Effetti fisici, chimici e biologici

1
Radiobiologia ClinicaRadiobiologia di organi e
tessuti

• Effetti fisici, chimici e biologici
• delle radiazioni ionizzanti

2
Radiazione fenomeno comportante il trasporto di
energia nello spazio
Lenergia è misurata in Joule o elettronvolt
(eV) 1 eV 1,6 x 1019 Joule
Radiazione ionizzante lenergia ceduta alla
materia attraversata produce eccitazione o
ionizzazione degli atomi
RADIAZIONI
Indirettamente ionizzanti (neutroni, fotoni X e ?)
Direttamente ionizzanti (elettroni, protoni,
particelle ?, muoni)
Energia gt 12 eV
3
Sorgente qualsiasi apparecchio o sostanza o
fenomeno che emette radiazioni ionizzanti
4
Le radiazioni elettromagneticheI fotoni X

• Rx con trasporto di energia senza trasporto di
  materia o carica elettrica (fotoni)
• E hv v frequenza
• h costante di Plank
• I fotoni sono prodotti sia in tubi di tipo
  tradizionale (Coolidge), sia in macchine
  acceleratrici (LINAC), bombardando con elettroni
  una lamina di tungsteno (effetto
  Bremsstrahlung)
• Impressionano le emulsioni radiografiche
• Usati in Radioterapia (4-18 MV)

5
Le radiazioni elettromagneticheI fotoni ?

• Sono fotoni emessi da radioisotopi
  secondariamente allemissione alfa o beta.
  Presentano le stesse caratteristiche fisiche dei
  raggi X
• Sono molto utilizzati in Radioterapia, essendo
  emessi da radioisotopi quali il Co60, il Cs137,
  lIr192.

6
Le radiazioni corpuscolari cariche

• Sono radiazioni con trasporto di energia, materia
  e/o carica elettrica
• Elettroni particelle con carica negativa,
  penetrazione minore rispetto ai fotoni. La
  trasmissione percentuale in profondità è
  caratterizzata da una rapidissima caduta.
  Utilizzati in RT per trattamenti di focolai
  neoplastici superficiali
• Protoni carica elettrica positiva con attività
  ionizzante molto intensa e localizzata (picco di
  Bragg) è possibile irradiare focolai più o meno
  profondi, variando a piacimento lenergia dei
  fasci
• Neutroni privi di carica elettrica, prodotti da
  reattori nucleari e LINAC. Intensa attività
  ionizzante

7
(No Transcript)
8
Fase fisica effetti elementari

• Eccitazione si ha quando la Rx incidente
  possiede una energia lt a quella del legame tra
  elettrone e nucleo. In tal caso la Rx riesce
  soltanto a spostare lelettrone dal suo strato
  fondamentale ad uno strato più esterno
• Ionizzazione si ha quando la Rx incidente
  possiede energia gt a quella del legame
  elettronico. In tal caso lelettrone viene
  espulso dal suo atomo.

9
Interazione dei fotoni (Raggi X) con la materia
Effetto fotoelettrico tutta lenergia del fotone
incidente viene trasferita ad un elettrone delle
orbite interne che viene espulso ed acquista una
energia cinetica pari alla differenza energetica
tra il fotone incidente e lenergia di legame
10
Interazione dei fotoni (Raggi X) con la materia
Effetto Compton rappresenta leffetto più
importante nellambito della Radioterapia. Il
fotone incidente urta elasticamente contro un
elettrone delle orbite esterne, cedendogli una
parte dellenergia e deviando la propria
traiettoria lenergia acquisita
dallelettrone provoca lespulsione dello stesso
dallatomo
11
Interazione dei fotoni (Raggi X) con la materia
Produzione di coppie è il meccanismo attraverso
il quale un fotone incidente è trasformato in
una coppia di particelle (elettrone e positrone)
12
RADIOSENSIBILITA CELLULARE
La capacità delle radiazioni ionizzanti di
provocare alterazioni biologiche significative
(morte cellulare o arresto della proliferazione)
nelle cellule di una neoplasia o in quelle di un
tessuto normale
RADIORESPONSIVITA CELLULARE
La velocità con cui si manifestano clinicamente
le alterazioni biologiche radioindotte
RICORDA CHE -la risposta di un tumore alle Rx
ionizzanti dipende dalla di cellule capaci di
riprodursi -leffetto delle Rx ionizzanti sulle
cellule dipende dalla differenziazione
morfologica e funzionale delle stesse
13
RADIOBIOLOGIA

• Interazioni iniziali
• Radiaz. indirett. ionizzanti (raggi X, raggi
  ?) 10-24 - 10-4 s
• Radiaz. dirett. ionizzanti (elettroni,
  protoni) 10-16 - 10-14 s
• Stadio fisico-chimico 10-12 - 10-8 s
• Danno chimico (radicali liberi) 10-7 s - ore
• Danno biomolecolare (proteine, acidi nucleici) ms
  - ore
• Effetti biologici precoci (morte cellulare) ore
  - settimane
• Effetti biologici tardivi (induzione di
  neoplasie,
• effetti genetici) anni, secoli

14
RADIOBIOLOGIA

• Lacqua, per motivi di rappresentazione
  quantitativa, costituisce la molecola con la
  quale ha luogo, pressoché costantemente, la
  interazione della particella ionizzante.
• Radiolisi ionizzativa
• h?H2O gt H2O e-
• e- H2O gt H2O-
• H2O gt H OH
• H2O- gt H OH-

15

• In assenza di O2 e di biomolecole ( es.
  irradiazione di acqua pura ), i radicali
  interagiranno tra loro secondo tutte le possibili
  combinazioni producendo prodotti molecolari
  H2O, H2 e H2O2, questo ultimo fortemente
  ossidante. Se nel mezzo irradiato è presente, in
  sufficiente concentrazione, O2, questo, per
  lelevata elettroaffinità, catturerà radicali H
  dando luogo alla formazione del radicale HO2 (ad
  alto potere ossidante )
• O2 H gt HO2
• HO2 e- gt HO2-
• HO2- H gt H2O2
• H2O2 2H gt 2H2O

16

• Ciò spiega come nei substrati biologici leffetto
  indotto a parità di radiazione, è circa 2-3 volte
  maggiore in presenza di O2 (EFFETTO OSSIGENO).
  Nel progressivo accrescimento di un focolaio
  tumorale la produzione di una rete vasale
  neoformata è sempre più o meno insufficiente
  rispetto allentità di neoproduzione di cellule
  tumorali. La distanza alla quale molte di queste
  cellule vengono a trovarsi dalla parete capillare
  fa si che sia loro insufficiente lapporto di O2
  per diffusione. Queste cellule ipossiche o
  anossiche sono poco radiosensibili

17
CURVA DOSE-RISPOSTA
n
n numero di estrapolazione (numero di bersagli
presenti nella cellula)
Dq
spalla
1
Dq dose quasi soglia
0,1
0,01
0,001
DOSE
18
CARATTERISTICHE DELLA CURVA DOSE-RISPOSTA

• Curvatura nella zona corrispondente alle dosi
  basse (spalla) indica una minore efficienza di
  effetti letali a basse dosi e rappresenta
  laccumulo del danno sub-letale riparabile in
  funzione della dose somministrata e del tipo di
  tessuto
• Linea retta del grafico o pendenza
  esponenziale indica che progressivi livelli di
  dose inducono una progressiva riduzione della
  capacità riparativa cellulare e quindi
  progressivo danno cellulare
• Per ogni frazione di radiazioni viene distrutta
  la stessa proporzione di cellule secondo un
  andamento esponenziale

19
BERSAGLI MULTIPLI E COLPO UNICO

• Le curve di sopravvivenza cellulare sono in
  accordo con il modello matematico a bersagli
  multipli e colpo unico, il che significa in
  termini biologici presenza nel contesto della
  cellula di più bersagli in ciascuno dei quali
  dovrà essere depositato, per produrre la morte
  riproduttiva della cellula, almeno un colpo
• Fattori influenzanti il n medio di bersagli per
  cellula
• condizioni fisiologiche della cellula
• presenza o meno di ossigeno
• turnover cellulare (elevato indice mitotico)
• Fattori che influenzano la pendenza della curva
• radiosensibilità delle singole cellule e quindi
  dei tessuti
• stato biologico della cellula e dei tessuti
• modalità di somministrazione della dose
• qualità della radiazione

20
LET trasferimento lineare di energia

• E lenergia depositata dalla radiazione lungo un
  percorso rettilineo allinterno dei tessuti
  attraversati
• Radiazioni a basso LET fotoni, elettroni
• la loro azione radiobiologica è influenzata dalla
  presenza di ossigeno
• Radiazioni ad alto LET protoni, neutroni,
  particelle pesanti
• la loro azione radiobiologica non è influenzata
  dalla presenza di ossigeno

21
EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVA

• A parità di dose fisica somministrata in un
  volume corporeo macroscopico, leffetto biologico
  indotto può essere diverso per i vari tipi di
  radiazione
• Le radiazioni a bassa densità di ionizzazione
  (raggi X e ?, e- ), distribuiscono le
  ionizzazioni in forma sparsa
• Le radiazioni ad alta densità di ionizzazione
  (p, n, ?-) concentrano le ionizzazioni nello
  spazio
• Si definisce EBR il rapporto tra la dose della
  radiazione di riferimento (raggi X convenzionali)
  e la dose della radiazione in esame necessaria
  per produrre un determinato effetto in un certo
  tempo

22
FRAZIONAMENTO

• Il frazionamento della dose in radioterapia
  comporta un guadagno terapeutico infatti esso
  aumenta la tolleranza da parte dei tessuti
  normali (per i fenomeni di riparazione e
  ripopolamento) e nello stesso tempo consente di
  eliminare gli effetti radioprotettivi della
  ipossia sul tumore (per il fenomeno della
  riossigenazione).
• Frazionamento standard 5 frazioni alla settimana
  di circa 2 Gy ciascuna intervallata di 24 ore,
  per 5-6 settimane
• Iperfrazionamento si riduce lentità della dose
  nella singola frazione, somministrando 2-3
  frazioni al giorno fino a dose totale maggiore
  nel tempo usuale (es. melanoma).
• Ipofrazionamento si aumenta lentità della dose
  nella singola frazione, riducendo il tempo totale
  (trattamenti palliativi).

23
Il frazionamento presenta 2 variabili dose/fx e
tempo

• Iperfrazionamento lt 180-200 cGy lt
  ipofrazionamento
• fx convenzionale
• Accelerato lt tempo convenzionale lt split course

24
LE 4 R DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT

• Riparazione del danno subletale
• tra una frazione e laltra, le cellule hanno la
  possibilità di riparare il danno indotto dalle
  radiazioni. Questo comporta che la dose totale di
  radiazione necessaria per ottenere uno stesso
  effetto (la dose isoefficace) deve essere tanto
  maggiore quanto maggiore è il numero delle
  frazioni.
• Riossigenazione delle cellule ipossiche
• nellintervallo tra le singole frazioni di dose
  si ha una certa riossigenazione delle aree
  ipossiche a seguito della morte ed eliminazione
  delle cellule ben ossigenate con conseguente
  decompressione di piccoli vasi, riduzione della
  distanza tra capillari e cellule ipossiche,
  minore discrepanza tra apporto e fabbisogno di
  ossigeno

25
LE 4 R DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT

• Ridistribuzione delle cellule ciclanti
• le fasi G2 ed M sono le più sensibili alleffetto
  delle radiazioni. Ciò comporta una uccisione
  preferenziale delle cellule in fase sensibile ed
  una conseguente semisincronizzazione della
  popolazione residua nelle fasi più
  radioresistenti ma negli intervalli tra le
  singole frazioni di dose le cellule sopravvissute
  si desincronizzano, sicché le successive frazioni
  hanno minore probabilità di trovarsi di fronte a
  una popolazione resistente.
• Ripopolazione tissutale
• in risposta allo spopolamento determinato dalla
  irradiazione, i tessuti sani e quelli tumorali
  aumentano lattività proliferativa, richiamando
  nel ciclo divisionale cellule in riposo.

26
Tipologie di tessuto in base alle caratteristiche
di radioresponsività

• Tessuti che rispondono più lentamente per
  turnover cellulare bassogt maggiore capacità di
  riparare il danno (spalla della curva più ampia
  )tessuti late responders
• Tessuti che rispondono più rapidamente per
  turnover elevatogt minore capacità di riparare il
  danno (spalla della curva più stretta )
  tessuti acute responders
• In radiobiologia viene correntemente utilizzato
  un modello applicativo chiamato
  lineare-quadratico, con il quale viene
  quantizzata la sensibilità al frazionamento dei
  tessuti radiotrattati, ovvero quanto luso di
  dosi elevate per frazione influisca sulleffetto
  biologico, in termini di rapporto ???
• ? rappresenta il coefficiente di dose lineare
  (il danno cellulare subito alla1a dose
  somministrata)
• ? rappresenta il coefficiente del quadrato della
  dose ( il danno cellulare subito dalla sommatoria
  delle dosi somministrate)

27
Obbiettivo consente di valutare teoricamente per
ogni situazione clinica la sopravvivenza delle
cellule radiotrattate in relazione alla dose
somministrata e la tossicità tissutale

• Tessuti late responders gt ??? basso gt
  sensibili al fx
• (alta dose/fx elevata tossicità tardiva
  piccola dose/fx bassa tossicità tardiva)
• Tessuti acute responders gt ??? alto gt -
  sensibili al fx
• ( non ci sono differenze nei confronti delle
  dosi/fx, grandi o piccole che siano gt tossicità
  acuta comunque presente )

28
Uso del rapporto ???

• N.B. in base al comportamento radiobiologico dei
  diversi tessuti tumorali ed alla previsione che
  il rapporto ??? è in grado di fornirci su di
  esso, si prescrivono i diversi frazionamenti
  della dose.
• Es tessuto connettivo(late responder per basso
  turnover cellulare) 300cGy/die per 10 frazioni
• Es intestino tenue (pelvi) (acute responder per
  elevato turnover cellulare) 180 cGy/die con
  dose totale di 50 Gy
• Le neoplasie sono costituite da tessuti ad
  elevato turnover cellulare (acute responders )
  ne deriva un maggiore effetto radiobiologico per
  bassa dose/frazione

29
TOSSICITA ACUTA (acute responders)

• dose
• EFFETTO
• tempo
• gt è il tempo di trattamento, gt è la tossicità
• Le neoplasie sono costituite da tessuti acute
  responders!

30
TOSSICITA TARDIVA (late responders)

• dose
• EFFETTO
• frazionamento
• gt è la dose per frazione, gt è la tossicità

31
Probabilità di controllo dei tumori
Il controllo tumorale è un evento probabilistico.
Di conseguenza,livelli diversi di dose radiante
producono un controllo tumorale diverso. Il
successo o il fallimento del controllo di una
neoplasia dipendono dalla distruzione di tutte le
cellule clonogeniche sopravviventi, il cui numero
è proporzionale al numero iniziale di cellule
poiché ogni frazione di dose produce la
distruzione di una uguale proporzione (e non di
un uguale numero!) di cellule. La relazione tra
la probabilità di controllo tumorale e la dose al
di sopra di una certa soglia è descritta da una
curva sigmoide
100
Prob. di controllo tumorale
0
dose
32
GUADAGNO TERAPEUTICO

• La dose ottimale è quella in grado di produrre
  la massima probabilità di controllo tumorale con
  la minima (ragionevolmente accettabile) frequenza
  di complicazioni
• Come ottenere un buon guadagno terapeutico?
• A. Manipolazione della relazione dose-tempo
• Si basa essenzialmente sullalterazione del
  frazionamento della dose. Il frazionamento
  sfrutta il diverso inizio e decorso dei fenomeni
  biologici tra tessuti sani e tumore. A volte può
  essere utile impiegare un trattamento accelerato
  nei tumori a rapido accrescimento o un
  trattamento iperfrazionato nei tumori a crescita
  più lenta che si avvalgono di dosaggi totali più
  elevati

33
GUADAGNO TERAPEUTICO

• B. Manipolazione del tessuto bersaglio
• Si basa su un progressivo restringimento dei
  campi di irradiazione (shrinking fields) in modo
  da somministrare dosi progressivamente più
  elevate al tumore macroscopico e dosi minori alla
  periferia del tumore dove è presente solo
  malattia subclinica
• C. Manipolazione della distribuzione della dose
• Si basa sulladozione di tecniche particolari in
  grado di irradiare in modo molto selettivo il
  bersaglio e ridurre, quindi, la dose al volume di
  transito (3D CRT) o ai tessuti adiacenti (BRT).
  La possibilità di controllare il tumore
  localmente rappresenta tuttora un importante
  passo per la guarigione e deve essere, pertanto,
  perseguita prima o insieme ad altri trattamenti
  il cui scopo è quello di controllare la
  diffusione metastatica

34
Fattori che modificano leffetto biologico delle
radiazioni biologici, fisici, chimici
35
Radioterapia in iperbarismo di O2

• Si basa sullutilizzo dell effetto ossigeno,
  cercando di riportare in regime di normale
  ossigenazione anche le cellule tumorali lontane
  dal letto vascolare, ipossiche, e perciò meno
  radiosensibili
• Il trattamento richiede
• casi selezionati (assenza di controindicazioni
  alliperbarismo)
• accurata preparazione del paziente
• tempo, impegno notevole del personale tecnico e
  medico
• Inevitabile semplificazione delle tecniche di
  irradiazione
• Riduzione del numero delle frazioni
• Ormai in declino

36
Radiazioni corpuscolari

• Neutroni ottenuti con un ciclotrone, bombardando
  con un fascio di protoni un bersaglio di berillio
• Rispetto ai fotoni possiedono una gt EBR
• minore importanza delleffetto ossigeno
• minore capacità di riparazione dei danni
  subletali o potenzialmente letali da parte dei
  tumori radioresistenti
• ridotta influenza della fase del ciclo di
  produzione cellulare sulla risposta
  allirradiazione
• Svantaggi
• minore intervallo terapeutico (gt sensibilità
  anche dei tessuti sani)
• distribuzione di dose gt assorbimento nei tessuti
  lipidici ( gt rischio di danno al tessuto nervoso
  e alladipe sottocutaneo)

37
Ipertermia

• Effetto citotossico diretto maggiore sensibilità
  delle cellule neoplastiche rispetto ai tessuti
  sani
• Effetto radiosensibilizzante direttoaumento
  dellattività citotossica delle rx, riduzione
  della capacità di riparazione del danno subletale
• Sinergismo di azione entro 3-4 ore
• Tecnica di applicazione 42-43C
• 30-45 minuti
• focolai superficiali

38
Sostanze radiosensibilizzanti

• Impiego di nuove sostanze con maggiore effetto
  radiosensibilizzante e minore tossicità
• Associazione del radiosensibilizzante con farmaci
  che diminuiscono la tossicità (corticosteroidi) o
  ne aumentano lefficacia
• Impiego combinato di più farmaci con tossicità
  differenziata
• Monitoraggio farmacocinetico della tossicità
  durante il trattamento

39
Frazionamenti non convenzionali

• Trattamento iperfrazionato accelerato
• es 115 cGy/bis in die o 100 cGy/ter in die
• aumento del controllo locale
• aumento della tossicità acuta
• ma notevole aumento del guadagno terapeutico

40
EFFETTI BIOLOGICI DEGLI U.S.

• Possibili effetti
• termici cessione termica locale (8
  centomillesimi di C al secondo)
• cavitazione produzione di bolle gassose capaci
  di produrre frammentazione di membrane e di
  macromolecole
• meccanici causati dalla pressione che il fascio
  ultrasonoro determina allinterno di volumi
  sensibili

Ottenuti con energie molto alte rispetto a
quelle utilizzate quotidianamente e quindi di
nessuna importanza
41
IL RISCHIO BIOLOGICO IN R.M.N.

• In RMN il semplice enunciato dellassenza di
  radiazioni ionizzanti non è motivo sufficiente
  per escludere la presenza di un effettivo rischio
  biologico
• Potenziali fonti di danno sono
• il campo magnetico statico
• i campi magnetici variabili usati per la
  codificazione spaziale del segnale
• la radiazione a radiofrequenza

42

• E possibile distinguere
• Fenomeni magnetomeccanici orientamento di
  macromolecole, torsione di materiali
  ferromagnetici
• Fenomeni magnetoelettrici temporanee anomalie
  dellonda T elettrocardiografica, alterazione dei
  parametri di funzionamento dei pacemaker
• Effetti termici aumento della temperatura delle
  regioni corporee irradiate, in particolare delle
  gonadi

43
Concetto di morte cellulare

• Morte in interfase rapida interruzione del
  metabolismo cellulare e disintegrazione della
  cellula consegue ad una irradiazione con alte
  dosi (decine di Gray) avviene in poche ore ed è
  provocata dalla liberazione di enzimi litici
  intracellulari, frammentazione del nucleo e del
  citoplasma. Questo evento riguarda
  principalmente linfociti, ovociti e cellule
  nervose
• Morte riproduttiva perdita della capacità della
  cellula di riprodursi in modo illimitato (in
  pratica per almeno 5 volte). La cellula talvolta
  può apparire immodificata sia per la forma che
  per la funzione. E provocata dallazione delle
  rx sul DNA. Questo evento riguarda soprattutto le
  cellule epiteliali intestinali e gli spermatogoni
• Morte genica riguarda tutti i tipi cellulari ed
  è dovuta allalterazione di geni indispensabili
  alla vita cellulare
• La morte riproduttiva è quella più frequente
  nellambito delle dosi di esposizione normalmente
  impiegate nella pratica clinica

44
Meccanismi fondamentali della morte cellulare

• Radiazioni ionizzanti (tipi di Rx ionizzanti
  interazioni con la materia)
• Danno irreparabile del DNA - Danno della membrana
  cellulare
• Morte cellulare perdita della capacità
  proliferativa
• LESIONI RADIOCHIMICHE DEL DNA
• -azione diretta delle particelle cariche
• -azione indiretta di molecole atomiche reattive
  (radicali liberi)

45
Effetti delle radiazioni sulla cellula

• Effetti sulle molecole organiche le alterazioni
  più importanti concernono le modificazioni delle
  macromolecole i meccanismi coinvolti riguardano
  la rottura di legami inter atomici, la formazione
  di radicali liberi in soluzione e le successive
  polimerizzazioni (R R R-R) e reticolazioni
  con la formazione di nuovi legami intra ed inter
  molecolari ed il trasferimento per addizione di
  ossigeno (R O2 RO2) e HO2 (R HO2
  RO-OH).
• Queste alterazioni e degradazioni portano a
  variazioni dello stato fisico e chimico delle
  molecole a livello di peso molecolare, viscosità,
  tensione superficiale, conducibilità elettrica,
  punto di ebollizione e congelamento.
• Leffetto biologico finale può essere correlato a
  fattori fisici quali la concentrazione di
  ossigeno e la temperatura dellambiente in cui si
  verifica lirradiazione, nonché limportanza
  funzionale del sistema danneggiato

46
Effetti delle radiazioni sulla cellula

• Effetti su proteine ed enzimi lazione delle rx
  si manifesta con alterazioni delle catene
  principali, costituite dalla sequenza degli
  aminoacidi, formazione di legami tra molecole
  diverse o allinterno delle stesse, od ancora,
  con modificazioni della struttura secondaria.
• Queste modificazioni alterano la struttura
  tridimensionale della proteina e portano ad una
  perdita di funzione. Nel caso di proteine con
  attività enzimatica, questa può ridursi o
  cessare, oppure aumentare per lazione delle rx
  non sullenzima stesso, ma su attivatori e
  inibitori enzimatici, o in seguito a processi che
  portano alla liberazione di enzima per
  alterazione della permeabilità delle membrane
  citoplasmatiche
• Effetti sui lipidi la principale azione consiste
  in fenomeni di decarbossilazione e perossidazione
  degli acidi grassi insaturi, con formazione di
  perossidi organici e radicali liberi.
• Questi a loro volta svolgono una azione lesiva
  sulle altre molecole di interesse biologico. La
  alterazione dei lipidi di membrana produce
  inoltre modificazioni del trasporto degli ioni

47
Effetti delle radiazioni sulla cellula

• Effetti sulle molecole di DNA e RNA le lesioni
  del DNA possono riguardare tutti i suoi
  componenti. Tra le alterazioni chimiche possono
  verificarsi deaminazione delle basi azotate,
  ossidazione degli zuccheri, rottura del legame
  tra pentoso e base azotata, e con lacido
  fosforico dalla rottura delle catene
  nucleotidiche possono derivare frammenti che
  ricombinandosi originano molecole ramificate. La
  rottura può riguardare una sola o ambedue le
  eliche del DNA.
• Il DNA è in grado di riparare il danno
  radioindotto. Il meccanismo più accettato è
  quello della riparazione mediante asportazione.
  Si svolge con una iniziale eliminazione della
  porzione di DNA alterata per lazione di.
• una endonucleasi che rompe il legame
  fosfodiestere nella parte del segmento alterato,
• una glicosilasi che rompe il legame tra base
  alterata e desossiribosio, e
• una esonucleasi che rompe il legame tra la
  porzione di DNA alterata e quella sana

48
Effetti delle radiazioni sulla cellula

• La riparazione prosegue con la sostituzione del
  frammento rimosso con uno nuovamente sintetizzato
  sotto lazione di una polimerasi, che sullo
  stampo della catena complementare porta alla
  formazione di un segmento di catena nuovo infine
  una ligasi permette il legame del nuovo segmento
  con i preesistenti
• La riparazione può essere molto rapida se non
  sono state permanentemente alterate ambedue le
  eliche in uno stesso segmento e se non si
  verificano ripetute irradiazioni che consolidano
  il danno e creano nuove lesioni
• La riparazione del DNA può essere completa ed
  efficace oppure avvenire con anomalie. Le lesioni
  del DNA possono divenire osservabili al momento
  della formazione dei cromosomi. Se la lesione si
  è verificata prima della fase di sintesi si
  osservano aberrazioni cromosomiche (fasi G0-G1 e
  parte della fase S), altrimenti si osservano
  aberrazioni cromatidiche (fasi s-G2). Le
  evoluzioni possibili della anomala riparazione
  delle rotture cromosomiche sono rappresentate da
  1) ripristino della condizione originale 2)
  ricongiungimento con inversione 3) traslocazione
  intra ed inter cromosomica 4) cromosoma ad anello

49
Effetti delle radiazioni sulle strutture cellulari

• E più sensibile il nucleo o il citoplasma?
• Sicuramente il nucleo, data la complessità di
  struttura degli acidi nucleici e la difficoltà
  nella riparazione del danno radioindotto
• DNA la rottura delle catene molecolari può
  portare alla perdita di interi spezzoni, oppure
  alla modificazione della sequenza del messaggio
• E il comportamento del DNA nelle diverse fasi
  del ciclo mitotico a condizionare le variazioni
  di radiosensibilità delle cellula

G2
S
G1
M
50
Effetti delle radiazioni sulle strutture cellulari

• Effetti sulla cellula isolata mediante
  irradiazioni con micro-fasci è stato possibile
  osservare che
• il nucleo è più radiosensibile del citoplasma
• la irradiazione del citoplasma determina fenomeni
  reversibili
• la irradiazione del nucleo può causare la morte
  cellulare. I danni cellulari si producono anche
  per dosi molto basse (0,25 Gy) nei tessuti
  radiosensibili e graduarsi in rapporto allentità
  della dose di esposizione
• Effetti sulle membrane cellulari lalterazione
  degli elementi costitutivi delle membrane
  cellulari, proteine e lipidi, è alla base del
  danno delle stesse. Le alterazioni di membrana
  determinano variazioni della permeabilità per
  ioni ed acqua e conseguenti squilibri di tipo
  elettrolitico. Secondo la funzione di ciascuna
  cellula possono verificarsi alterazioni di
  meccanismi fini, quali la conduzione degli
  impulsi nervosi, o talmente gravi da comportare
  la morte cellulare

51
Effetti delle radiazioni sulle strutture cellulari

• Effetti sul citoplasma il danno è in minima
  parte diretto, essendo per lo più correlato alle
  alterazioni delle membrane degli organelli
  citoplasmatici mitocondri, lisosomi, reticolo
  endoplasmatico.
• I mitocondri sono molto radiosensibili, con
  evidenziazione precoce del danno sotto forma di
  rigonfiamento e formazione di vacuoli tra le
  creste mitocondriali, a questi aspetti
  morfologici corrispondono variazioni dei processi
  biochimici
• Il danneggiamento dei lisosomi determina la
  liberazione di enzimi catabolici che danneggiano
  proteine, acidi nucleici e altri componenti
  essenziali della cellula
• Le alterazioni del reticolo endoplasmatico si
  traducono invece in danno di funzioni enzimatiche
  e alterazioni della sintesi mediata dallRNA
• Effetti sul nucleo una dose elevata può causare
  la morte cellulare immediata, dosi inferiori a
  quella letale possono determinare necrosi
  differite dovute al blocco del ciclo cellulare od
  alla comparsa di mitosi abortive. In questo caso
  le cellule possono conservare una certa attività
  metabolica, ma non riprodursi per alterazione dei
  cromosomi. Nei tessuti a lento rinnovamento le
  lesioni latenti spesso non appaiono fino al
  momento della mitosi

52
Effetti delle radiazioni sulle popolazioni
cellulari

• Nella maggior parte dei tessuti (es. midollo
  osseo o epitelio intestinale, vescicale,
  cutaneo), le cellule si trovano in una delle
  seguenti condizioni
• cellule staminali quiescenti in grado di
  dividersi e trasformarsi in cellule differenziate
• cellule in corso di maturazione e moltiplicazione
• cellule differenziate in attività incapaci di
  dividersi
• Altri tessuti (derma, tiroide, fegato) non
  possiedono questo tipo di organizzazione e non vi
  è una differenza significativa tra cellule
  staminali e differenziate il tessuto nervoso è
  per contro costituito essenzialmente da cellule
  altamente differenziate
• Ciascuna popolazione cellulare è caratterizzata
  da un proprio indice mitotico
• INDICE MITOTICO () durata delle mitosi/tempo
  di generazione globale

53
RADIOPATOLOGIAI fattori di radiosensibilità
cellulare

• FATTORI BIOLOGICI
• Radiosensibilità intrinseca
• Spermatogoni
• Linfociti, eritroblasti, granulociti, mieloblasti
• Cellule basali e delle cripte intestinali,
  stomaco, colon
• Cellule ovariche, cutanee, alveolari polmonari
• Cellule endoteliali
• Cellule connettivali
• Cellule tubulari renali
• Cellule ossee cellule nervose cellule muscolari
• La radioresistenza è una proprietà stabile di
  alcune linee cellulari tumorali. Il fenomeno
  sembra legato allespressione di alcuni oncogeni,
  quali il ras, il c-raf-1 e il v-mos. Altri geni,
  quali quelli appartenenti ad una famiglia di
  proteine definite cicline, sembrano responsabili
  di una induzione della radioresistenza attraverso
  la regolazione del ciclo cellulare

Radiosensibilità
54
RADIOPATOLOGIAI fattori di radiosensibilità
cellulare

• Capacità di riparazione del danno radioindotto
  esistono dei sistemi enzimatici, generalmente
  delle DNA-polimerasi, che sono adibiti a questa
  funzione. Lespressione di questa capacità può
  differire molto tra le diverse linee cellulari ed
  è una delle basi dei frazionamenti della dose in
  radioterapia oncologica
• Grado di organizzazione biologica del sistema
  irradiato gt è il livello di organizzazione del
  sistema irradiato, lt sarà il danno
• Caratteristiche dellambiente locale e generale
  grado di vascolarizzazione (presenza di
  ossigeno), farmaci radiosensibilizzanti e farmaci
  radioprotettori
• Cinetica cellulare le cellule staminali
  intestinali e dellepidermide hanno un analogo
  grado di radiosensibilità, tuttavia il tessuto
  intestinale è apparentemente più radiosensibile
  in quanto il tempo di rinnovamento intestinale è
  di 3 giorni mentre quello dellepidermide è di 14
  giorni

55
RADIOPATOLOGIAI fattori di radiosensibilità
cellulare

• FATTORI FISICI
• Dose somministrata
• Volume irradiato
• Natura delle radiazioni
• Modalità di somministrazione della dose

56
RADIOPATOLOGIA
Effetti dellirradiazione deterministici e
stocastici

57
EFFETTI DETERMINISTICI

• Complicanze sono danni che compromettono
  seriamente la salute del paziente e richiedono
  una terapia medica e/o chirurgica impegnativa
  (Escomplicanze precoci e tardive fistola
  rettale e leucemia)
• Effetti collaterali sono danni relativamente
  lievi che si verificano e si manifestano nel
  corso del trattamento, e successivamente
  regrediscono in modo completo
• (Es eritema, nausea, cistite)
• Sequele e postumi sono danni relativamente
  modesti, ma generalmente permanenti, che
  conseguono inevitabilmente, o con grande
  frequenza, ad un trattamento medico
• (Es menopausa dopo trattamento chirurgico o
  radioterapico di un tumore pelvico femminile)

58
EFFETTI STATISTICI (stocastici)

• Danni genetici si intende per danno genetico un
  danno al fenotipo (cioè un danno clinicamente
  evidente) di un individuo, causato da
  unalterazione del patrimonio genetico
  verificatosi nei suoi ascendenti
• Danni somatici (carcinogenesi) teoria della
  predisposizione individualegt un portatore di
  neoplasia è un soggetto a rischio per un 2
  tumore, indipendentemente dal tipo di terapia cui
  viene sottoposto per il 1
• Vi è incertezza riguardo al periodo di latenza
  tra irradiazione e comparsa del tumore
  radioindotto, generalmente stimato in 3-7 anni
  per la leucemia e 10-30 anni per i tumori solidi
• Per un portatore di una neoplasia il rischio di
  contrarre un 2 tumore a causa della RT è
  talmente piccolo in confronto al rischio di
  soccombere per il 1 che questa eventualità non
  deve dissuadere dallesecuzione della RT

59
Effetti delle radiazioni sui tessuti

• Lentità del danno è in rapporto
• alla dose somministrata e al tempo in cui è stata
  somministrata
• energia della radiazione (alta energia gt
  risparmio della cute)
• sede ed estensione del campo irradiato
• pregressi traumi chirurgici e radioterapici

60
Sindromi da panirradiazione

• Midollo osseo 2-10 Gy
• Epitelio intestinale 10-100 Gy
• Sistema nervoso centrale gt 100 Gy

Modalità di morte dopo panirradiazione
nellanimale
61
Sindrome osteomidollare

• Si osserva la scomparsa dei linfociti (subito
  dopo lesposizione), poi dei granulociti
  neutrofili (2-3 gg), poi delle piastrine e degli
  eritrociti
• La panirradiazione è utilizzata nel
  condizionamento dei trapianti di M.O.
• Sindrome del S.N.C.
• Si osservano irritabilità, iperreattività,
  epilessia e coma. La rapida modificazione della
  permeabilità dei vasi ematici provoca edema. La
  sindrome è irreversibile ed il trattamento
  sintomatico

62
Sindrome intestinale

• Infezioni sistemiche da parte della flora
  intestinale (mancanza di epitelio di difesa)
• Appiattimento dei villi, disepitelizzazione,
  alterazioni dei centri germinativi e delle cripte
  gt malassorbimento e diarrea
• Il concomitante danno a livello del M.O.
  favorisce le infezioni

63
CUTE

• Il grado di radiosensibilità varia in rapporto ai
  vari strati che la compongono.lepidermide,
  struttura a rapido rinnovamento, manifesta la sua
  risposta alle radiazioni sottoforma di eritema.
  Il derma e lipoderma, strutture a rinnovamento
  più lento, subiscono lesioni più tardive, spesso
  cumulative in caso di irradiazioni ripetute
• Eritema, iperpigmentazione, epidermolisi secca ed
  umida, alterazione degli annessi cutanei
  (follicoli piliferi, ghiandole sebacee e
  sudoripare), atrofia cutanea (cute secca,
  anelastica, con fini teleangiectasie)
• Occhio ed annessi
• Le palpebre subiscono le stesse alterazioni
  descritte per la cute perdita delle ciglia può
  verificarsi con dosi frazionate gt 30 Gy. Le
  ghiandole lacrimali sono abbastanza resistenti e
  la loro atrofia, con conseguente secchezza
  dellocchio, richiede dosi frazionate di almeno
  50 Gy
• Il cristallino è la struttura più radiosensibile
  dellocchio. Una dose unica di 2 Gy provoca
  cataratta qualunque sia il frazionamento, la
  dose cumulativa che produce cataratta è 12 Gy
• I danni morfologici a livello retinico sono meno
  frequenti e richiedono dosi assai più elevate
  (oltre i 50 Gy frazionati), così come quelli a
  carico del nervo ottico. Le lesioni sono per lo
  più secondarie al danno vascolare a livello
  retinico si manifestano precocemente come
  dilatazione dei capillari, formazione di
  microaneurismi, emorragie, essudato

64
Sistema nervoso centrale e periferico

• Encefalo la dose di tolleranza per irradiazione
  panencefalica è di 55 Gy in 5-6 settimane
  trattamenti su volumi più limitati comportano un
  aumento del limite di dose sino a 65 Gy.necrosi
  tardive si possono verificare anche in caso di
  volumi ridotti, quali quelli tipici della
  radiochirurgia stereotassica, con dosi singole di
  20-25 Gy. Precocemente può comparire un edema
  cerebrale, caratterizzato da cefalea, vomito e
  stasi papillare. Da qualche settimana a qualche
  mese dopo lirradiazione possono manifestarsi
  disturbi comportamentali, disartria, atassia,
  sonnolenza. Questi sintomi sono in genere
  reversibili e non progressivi e sembrano essere
  dovuti ad una transitoria interruzione della
  sintesi mielinica forse dovuta ad alterazioni
  della permeabilità capillare.

• Midollo spinale le dosi di tolleranza del
  midollo sono generalmente inferiori a quelle
  necessarie per sterilizzare la maggior parte
  delle neoplasie che insorgono nelle regioni che
  esso percorre. Il rischio di danno a livello
  midollare inizia quando la dose frazionata supera
  i 30-35 Gy e diventa consistente oltre i 50 Gy, è
  maggiore nel tratto toracico alto e lombare
  basso. La mielite può manifestarsi in modo
  transitorio e precoce (2-4 mesi dopo il
  trattamento) con parestesie e sensazione di
  scossa elettrica che può essere scatenata da
  flessioni od estensioni del capo (sindrome di
  Lhermitte), oppure permanente e tardivo (20-36
  mesi). Il danno è dovuto ad una alterazione della
  sintesi della mielina mediata da danno vascolare.
  I segni clinici della mielite dipendono dal
  livello in cui si è verificato il danno
  (paralisi, para o tetraplegia, disturbi
  sfinterici)
• Nervi periferici il danno più frequente è quello
  a carico del plesso brachiale, spesso esito della
  combinazione tra irradiazione, chirurgia e CHT

65
Ghiandole salivari

• In seguito ad esposizione di dosi singole di
  radiazione comprese tra 1 e 10mGy si verifica un
  periodo transitorio di scialorrea, a volte molto
  precocemente (3-4 ore dopo lirradiazione). Più o
  meno contemporaneamente si verifica un incremento
  del tasso ematico delle amilasi (sino a 10-20
  volte il valore normale) che può essere
  utilizzato come esame diagnostico per valutare
  lentità di una esposizione accidentale non
  altrimenti quantificabile con dosimetria
  convenzionale
• Nel corso dellirradiazione frazionata più
  significativa è la riduzione del flusso salivare,
  che in rapporto alla dose, può tradursi in una
  vera e propria xerostomia irreversibile con
  valori superiori a 60 Gy.
• La xerostomia ha poche possibilità di rimedio se
  la sua durata supera i 12-18 mesi e rappresenta
  un importante agente favorente le alterazioni
  dentarie e la necrosi dellosso mandibolare

66
Apparato gastroenterico, fegato e pancreas

• A livello delle mucose del cavo orale e del
  faringe la reazione precoce è lenantema, già
  durante la prima o seconda settimana di terapia,
  e prosegue con la comparsa di aree di
  disepitelizzazione, a volte confluenti. Sono
  presenti anche alterazioni del gusto, dolore e
  disfagia
• A livello dellesofago gli effetti possono essere
  simili, anche se compaiono con dosi superiori.
  Oltre il livello cumulativo di 60 Gy possono
  comparire ulcerazioni. Le manifestazioni tardive
  sono caratterizzate da atrofia delle mucose,
  fibrosi delle sottomucose e degenerazione della
  tunica muscolare e possono avere come conseguenza
  la stenosi
• A livello dellintestino tenue, dosi di 20-30 Gy
  comportano una sintomatologia caratterizzata da
  nausea, vomito crampi, diarrea, e sindrome da
  malassorbimento
• Per quanto attiene il fegato, una epatite si
  verifica a dosi relativamente basse se lintero
  organo è irradiato. Porzioni epatiche tollerano
  dosi intermedie. Trombosi delle vene epatiche
  sono descritte con dosi di 30-40 Gy. A questi
  livelli di esposizione è anche possibile una
  necrosi epatica differita a 3-6 mesi,
  circoscritta o estesa, potenzialmente letale
• Il pancreas sembra essere resistente alla
  irradiazione frazionata sono state descritte
  occasionali fibrosi tardive

67
Apparato respiratorio

• Trachea e bronchi hanno manifestazioni simili a
  quelli di altri organi cavi rivestiti da mucosa
• Per quanto attiene il polmone, nel corso di
  irradiazione frazionata una dose superiore a 30
  Gy in 4 settimane somministrata ad entrambi i
  polmoni determina una polmonite acuta seguita da
  fibrosi tardiva. Nel caso di irradiazione di
  parti più limitate del polmone a dosi superiori a
  40 Gy si manifestano segni radiologici tipici di
  una opacità alveolare nel territorio irradiato in
  più del 50 dei pazienti trattati. La fase
  tardiva è caratterizzata da collasso degli
  alveoli e riduzione della secrezione di
  surfactante. Segue la fibrosi polmonare
  progressiva e irreversibile nellarco di alcuni
  mesi, con riduzione di tutti i parametri di
  funzionalità respiratoria

68
Gonadi

• Testicolo dosi minime di 0.15 Gy possono già
  provocare sterilità temporanea. 2 Gy determinano
  oligospermia per un periodo di almeno un anno.
  Dosi superiori a 5-6 Gy determinano sterilità
  permanente, tuttavia senza effetti endocrini. Le
  cellule di Leydig, infatti, sono più resistenti e
  il danno si manifesta solamente per valori
  superiori a 12 Gy
• Ovaio una dose di 3 Gy è sufficiente per
  determinare sterilità temporanea con transitorio
  squilibrio endocrino e relativa amenorrea.la
  sterilità definitiva, accompagnata da menopausa
  artificiale, si verifica per dosi superiori a 10
  Gy.
• Rene
• La dose limite per la irradiazione frazionata di
  entrambi i reni è 20 Gy il superamento di questo
  livello di esposizione provoca nefrite che evolve
  in insufficienza renale complicata da anemia ed
  ipertensione arteriosa. La irradiazione
  monolaterale viene compensata dalla funzione
  vicariante del rene controlaterale

69
Frazioni di cellule sopravviventi

• La risposta di un tessuto allirradiazione cambia
  a seconda delle modificazioni apportate al
  modello di frazionamento della dose. Il concetto
  di mettere in relazione la dose totale atta a
  produrre un effetto biologico equivalente (un
  isoeffetto) con il tempo totale di trattamento
  mediante una formula matematica fu introdotto da
  Strandqvist nel 1944. Riportati su coordinate
  lineari i dati di Strandqvist sul rapporto
  tempo-dose, per una curva relativa al cancro
  cutaneo o per unaltra curva sulla tolleranza
  della cute normale, dettero curve paraboliche
  definite dallequazione D? Tx , dove D dose
  totale, T tempo totale del trattamento ed X una
  costante conosciuta come esponente della
  riparazione o pendenza della curva di isoeffetto.
• La formula proposta da Ellis è una delle più
  semplici e la più largamente usata. Secondo
  questa formula, le dosi iso-efficaci sono in
  rapporto con una dose nominale standard (NSD)
  espressa in unità di rad-equivalent-therapy
  (RET). Sfortunatamente la formula NSD non regge
  ad un severo esame. Quando si operano variazioni
  importanti nel frazionamento convenzionale, luso
  dellequazione NSD è potenzialmente pericoloso
  si può correre il rischio di sopravvalutare le
  dosi isoefficaci sia per i valori molto alti che
  per i valori molto alti del numero di frazioni

70
Frazioni di cellule sopravviventi
SF 1-(1-e-D/D0)n Secondo questa equazione, una
cellula subisce leffetto letale quando ha
accumulato il danno subletale in ognuno degli n
bersagli critici Tale curva è insoddisfacente
nella regione delle basse dosi perché implica un
effetto letale che si riduce progressivamente
mano a mano che diminuisce lentità della dose
per frazione
SF e-D/1D01-(1 e-D/nD0)n Curva modificata con
la componente di effetto letale per urto
singolo.la parte 1D0 per gli effetti letali ad
un urto definisce la pendenza iniziale della
curva di sopravvivenza e stabilisce un limite
superiore alla dose totale necessaria per un
dato livello di sopravvivenza
SF e-(?D ?D2) gt EQUAZIONE QUADRATICA In
questa equazione, ? si approssima al parametro
1/1D0 dellequazione B, e definisce la componente
ad un urto degli effetti letali cellulari. La
curva di sopravvivenza in C è simile a quella in
B a dosi relativamente basse. Tuttavia la curva
in C si piega continuamente verso il basso e
così, ad alte dosi la frazione di sopravvivenza è
più bassa che in B