KAYNAK KİTAPLAR Basic Clinical Radiobiology , 4.baskı Ed. Michael Joiner ve Albert van der Kogel Radiobiology for the Radiologist, 6.baskı Eric J. Hall, Amato J. Giaccia

GÜNCELLENEN KİTAPLAR Radiobiology for the Radiologist, 7.baskı Basic Clinical Radiobiology , 5.baskı Ed. Michael Joiner ve Albert van der Kogel (ŞUBAT 2018) Radiobiology for the Radiologist, 7.baskı Eric J. Hall, Amato J. Giaccia (PİYASADA)

YENİ KİTAPLAR

Klinik Radyobiyolojiye Giriş, DNA hasarı, Radyasyona Bağlı Hücre Ölümü Temel Klinik Radyobiyoloji Kursu 11-12 Kasım 2017 İzmir Beste Atasoy bmatasoy@marmara.edu.tr

(Klinik) Radyobiyoloji Radyasyon Onkolojisinde iyonizan radyasyonun biyolojik etkilerini kanıtlar ışığında inceler.

Radyasyon= Enerji Dalga boyu ve frekans

Elektromagnetik spektrum

RADYASYONUN ETKİLERİNİN ZAMANA GÖRE İNCELENMESİ saniye 10-18 10-12 10-6 100 106 Fiziksel Kimyasal Biyolojik Fiziksel etkiler 10-18 – 10-14s Enerji birikimi, iyonizasyon/eksitasyon Kimyasal etkiler 10-12 – 10-1s İndirekt etkiler/serbest radikal oluşumu (OH•, H•) Biyolojik etkiler 100s  105s Hücresel etkiler (Enzimatik aktivite; DNA’nın tamiri) 100  103 gün Doku üzerine etkiler - erken dönem 101  104 gün Doku üzerine etkiler – geç dönem FONKSİYONEL ETKİLER

Fiziksel Etkiler Partikülün/EM dalganın doku ile etkileşiminin başlaması Elektronun DNA ile karşılaşması 10-18 sn Memeli hücresini geçmesi 10-14 1 Gy’lik absorbe dozda 10μm’lik bir hücrede 105 iyonizasyon gerçekleşir.

Kimyasal Etkiler Hasarlı atomlardan oluşan moleküllerin diğer molekül ve hücre bileşenleri ile etkileşime geçmesi (kimyasal reaksiyonlar) (Reaktif) serbest radikaller oluşur. 1 mili saniyede tamamlanır. Sülfidril grupları ile sabitlenir.

Dokularda ve organlarda Biyolojik Etkiler HÜCRE DNA ve DNA dışı hasar KLİNİKTE Dokularda ve organlarda ERKEN HİPOPLAZİ Hedef hücre: Kök hücre Sürekli çoğalan dokular GIS, Kİ, Deri GEÇ VASKÜLERİTE Hedef hücre:Endotel Atrofi Fibrozis

ÖLÇME ve DEĞERLENDİRME HÜCREDE In vivo/In vitro assayler Klonojenik assay DOKUDA/ORGANDA Histopatolojik ve Fonksiyonel değerlendirme İNSANDA Skorlama/derecelendirme Tedavi cevabı, Yaşam Kalitesi

Hücre düzeyinde Re-growth delay

İYONİZAN RADYASYON SEÇİCİ DEĞİLDİR.     REPOPÜLASYON REOKSİJENASYON REDİSTRİBÜSYON RADYOSENSİTİVİTE REPAIR (TAMİR)   NORMAL DOKU MALIGN DOKU

KLASİK RADYOBİYOLOJİDE HEDEF DNA’DIR KLASİK RADYOBİYOLOJİDE HEDEF DNA’DIR. DİREKT ETKİ= DNA İNDİREKT ETKİ= SU MOLEKÜLÜ H2O

Hasar küçük enerji paketleriyle gerçekleşir. Spur: <100 eV - 3 iyon çifti içerir -4nm Blob: 100-500 eV – 12 iyon çifti – 7 nm Bir paketle aynı anda 20 baz hasarı Blob: Nötron, alfa partikülerde Spur: X-, gamma Büyük paket = Büyük hasar !!! DNA

Radyasyona bağlı hücre ölümünde DNA hasarının kritik önemi vardır. 1- Kısa menzilli RA izotopla DNA içinde hasar oluşturan deneylerlerden elde edilen veriler Sitoplazma ışınlaması ile hücre ölümüne neden olmak için daha yüksek doz gerekmesi 2- Kromozom aberasyonları ile hücre ölümü arasında var olan doğru orantı

İyonizan radyasyona maruziyet sonrası 20’ye yakın baz hasar çeşidi görülebilmektedir; baz kayıpları da oluşabilir. M Dizdaroğlu Mutation Research,1992

SSB ya da DSB oluşturmak için gerekli en düşük enerjiler Radyasyonun DNA üzerinde oluşturduğu hasar şekilleri (Bir hücrede 1 Gy düşük LET’li radyasyondan sonra) Baz hasarı ~3000 Şeker hasarı ~1000 DNA’da iyonizasyon ~2000 DNA’da eksitasyon ~2000 DNA-DNA crosslinks ~30 DNA-protein crosslinks ~150 Tek sarmal kırığı ~1000 Çift sarmal kırığı ~40 SSB ya da DSB oluşturmak için gerekli en düşük enerjiler SSB: 20 eV DSB: 50 eV McMillan & Steel, 1993

DNA hasarı Endojen DNA hasarı (hücre/gün) 50.000 SSB 10 DSB UV ve iyonizan radyasyon karşılaştırması 1000000 baz hasarı = 40 DSB

Clustered (kümelenmiş) hasarlar Basit hasar Clustered (küme) hasar B* B* B* Tek bir baz hasarı İki baz hasarı Tek bir sarmal kırığı Her iki sarmal üzerinde kırık B* 2 tek sarmal 1 baz hasarı B* JF Ward, Radiat Res. 1981 JF Ward, Radiat Res. 1997 3 tek sarmal 1 baz hasarı

Radyasyon ve diğer ajanlara bağlı oluşan lezyonların miktarları JF Ward Prog Nucleic Acid Res Mol Biol 1988

Işınlanan DNA için senaryolar Gen ekspresyonları Gen mutasyonları Kromozomal değişiklikler Genomik instabilite Hücre ölümü TAMİR DNA DAMAGE RESPONSE DDR

DNA’nın tamiri: 1. Homolog rekombinasyon 5’ 3’ Tek homologda DSB Memeli hücresindeki önemi az Hücre çevriminin S ve G2 fazlarında etkin, Doğru tamir ihtimali yüksek Ekzonukleaz aktivitesi Eksizyon Homolog sarmalın invazyonu BRCA1/2, RAD51 Yeni DNA’nın sentezi

DNA’nın tamiri: 2. Non-homologous endjoining (NHEJ) Memeli hücresi için önemli yoldur. Özellikle hücre çevriminin G1 fazında etkindir. Hata ihtimali yüksek: DSB’nin en az %25’i tamir olmaz ya da hatalı tamir olur. Ku70/Ku80, Artemis, XRCC4, Ligase, DNA-PKcs

Herskind et al. Radiation Oncology (2017) 12:24

HÜCRE SİKLUSUNDA DURMA/GECİKME DNA hasarı DSB DNA hasar sensörleri: PARP, MRN, ATM proteinleri HÜCRE SİKLUSUNDA DURMA/GECİKME DNA tamiri DNA tamiri: HR, NHEJ TAMİR VAR TAMİR YOK TAMİR YOK / HATALI MUTASYON HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM GENOM KUSURU YOK HÜCRE ÖLÜMÜ HÜCRE SİKLUSUNA DEVAM ONKOGENESİS

Radyasyon sonrası DNA tamiri üzerine etkili faktörler Zaman (genellikle IR sonrası 6 saat içinde) Hücre siklusu, fazı (S fazında tamir oranı yüksek) Doz hızı Fraksiyon dozu/toplam doz Radyasyonun tipi/kalitesi

BAZ EKSİZYON TAMİRİ (BER) YANLIŞ EŞLEŞMİŞ BAZLARIN TAMİRİ (MMR) TAMİR MEKANİZMALARI BAZ EKSİZYON TAMİRİ (BER) YANLIŞ EŞLEŞMİŞ BAZLARIN TAMİRİ (MMR) SSB TAMİRİ (SSBR) DSB TAMİRİ (DSBR- HR – NHEJ) NÜKLEOTİD EKSİZYON TAMİRİ (NER) Heleday 2008; Lieberman 2008; Powell & Bindra 2009; Jackson & Bartek, Nature, 2009

DNA hasarının küçük moleküllerle yönetilişi

Tamir kusuru olan mutantlarda radyosensitivite DSB tamir kusuru olan mutantlar wild type’a göre ~ 3 kat daha radyosensitif

PARP1 İNHİBİTÖRÜ- OLAPARIB (RZD2281) Klinik kullanımda Akciğer tümöründe ilk basamak

Irradyasyon sonrası hücre nasıl ölür? 1. Apoptosis (tip 1 PCD): Ekstrinsik (Kaspaz) / intrinsik 2. Otofaji (tip 2 PCD) 3. Nekroz 4. Hücresel yaşlanma: Replikatif (premature) senescence (metabolik olarak yaşayan ancak bölünmeyen) 5. Mitotik katastrof: Mitotik arrest!!! 6. Bystander (death) ölüm

Hücre ölüm modelleri HB Forrester, Cancer Res 1999 REC:myc hücreleri 9.5 Gy IR’dan 40 saat sonra; mavi: uniform hücre membranına sahip hücreler, pembe: apoptotik hücreler ve parçaları HB Forrester, Cancer Res 1999

TNF-related apoptosis inducing ligand TRAIL TNF-related apoptosis inducing ligand Kaspazlar Bcl-2

Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür?

Irradyasyon sonrası hücre ne zaman ölür? 1.Erken: pre-mitotik ölüm İnterfaz ölümü; timosit, lenfosit, spermatogonia SOLİD TÜMÖRDE ÖNEMİ AZ 2. Geç: post-mitotik ölüm Reprodüktif / mitotik hücre ölümü Neredeyse tüm proliferatif hücrelerin radyasyona verdiği cevap geç dönem mitotik arrest şeklindedir. EPİTELYAL HÜCRE İÇEREN DOKULAR

Mitotik ölüm (arrest-katastrof) Hücrenin proliferatif durumuna ve hızına bağlıdır. Erken ya da geç dönemde olabilir. Hücre birkaç bölünme daha yaşayabilir. DNA tamir kapasitesinden etkilenir. Arrest sonrası hücre herhangi bir nedenle ölebilir.

terminal ve interstitial Kromozomal aberasyonlar= mitotik katastrofi nedeni (Incorrect segregation) Karşılıklı değişimler (RE) translokasyon Disentrik Tam değişimler (CE) trisentrik insersiyon sentrik ring Kırıklar terminal ve interstitial delesyonlar Tam olmayan değişimler (IE) Tam olmayan disentrik

OTOFAJİ ve RADYOSENSİTİVİTE Y Xin, J Cancer Res Clin Oncol, 2017

APOPTOTİK İNDEKS VE PROGNOZLA İLİŞKİSİ 6 çalışmada AI’in yüksek olması iyi 8 çalışmada AI’nin yüksek olması kötü 13 çalışmada anlamsız Brown & Wilson, Cancer Biol and Ther 2003

ÖZETLE Irradyasyon sonrası hücre DNA hasarı ve mitotik katastrof nedeniyle; nekroz, otofaji, yaşlanma ve apoptosis yollarından birini veya birkaçını kullanarak ölür.

Dersten öğrendiklerimiz Hedef molekül: DNA Çift sarmal kırığı (DSB) DSB tamiri: HR, NHEJ DNA damage response sistemi Mitotik arrest (katastrof)