Transcript Skutki działania ciężkich jonów na komórki CHO-K1

SKUTKI DZIAŁANIA CIĘŻKICH JONÓW
NA KOMÓRKI CHO-K1
Joanna Czub
Instytut Fizyki
Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach
PLAN PREZENTACJI










Część 1: Badania prowadzone w ramach pracy
doktorskiej:
zastosowanie badań dotyczących oddziaływania
promieniowania z materią żywą,
cel badań,
długoletnią współpracę,
układ eksperymentalny,
materiał doświadczalny,
wyniki otrzymane na podstawie przeprowadzonych
testów biologicznych,
Część 2: Kolejne badania:
efekt jednoczesnego działania dwóch jonów na
materiał biologiczny,
plan na przyszłość.
2
CZĘŚĆ 1:
ZASTOSOWANIE BADAŃ
radioterapia nowotworów (terapia ciężkimi
jonami)
 ochrona radiologiczna podczas długotrwałych
lotów kosmicznych

3
CEL TERAPII I OCHRONY RADIOLOGICZNEJ
Terapia ciężkimi jonami

wywołanie całkowitej
inaktywacji komórek
Kraft G. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A 454 (2000)
Ochrona radiologiczna

określenie konsekwencji
genetycznych działania
promieniowania
i podjęcie środków
zapobiegających
Główny cel badań
to poznanie skutków działania
promieniowania o energiach z
zakresu
piku
Bragga
na
komórki.
4
CEL PRACY

Główny cel to:
• przeprowadzenie badań radiobiologicznych polegających
na napromienieniu ciężkimi jonami węgla lub neonu
materiału biologicznego,
• określenie biologicznych skutków oddziaływania ciężkich
jonów o niskiej energii (tj. o wysokim LET) na materiał
biologiczny,

Osiągnięcie tego celu wymagało:
• uruchomienia odpowiedniego stanowiska
eksperymentalnego dedykowanego eksperymentom
radiobiologicznym z wykorzystaniem ciężkich jonów z
cyklotronu warszawskiego,
• przeprowadzenia serii testów biologicznych na
napromienionych komórkach.
5
DŁUGOLETNIA WSPÓŁPRACA

Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu
Warszawskiego (ŚLCJ UW):
• J.Choiński, zespół obsługujący cyklotron,

Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku:
• M.Jaskóła, A.Korman,

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW):
• Z.Szefliński (1) wraz ze współpracownikami, U.Kaźmierczak,

Uniwersytet Jana Kochanowskiego (UJK) w Kielcach:
• Instytut Fizyki: D.Banaś(2), J.Braziewicz,
• Instytut Biologii: A.Lankoff(3), H.Lisowska, A.Wójcik(4),

Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) w Warszawie:
• I.Buraczewska, A.Wójcik(4)(5),

Świętokrzyskie Centrum Onkologii (ŚCO) w Kielcach:
• J.Braziewicz, pracownicy Zakładu Fizyki Medycznej i
Diagnostyki Obrazowej ŚCO.
(1)ŚLCJ
(obecnie), (2)ŚCO ; (3)ICHTJ (obecnie również); (4) GMT Department, Stockholm
University, Sweden (obecnie również); (5) w okresie przeprowadzania eksperymentów
6
UKŁAD EKSPERYMENTALNY

wiązka:
• wyprowadzenie do atmosfery
• jednorodne natężenie w przekroju poprzecznym 95% na
powierzchni rzędu 1cm x 1cm

powierzchnia napromieniana (komórki):
• napromienianie powierzchni o rozmiarze 6 cm x 6 cm
• monitoring on-line dawki deponowanej w materiale
biologicznym
UZYSKANIE WIĄZKI 1 CM X 1 CM

stosowane rozwiązania - rozmycie wiązki z
akceleratora:
• wielokrotne rozproszenia w folii rozpraszającej
7
UKŁAD EKSPERYMENTALNY - REALIZACJA

wykorzystano
do napromieniania
komórek
jony 12C lub 20Ne
hala eksperymentalna
cyklotron izochroniczny
www.slcj.uw.edu.pl
www.slcj.uw.edu.pl
8
UKŁAD EKSPERYMENTALNY – REALIZACJA
stanowisko eksperymentalne - szkic
stanowisko eksperymentalne - widok
nr 1. specjalna szalka Petiego z
komórkami w pożywce
nr 2. stolik pomiarowy
nr 3. zakończone folią havarową
wyjście jonowodu
nr 4. kamera internetowa
nr 5. płytka podtrzymująca
9
nr 6. miejsce na detektor pod
kątem 00 względem pierwotnego
kierunku padania wiązki
POMIARY PROFILI WIĄZEK
rozkład natężenia
jonów określony
eksperymentalnie
przy użyciu
detektorów
półprzewodnikowych
(200 i 00) – pomiar
profilu wiązek
 profil wiązki to
stosunek liczby
zliczeń detektora 00
do liczby zliczeń
detektora 200
 wyniki pomiarowe
przedstawiono na
rysunkach

12
C 438 keV/m
0
2.5
2.0
2.0
10
4
2
1.5
1.0
8
6
4
2
8
y-
zy
cja
5
4
0.5
3
2
1
2
10
6
po
6
0
1.5
nia 20
zliczenia 0 /zlicze
0
zliczenia 0 / zliczenia 20
0
3.0
6
Ne 1017 keV/m
3.0
2.5
1.0
10 10
8
0.5
20
7
8
6
4
(m
2
m)
4
2
x-
po
ja
zyc
(m
m)
y-
4
6
zy
cja
8
(m
m)
2
4
po
jednorodność 95%
6
c ja
ozy
8
10
10
x-
p
(mm
)
10
SPOSÓB NAPROMIENIANIA TARCZY 6 CM X 6
CM


wiązka pozostaje nieruchoma
szalka jest przesuwana o
szerokość wiązki aż
napromieniony zostanie obszar 6
cm x 6 cm
Przesuwanie szalki – stolik pomiarowy xyz, zmienia pozycję w wyniku
reakcji na impuls elektryczny generowany po zarejestrowaniu określonej
liczby zliczeń przez detektor 200
11
Schemat układu elektronicznego
POMIAROWYM

Cel: poruszanie stolikiem zgodnie z wytyczoną trasą
12
DOZYMETRIA
Etap wstępny
(dozymetria on-line)
Etap szczegółowy
(dozymetria off-line)
Dawka zmieniana na podstawie zliczeń detektora 200
D(Gy)  1.6 10-9 
N  N 0 suma 

dE  keV  1  cm3  N20 suma N0' suma  1 
C  2 


 
'
dx   m    g 
N 20
 cm 
suma
'
0 suma
N 20 suma N
'
N 20
suma
Założenia:
wiązka
monoenergetyczna
(jedna wartość LET)
 LET na grubości
komórki jest stałe

D(Gy)  1.6 10-9  C 
gdzie
9

 dE  
   N0 j  
 
 k 1 j 
 dx  j k
1
S (1cm 2 )
C  509.6 
S (  0.5mm)
N 0 j  N 0 suma 
N0 j

N 0' j
N 0' suma
'
N 20 suma N 0' suma N 0 j

 '
'
N 20
N 0 suma
suma
zmiana LET
na grubości komórki
13
POMIARY ODNIESIENIA
pomiar zachowania
układu biologicznego
napromienianego
wiązką referencyjną
ze źródła 60Co
(aparat
terapeutyczny
Theratron 780C)
w ŚCO
 dawka określona
została zgodnie
z procedurami
medycznymi tj. IAEA
report 277

źródło kobaltowe
www.onkol.kielce.pl
14
MATERIAŁ BIOLOGICZNY



linia komórkowa CHO-K1
(Chinese Hamster Ovary)
z jajnika chomika chińskiego
cechy CHO-K1:
 szybkie tempo wzrostu:
12-14 h cykl komórkowy
 zdolność do tworzenia
kolonii
 22 chromosomy
hodowla komórek w szalkach
Petriego


ICHTJ (eksperymenty w
Warszawie)
IB UJK (eksperymenty w
Kielcach)
www.atcc.org
15
ZASTOSOWANE TESTY BIOLOGICZNE

test przeżywalności


test aberracji chromosomowych


cel: określenie poziomu uszkodzeń strukturalnych
chromosomów spowodowanych promieniowaniem
test mikrojądrowy:


cel: określenie przeżycia komórek po zaabsorbowaniu
dawki promieniowania
cel: określenie poziomu mikrojąder spowodowanych
promieniowaniem w komórkach dwujądrowych
testy przeprowadzono zgodnie ze standardowymi
procedurami
16
TEST PRZEŻYWALNOŚCI
WYNIKI – FRAKCJA PRZEŻYWAJĄCA W FUNKCJI
DAWKI

mniejsza frakcja
komórek
przeżywających po
zastosowaniu jonów niż
promieniowania g
model LQ (linear
quadratic):
SF = exp(-D-D2)
-nienaprawialne
uszkodzenia
 -naprawialne
uszkodzenia

Oldham M. Phys. Educ. 36, 460 (2001)
1
frakcja przezywajaca

0.1
60
Co
C 438 keV/m
12
C 576 keV/m
12
C 832 keV/m
20
Ne 1017 keV/m
20
Ne 1245 keV/m
20
Ne 1616 keV/m
12
0.01
0
1
2
3
4
5
6
7
dawka (Gy)
Energia na
Rodzaj
wejściu do
promieniowania komórki
(MeV)
12C
33.2
20.3
9.1
20Ne
56.2
34.7
15
60Co
LET na
wejściu do
komórki
(keVm-1)
438
576
832
1017
1245
1616
 (Gy-1)
(Gy-2)
R2
RBEM
0.70.06
0.610.13
0.520.06
0.450.03
0.380.03
0.360.03
0.170.04
0.050.04
0.010.07
0.99
0.97
0.94
0.96
0.97
0.97
0.96
4.05
3.67
3.03
2.62
2.22
2.05
1
0.020.01
17
TEST PRZEŻYWALNOŚCI
WYNIKI - WZGLĘDNA SKUTECZNOŚĆ BIOLOGICZNA
9
8
7
6
a)
5.0
153 keV/m
12
C
20
Ne
40
Ar
56
Fe
12
C
20
Ne
12
4.5
171 keV/m
4.0
5
b)
3.0
2.0
3
1.5
2
1.0
100
1000
153 keV/m
171 keV/m
2.5
4
10
C
Ne
40
Ar
56
Fe
12
C
20
Ne
20
3.5
RBE10%
RBE=f(LET):
 brak
zróżnicowania
na typ jonów
(LET: ~400-1600
keV/m)
RBEM

10
LET (keV/m)
100
LET (keV/m)
1000
Weyrather W.K. et al. Int.
J. Rad. Biol. 75,11 (1999)
Mehnati P. et al. J. Rad.
Res. 46 (2005)
18
TEST ABERRACJI CHROMOSOMOWYCH
WYNIKI – LICZBA ABERRACJI W FUNKCJI


większa skuteczność
indukowania aberracji
przez ciężkie jony niż
promieniowanie g
fit LQ model:
aberracje/komórkę = c + D
(Evans H.J. Phys.Med.Biol. 17, 1(1972))
c-poziom aberracji
spontanicznych
 -współczynnik
nienaprawialnych
uszkodzeń

calkowita liczba aberracji/ komorke
DAWKI
1.5
1.0
0.5
12
C 9.1 MeV
Co
60
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
dawka (Gy)
19
TEST MIKROJĄDROWY
WYNIKI – MN/BNC W FUNKCJI DAWKI
Mikrojądra to małe
struktury widoczne w
cytoplazmie
 fit LQ model:

MN/BNC = D +
D2
(Słonina D. Rad. Environ. Biophys.42 (2003))
Komórka
z dwoma
jądrami
Komórka
z dwoma jądrami
i 1 mikrojądrem
-nienaprawialne
uszkodzenia
 -naprawialne
uszkodzenia

MN – mikrojądra
 BNC – komórki
dwujądrowe

20
PODSUMOWANIE – CZĘŚĆ 1
uruchomiony został układ eksperymentalny
przeznaczony do badań radiobiologicznych z użyciem
ciężkich jonów z cyklotronu warszawskiego,
 przeprowadzono trzy testy biologiczne z użyciem
komórek CHO-K1,
 otrzymane wyniki pozwoliły na:


uszczegółowienie relacji RBE-LET w zakresie LET ~4001600 keV/m wskazując na brak zróżnicowania na typ
jonów,
21
CZĘŚĆ 2 - PRZEŻYWALNOŚĆ KOMÓREK
NAPROMIENIANYCH WIĄZKĄ DWÓCH
JONÓW

Cel:


określenie efektu jednoczesnego działania dwóch
jonów o różnym LET na komórki
Wykorzystywane jony:
Jony węgla
 Jony tlenu

22
ZASTOSOWANIE BADAŃ
Ochrona radiologiczna
astronautów

promieniowanie
słoneczne (solar flares)



procesy fragmentacji
jonów
Stelzer H. Nucl.Phys. B 61B (1998)
galaktyczne
promieniowanie
kosmiczne (wybuchy
supernowych)


protony (80%), jony helu (510%),ciężkie jony i elektrony
(1%)
Radioterapia
ciężkojonowa
protony (85%), jony helu
(14%), cięższe jony (1%) –
węgla, żelaza, tlenu, neonu
energia:100 MeV-1020
eV
23
WSPÓŁPRACA

Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu
Warszawskiego (ŚLCJ UW):
• Z.Szefliński wraz ze współpracownikami, zespół obsługujący
cyklotron,

Narodowe Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku:
• M.Jaskóła, A.Korman,

Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (UW):
• U.Kaźmierczak,

Uniwersytet Jana Kochanowskiego (UJK) w Kielcach:
• Instytut Fizyki: D.Banaś(1), J.Braziewicz,
• Instytut Biologii: A.Lankoff(2), H.Lisowska, A.Wójcik,

Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (ICHTJ) w Warszawie:
• M.Kruszewski, M.Wojewódzka,

Świętokrzyskie Centrum Onkologii (ŚCO) w Kielcach:
• J.Braziewicz, pracownicy Zakładu Medycyny Nuklearnej

GMT Department, Stockholm University, Sweden:
• A.Wójcik.
24
WIĄZKA DWUJONOWA - OTRZYMYWANIE
Wiązka dwujonowa dostarczana jest przez cyklotron
ŚLCJ
 Zasada działania cyklotronu:

wykorzystanie zachowania naładowanej cząstki w polu
elektrycznym i magnetycznym
 zapewnienie spełnienia warunku synchroniczności pomiędzy
częstością cyrkulacji cząstki w polu magnetycznym (częstością
cyklotronową), a częstością oscylacji pola elektrycznego

qB
2pm
 Częstość cyklotronowa (fc): fc =

q – ładunek
B – indukcja magnetyczna
m - masa
Odpowiednio dobierając stosunek q/m dla jonów węgla i
 źródło
jonów
tlenu
jednocześnie
w cyklotronie:
jony przyspieszamy
węgla
jony tlenu dwa jony
q= 3
m=12 u
q/m = 1/4
q=4
m=16 u
q/m=1/4
podłączone do
zbiorników
z 12C i 16O
25
WIĄZKA DWUJONOWA – 1-SZY TEST
Po raz pierwszy wiązkę dwujonową otrzymaliśmy
w 2006 r.
 Widmo energetyczne:

26
Dane z pracy magisterskiej T. Adamus, UW, 2007
WIĄZKA DWUJONOWA – KOLEJNE
EKSPERYMENTY
Wiązkę dwujonową po raz kolejny otrzymaliśmy i
wykorzystaliśmy do napromieniania materiału
biologicznego w 2012 r. i 2013 r.
 Wykorzystywane jony:


Jony węgla:
energia = 68 MeV (na wejściu do komórek),
 LET= 265 keV/m.


Jony tlenu:
energia = 91 MeV (na wejściu do komórek),
 LET= 456 keV/m.


Profil wiązki – jednorodność 95%
27
UKŁAD EKSPERYMENTALNY I MATERIAŁ
DOŚWIADCZALNY
standardowy układ
eksperymentalny
materiał doświadczalny
www.slcj.uw.edu.pl

komórki CHO-K1 –
Chinese Hamster Ovary
www.atcc.org
28
DOZYMETRIA
Etap wstępny (dozymetria on-line)


Dawka zmieniana na podstawie sumy zliczeń
detektora pod kątem 200
Założenie:
wiązka dla pojedynczych jonów jest
monoenergetyczna
 LET na grubości komórki jest stałe
 oraz

29
DOZYMETRIA
Etap szczegółowy (dozymetria off-line)

Dawka jest obliczana na podstawie:

zmiana LET na grubości komórki
30
WIĄZKA DWUJONOWA – TEST BIOLOGICZNY
Po napromienieniu komórek skutki są badane
używając testu przeżywalności.
 Celem tego rodzaju testu jest określenie frakcji
komórek przeżywających po zaabsorbowaniu
dawki promieniowania.
 Na podstawie tych danych wykreślana jest
krzywa przeżywalności będąca relacją między
frakcją komórek przeżywających napromienianie
a dawką promieniowania zaabsorbowanego.

31
ADDYTYWNOŚĆ CZY SYNERGIA




Znając krzywe przeżywalności dla wiązki mieszanej oraz
osobno dla wiązki węgla i tlenu określimy czy uzyskany
efekt jest rezultatem addytywnym czy synergicznym.
Efekt addytywny występuje wtedy, gdy liczba uszkodzeń
powstałych przy jednoczesnym działaniu dwóch
czynników (A – 12C3+, B – 16O4+) jest równa sumie
uszkodzeń spowodowanych oddzielnie przez czynnik A i
(Berek S. et al. Gynecologic oncology 2009)
B.
Efekt synergiczny występuje wtedy, gdy liczba uszkodzeń
powstałych przy jednoczesnym działaniu dwóch
(Jeremic B. Advances in Radiation Oncology in Lung Cancer 2012)
czynników (A i B) jest większa niż suma ich oddzielnego
działania.
Efekt antagonistyczny występuje wtedy, gdy liczba
B. Advances in Radiation Oncology in Lung Cancer 2012)
uszkodzeń(Jeremic
powstałych
przy jednoczesnym działaniu
dwóch czynników (A i B) jest mniejsza niż suma ich
32
ADDYTYWNOŚĆ CZY SYNERGIA IZOBOLOGRAM

Opierając się na otrzymanych krzywych przeżywalności
dla czynnika A – węgiel i czynnika B – tlen rysujemy
izobologram (podpunkt (b))
33
Tannock I. et al. The basic science of oncology 2004
Streffer C. et al. IJRB 1987
IZOBOLOGRAM





Izobologram (rys. (b)) łączy dawki dwóch
czynników A i B, przy których oczekuje się,
że dadzą ten sam efekt biologiczny (np.
przeżywalność 20%), kiedy używane są
razem.
Dawki odczytywane są z krzywych
przeżywalności dla czynnika A i B, przy
danym poziomie przeżycia.
Z powodu rozważań dotyczących nałożenia
lub nienałożenia na siebie uszkodzeń
powstają dwie krzywe I i II, które zakreślają
otoczkę addytywności (envelope of
additivity).
Dane eksperymentalne (tj. po
napromienieniu komórek wiązką mieszaną)
ulokowane wewnątrz otoczki addytywności
wskazują na efekt addytywny.
Dane poza otoczką na efekt synergiczny lub
Streffer C. et al. IJRB 1987
34
PRZEGLĄD LITERATURY
W literaturze efekt addytywny i synergiczny jest badany od
dawna. W większości badań wykorzystywano
promieniowanie rtg, neutrony.
Tabela od Staff E., Szwecja
 A – addytywność, S - synergia

Agent A
Agent B
Ngo et al. 1988
X-rays
10Ne, 18Ar
Res
ult
S
Brooks et al. 1990
X-rays
238Pu
S
A
Suzuki 1993
60Co
n
S
n
S
Kanai et al. 1997
3He,4He
12C
A
n
S
Wuttke et al. 1998
X-rays
n
A
Furusawa et al.2002
X-rays
18Ar, 4Si,56Fe
A
X-rays
12C
A
Reference
Agent A Agent B
Barendsen et al.
1960
X-rays
Raju & Jett 1974
X-rays
239Pu
Railton et al. 1975
60Co
Durand & Olive 1976
X-rays
210Po
(α)
(α)
Result Reference
A
(α)
Ngo et al. 1977
X-rays
n
S
Ngo et al. 1981
X-rays
10Ne
S
Demizu et al. 2004
Bird et al. 1983
X-rays
2H, 3He
S
Sutherland et al. 2005 p
28Si
A
Higgins et al. 1983
60Co
n
S
Higgins et al. 1984
60Co
n
S
Zhou et al. 2006
p
56Fe, 48Ti
S
Joiner et al. 1984
X-rays
n
S
Bennett et al. 2007
p
56Fe, 48Ti
S
McNally et al. 1984
X-rays
n
S
Hada et al. 2007
p
56Fe
McNally et al. 1988
X-rays
239Pu
A
Phoenix et al. 2009
Elmore et al. 2011
60Co
238Pu
p
56Fe
(α)
(α)
35
S
A
A
PODSUMOWANIE – CZĘŚĆ 2

Planujemy:
Napromienianie komórek wiązką węgla i osobno wiązką
tlenu
 Wykreślenie krzywych przeżywalności
 Określenie rezultatu: addytywność czy synergizm

36
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
37