Effetti delle radiazioni ionizzanti sulla cellula

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1 Effetti delle radiazioni ionizzanti sulla cellula

2 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 relativamente basse (0,25 Gy) nei tessuti più radiosensibili.

3 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 che portano alla formazione di nuovi legami intraed inter-molecolari. Queste alterazioni e degradazioni comportano 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.

4 Effetti su proteine ed enzimi L azione delle radiazioni 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 radiazioni non sull enzima stesso, ma su attivatori e inibitori enzimatici, o in seguito a processi che portano alla liberazione dell enzima per alterazione della permeabilità delle membrane citoplasmatiche.

5 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.

6 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. A seconda della specifica funzione di ciascuna cellula possono verificarsi alterazioni di meccanismi fini, quali la conduzione degli impulsi elettrici, o talmente gravi da comportare la morte cellulare.

7 Effetti sul citoplasma Il danno è in minima parte diretto, essendo per lo più correlato alle alterazioni delle membrane degli organelli citoplasmatici quali, in primis, mitocondri, lisosomi e reticolo endoplasmatico. I mitocondri sono molto radiosensibili, con evidenziazione precoce del danno sotto forma di rigonfiamento e formazione di vacuoli tra le creste mitocondriali. 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 proteica mediata dall RNA.

8 Effetti sulle molecole di DNA e RNA (I) 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 il pentoso e la base azotata, o con l acido fosforico; dalla rottura delle catene nucleotidiche possono derivare frammenti che ricombinandosi portano alla formazione di molecole ramificate. La rottura può riguardare una sola o ambedue le eliche. Il DNA è, però, potenzialmente in grado di riparare il danno radioindotto.

9 Effetti sulle molecole di DNA e RNA (II) Il meccanismo più accettato è quello della riparazione mediante asportazione che si svolge con una iniziale eliminazione della porzione di DNA alterata. La riparazione prosegue con la sostituzione del frammento rimosso con uno nuovamente sintetizzato sotto l azione di una polimerasi. 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 (vedi danni cromosomici ).

10 Effetti sul DNA (I) Essendo il DNA il depositario di tutta l informazione genica della cellula è intuitivo come un eventuale danno irreversibile su una parte di esso possa comportare, tra le possibili eventualità: la inattivazione o riduzione della espressione di un gene; la sua iper-espressione; la produzione di proteine/enzimi modificati strutturalmente e quindi funzionalmente alterati. Questo, a seconda dei geni modificati, può non comportare alcuna alterazione delle funzioni biologiche, oppure deviare il comportamento cellulare in senso proliferativo o verso la morte.

11 Effetti sul DNA (II) Ma perché il detrimento maggiore che la cellula può subire ad opera della radiazioni ionizzanti è legato principalmente al danno sul DNA? radiazione radiazione radiazione

12 Effetti sul nucleo Una dose elevata può causare la morte cellulare immediata mentre 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.

13 Meccanismi di difesa Sistemi di protezione rivolti verso agenti ossidativi esogeni ed endogeni: enzimi quali la superossido dismutasi, la catalasi e la glutatione perossidasi; composti anti-ossidanti intracellulari quali il glutatione e le vitamine C ed E.

14 Meccanismi di riparazione Basse dosi di raggi X o γ: inducono la sintesi di sistemi di riparazione con una latenza di poche ore (enzimi quali: glicosidasi, liasi, polimerasi e ligasi); dopo una singola esposizione generano un aumento di protezione, variabile da ore a settimane, nei confronti sia di nuove irradiazioni che di fonti di danno non-radiogene. Il massimo risultato si ottiene per dosi < Gy: non si manifesta con dosi superiori; è del tutto simile alla fisiologica risposta cellulare allo stress ossidativo.

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16 Funzioni cellulari

17 Funzioni cellulari Le funzioni cellulari dipendono dal tipo di tessuto in esame. La funzione vitale è l unica comune a tutte le cellule. Molte cellule hanno funzione proliferativa mentre altre mantengono inalterato il patrimonio ereditario. Ma cosa accade in seguito all irradiazione?

18 Funzione vitale

19 Modalità di danno cellulare (I) E possibile provocare una lesione in una parte vitale con un unica somministrazione ad alta dose (effetto mono-dose) o per effetto di più somministrazioni a bassa dose ma che, nel tempo, conducono alla morte cellulare per sommazione di eventi sub-letali. In questo caso però: la somma degli eventi sub-letali dev essere tale da fornire una dose letale; gli eventi devono sommarsi nella stessa cellula in tempi brevi per evitare che questa recuperi.

20 Modalità di danno cellulare (II) I meccanismi di morte di una cellula possono essere molto diversificati: può bastare la inattivazione di una sola molecola (es. DNA); può necessitare il blocco di milioni di molecole enzimatiche non in grado, singolarmente, di compromettere la vitalità cellulare.

21 Frequenza di morte in un sistema biologico (I) Qual è l andamento della frequenza di morte in un sistema biologico per una certa quantità di radiazioni? E un fenomeno probabilistico! Gaussiana Frequenza di morte (ν) dose media (D m )

22 Frequenza di morte in un sistema biologico (II) Aumentando la D m cresce la quantità di cellule inattivate e, se la dose sale ancora, si aggiungono progressivamente sempre meno cellule a quelle già morte. 100% Frequenza di morte Sigmoide (derivata di una Gaussiana) D m (dose media)

23 Frequenza di morte in un sistema biologico (III) -σ +σ -σ +σ ν ν D m D m Lo schiacciamento o meno della gaussiana sta a significare una diversa radiosensibilità a quel tipo di radiazione da parte del materiale irradiato. Sia le curve (a) che la (b) sono asintotiche, per cui non esiste una dose, anche elevata, che mi garantisca l inattivazione di tutte le cellule del sistema.

24 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 radiazioni ionizzanti 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.