Czy pokrywanie się śladów jonowych może wytłumaczyć kwadratową zależność krzywych dawka-efekt obserwowanych dla aberracji chromosomowych?

Transkrypt

1 Czy pokrywanie się śladów jonowych może wytłumaczyć kwadratową zależność krzywych dawka-efekt obserwowanych dla aberracji chromosomowych? , Warszawa Agata Kowalska 1

2 1.MOTYWACJA 2. METODYKA 3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE 4. MODELOWANIE TEORETYCZNE 5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY 2

3 CEL PROWADZENIA BADAŃ RADIOBIOLOGICZNYCH RADIOTERAPIA OCHRONA RADIOLOGICZNA Pik Bragga poszukiwanie tzw. radiation fingerprint Terapia węglowa (2 pola) Terapia fotonowa (9 pól) ochrona przed pierwotnym i wtórnym promieniowaniem kosmicznym Jäkel et al, Med Phys35,

4 ŚLADY JONOWE Fazy fizyczne Rozkład elektronów rozkład dawki Faza biologiczna aberracje chromosomowe LET Średnia strata energetyczna na jednostkę drogi [kev/μm] vsliniowy przekaz energii (LET) [kev/μm] - LET odnosi się do tarcz mikrobiologicznych - LET nie uwzględnia wkładu od elektronów δo energiach > 100 ev 4

5 SCHEMAT ODPOWIEDZI KOMÓREK NA PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE ZDROWE KOMÓRKI FAZA BIOLOGICZNA Start: t 10-5 s USZKODZENIE DNA NAPRAWA SUKCES! PRAWIDŁOWA NAPRAWA PORAŻKA! ABERRACJE BRAK ABERRACJI = PRZEŻYCIE APOPTOZA TRANSFORMACJA NOWOTWOROWA PRZEDWCZESNE RÓŻNICOWANIE Ritter S., Durante M. Heavy-ion induced chromosomal aberrations: A review, Mut. Res., 701 (1) :38-46 (2010) 5

6 Mikroskopowy rozkład dawki a statystyczny rozkład aberracji Rozkład Poissona: k liczba aberracji na komórkę λ p -średnia liczba aberracji na komórkę w populacji Rozkład Neymana n liczba uderzeń w komórkę λ N -średnia liczba uderzeń w komórkę μ średnia liczba aberracji na komórkę na każde uderzenie

7 KRZYWE DAWKA-EFEKT Local Effect Model gęstość aberracji fotony gęstość dawki ciężkie jony RADIOTERAPIA POKRYWANIE ŚLADÓW JONOWYCH NAPRAWA USZKODZEŃ Ne: 50 MeV/u; LET:136 kev/µm γ : 1.3 MeV; LET:0.2 kev/µm 7

8 1.MOTYWACJA 2. METODYKA 3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE 4. MODELOWANIE TEORETYCZNE 5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY 8

9 METODYKA LIMFOCYTY KRWI OBWODOWEJ: Łatwo dostępna tkanka Mało inwazyjny sposób pobrania Zsynchronizowana populacja Wrażliwość na promieniowanie jonizujące σ 25μm 2 limfocytów zbliżona jest do wrażliwości komórek szpiku kostnego CHROMOSOMY WIDOCZNE SĄ JEDYNIE W METAFAZIE PODZIAŁU KOMÓRKOWEGO! 9

10 PROCEDURA PRZYGOTOWANIA MATERIAŁU BADAWCZEGO Irradiation Cell culture (48 h; 37 0 C; 5% CO 2 ) drop KCl keep 20 min in 37 0 C Fixation ABERRACJE CHROMOSOMOWE drop fixator J.R.K. Savage J Med. Genetics 12, (1975) (metanol+acetic acid) centrifuge 1200 rpm, 10 min remove supernatant repeat this process drop on slides prepared material stain with Giemsa centrifuge 1000 rpm, 10 min; remove supernatant 10 centrifuge 1000 rpm, 10 min; remove supernatant IAEA Cytogenetic dosimetry: application in preparedness for and response to radiation emergencies. IAEA, Vienna (2011)

11 PARAMETRY WIĄZEK UŻYTYCH DO NAPROMIENIOWANIA Promieniowanie referencyjne: Kwanty γ z rozpadu 60 Co Phasotron JINR, Dubna Dawki: 0.5 ; 0.75 ; 1.0 ; 1.5 ; 2.0 ; 3.0 Gy Akcelerator ITEP-TWAC Moskwa Cyklotron MC-400 JINR, Dubna Aparat radioterapeutyczny Rokus-M, JINR, Dubna 11

12 NAPROMIENIANIE PROTONAMI ~20 MeV 150 MeV 150 MeV SOBP 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,

13 NAPROMIENIANIE JONAMI BORU 13 mm IZOLACJA LIMFOCYTÓW 1.5 mm sample container (~0.2 ml) A.A. Bezbakh et al.,upgrading the Genome Facility for Radiobiological Experiments with Heavy-Ion Beams, Physics of Particles and Nuclei Letters, 10, ,

14 1.MOTYWACJA 2. METODYKA 3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE 4. MODELOWANIE TEORETYCZNE 5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY 14

15 ROZKAŁADY STATAYSTYCZNE ABERRACJI CHROMOSOMOWYCH DLA WYBRANYCH DAWEK - PRZYKŁADY = = =0 NEYMAN A =0! POISSON! n liczba uderzeń w komórkę; λ N -średnia liczba uderzeń w komórkę; μ średnia liczba aberracji na komórkę na każde uderzenie =!! =0 Frequency Frequency 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,0 60 Co γ irradiation; Poisson fit 0,8 0,6 0,4 0,2 11 B ions; Neyman fit 0.2 Gy λ P =0.36; λ Ν =0.43; µ=0.84; X 2 = Gy λ P =1.17; λ N =1.07; µ=1.06; X 2 = Gy λ P =3.4; λ N =3.2; µ=1.05; X 2 = Gy λ P =0.14; X 2 = Gy λ P =0.78; X 2 = Gy λ P =1.68; X 2 =0.90 Number of total aberrations/cell 150 MeV protons; Poisson fit 0.5 Gy λ P =0.09 X 2 = Gy λ P =1.32 X 2 = Gy λ P =3.6 X 2 = ,0 Frequency 1,0 12 C ions; Poisson fit 0.8 Gy 0,8 λ P = 0.43 X 2 = Gy λ 0,6 P = 2.48 X 2 = Gy λ P = 4.51 X 2 = ,4 0,2 SOBP protons ; Poisson fit 0.5 Gy λ P =0.14 ; X 2 = Gy λ P =1.82 ; X 2 = Gy λ P =4.1 ; X 2 = , Number of total aberrations/cell Number of total aberrations/ cell

16 ROZKŁADY STATYSTYCZNE ABERRACJI CHROMOSOMOWYCH POISSON VS. NEYMAN A + ZALEŻNOŚĆ PARAMETRU μ OD DAWKI Frequency 1 0,1 0,01 11 B ions 1.5 Gy Poisson fit λ P =3.39; X 2 = 4.2 Neyman fit λ N =3.22; µ=1.05; X 2 =0.86 Frequency 1 0,1 0,01 12 C ions 3.22 Gy Poisson fit λ P =3.4 X 2 =0.24 Neyman fit λ N =30.7 µ=0.11 X 2 =0.44 1E Number of total aberrations/cell λ N -średnia liczba uderzeń w komórkę 1E-3 λp - średnia liczba aberracji na komórkę μ średnia liczba aberracji na komórkę na każde uderzenie Number of total aberrations/cell Mean number of aberrations induced by single hit µ 1 0,1 0,01 1E-3 µ 150 MeV p( linear fit ) µ SOBP p ( linear fit ) µ 12 C ions ( linear fit ) µ 11 B ions ( linear fit) Dose (Gy) Zależność parametru μ od dawki: największy wzrost dla protonów (SOBP i150 MeV) dla 11 B parametr μ nie zależy od dawki POKRYWANIE SIĘ ŚLADÓW JONOWYCH? submittedto Rad. Env. Biophys. 16

17 KRZYWE DAWKA-EFEKT exchange type aberrations/cell Co γ rays high energy protons SOBP protons 12 C ions 11 B ions WYMIANA ELEMENTÓW CHROMATYD ZŁAMANIA Dose (Gy) chromosome and chromatid breaks/cell 2,5 60 Co γ rays high energy protons SOBP protons 12 2,0 C ions 11 B ions 1,5 1,0 0,5 0, Dose (Gy) Y exchanges /Y non-exchange aberration types SOBP protons 60 Co γ rays 1 high energy protons 11 B ions 12 C ions Dose (Gy) EPJ D (2015) 17

18 KRZYWE DAWKA-EFEKT aberration number/cell 7 60 Co γ rays high energy protons SOBP protons 12 C ions 11 B ions Dose (Gy) LET α β=const fit parameters 60 Co γ rays high energy protons SOBP protons 12 C ions 11 B ions Total aberration yield LET (kev/μm) α 0.10± ± ± ± ±0.1 β 0.15± ± ± ± Int. 0.02± ± ± ± ±

19 WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ BIOLOGICZNA (RELATIVE BIOLOGICAL EFFECTIVENESS RBE) 10 SOBP protons 150 MeV protons 199 MeV/n C ions 22 MeV/n B ions 10 SOBP protons 150 MeV protons 199 MeV/n C ions 22 MeV/n B ions RBEeff RBE d aberration number per cell Dose (Gy) 19

20 1.MOTYWACJA 2. METODYKA 3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE 4. MODELOWANIE TEORETYCZNE 5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY 20

21 EFEKTYWNY PROMIEŃ ŚLADU JONOWEGO gęstość prawdopodobieństwa odległości między śladami jonowymi średnia odległość między uderzeniami więcej uderzeń L kwadraty średnia powierzchnia pokrywających się śladów okręgi wsp. geometryczny F 0.58 związek między promieniem śladu a zakrzywieniem odpowiedzi dawka-efekt: 21

22 EFEKTYWNY PROMIEŃ FIZYCZNY R WYNIKAJĄCY Z ROZKŁADU DAWKI ELEKTRONÓW WOKÓŁ ŚLADU JONOWEGO 1 0,1 0,01 gęstość radialna dawki (radialny profil dawki) 1E-3 d r (r) 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 r c r p R 0,01 0, r (µm) dawka jednego śladu jonowego: z drugiej strony: promień rdzenia r c : efektywny promień fizyczny: promień otoczki r p : 22

23 EKSPERYMENT VS. TEORIA A. Chatterjee, H.J. Schaefer, 1976 Radius (nm) r c R' R, 12 C ions R, 150 MeV p R, SOBP p Energy (MeV/nucleon) r c r p R R (β/α) exp (nm) (µm) (nm) (nm) (Gy -1 ) 60 Co γ rays ± ± MeV protons ± ±0.81 BIOLOGIA CZY FIZYKA? SOBP protons ± ± C ions ± ± B ions EPJ D (2017) 23

24 BIOLOGIA BRAK POKRYWANIA SIĘ ŚLADÓW JONOWYCH BIOLOGIA CZY FIZYKA I - POCZĄTKOWE USZKODZENIA DNA t = 0 h FIZYKA RC 0 Rep pair RC Coefficient D 0 Dose (Gy) Dose(Gy) (β/α) exp (Gy -1 ) (β/α) phys (Gy -1 ) (β/α) biol (Gy -1 ) 150 MeV protons 1.86± SOBP protons 0.72± C ions 0.26±

25 FIZYKA CZY BIOLOGIA II FIZYKA: PRZEWIDYWANIA MODELU POKRYWAJĄCYCH SIĘ TRAKÓW: 3,0 BIOLOGIA: ZAKŁADAJĄC DLA D 0: WÓWCZAS: (β/α) ) exp 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 (β/α) exp = 0.87 LET (β/α) exp = 1.1 LET -2 0, LET (kev/µm) PUNKTY POMIAROWE NALEŻA KOLEJNO DO: kwantów gamma z rozpadu 60 Co, szybkich protonów, protonów z rozszerzonego piku Bragga, jonów węgla oraz jonów boru (przy założeniu, że β=1.13±

26 EFEKTYWNOŚĆ MECHANIZMÓW REPERACJI aberration number/50 cells Co 60 gamma irradiation 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 dose (Gy) χ rozrzut punktów pomiarowych dokoła krzywej teoretycznej: funkcja chi kwadrat n ( yi a b1 xi b2 xi ) = 2 n 3 i= 1 σ i χ 2 = 1 σ = σ 1 Gdy (błędy są dobrze określone) Pi σ i Ale σ Pi > σ i, wprowadzamy σ = 2 P i k 2 σ 2 i k 1 χ χ n ( yi a b1 xi b2 xi ) P = 2 2 n 3 i= 1 k σ i n ( yi a b1 xi b2 xi ) P = 2 2 k n 3 i= 1 σ i k 2 czynnik Fano 1 = χ 2 p = RF = Y Y ' Acta Phys. Pol. A (2018) = 1 26

27 WSPÓŁCZYNNIK REPERACJI I PROCENT ZRPEROWANYCH CHROMOSOMÓW 100 Repa air Coefficient (RC) , LET (kev/µm) 2 RF RC (%) 60 Co γ rays 0.31± ±2.0 69± MeV protons 0.37± ±1.7 63±23 SOBP protons 0.67± ±0.9 33±40 12 C ions 0.26± ±2.7 73±18 11 B ions 0.43± ±1.1 57±21 27

28 UNIWERSALNOŚĆ METODY aberration number/cell 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 60 Co γ rays 12 C ions Dose (Gy) KOMÓRKI CHO-K1 (CHINESE HAMSTER OVARY CELLS) KRÓTKI CYKL KOMÓRKOWY h ZDOLNOŚCI ADHEZYJNE TWORZENIE KOLONII 22 CHROMOSOMY Cell type Radiation species LET (kev/ m) 2 RF RC (%) CHOK1 60 Co γ rays ± ± ± MeV 12 C ± ±1.4 56±28 J. Czubet al., Cell survival and chromosomal aberrations in CHO-K1 cells irradiated by carbon ions, Applied Radiation and Isotopes, 67, ,

29 1.MOTYWACJA 2. METODYKA 3. WYNIKI EKSPERYMENTALNE 4. MODELOWANIE TEORETYCZNE 5. PODSUMOWANIE I PERSPEKTYWY 29

30 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

31 PERSPEKTYWY PCC(Premature Chromosome Condensation) Caluculin A ϒ-rays: ~20 chromatid breaks/cell/gy 31

32 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 wyjaśnienie obserwowanych odchyleń od statystyki Poissona Badanie efektów porywania się obszarów oddziaływania pojedynczych neutronów rozdzielenie efektów fizycznych i biologicznych 32

33 GRUPA BADAWCZA K. Czerski A. Kowalska W. Pereira M. Kaczmarski N. Targosz-Ślęczka E. Nasonova P. Kutsalo E. Krasavin 33

34 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ! 34