UNIVERSITAUNIVERSITA’’ G.G. DD’’ANNUNZIOANNUNZIODIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E DIPARTIMENTO DI SCIENZE CLINICHE E

DELLE BIOIMMAGINIDELLE BIOIMMAGINI

ACCELERATORE LINEAREACCELERATORE LINEARE

TIPI DI RADIAZIONI IONIZZANTITIPI DI RADIAZIONI IONIZZANTI

•• ElettromagneticheElettromagnetiche:– raggi X– raggi γ

•• CorpuscolateCorpuscolate:– elettroni– protoni– neutroni

FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE FASI DEI PROCESSI DI INTERAZIONE FRA RADIAZIONI E MATERIAFRA RADIAZIONI E MATERIA

Fase Tempo EffettoFisica 10 –13 sec. Effetti elementariFisico-chimica Tra 10-9 e 10-6 sec. Formazione di radicali liberi e

perossidi

Biochimica Frazioni di s-settimane Inattivazione di enzimi e di organulicellulari

Biologica Giorni-mesi-anni Inattivazione, riparazione, mortecellulare e tissutale

Clinica Giorni-mesi-anni Manifestazioni cliniche a caricodell’organismo

INTERAZIONE FRA RADIAZIONI INTERAZIONE FRA RADIAZIONI IONIZZANTI E MATERIAIONIZZANTI E MATERIA

• I processi di interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia di importanza biologica sono:Eccitazione:

si verifica quando la radiazione incidente possiede una energia inferiore a quella del legame tra l’elettrone ed il nucleo. In questo caso la radiazione riesce solo a spostare l’elettrone dal suo strato fondamentale ad uno strato piùesterno.

Ionizzazione:si verifica quando la radiazione incidente possiede un’energia

superiore a quella del legame elettronico. In tal caso l’elettrone viene espulso dal suo atomo il quale si trasforma in catione.

Fluorescenza:Fluorescenza:a causa dell’eccitazione o ionizzazione, lo strato fondamentale (1) o lo strato ionizzato (2) tendono a ricompletare il numero di elettroni e quindi a riceverne uno.

Nel primo caso (eccitazione), vi può essere un solo e- che si sposta da un’orbita esterna allo strato fondamentale con emissione di un solo fotone di energia (hν = W fondamentale - W eccitato); oppure il riassestamento può avvenire per opera di una cascata di elettroni dalle orbite esterne verso quelle più interne: in tal caso vi saranno più fotoni, ciascuno par ial dislivello energetico tra le due orbite.Nel secondo caso (ionizzazione), il rimpiazzo dell’elettrone può avvenire direttamente con la cattura di un elettrone libero e quindi con l’emissione di un solo fotone; oppure anche in questo caso con una cascata di elettroni dalle orbite più esterne, cui corrispondono altrettanti fotoni.

fotoni di fluorescenza dopo eccitazione bassa energiabassa energiafotoni di fluorescenza dopo ionizzazione alta energiaalta energia

Effetto Effetto AugerAuger::

L’energia emessa dal riassestamento degli elettroni, anziché manifestarsi con fluorescenza, può essere trasmessa ad un elettrone di uno strato periferico che, qualora l’energia ricevuta sia superiore a quella di legame, viene espulso dall’atomo, prendendo il nome di elettrone Auger.

Nei tessuti biologici lNei tessuti biologici l’’effetto effetto AugerAuger èè molto pimolto piùùimportante della fluorescenza, potendo importante della fluorescenza, potendo rappresentare sino al 90% dellrappresentare sino al 90% dell’’energia liberata energia liberata dal riassestamento atomico.dal riassestamento atomico.

INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIAINTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIA

Nella tabella seguente sono schematizzate le diverse modalitàcon cui i fotoni ionizzano le molecole dei tessuti biologici in rapporto all’energia del fotone incidente

Energia Eff.to fotoelettrico Compton Materializzazione10 KeV 95 % 5 % -25 KeV 50 % 50 % -

100-1021 KeV - 100 % -1022 KeV - 100 % inizia20/30 MeV - 50 % 50 %

EFFETTI DELLEFFETTI DELL’’INTERAZIONE DEI FOTONI INTERAZIONE DEI FOTONI CON LA MATERIACON LA MATERIA

effetto fotoelettricoeffetto fotoelettrico: tutta l’energia del fotone incidente viene trasferita ad un elettrone delle orbite interne, che viene espulso ed acquista un’energia cinetica pari alla differenza energetica tra il fotone incidente e l’energia di legame.effetto effetto ComptonCompton: il fotone incidente urta contro un elettrone dell’orbita esterna, cedendogli una parte dell’energia e deviando la propria traiettoria; l’energia acquistata dall’elettrone provoca l’espulsione dello stesso dall’atomo.effetto coppiaeffetto coppia: il fotone incidente, dotato di alta energia, nell’attraversare il campo elettrico di un atomo sparisce dando luogo a 2 elettroni, l’uno positivo e l’atro negativo, cioè si materializza. Il destino dei 2 elettroni e differente; quello negativoperde progressivamente energia, che cede causando fenomeni di ionizzazione: il positrone si unisce ad un elettrone e la massa di questi elettroni si annulla ritrasformandosi in energia sotto forma di fotoni aventi direzione opposta (annichilazione).

EFFETTO FOTOELETTRICOEFFETTO FOTOELETTRICO tutta l’energia del fotone incidente viene trasferita ad un

elettrone delle orbite interne, che viene espulso ed acquista un’energia cinetica pari alla differenza energetica tra il fotone incidente e l’energia di legame. L’intensità del fenomeno è direttamente proporzionale al numero atomico del mezzo.

EFFETTO COMPTONEFFETTO COMPTONil fotone incidente urta contro un elettrone dell’orbita esterna, cedendogli una parte dell’energia e deviando la propria traiettoria; l’energia acquistata dall’elettrone provoca l’espulsione dello stesso dall’atomo. L’intensità del fenomeno non è proporzionale al numero atomico.

EFFETTO COPPIAEFFETTO COPPIA il fotone incidente, dotato di alta energia, nell’attraversare

il campo elettrico di un atomo sparisce dando luogo a 2 elettroni, l’uno positivo e l’atro negativo, cioè si materializza. Il destino dei 2 elettroni è differente; quello negativo perde progressivamente energia, che cede causando fenomeni di ionizzazione: il positrone si unisce ad un elettrone e la massa di questi elettroni si annulla ritrasformandosi in energia sotto forma di fotoni aventi direzione opposta (annichilazione).

INTERAZIONE DEGLI ELETTRONI CON LA INTERAZIONE DEGLI ELETTRONI CON LA MATERIAMATERIA

• Collisione anelastica o elettrone-elettrone:– è il fenomeno prevalente nei tessuti biologici

• Collisione elastico o elettroni-nucleo:– interessa poco i tessuti biologici

• Frenamento o “Bremsstrahlung”:– scarsamente importante nei tessuti biologici. EE’’ alla base alla base

della produzione di raggi X dai tubi della produzione di raggi X dai tubi radiogeniradiogeni. . • Elettrodisintegrazione nucleare o elettrone nucleo:

– trascurabile nei tessuti biologici. Con esso si possono produrre isotopi radioattivi.

BUILDBUILD--UPUP• È un fenomeno che si determina quando un fascio

di fotoni colpisce perpendicolarmente un corpo per cui la quota più rilevante di energia non viene ceduta alla superficie del corpo stesso, ma ad una certa profondità di esso, che varia in rapporto alle caratteristiche del materiale e della radiazione.

• È assai utile in radioterapia perché consente, usando fotoni di alta energia, di risparmiare in modo apprezzabile la cute.

ACCELERATORE LINEARE (LINAC)ACCELERATORE LINEARE (LINAC)• Il LINAC accelera gli elettroni, prodotti per effetto

termoionico, secondo una traiettoria rettilinea, utilizzando il campo elettrico di un’onda elettromagnetica prodotta da un apparato (Klystron o Magnetron).

• Gli elettroni vengono trasportati dalle onde elettromagnetiche come dei “surf” dalle onde del mare acquisendo via via energia cinetica sempre maggiore.

• Questi elettroni accelerati impattano contro una targhetta di platino o tungsteno a cui consegue produzione di fotoni X ad alta energia (effetto di Bremsstrahlung).

• Per ottenere la focalizzazione degli elettroni durante l’accelerazione è applicato un campo magnetico assiale.

• Gli elettroni prodotti nel modo illustrato precedentemente subiscono una prima collimazione da parte di un collimatore fisso (primario) e attraversano il “monitor”costituito da due camere di ionizzazione a piatti paralleli che coprono l’intera superficie del fascio.

• Il monitor serve per controllare la simmetria del fascio, l’intensità di dose e la dose integrata (unità monitor).

• Infine le dimensioni del fascio di fotoni X vengono regolate da un collimatore mobile mentre per gli elettroni viene aggiunto un collimatore supplementare per ridurne la diffusione.

• Il Linac per il suo funzionamento necessita di altre due apparecchiature sussidiarie:–– pompa aspirantepompa aspirante: pratica il vuoto spinto nelle cavità;–– impianto di raffreddamentoimpianto di raffreddamento: circuito chiuso ad acqua tridistillata.

VANTAGGI DEI FOTONI X AD ALTA ENERGIAVANTAGGI DEI FOTONI X AD ALTA ENERGIA

• Altissimo potere di penetrazione rispetto ai raggi γ del 60CO• minore penombra con maggiore precisione;• elevata intensità (50 Gy/min ad 1 m).

60CO 6 MV 18 MVDistanza sorgente-cute 80 100 100Curva d’isodose a –3 cm 87% 95% 100%Curva d’isodose a –5 cm 78% 87% 96%Curva d’isodose a –10 cm 56% 67% 78%Curva d’isodose a – 15 cm 39% 51% 63%

SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL LINACSCHEMA DI FUNZIONAMENTO DEL LINAC

• Gli elettroni emessi vengono guidati da microonde si impattano su un bersaglio generando raggi X che con opportuni collimatori vengono indirizzati sul paziente.

• Se si elimina il bersaglio gli elettroni, di varia energia a seconda dell’accelerazione a cui sono stati sottoposti, raggiungono direttamente il paziente.

SCHEMA DI LINAC (GE, SIEMENS)SCHEMA DI LINAC (GE, SIEMENS)

SCHEMA DI LINAC (VARIAN)SCHEMA DI LINAC (VARIAN)

LINACLINAC

Gantry

Movimento a 360°

Supporto del gantry

Lettino di trattamento

RADIOBIOLOGIARADIOBIOLOGIA

• L’acqua, per motivi di rappresentazione quantitativa, costituisce la molecola con la quale ha luogo, pressoché costantemente, la interazione della particella ionizzante.

• Radiolisi ionizzativa: – hν+H2O => H2O+ +e-

– e- +H2O => H2O-

– H2O+ => H+ + OH-

– H2O- => H+ + OH-

• 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 èpresente, 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

• L’O2, di per sé, è in grado di sottrarre elettroni alle biomolecoleossidandole e di costituire con esse perossidi organici di elevata tossicità:–– OO22 + e+ e-- =>=> OO22

–– RH + OHRH + OH =>=> R + HR + H22OO

–– R + OR + O22 =>=> RORO22

• Ciò spiega come nei substrati biologici l’effetto indotto a paritàdi 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 èsempre 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

MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MORTE CELLULAREMORTE CELLULARE

RADIAZIONI IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTItipo di radiazione ionizzante interazioni con la materia

Danno irreparabile del DNA- Danno della membrana cellulare

Morte cellulare: perdita della capacità proliferativa

LESIONI RADIOCHIMICHE DEL DNA per:

azione diretta delle particelle cariche

azione indiretta di molecole atomiche reattive (radicali liberi)

EFFETTO LETALE SULLA CELLULAEFFETTO LETALE SULLA CELLULA• Densità di ionizzazione = intensità di dose• Ossigeno intracellulare = >O2 >effetto killer• Farmaci radiosensibilizzanti

Risposta delle cellule alle radiazioniRisposta delle cellule alle radiazioni

• E’ espressa dalla curva dosecurva dose--rispostarisposta ( ovvero l’effetto letale in funzione della dose ):

• Indica la percentuale di cellule sopravviventi a diverse dosi di radiazioni ionizzanti

N.BN.B.: valida sia per cellule normali che neoplastiche.: valida sia per cellule normali che neoplastiche

CURVA DOSE RISPOSTACURVA DOSE RISPOSTA Il primo tratto della curva è

chiamato spallaspalla, perché ha un andamento meno rapido, essendo espressione della minore efficacia di basse dosi, cioè dosi inferiori a quelle necessarie per l'uccisione secondo bersagli multipli; il decremento che si registra in corrispondenza della spalla e conseguenza delle sole uccisioni per colpo singolo, mentre l’ampiezza della spalla stessa èespressione della capacità di riparazione intracellulare del danno danno subletalesubletale..

CARATTERISTICHE DELLA CURVA CARATTERISTICHE DELLA CURVA DOSEDOSE--RISPOSTARISPOSTA

• 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 capacitàriparativa cellulare e quindi progressivo danno cellulare

RADIOSENSIBILITÀ CELLULARE• E’ la capacità delle radiazioni ionizzanti di provocare

alterazioni biologiche significative ( morte o arresto della proliferazione ) nelle cellule di un tumore o in quelle di un tessuto normale

RADIORESPONSIVITÀ CELLULARE• E’ la velocità con cui si manifestano clinicamente le

alterazioni biologiche radioindotteDA RICORDARE CHE:la risposta alle Rx ionizzanti di un tumore dipende dalla % di cellule capaci di riprodursil’effetto delle Rx ionizzanti sulle cellule dipende dalla differenziazione morfologica e funzionale delle stesse

BERSAGLI MULTIPLI E COLPO UNICOBERSAGLI MULTIPLI E COLPO UNICO• Le curve di sopravvivenza cellulare sono in accordo con il modello

matematico “a bersagli multipli e corpo 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 nFattori influenzanti il noo medio di bersagli per cellulamedio di bersagli per cellula• condizioni fisiologiche della cellula• presenza o meno di ossigeno• turnover cellulare (elevato indice mitotico)Fattori che influenzano la pendenza della curvaFattori 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

TIPOLOGIE DI TESSUTO IN BASE ALLE TIPOLOGIE DI TESSUTO IN BASE ALLE CARATTERISTICHE DI RADIORESPONSIVITCARATTERISTICHE DI RADIORESPONSIVITÀÀ

•• Tessuti normali che rispondono piTessuti normali che rispondono piùù lentamentelentamente per turnover cellulare basso=> maggiore capacità di riparare il danno (“spalla”della curva più ampia ): tessuti late responders

•• Tessuti normali che rispondono piTessuti normali che rispondono piùù rapidamenterapidamente per turnover elevato=> minore capacità di riparare il danno (“spalla” della curva più stretta ): tessuti acute responders

• In radiobiologiaradiobiologia 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 α/β

α: rappresenta il coefficiente di dose lineare (il danno cellulare subito alla1a dose somministrata)

β: rappresenta il coefficiente del quadrato della dose ( il danno cellulare subito dalla sommatoria delle dosi somministrate)

ObbiettivoObbiettivo: : consente di valutare teoricamente per ogni consente di valutare teoricamente per ogni situazione clinica la sopravvivenza delle cellule situazione clinica la sopravvivenza delle cellule radiotrattateradiotrattate in in relazione alla dose somministrata e la tossicitrelazione alla dose somministrata e la tossicitàà tissutaletissutale

• Tessuti “late responders” => α/β basso => + sensibili al fx(alta dose/fx = danno elevato; piccola dose/fx= piccolo danno)

• Tessuti “acute responders” => α/β alto => - sensibili al fx( non ci sono differenze nei confronti delle dosi/fx, grandi o piccole che siano)

• N.B.: in base al comportamento radiobiologico dei diversi tessuti tumorali ed alla previsione che il rapporto α/β è in grado di fornirci su di esso, si prescrivono i diversi frazionamenti della dose.

EFFICACIA BIOLOGICA RELATIVAEFFICACIA 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 γ, e-) distribuiscono le ionizzazioni in forma sparsa.

• Le radiazioni ad alta densità di ionizzazione (p+, n, π-) concentrano ionizzazioni nello spazio.

• Si definisce EBREBR il rapporto tra la dose della radiazione di riferimento (raggi X convenz.) e la dose della radiazione in studio necessaria per produrre un determinato effetto in un certo tempo.

TRASMISSIONE LINEARE TRASMISSIONE LINEARE DELLDELL’’ENERGIAENERGIA (LET)(LET)

• Energia trasferita per unità (micron) di misura (quantità di energia alla materia per micron) da cui deriva:

– radiazione ad alto LET (protoni, mesoni, particelle pesanti)

– radiazioni a basso LET (raggi X, elettroni)

FRAZIONAMENTOFRAZIONAMENTO• 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 Gyciascuna 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).

LE 4 LE 4 ““RR”” DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RTDEL 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.

LE 4 LE 4 ““RR”” DEL FRAZION. DELLA DOSE IN RTDEL 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.