II Università degli Studi di Napoli D.U. “F. Magrassi – A. Lanzara
Sez. Scientifica di Diagnostica per Immagini
Salvatore Cappabianca
La radioterapia oncologicaconsta di quell’insieme di tecniche e metodicheche sfruttano le proprietà
delle radiazioni ionizzantiquale strumento terapeutico
per il controllo o la curadei tumori maligni
I n c i d e n t R a d i a t i o n
Radioterapia e Biotecnologie
• Conoscere le interazioni delle radiazioni ionizzanti con la materia vivente
• Capire le modalità di interazione delle RI con il tessuto neoplastico
Radioterapia e Biotecnologie
• Modalità di somministrazione delle RI• Tecnologia della strumentazione
Le radiazioni ionizzanti (R.I.) impiegate in radiologia in generale
ed in radioterapia oncologica (RT) in particolare agiscono sulla materia
vivente attraverso una serie di fenomeni complessi, che
riconoscono come elemento di base la capacità di tali energie di produrre
ionizzazioni
RADIAZIONI IONIZZANTI E MATERIA VIVENTE
• RADIOFISICA• RADIOBIOLOGIA• RADIOPATOLOGIA
– Effetti indesiderati delle radiazioni ionizzanti– Effetti curativi delle radiazioni ionizzanti
INTERAZIONI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI CON
LA MATERIA VIVENTE
– FASE FISICA (immediata)– FASE BIOFISICA (10-18 –10-3 s)– FASE FISICO-CHIMICA– FASE CHIMICA– FASE BIOCHIMICA– FASE BIOCHIMICO-BIOLOGICA (s –m)– FASE BIOLOGICA (giorni, mesi, anni, generazioni)
FASE FISICA Emissione, cessione,trasferimento di energia
FASE BIOFISICA Fenomeni di eccitazione e ionizazione
FASEFISICO-CHIMICA
Interazione diretta (atomi)Formazione di radicali liberi
FASE CHIMICA Rottura di legami, polime-rizzazioni, depolimerizzazioni
FASE FISICA
Emissione, cessione, trasferimento di energia
FASE BIOFISICA
Fenomeni di ionizzazione e di eccitazione
FASE FISICO-CHIMICA
Direttamente sugli atomi
Formazione di radicali liberi
FASE CHIMICA
Rottura di legami, polimerizzazioni e depolimerizzazioni
FASE BIOCHIMICA
Alterazioni molecolari
FASE BIOCHIMICO-BIOLOGICA
Danni a DNA, RNA, danni citoplasmatici, inibizioni enzimatiche
FASE BIOLOGICA
Aberrazione di varie componenti cellulari, alterazioni morfofunzionali, e metaboliche, lesioni del materiale genetico
FASE FISICA
La fase fisica rappresenta il primo momento della interazione delle RI con la materia e consta fondamentalmente nell’emissione di energia, nel trasferimento dell’energia nello spazio e della cessione e/o assorbimento della energia recata dalla RI da parte della materia
FASE BIOFISICA
La fase biofisica inizia contemporaneamenteall’assorbimento dell’energia da parte degli elementi chimici contenuti nell’ambiente in cui si propagano le RI.
FASE BIOFISICA
La interazione delle RI con le strutture atomiche si manifesta attraverso fenomeni di eccitazione e di ionizzazione
ECCITAZIONEDislocazione di un elettrone da un’orbita periferica ad un’altra
orbita a maggior contenutoenergetico
IONIZZAZIONEEspulsione di un elettrone
dall’orbita periferica di un atomo
Le RI, a seconda delle loro caratteristiche fisiche possono produrre ionizzazioni in maniera diretta o in maniera indiretta, e pertanto vengono suddivise in radiazioni direttamente ed indirettamente ionizzanti
FASE BIOFISICA
Le radiazioni direttamente ionizzanti sono le radiazioni corpuscolari cariche:
- Radiazioni a- Elettroni- Protoni
FASE BIOFISICA
Le radiazioni a ed i protoni agiscono sulla materia mediante un’interazione con il campo elettromagnetico degli elettroni orbitali, producendo in tal modo ionizzazioni ed eccitazioni
FASE BIOFISICA
Gli elettroni interagiscono con la materia secondo due differenti modalità
FASE BIOFISICA
Interazione con il campo elettromagnetico di elettroni orbitali con produzione di ionizzazioni, eccitazioni
e trasferimento termico
Interazione con il campo elettromagnetico di nuclei atomici, deviazione della traiettoria e cessione di energia
che si propaga sotto forma di radiazione elettromagnetica
Le radiazioni elettromagnetiche (X e g) producono effetti di ionizzazione indiretta, attraverso tre differenti meccanismi:
FASE BIOFISICA
• DIFFUSIONE COERENTE• EFFETTO FOTOELETTRICO• EFFETTO COMPTON• PRODUZIONE DI COPPIE• FOTODISINTEGRAZIONE
INTERAZIONE TRA RAGGI X E MATERIA
• DIFFUSIONE CLASSICA: interazione tra un fotone di bassa energia ed un atomo. Il fotone non perdeenergia,ma viene deviatodalla direzione incidente.
EFFETTO FOTOELETTRICO
Il fotone interagisce con un elettrone orbitale,
determinandone l’espulsionedall’atomo
EFFETTO FOTOELETTRICO
L’energia del fotone viene interamente assorbita
dall’elettrone, che assumerà un’energia cinetica pari alla differenza tra l’energia della radiazione fotonica, sottratta
dell’energia di legamedell’elettrone
EFFETTO COMPTON
Si produce quando il fotone interagisce con un elettrone libero o legato debolmente all’atomo (*)
mediante un urto elastico.
L’energia ceduta dal fotone all’elettrone rappresenta soltanto una piccola parte dell’energia della RI e si
ritrova sotto forma di energia cinetica
(*) l’energia di legame deve essere di molto inferiore all’energia della RI
EFFETTO COMPTON
In seguito all’urto elastico si verifica la diffusione della RI, secondo un angolo compreso tra 0° e 180° rispetto
alla direzione del fotone incidente
La RI diffusa avrà un’energia inferiore rispetto a quella del fotone incidente
EFFETTO COMPTON
L’elettrone che ha subito l’urto elastico, d’altro canto si comporterà come un elettrone dotato di elevata energia cinetica determinando ionizzazioni secondarie a carico delle strutture atomiche che incontrerà durante il suo
moto
PRODUZIONE DI COPPIE
È un effetto che si verifica nel caso di RI di energia superiore ad 1.022 MeV
Tali RI interagiscono con il campo magnetico presente in corrispondenza di strutture ad elevato numero
atomico
PRODUZIONE DI COPPIE
In seguito a tale interazione la RI si annulla dando origine a due particelle del peso di un elettrone delle
quali una è carica positivamente e l’altra negativamente
PRODUZIONE DI COPPIE
In seguito a tale interazione la RI si annulla dando origine a due particelle del peso di un elettrone delle
quali una è carica positivamente e l’altra negativamente
FASE FISICO-CHIMICA
La fase fisico chimica si esplicita attraverso due differenti meccanismi: Ionizzazione diretta Ionizzazione indiretta
FASE FISICO-CHIMICA:ionizzazione diretta
Consiste nel processo fisico della cessione di energia attraverso il quale gli atomi che costituiscono le molecole subiscono una ionizzazione legata al trasferimento dell’energia fotonica
FASE FISICO-CHIMICA:ionizzazione indiretta
Si verifica quando la ionizzazione del materiale biologico avviene mediante la formazione di “radicali liberi”, cioè di molecole fortemente reattive, prodottesi per l’interazione dell’energia fotonica con esse, capaci di determinare ionizzazioni secondarie
FASE FISICO-CHIMICA:ionizzazione indiretta
L’elemento maggiormente coinvolto nel processo di ionizzazione secondaria è rappresentato dall’acqua, dalla quale, mediante un fenomeno denominato “radiolisi dell’acqua” si producono elementi atomici o molecolari fortemente reattivi
FASE FISICO-CHIMICA:ionizzazione indiretta
Radiolisi dell’acqua
H2O-
H°
OH-
H2O+
H+
OH° ossidante
riducente
FASE FISICO-CHIMICA:ionizzazione indiretta
Radiolisi dell’acqua
ossidante
riducenteH° + H° = H2
OH° + OH° = H2 O2
H° + OH° = H2 O Reazione di ritorno
FASE CHIMICA
È la fase che segue immediatamente la fase fisico-chimica nella quale le alterazioni indotte dall’azione diretta e/o indiretta delle RI si estrinseca a livello molecolare attraverso la rottura di una successione di atomi, alterazione dei legami intra ed intermolecolari, formazione di nuovi legami (ponti) e, quindi, polimerizzazione e depolimerizzazione di macromolecole
FASE BIOCHIMICA
Costituisce la fase in cui le alterazioni chimiche si estrinsecano a livello delle macromolecole biologiche sia in maniera diretta, che attraverso i fenomeni indotti dalla formazione di radicali liberi. Di fatto costituiscono la prima fase dello sviluppo delle alterazioni biochimico-biologiche e biologiche, nelle quali il danno molecolare indotto si trasforma in un danno cellulare, mediato dalle alterazioni macromolecolari
Il TARGET
L’obiettivo della Radioterapia è quello di determinare la “morte cellulare” a livello del tessuto neoplastico
Il TARGET
Il tessuto neoplastico è costituito da un grande numero di cellule, derivate da un’unica cellula progenitrice, nelle quali non esistono meccanismi di regolazione della riproduzione cellulare
MORTE CELLULARE
Incapacità da parte di una cellula di riprodursi all’infinito
La capacità riproduttiva di una cellula è condizionata essenzialmente dalla capacità di essa di replicare il suo DNA e di dar vita ad un’altra entità cellulare perfettamente uguale a se stessa
FASE BIOCHIMICO-BIOLOGICA
Nella fase biochimico-biologica il target fondamentale dell’azione delle RI è rappresentato dal nucleo cellulare ed in particolare dal DNA, a carico del quale possono verificarsi differenti alterazioni
Critical Target is DNA
CellNucleus contains DNANucleus contains DNA
DNA is packaged on chromosomesDNA is packaged on chromosomesDNA double stranded helixDNA double stranded helix
Radiation Biology
30-100 Trillion Cells at Risk30-100 Trillion Cells at Risk
• Different Cell Types• Different Cell Cycle• Different Cell Targets
• Different Cell Types• Different Cell Cycle• Different Cell Targets
FASE BIOCHIMICO-BIOLOGICA
Rotture singole di catenaRotture doppie di catenaFormazione di ponti e di legami
intermolecolari
motivation•biological effects of ionizing radiation on living cells
radiation track has to pass cell nucleus
damage due to DNA single and double strand breaks
not only due to direct impact of high energy quanta of radiation
cell
nucleus
TA CAC ..........
AT GTG ..........
sugar-phosphate backbonesingle stranded DNA
complementary strand
nucleobases
single strand break double strand break
a,b,g,etc
e- e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
radical
radical
radical
radical
ion
ion
ion
ion secondary particlescause most of
the damage
RI – DNA e Riprod. Cellulare
La somministrazione di una dose di 1.5Gy di raggi X può determinare la morte di circa i
2/3 di una popolazione cellulare di mammiferi …
… ma tutte le cellule della popolazione hanno subito danni a livello del DNA
1000 rotture singole 50 rotture doppie
RI – DNA e Riprod. Cellulare
Nella popolazione cellulare sopravvissuta una gran parte delle cellule ha riparato il danno
a livello del patrimonio genetico…
… ma quanto è efficace la riparazione???
RI – DNA e Riprod. Cellulare
Qual è l’importanza della fase del ciclo cellulare ai fini della irradiazione curativa?
Administering a radiation dose to prevent or cure a disease
• removal or killing of cancer cells
• halting of further proliferation
• palliative
Principal application in cancer therapy (but not only)
Methods: combinations of• surgery removal bulk of tumour
• chemotherapy cell killing and preventing proliferation
• immunotherapy harnessing of body’s own defence systems
• radiotherapy cell killing
Radiation in Medicine Radiotherapy Basics