Relativ biologisk g effekt (RBE) ( ) og g LET 

Jf. sammenhæng 

ml. LET og 

strålingsvægtfaktor 


61

OER, , RBE og g LET 

1 MeV elektron 1 MeV -partikel 


62

RBE og st strålingsvægtfaktor å gs ægt a to (w (wR) R) 

RBE * er et mål for effekten (for en given absorbereret dosis D) 

af ioniserende stråling å af en bestemt LET (normalt angivet i 

forhold til røntgen-stråling af middel energi) i et bestemt 

biologisk system og et givet ”biologisk end-point”, under 

nærmere ddefinerede f d forsøgs-betingelser, f b l i et bbestemt 

dosisområde, med en nærmere defineret dosishastighed etc. 

Strålingsvægtfaktoren (w R ) er en administrativt fastsat 

parameter (anbefalet af ICRP) – baseret på al tilgængelig 

radiobiologisk og epidemiologisk viden –, der tilstræber at 

angive den relative effekt pr. dosisenhed af de forskellige 

strålingstyper under forhold, der er relevante for strålingsbeskyttelse 

af personer 

FFastsættelse t tt l af f strålingsvægtfaktorer t åli tf kt f for forskellige f k lli strålings- t åli 

typer indebærer en betydelig grad af skøn 

* RBE = Relativ Biologisk Effekt 


63

Strålingsvægtfaktoren wR for forskellige 

st strålingstyper ålingst pe (ICRP) 

Strålingstype Energiområde Strålingsvægtfaktor 

Fotoner Alle energier 1 

Elektroner Alle energier 1 

Neutroner E < 10 keV 5 

w R 

10 keV < E < 100 keV 10 

100 keV < E < 2 MeV 20 

2 MeV < E < 20 MeV 10 

E > 20 MeV 5 

Protoner All energies 2 

-partikler og andre 

tunge partikler 

Alle energier 20 


64

Radioprotektorer 

p 

Radioprotektorer er stoffer, der 

nedsætter cellers eller vævs 

strålefølsomhed 

– ”uægte” radioprotektorer: virker 

gennem reduktion af O2-koncen trationen i kritiske organer 

– ”ægte” radioprotektorer: fungerer 

som ’free free radical scavengers’ scavengers , og 

beskytter derigennem mod O 2- 

baseret dannelse af frie radikaler 

som følge g af bestråling g 

– De fleste ”ægte” radioprotektorer 

er –SH forbindelser 


65

Kemiske karakteristika af effektive 

radioprotektorer 

adiop otekto e 

Simpelt lineært molekyle 

En (potentielt) fri, terminal –SH gruppe 

En terminal, basisk funktion (fx –NH2) i en afstand på 2-3 

C-atomer C atomer fra SH-gruppen 

SH gruppen 

Ek Eksempler: l 

Cystein (HS–CH2–CH(NH2)–COOH) Cysteamin (HS–CH2–CH2–NH2) Dose reduction factor (DSR) 


66

Eksempler p på p ”praktiske” p radioprotektorer 

p 

Stof Struktur Anvendelse 

WR-638 NH 2CH 2CH 2SPO 3HNa USSR militær 

WR-2721 

(amifostin) 

NH2(CH2) 3NHCH2CH2SPO3H Radioterapi, 

US astronauter 

WR-1607 CH 3(CH 2) 9NHCH 2CH 2SSO 3H Rottegift ! 

En række potentielle radioprotektorer identificeret gennem et stort 

undersøgelsesprogram d l (US A Army) ) 


67

En pille til dekontaminering? 

Igangværende g g arbejde j med chelatorer, , som kan binde 

actinider (U, Np, Pu, Th etc.), og derfor en potentiedlt 

anvendelige til at fjerne disse stoffer fra organismen 

Kliniske test er ved at starte 


Konklusioner… 


69

Konklusioner 

Radiobiologi er et vigtigt aktivt forskningsfelt 

Resultater af både teoretisk og praktisk betydning: 

– Grundlæggende biologiske mekanismer 

– St Stråleterapi ål t i 

– Strålebeskyttelse 

De sidste par årtier har i betydelig grad øget vor viden om den 

biologiske effekt af ioniserende stråling 

Strålingens biologiske effekt afhænger såvel af fysiske faktorer 

(d (dosis, LET), ) kkemiske k faktorer f k (O ( 2, modifikation dfk af ff frie radikaler), dk l ) 

samt af biologiske faktorer 

Der er fortsat stor usikkerhed knyttet til effekten meget lave 

doser (dvs. det dosisniveau, som er relevant for strålebeskyttelse, 

og for vurdering af dosiseffekter på den almindelige befolkning) 


70

Konsekvenser for dosis-respons model? 

–stokastiske t k ti k skader k d 

Kræfthyppighed 

Dosis 

LNT = 

Linear No Threshold model 


71

Lavdosis-effekter 

–et t ”varmt, ” t aktuelt kt lt emne” ” 


72

Lavdosis-effekter (fortsat…) 

( ) 


73

Lavdosis-effekter (fortsat…) 

( ) 


74

Low-dose induced 

genomic instability 

Adaptation 

Bystander effects 


75

Imod et nyt paradigme? 

Klassisk paradigme Nye observationer 

Ioniserende stråling producerer 

skader (hits) i kritiske 

cellestrukturer (targets) 

Manglende reparation af skade 

celledød 

Strålingsinduceret ”genomic 

instability”, der vedligeholdes i 

mange cellecykler efter 

bestråling å 

”Radioadaptive response”: 

Fejlagtig reparation celledød 

eller mutation 

Reduceret hyppighed af 

kromosom-aberrationer som 

følge af bestråling, såfremt der 

Primært ”target” antages at 

forud for bestrålingen gives en 

være DNA akut ”challenge-dose” 

challenge dose 

”Bystander effects”: Ændring af 

strålingsfølsomhed i uekspone- 

rede celler, celler formidlet gennem 

”gap junctions” eller gennem 

stoffer afgivet til mediet 


76

Hvad nu hvis LNT-modellen ikke holder... ? 

Findes der en tærskelværdi 

for stokastiske 

skader? 

Er effekterne af gentagne 

doser additive? 

B Brug af f begrebet b b t 

`kollektiv dosis’? 


77

LNT-modellens gyldighed? 


78

Konsekvenser for brug af ioniserende stråling 


79


80

Radiobiologi 1+2

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?