Tumor is characterised by uncontrolled cell duplication

1
Tumor growth

• Tumor is characterised by uncontrolled cell
  duplication
• Tumor is clinically detectable when weights
  around 1 g about 109 cells
• The tumor damages mechanically surrounding
  healthy tissue and organs
• Tumor growth is described by its doubling time
  (volume)

2
Tumor growth and neovascularisation

• The growth of tumor is associated to formation of
  blood vessels needed for oxygen and food
  (neoangiogenesis)
• Rapidly growing tumors could have slower
  angiogenesis that leads to necrotic and hypoxic
  regions into tumors

3
Tumor growth after RT, CT and OT

• Tumor growth is stopped due to tumors cells
  death
• Tumor volume diminuishes slowly because death
  cells are evacuated slowly
• Local control
• All tumors cell are destroyed
• Immunitary killing of few survival cells
• Growth delay
• Proliferation stop (lag time)
• Some tumors cell die
• Volume reduction (clinical negativization)
• Surviving fraction restart (recidiva)

4
Tumor cells proliferation

• Cell kinetics
• Proliferating cells
• Quiescent cells (could proliferate but are at
  rest)
• Steryle cells (could not proliferate)
• Death cells (to be removed)

5
Cell cycle

• G1
• S
• G2
• M G1 or G0
• Check points fasi di arresto della progressione
  del ciclo con funzione di controllo della
  integrità cellulare
• Reclutamento trasferimento dalla fase di
  quiescenza alla fase di proliferazione

6
Tumor growth parameters

• Growth fraction
• frazione della popolazione cellulare in attività
  proliferativa
• Cell cycle duration (G1 to M)
• tempo impiegato da ogni cellula per dividersi
• Cell loss
• frazione della popolazione cellulare che muore
• Potential doubling time (Tpot)
• tempo che il tumore impiegherebbe per raddoppiare
  il proprio volume in assenza di cell loss
• Volume doubling time
• tempo di raddoppio reale considerando anche la
  cell loss

• Durata del ciclo 2 giorni (15 h 100 gg)
• Growth fraction 40
• Cell loss 90
• Tpot 5 gg
• Volume doubling time 70 gg

7
Fasi della interazione delle radiazioni ionizzanti
con i sistemi biologici
Produzione di modificazioni della struttura
chimica delle specie molecolari del sistema
biologico irradiato
-3

• Fase chimica
• Effetto diretto
• interazione diretta con molecole biologiche
• rottura legami nella catena nucleotidica del DNA
• Effetto indiretto
• interazione con le molecole di acqua presenti
  nella cellula
• produzioni radicali liberi (ROS)
• fissazione radicali su molecole biologiche
• induzione rottura legami chimici
• induzione legami anomali
• alterazione della struttura della molecola
• alterazione della funzione legata alla molecola
  danneggiata

10 sec
8
Fase chimica

• Prodotti della radiolisi dellacqua
• ioni H 2O
• e-
• OH
• H

• In presenza di O2
• HO2
• O2
• H2O2

• Destino dei radicali liberi
• inattivazione chimica per ricombinazione
• inattivazione scavenging da parte di radicali
  SH
• fissazione su molecole biologiche
• alterazione molecole biologiche

Molecole biologiche bersaglio Il danno della
molecola del DNA è classicamente considerato
levento chimico responsabile del danno che porta
alla morte cellulare
9
Fase chimica

• Effetti sulla molecola del DNA
• Struttura del DNA
• Macromolecola con struttura a doppia elica
  costituita da due filamenti fatti da una sequenza
  di nucleotidi ogni nucleotide è costituito da
  una base (Timina, Citosina, Adenina e Guanina),
  uno zucchero (desossiribosio) e un fosfato. Le
  basi sono legate fra loro dai gruppi
  zucchero-fosfato. I due filamenti configurati ad
  elica sono legati fra loro da legami idrogeno tra
  le basi (T-A e G-C).
• Durante la fase di sintesi del ciclo cellulare
  (S) la cellula replica il proprio DNA. La
  trascrizione della struttura del DNA è effettuata
  attraverso unaltra macromolecola (RNA messaggero)

10
Fase chimica

• Effetti sulla molecola del DNA
• La irradiazione può produrre vari tipi di
  alterazioni nella struttura della molecola del
  DNA per effetto diretto o indiretto
• alterazioni delle basi pirimidiniche (T , C ) o
  puriniche (A , G )
• alterazioni del desossiribosio
• rottura di legami con distacco di frammenti e
  formazione di nuovi legami nello stesso filamento
  o crociati
• rottura di un singolo filamento dellelica
  (Single Strand Break)
• rottura di entrambi i filamenti (Double Strand
  Break) per effetto di una singola traccia o di
  due tracce contemporanee (hot spots)

11
Fase chimica

• Effetti del danno del DNA
• Riparazione completa con restitutio
• avviene per la grande maggioranza delle
  alterazioni minori
• la cellula riprende la sua normale attività
• Riparazione erronea (misrepair)
• la cellula muore dopo alcune divisioni (morte
  mitotica ritardata)
• la cellula muore senza dividersi per
  accelerazione della morte programmata (apoptosi)
• la cellula non muore ma presenta mutazioni che
  possono modificare alcune funzioni
• Fissazione non riparabile del danno
• la cellula muore subito nel giro di ore per
  liberazione di enzimi litici indipendentemente
  dalla mitosi (morte interfasica) riguarda alcune
  specie cellulari specifiche (linfociti, ovociti,
  cell. salivari sierose)
• la cellula muore in occasione del primo evento
  mitotico (morte mitotica) o dopo alcune mitosi
  (morte mitotica ritardata)

Il danno non riparabile è sostanzialmente
rappresentato dalle doppie rotture (DSB)
12
Fasi della interazione delle radiazioni ionizzanti
con i sistemi biologici
effetti biologici conseguenti alle alterazioni
delle molecole biologiche

• Fase biologica
• La manifestazione clinica (effetto clinicamente
  rilevabile) delleffetto biologico delle
  radiazioni si verifica sempre ad una certa
  distanza dalla esposizione (tempo di latenza)
• Si parla di effetti acuti per indicare gli
  effetti che si manifestano a distanza di giorni
  da una esposizione singola o nel corso di una
  irradiazione frazionata
• Si parla di effetti tardivi per indicare gli
  effetti che si manifestano dopo mesi o anni dalla
  irradiazione
• Alcuni tessuti rispondono con effetti acuti e con
  effetti tardivi
• Altri manifestano solo effetti tardivi

Alla conoscenza dei meccanismi della reazione
tessutale alle radiazioni ha dato un impulso
decisivo la biologia molecolare
13
Radiobiologia molecolare
Patogenesi del danno da radiazioni

• Sequenza dalla biologia molecolare
• danno diretto e indiretto della molecola del DNA
• danno di molecole della membrana cellulare
• danno degli organelli citoplasmatici
• innesco dei meccanismi molecolari della reazione
  cellulare
• attivazione della espressione genica di mediatori
  chimici quali citochine e fattori di crescita
• induzione di una complessa cascata di eventi
  molecolari a livello della cellula, della matrice
  intercellulare, delle strutture stromali i cui
  effetti possono manifestarsi in un range
  temporale estremamente ampio
• morte mitotica
• differenziazione e avvio alla morte apoptotica
• manifestazioni della flogosi
• fibrosi
• angiogenesi
• cancerogenesi
• etc

Tempo di latenza tempo necessario perché gli
eventi molecolari verificatisi al momento della
interazione producano un effetto visibile
14
Radiobiologia molecolare
Eventi del danno radiobiologico regolati da
mediatori espressi da geni attivati dalla
esposizione alle radiazioni

• Induzione morte apoptica
• Induzione mediatori della flogosi
  (reazione acuta)
• Induzione danno endoteliale
  (necrosi tardiva)
• Induzione produzione collageno
  (fibrosi tardiva)
• Arresto progressione ciclo
  (riparazione DNA)
• Induzione proliferazione
  (ripopolazione)
• Variazione microambiente lt produzione ROS
  (radioresistenza)

15
Dose effect relationship

• Danno cellulare
• studio delleffetto delle radiazioni sulla
  capacità delle cellule di moltiplicarsi
• impiego di sistemi cellulari proliferanti in
  condizioni sperimentali
• studio dei meccanismi generali della risposta
  cellulare
• Danno tessutale
• studio degli effetti morfologici e funzionali
  delle radiazioni su uno specifico tessuto
  organizzato
• Danno clinico
• Studio delle conseguenze cliniche del danno su un
  determinato tessuto
• Effetto terapeutico
• Studio comparativo delleffetto sulla malattia da
  curare rispetto ai tessuti sani circostanti

16
Metodi di studio della capacità clonogenica

• Cellula staminale
• Capacità di replicarsi indefinitamente
• Capacità di rispondere a meccanismi omeostatici
• Mantenimento del compartimento staminale
• Mantenimento del compartimento differenziato
• Cellula clonogenica
• Cellula capace se messa in condizioni opportune
  di andare incontro a 5-6 generazioni di cellule
  formando un accumulo di almeno 50 cellule
• Test di capacità clonogenica
• Tecniche per misurare leffetto delle radiazioni
  sulla capacità di formare colonie di cellule
  clonogeniche
• Importanti per lo studio delleffetto delle
  radiazioni sulle cellule tumorali proliferanti

17
Studio della capacità clonogenica

• Curve di sopravvivenza cellulare
• Mettono in relazione
• la dose di radiazioni
• la frazione della popolazione cellulare irradiata
  che sopravvive misurata dalla capacità
  clonogenica (cellule che conservano la capacita
  di formare colonie)
• Forma delle curva di sopravvivenza (radiazioni a
  basso LET)
• in scala lineare
• sigmoide
• la sensibilità delle cellule irradiate può essere
  espressa dalla dose necessaria per ridurre la
  capacità clonogenica del 50 (ED50) o del 90
  (ED90) che però non da indicazioni sulla
  morfologia della curva
• in scala semilogaritmica
• spalla seguita da tratto rettilineo
• dopo la spalla leffetto è funzione esponenziale
  della dose
• la spalla esprime la capacità della cellula di
  riparare una parte del danno
• la pendenza della fase esponenziale esprime la
  sensibilità cioè la dose necessaria per ottenere
  un certo livello di effetto ed è indicata da D0
  (dose che riduce la fraz. sopravv. a e )

-1
18
Studio della capacità clonogenica

• Danno letale e danno subletale
• La presenza della spalla nella curva di
  sopravvivenza può essere interpretata supponendo
  due possibili modalità di danno cellulare
• Danno letale
• danno direttamente letale non riparabile (DSB)
• Danno subletale
• danno che può essere riparato dai meccanismi
  enzimatici intracellulari restaurando la capacità
  clonogenica
• è espressa dalla larghezza della spalla (dose
  necessaria prima di entrare nel tratto
  esponenziale)
• la riparazione del danno subletale richiede
  alcune ore dopo la esposizione
• è dimostrata la esistenza di una quota del danno
  subletale che dipende dalle caratteristiche
  dellambiente in cui la popolazione cellulare è
  mantenuta dopo la esposizione
• questa quota di danno riparabile si indica con il
  nome di danno potenzialmente letale

La forma della curva dose effetto di una
popolazione cellulare ne indica la
radiosensibilità
19
Studio della capacità clonogenica
i parametri della curva dose effetto possono
variare in rapporto a

• larghezza della spalla
• pendenza tratto esponenziale

• tipo di popolazione cellulare
• qualità della radiazione
• tipo di effetto considerato
• condizioni ambientali durante (ossigeno,
  temperatura) e dopo la esposizione
• aggiunta di farmaci

• La capacità di riparazione e quindi la
  radiosensibilità di una stessa cellula varia
  durante le fasi del ciclo cellulare
• maggiore in G2 e M
• minore in S e G

20
4 Rs of radiation biology

• Repair of cellular damage
• Reoxygenation of the tumor
• Redistribution within the cell cycle
• Repopulation of cells

21
Repair of sublethal injury

• Sublethal injury cells exposed to sparse
  ionization fields, can be repaired
• Killing requires greater total dose when given in
  several fractions
• Most tissue repair in 3 hours, up to 24 hours
• Allows repair of injured normal tissue, potential
  therapeutic advantage over tumor cells
• Radioresistance melanoma?

22
Reoxygenation

• Oxygen stabilizes free radicals
• Hypoxic cells require more radiation to kill
• Hypoxic tumor areas
• Temporary vessel constriction from mass
• Outgrow blood supply, capillary collapse
• Tumor shrinkage decreases hypoxic areas
• Reinforces fractionated dosing
• Hypoxic cell radiosensitizers, selective chemo

23
Redistribution

• Cell cycle position sensitive cells
• S phase radioresistant
• G2 phase delay increased radioresistance
• RAD9 gene mutation radiosensitive yeast
• H-ras and c-myc oncogenes - G2 delay
• Fractionated XRT redistributes cells
• Rapid cycling cells more sensitive (mucosa, skin)
• Slow cyclers (connective tissue, brain) spared

24
Repopulation

• Increased regeneration of surviving fraction
• Rapidly proliferating tumors regenerate faster
• Determines length and timing of therapy course
• Regeneration (tumor) vs. Recuperation (normal)
• Reason for accelerated treatment schedules
• Reason against
• Treatment delay
• Protracted XRT, split course XRT (designed delay)

25
Modalità di misura della risposta tissutale

• Definizione del tipo di risposta
• funzione cellulare (capacità proliferativa,
  attività metabolica)
• risposta tessutale / di organo (morfologica,
  funzione)
• risposta clinica (sintomatologia, sistemi di
  score)
• risposta di organismo (guarigione, tempo di
  sopravvivenza, morte)
• Definizione della scala quantitativa
• tutto o nulla
• entità della risposta
• andamento della risposta con il tempo
• accumulo delle risposte con il tempo
• andamento della risposta con la dose

26
Modalità di misura della risposta tissutale

• Andamento della risposta con il tempo (time
  course)
• Accumulo delle risposte con il tempo (cumulative
  response)
• Rapporto dose risposta (dose-response
  relationship)
• Variazione dei parametri della irradiazione per
  ottenere uguale effetto (isoeffect curves)

27
Modelli delleffetto radiobiologico
Le curve dose effetto sono state analizzate per
elaborare modelli matematici con i quali
interpretare il meccanismo di azione delle
radiazioni
Tra gli scopi dei modelli matematici è quello di
rendere i dati sperimentali trasferibili
allambito terapeutico, per la elaborazione di
strategie atte a migliorare leffetto sul tumore
e a ridurre gli effetti sui tessuti sani

• Tutti i modelli matematici assumono
• che la cessione di energia nella materia sia un
  processo random
• che la morte cellulare sia connessa al
  verificarsi di una interazione a livello di sedi
  particolarmente critiche delle cellula ai fini
  della sua possibilità di divisione
• che esistano nella molecola del DNA alcune sedi
  la cui integrità è indispensabile per consentire
  la divisione cellulare
• che la evenienza di una doppia rottura in una o
  più di tali sedi sia la causa della morte
  cellulare
• che tali sedi siano pertanto da considerare i
  bersagli o target che devono essere colpiti per
  avere leffetto biologico

28
Modello single target single hit

• In ogni cellula esiste un solo bersaglio
  sensibile la cui inattivazione produce la morte
  della cellula
• La inattivazione della capacità riproduttiva
  richiede un unico evento in questo bersaglio in
  ogni cellula

• Uno certo numero di eventi (hit) dovranno
  verificarsi nella cellula perché uno di questi
  colpisca il bersaglio
• La curva che descrive landamento della
  sopravvivenza cellulare in funzione della dose
  somministrata è di tipo esponenziale (lineare in
  carta semilogaritmica)
• La somministrazione di dosi successive distrugge
  sempre la stessa di cellule sopravvissute
• La radiosensibilità della popolazione è espressa
  dalla pendenza della retta
• La pendenza corrisponde alla dose (D) che
  riduce la popolazione cellulare da 1 a 0.37 (e
  )
• D è la dose che produce una media di 1 evento
  (hit) per target

-1
-1
29
Modello multi target single hit
In ogni cellula esistono più (n) bersagli
sensibili in ognuno dei quali devono verificarsi
almeno un evento per avere la perdità della
capacità riproduttiva

• La curva che descrive leffetto ha una spalla
  iniziale e una seconda parte esponenziale
• La larghezza della spalla dipende dal numero di
  bersagli che devono essere colpiti prima di
  determinare la morte della cellula
• N numero di estrapolazione definisce il numero
  dei bersagli
• Dq è la dose dopo la quale la curva assume un
  andamento esponenziale
• D esprime la pendenza del tratto esponenziale
• Le cellule che hanno dopo la esposizione un
  numero di bersagli colpiti inferiore a (n)
  possono riparare il danno entro alcune ore
• La larghezza della spalla condiziona leffetto
  del frazionamento della dose

30
Modello lineare quadratico (LQ)

• La inattivazione della capacità riproduttiva può
  avvenire sia per un singolo evento in un singolo
  target che per più eventi nello stesso target

• La prima modalità di danno(componente alfa) ha un
  andamento lineare con la dose
• la seconda (componente beta) un andamento
  quadratico (leffetto è proporzionale al quadrato
  della dose)
• La curva dose effetto risultante è priva di un
  tratto retto
• La prevalenza della prima o della seconda
  modalità di inattivazione determina la forma
  della curva

La morfologia della curva può essere descritta
dal rapporto alfa / beta
31
Modello lineare quadratico

• Componente alfa
• componente lineare del danno (Gy )
• corrisponde al danno direttamente letale (non
  riparabile)
• può essere identificata con gli eventi di DSB
• è prevalente nelle linee cellulari con scarsa
  capacità di riparazione
• è prevalente con radiazioni ad alto LET
• è prevalente a basso dose rate
• risente poco del frazionamento

-1

• Componente beta
• componente quadratica del danno (Gy )
• corrisponde al danno riparabile
• può essere identificata con gli eventi di SSB
• è prevalente nelle linee cellulari con alta
  capacità di riparazione
• risente molto del frazionamento

-2
32
Modello lineare quadratico

• Rapporto alfa / beta
• Poiché
• il parametro alfa ha le dimensioni del Gy
• il parametro beta ha le dimensione del Gy
• Alfa / beta ha le dimensioni del Gy

-1
-2
Alfa / beta è la dose (in Gy) alla quale la
contribuzione del danno di tipo lineare
corrisponde a quella del danno di tipo quadratico

• Alfa / beta alto
• prevalenza di danno non riparabile
• la curva dose effetto tende ad essere rettilinea
  dallorigine

• Alfa / beta basso
• prevalenza di danno riparabile
• la curva dose effetto ha una spalla iniziale più
  evidente

33
Modello lineare quadratico

• valori alfa / beta

• Tessuti normali a risposta acuta
• rapido ricambio cellulare
• organizzazione gerarchica
• cute
• mucose alte vie aereo digestive
• intestino
• midollo emopoietico
• Tumori a rapido ritmo proliferativo

7 20 Gy

• Tessuti normali a risposta tardiva
• lento ricambio
• organizzazione di tipo flessibile
• rene
• fegato
• tessuto nervoso (encefalo, midollo spinale
• Tumori e lento ritmo proliferativo

0.5 - 6 Gy
34
Modello lineare quadratico
Il valore di alfa/beta determina la modalità di
risposta alle variazioni dei parametri della
irradiazione

• Laumento delleffetto con laumento della dose
  per frazione è
• minore nei tessuti ad alfa/beta alto
• linfluenza della quota del danno che può essere
  riparata nellintervallo tra le frazioni è meno
  rilevante

Limpiego di dosi per seduta elevate è più
dannoso per i tessuti ad alfa beta basso rispetto
a quelli ad alfa/beta alto
35
Modello lineare quadratico
Il valore di alfa/beta determina la modalità di
risposta alle variazioni dei parametri della
irradiazione

• La perdita di effetto con il frazionamento della
  dose, rispetto alla irradiazione in dose singola
• è maggiore nei tessuti ad alfa beta basso
• una quota più rilevante del danno può essere
  riparata nellintervallo tra le frazioni

Il frazionamento della dose protegge i tessuti
ad alfa/beta basso rispetto a quelli ad alfa/beta
alto
36
Calcolo dose isoeffetto con il modello LQ

• Serve a
• calcolare di quanto modificare la dose totale
  quando si modifica il frazionamento o viceversa,
  per ottenere lo stesso effetto
• confrontare diverse modalità di frazionamento
• confrontare irradiazione frazionata e
  irradiazione continua
• confrontare irradiazioni continue con diverso
  dose rate
• sommare dosi somministrate sullo stesso paziente
  con frazionamento diverso
• deve garantire di non superare la dose massima
  tollerata dai tessuti sani quando si cambia il
  frazionamento

Formula più in uso BED (biologically equivalent
dose)
D dose totale d dose per frazione
BED D1 d / (alfa/beta)
37
(No Transcript)
38
(No Transcript)
39
Prostate
FOWLER J., CHAPPELL R. and RITTER M., Int. J.
Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 50,4,
1021-1031, 2001.