Radiobiologia Clinica Radiobiologia di organi e tessuti Effetti fisici, chimici e biologici delle radiazioni ionizzanti

Radiazione: fenomeno comportante il trasporto di energia nello spazio L’energia è misurata in Joule o elettronvolt (eV) 1 eV = 1,6 x 1019 Joule Radiazione ionizzante: l’energia ceduta alla materia attraversata produce eccitazione o ionizzazione degli atomi RADIAZIONI Direttamente ionizzanti (elettroni, protoni, particelle , muoni) Indirettamente ionizzanti (neutroni, fotoni X e ) Energia > 12 eV

Sorgente: qualsiasi apparecchio o sostanza o fenomeno che emette radiazioni ionizzanti

Le radiazioni elettromagnetiche I 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)

Le radiazioni elettromagnetiche I fotoni  Sono fotoni emessi da radioisotopi secondariamente all’emissione 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, l’Ir192.

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 l’energia dei fasci Neutroni: privi di carica elettrica, prodotti da reattori nucleari e LINAC. Intensa attività ionizzante

Fase fisica: effetti elementari Eccitazione: si ha quando la Rx incidente possiede una energia < a quella del legame tra elettrone e nucleo. In tal caso la Rx riesce soltanto a spostare l’elettrone dal suo strato fondamentale ad uno strato più esterno Ionizzazione: si ha quando la Rx incidente possiede energia > a quella del legame elettronico. In tal caso l’elettrone viene espulso dal suo atomo.

Interazione dei fotoni (Raggi X) con la materia Effetto fotoelettrico: tutta l’energia 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 l’energia di legame

Interazione dei fotoni (Raggi X) con la materia Effetto Compton: rappresenta l’effetto più importante nell’ambito della Radioterapia. Il fotone incidente urta elasticamente contro un elettrone delle orbite esterne, cedendogli una parte dell’energia e deviando la propria traiettoria; l’energia acquisita dall’elettrone provoca l’espulsione dello stesso dall’atomo

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)

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 -l’effetto delle Rx ionizzanti sulle cellule dipende dalla differenziazione morfologica e funzionale delle stesse

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

RADIOBIOLOGIA L’acqua, per motivi di rappresentazione quantitativa, costituisce la molecola con la quale ha luogo, pressoché costantemente, la interazione della particella ionizzante. Radiolisi ionizzativa: h+H2O => H2O+ +e- e- +H2O => H2O- H2O+ => H+ + OH° H2O- => H° + OH-

In assenza di O2 e di biomolecole ( es 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 l’elevata elettroaffinità, catturerà radicali H dando luogo alla formazione del radicale HO2 (ad alto potere ossidante ): O2 + H => HO2 HO2 + e- => HO2- HO2- + H+ => H2O2 H2O2 + 2H => 2H2O

Ciò spiega come nei substrati biologici l’effetto 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 all’entità 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 l’apporto di O2 per diffusione. Queste cellule ipossiche o anossiche sono poco radiosensibili

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

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 l’accumulo 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

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

LET: trasferimento lineare di energia E’ l’energia depositata dalla radiazione lungo un percorso rettilineo all’interno 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

EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVA A parità di dose fisica somministrata in un volume corporeo macroscopico, l’effetto 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

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 l’entità della dose nella singola frazione, somministrando 2-3 frazioni al giorno fino a dose totale maggiore nel tempo usuale (es. melanoma). Ipofrazionamento: si aumenta l’entità della dose nella singola frazione, riducendo il tempo totale (trattamenti palliativi).

Il frazionamento presenta 2 variabili: dose/fx e tempo Iperfrazionamento < 180-200 cGy < ipofrazionamento fx convenzionale Accelerato < tempo “convenzionale” < split course

LE 4 “R” DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT Riparazione del danno subletale: tra una frazione e l’altra, 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: nell’intervallo 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

LE 4 “R” DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RT Ridistribuzione delle cellule ciclanti: le fasi G2 ed M sono le più sensibili all’effetto 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 l’attività proliferativa, richiamando nel ciclo divisionale cellule in riposo.

Tipologie di tessuto in base alle caratteristiche di radioresponsività Tessuti che rispondono più lentamente per turnover cellulare basso=> maggiore capacità di riparare il danno (“spalla” della curva più ampia ):tessuti late responders Tessuti che rispondono più rapidamente per turnover elevato=> 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 l’uso di dosi elevate per frazione influisca sull’effetto 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)

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” =>  basso => + sensibili al fx (alta dose/fx = elevata tossicità tardiva; piccola dose/fx= bassa tossicità tardiva) Tessuti “acute responders” =>  alto => - sensibili al fx ( non ci sono differenze nei confronti delle dosi/fx, grandi o piccole che siano => tossicità acuta comunque presente )

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

TOSSICITA’ ACUTA (acute responders) dose EFFETTO tempo > è il tempo di trattamento, > è la tossicità Le neoplasie sono costituite da tessuti acute responders!

TOSSICITA’ TARDIVA (late responders) dose EFFETTO frazionamento > è la dose per frazione, > è la tossicità

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

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 sull’alterazione 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

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 sull’adozione 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 tutt’ora 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

Fattori che modificano l’effetto biologico delle radiazioni: biologici, fisici, chimici

Radioterapia in iperbarismo di O2 Si basa sull’utilizzo 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 all’iperbarismo) 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

Radiazioni corpuscolari Neutroni: ottenuti con un ciclotrone, bombardando con un fascio di protoni un bersaglio di berillio Rispetto ai fotoni possiedono una > EBR: minore importanza dell’effetto 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 all’irradiazione Svantaggi: minore intervallo terapeutico (> sensibilità anche dei tessuti sani) distribuzione di dose: > assorbimento nei tessuti lipidici ( > rischio di danno al tessuto nervoso e all’adipe sottocutaneo)

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

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 l’efficacia Impiego combinato di più farmaci con tossicità differenziata Monitoraggio farmacocinetico della tossicità durante il trattamento

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

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 all’interno di volumi sensibili Ottenuti con energie molto + alte rispetto a quelle utilizzate quotidianamente e quindi di nessuna importanza

IL RISCHIO BIOLOGICO IN R.M.N. In RMN il semplice enunciato dell’assenza 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

E’ possibile distinguere: Fenomeni magnetomeccanici: orientamento di macromolecole, torsione di materiali ferromagnetici Fenomeni magnetoelettrici: temporanee anomalie dell’onda T elettrocardiografica, alterazione dei parametri di funzionamento dei pacemaker Effetti termici: aumento della temperatura delle regioni corporee irradiate, in particolare delle gonadi

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 dall’azione 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 all’alterazione di geni indispensabili alla vita cellulare La morte riproduttiva è quella più frequente nell’ambito delle dosi di esposizione normalmente impiegate nella pratica clinica

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)

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. L’effetto biologico finale può essere correlato a fattori fisici quali la concentrazione di ossigeno e la temperatura dell’ambiente in cui si verifica l’irradiazione, nonché l’importanza funzionale del sistema danneggiato

Effetti delle radiazioni sulla cellula Effetti su proteine ed enzimi: l’azione delle rx si manifesta con alterazioni delle catene principali, costituite dalla sequenza degli aminoacidi, formazione di legami tra molecole diverse o all’interno 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 l’azione delle rx non sull’enzima 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

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 l’acido 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 l’azione 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

Effetti delle radiazioni sulla cellula La riparazione prosegue con la sostituzione del frammento rimosso con uno nuovamente sintetizzato sotto l’azione 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

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 S G2 G1 M

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 all’entità della dose di esposizione Effetti sulle membrane cellulari: l’alterazione 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

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 dall’RNA 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

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

RADIOPATOLOGIA I 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 all’espressione 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

RADIOPATOLOGIA I fattori di radiosensibilità cellulare Capacità di riparazione del danno radioindotto: esistono dei sistemi enzimatici, generalmente delle DNA-polimerasi, che sono adibiti a questa funzione. L’espressione 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: > è il livello di organizzazione del sistema irradiato, < sarà il danno Caratteristiche dell’ambiente locale e generale: grado di vascolarizzazione (presenza di ossigeno), farmaci radiosensibilizzanti e farmaci radioprotettori Cinetica cellulare: le cellule staminali intestinali e dell’epidermide 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 dell’epidermide è di 14 giorni

RADIOPATOLOGIA I fattori di radiosensibilità cellulare FATTORI FISICI Dose somministrata Volume irradiato Natura delle radiazioni Modalità di somministrazione della dose

RADIOPATOLOGIA Effetti dell’irradiazione: deterministici e stocastici

EFFETTI DETERMINISTICI Complicanze: sono danni che compromettono seriamente la salute del paziente e richiedono una terapia medica e/o chirurgica impegnativa (Es:complicanze 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)

EFFETTI STATISTICI (stocastici) Danni genetici: si intende per danno genetico un danno al fenotipo (cioè un danno clinicamente evidente) di un individuo, causato da un’alterazione del patrimonio genetico verificatosi nei suoi ascendenti Danni somatici (carcinogenesi): teoria della predisposizione individuale=> 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 dall’esecuzione della RT

Effetti delle radiazioni sui tessuti L’entità del danno è in rapporto: alla dose somministrata e al tempo in cui è stata somministrata energia della radiazione (alta energia => “risparmio” della cute) sede ed estensione del campo irradiato pregressi traumi chirurgici e radioterapici

Sindromi da panirradiazione Midollo osseo 2-10 Gy Epitelio intestinale 10-100 Gy Sistema nervoso centrale > 100 Gy Modalità di morte dopo panirradiazione nell’animale

Sindrome osteomidollare Si osserva la scomparsa dei linfociti (subito dopo l’esposizione), 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

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 => malassorbimento e diarrea Il concomitante danno a livello del M.O. favorisce le infezioni

CUTE Il grado di radiosensibilità varia in rapporto ai vari strati che la compongono.l’epidermide, struttura a rapido rinnovamento, manifesta la sua risposta alle radiazioni sottoforma di eritema. Il derma e l’ipoderma, 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 > 30 Gy. Le ghiandole lacrimali sono abbastanza resistenti e la loro atrofia, con conseguente secchezza dell’occhio, richiede dosi frazionate di almeno 50 Gy Il cristallino è la struttura più radiosensibile dell’occhio. 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

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 l’irradiazione 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

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 l’irradiazione). 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 l’entità di una esposizione accidentale non altrimenti quantificabile con dosimetria convenzionale Nel corso dell’irradiazione 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 dell’osso mandibolare

Apparato gastroenterico, fegato e pancreas A livello delle mucose del cavo orale e del faringe la reazione precoce è l’enantema, 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 dell’esofago 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 dell’intestino 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 l’intero 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

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 nell’arco di alcuni mesi, con riduzione di tutti i parametri di funzionalità respiratoria

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

Frazioni di cellule sopravviventi La risposta di un tessuto all’irradiazione 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 un’altra curva sulla tolleranza della cute normale, dettero curve paraboliche definite dall’equazione 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, l’uso dell’equazione 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

Frazioni di cellule sopravviventi SF = 1-(1-e-D/D0)n Secondo questa equazione, una cellula subisce l’effetto 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 l’entità della dose per frazione SF = e-D/1D0[1-(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) => EQUAZIONE QUADRATICA In questa equazione,  si approssima al parametro 1/1D0 dell’equazione 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