Biologiczne oddziaływanie promieniowania o wysokim LET

Janusz Braziewicz (1), Joanna Czub (1), Jan Dyczewski (2), Marian Jaskóła (3), Andrzej Korman (3), Ludwik Pieńkowski (4), Piotr D. Rybak (2), Zygmunt Szefliński (2), Andrzej Wójcik (5)

(1) Instytut Fizyki, Akademia Świętokrzyska, Kielce
(2) Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, Warszawa
(3) Instytut Problemów Jądrowych, Świerk
(4) Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów, Warszawa
(5) Instytut Biologii, Akademia Świętokrzyska, Kielce

Założenia naukowe

Rysunek 1: dE/dx dla jonów węgla w wodzie w funkcji energii na nukleon (a) i w funkcji zasięgu z zaznaczeniem wybranych energii (b). W/g Northcliffe and Schilling [4]

Biologiczne działanie promieniowania o wysokim LET budzi żywe zainteresowanie w związku z jego wykorzystaniem w radioterapii oraz narażeniem personelu lotniczego i załóg misji kosmicznych. Ze względu na wysoką względną skuteczność biologiczną ciężkich jonów oraz korzystny rozkład dawki w tkance, ich zastosowanie w terapii nowotworów (terapia hadronowa) może okazać się bardziej skuteczne od terapii protonowej. Duży wkład ciężkich jonów w promieniowaniu kosmicznym powoduje wyższe, na jednostkę dawki, ryzyko efektów stochastycznych niż w przypadku promieniowania ziemskiego. Dotyczy to zarówno personelu obsługującego loty samolotowe jak i rosnącą grupę astronautów. Osobnicza wrażliwość komórek naszego organizmu na działanie promieniowania jonizującego jest zróżnicowana [4]. Fakt ten ma zasadnicze znaczenie zarówno w radioterapii pacjentów jak i ochronie radiologicznej osób narażonych zawodowo na działanie promieniowania. Pacjenci poddawani radioterapii otrzymują z góry ustalone dawki promieniowania. Wysokość stosowanej dawki terapeutycznej ustala się dla danego rodzaju nowotworu na podstawie wyników wyleczalności danego typu schorzenia z uwzględnieniem pewnego, dopuszczalnego poziomu ryzyka poważnego odczynu popromiennego zdrowych tkanek [5]. Rozpoznanie pacjentów promieniowrażliwych przed rozpoczęciem terapii pozwoliłoby na ograniczenie poważnych odczynów popromiennych przez indywidualne dostosowanie planu radioterapii lub jej zaniechanie na korzyść innej formy terapii [6,7] . W dziedzinie ochrony radiologicznej limity dopuszczalnych dawek opierają się na szacunku ryzyka dla "przeciętnego" człowieka. Analogicznie jak w przypadku pacjentów, narażenie zawodowe na promieniowanie w zakresie dopuszczalnych dawek może być dla osób o wysokiej promieniowrażliwości osobniczej źródłem ponadprzeciętnego ryzyka dla zdrowia, którego można by uniknąć, gdyby istniała możliwość rozpoznania takich osób przed ich narażeniem. Nie dziwi więc, że badania ostatnich lat skupiły się na szukaniu metod umożliwiających określenie osobniczej promieniowrażliwości. Uwarunkowania osobniczej wrażliwości na czynniki uszkadzające DNA, takie jak promieniowanie jonizujące mogą mieć różne podłoże. Znane są defekty białek nadzorujących integralność i naprawiających uszkodzenia DNA w takich zespołach chorobowych jak ataksja teleangiektazja (nadwrażliwość zarówno w homo-, jak w heterozygotach), zespół Nijmegen lub niedokrwistość Fanconiego [8,9]. Ponadto obserwuje się przypadki nasilonych reakcji po radioterapii u chorych, u których nie stwierdzono takich zespołów chorobowych [10]. Wydaje się, że najbardziej obiecującym wskaźnikiem osobniczej promieniowrażliwości są aberracje chromosomowe analizowane w limfocytach ludzkich. Ostatnie prace potwierdzają zróżnicowany poziom popromiennych aberracji w limfocytach zdrowych dawców [11] oraz wskazują na korelację między poziomem popromiennych aberracji i reakcją pacjenta na radioterapię [12]. We wszystkich opublikowanych dotychczas badaniach nad osobniczą promienio-wrażliwością napromieniano limfocyty promieniowaniem o niskim LET. Zdumiewa brak danych na temat promieniowania o wysokim LET. Nie wiadomo, czy limfocyty różnych dawców reagują z różną wrażliwością na promieniowania o wysokim LET. Nie wiadomo też, czy istnieje korelacja między wrażliwością limfocytów na promieniowanie o niskim i wysokim LET. Ze względu na wzrastające narażenie ludzi na ciężkie jony wydaje się, że badania nad oceną osobniczej wrażliwości na promieniowanie o wysokim LET są jak najbardziej uzasadnione. Choć istnieją już modele oddziaływania promieniowania z komórkami oparte na fizyce jonizacji [13], to mechanizmy zmian genetycznych są na tyle złożone, że istnieją jedynie uproszczone oszacowania wpływu promieniowania na te zmiany. Jak wskazują obliczenia Monte Carlo dla trajektorii ciężkiego jonu penetrującego materię [3], jon deponuje swoją dawkę w radialnym obszarze odległym od trajektorii nie więcej niż kilka nm. Jak obliczamy dalej jony 12C deponują najwyższą dawkę w ostatnich kilkudziesięciu μm swojej trajektorii.

Opis układu pomiarowego

Poznanie fizycznych mechanizmów zmian genetycznych wymaga systematycznych badań. Do przeprowadzenia planowanych badań budowane jest stanowisko eksperymentalne, które zostanie wykorzystane zarówno w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w Warszawie na wiązkach jonów o wysokim LET jak również w eksperymentach do badania oddziaływania promieniowania o niskim LET w Świętokrzyskim Centrum Onkologii w Kielcach. W proponowanych wstępnych pomiarach w ŚLCJ wykorzystano wiązki jonów ¹²C o energii 100 MeV degradowane przez folie do energii 20 MeV z krokiem 20 MeV. Schemat układu pomiarowego, który został zbudowany i zainstalowany na jonowodzie cyklotronu oraz przetestowany w eksperymencie z czerwca 2004, przedstawiono na rysunku 2. Podstawowymi elementami układu są: skaningowy stolik x-y do badanych tarcz biologicznych, układ pomiaru natężenia i rozkładu wiązki, układ pomiaru deponowanej dawki promieniowania. Dodatkowo do analizy wyników naświetlania będzie wykorzystywany układ pomiarowy do analizy przeżycia i analizy zaburzeń chromosomowych. Podjęcie planowanych badań radiobiologicznych na wiązce cyklotronu warszawskiego narzucało pewne ograniczenia, które uwzględniono w projektowanym układzie eksperymentalnym:
a) Pomiar efektów biologicznych wywołanych oddziaływaniem ciężkich jonów musi być przeprowadzony na stanowisku pomiarowym na zewnętrznej wiązce jonów. Dlatego też, w układzie próżniowym zawierającym cienką folię na wyjściu jonowodu zastosowano szybki zawór automatycznie odcinający próżnię.

Rysunek 2: Układ pomiarowy użyty w eksperymencie z 3-4 czerwca 2004.