Modalità di danno cellulare (I)

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1 Funzioni cellulari

2 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?

3 Funzione vitale

4 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.

5 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.

6 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! Frequenza di morte (ν) Gaussiana dose media (D m )

7 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)

8 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 in (a) che in (b) sono asintotiche, per cui non esiste una dose, anche elevata, che mi garantisca l inattivazione di tutte le cellule del sistema.

9 Concetto di morte cellulare (I) 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.

10 Concetto di morte cellulare (II) 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.

11 Funzione proliferativa

12 I sistemi di omeostasi Un individuo è composto da circa 4x10 13 cellule (quarantamilamiliardi!!!), il cui numero si mantiene nel complesso costante per tutta la vita. Questo è possibile attraverso i cosiddetti sistemi di omeostasi ed, in particolare: sistema fisso; sistema in equilibrio dinamico a rinnovamento continuo; sistema in equilibrio dinamico a rinnovamento condizionato; sistema ad accrescimento indefinito.

13 Sistema fisso L esempio tipico è costituito dal sistema nervoso centrale. Esso è formato da circa di neuroni che muoiono al ritmo di circa 1000/ora e che non vengono mai rimpiazzati. Quindi, un danno su questo tipo di sistema è sempre totalmente irreversibile. E un sistema cosiddetto a cinetica zero.

14 Sistema in equilibrio dinamico a rinnovamento continuo (I) Esempio classico è costituito dai globuli rossi: K 1,2 K 2,3 K 3,4 Se avviene un emorragia il livello del compartimento funzionale (F) si abbassa e l organismo mette in atto una procedura di compenso : aumenta l introito dal compartimento P (midollo e milza); si riduce la quota nel compartimento E (emostasi ed emocateresi epato-splenica). La maggior parte dei sistemi biologici dell individuo è in equilibrio dinamico a rinnovamento continuo.

15 Sistema in equilibrio dinamico a rinnovamento continuo (II) Ogni giorno si producono e vengono eliminati grammi di globuli rossi ed il nostro organismo si rinnova per circa 4 kg!!! La funzione di risposta allo stimolo è del tipo: Livello di equilibrio logn Funzione logistica di Gompertz tempo (t)

16 Sistema in equilibrio dinamico a rinnovamento condizionato Un esempio calzante è rappresentato dall osso che, superata l età adoloscenziale, mostra un rinnovamento estremamente scarso. Tuttavia, nel caso di frattura, è in grado rapidamente di reagire e di ripristinare l integrità della struttura.

17 Sistema a crescita continua Esistono anche sistemi patologici, non più autoregolati da meccanismi omeostatici di feedback i quali crescono in modo indefinito e continuo. Il tasso di accrescimento è relativamente costante. E il sistema tipico dei tumori, i quali arrivano ad uccidere l ospite quanto superano il kg di peso. N logn tempo (t) tempo (t)

18 Ciclo cellulare ed irradiazione

19 Il ciclo cellulare (I) L origine di una cellula avviene per divisione mitotica dalla cellula madre. Il tempo generazionale è l intervallo tra fasi omologhe del ciclo biologico di una cellula. Il ciclo si divide in fasi: interfase e mitosi. L interfase è costituita da: fase G1 (G=gap) con predisposizione di energia e materiale per la sintesi del DNA; fase S (sintesi) con duplicazione del corredo cromosomico (da cromosomi a coppie di cromatidi); fase G2 in cui la cellula prepara le sostanze per la produzione del fuso mitotico.

20 Il ciclo cellulare (II) La mitosi è costituita da 4 momenti distinti: profase: scompare la membrana nucleare, compare il fuso, avviene la disidratazione dei cromatidi che si raccolgono in sede equatoriale; metafase: ognuno dei cromatidi migra verso un lato del fuso mitotico (determinazione del cariotipo); anafase: ricostituzione dei due nuclei e delle rispettive membrane nucleari; telofase: avviene la separazione citoplasmatica. La mitosi nei mammiferi dura in media 3 ore. Da quando inizia la fase S alla fine della telofase passano dalle 10 alle 18 ore.

21 Il ciclo cellulare (III) Il tempo generazionale è, invece, variabile da giorni, a mesi, fino anche ad anni. Le differenze riguardano solo la fase G1 poichè le altre fasi hanno una durata standard. INTERFASE (M1) G1 S G2 (M2) P M A T MITOSI (~ 3 ore) Da 10 a 18 ore Tempo generazionale (da giorni ad anni)

22 Ciclo cellulare e radiazioni (II) Effetti delle radiazioni G1 1 S 1 G2 1 M 1 G1 2 1 = danno sul fuso cromosomico; 2 = danno sul DNA: è sempre presente ma da fase S ad M è raddoppiato il patrimonio genetico; 3 = danneggiamento dei cromosomi è solo in fase G1 ed S; 4 = la probabilità globale è data dalla somma di tutti i rischi: nel mammifero è massima verso la fine della fase G2.

23 Ciclo cellulare e radiazioni (III) Dunque la probabilità di danno è funzione del momento del ciclo biologico in cui si trova la cellula. Ma la popolazione non è sincronizzata e quindi, statisticamente, le cellule sono in fasi differenti del ciclo cellulare. La percentuale di cellule in varie fasi del ciclo dipende dalla durata delle sue singole fasi, rapportate al tempo generazionale. E possibile calcolare l indice mitotico contando in un preparato le cellule in mitosi e dividendole per il numero di cellule totali.

24 Ciclo cellulare e radiazioni (IV) Tenendo conto che la durata della mitosi è relativamente fissa (circa 3 ore), con l indice mitotico è possibile calcolare il tempo generazionale delle cellule in esame: tempo generazionale = durata mitosi indice mitotico Se ad esempio, nel preparato, osservo solo 2 cellule in mitosi su 400, l indice mitotico sarà pari a 2/400 = 0,005 e, quindi, il tempo generazionale sarà uguale a 3h/0,005 ovvero a 600 ore. L asincronicità è un sistema di difesa biologico per limitare, ad esempio, gli effetti delle radiazioni.

25 Ciclo cellulare e radiazioni (V) Se si somministra una dose non elevata le cellule in fase G1 rallentano e riparano il danno; quelle in fase S e G2 (più radiosensibili) si bloccano e non entrano in mitosi e il compartimento mitotico si svuota. La distribuzione passa da (1) a (2) ed ho conseguito una sorta di sincronizzazione della mia popolazione cellulare. 2 Effetto 1 G1 S G2 M G2

26 Ciclo cellulare e radiazioni (VI) Se adesso si fornisce una seconda dose, questa trova un numero superiore di cellule in fase sensibile. Tale dato è confermato dall indice mitotico che è aumentato nei preparati della popolazione cellulare in esame. Questo concetto risulta di fondamentale importanza in radioterapia in quanto costituisce il presupposto della irradiazione ciclica biologica.

27 Radiosensibilità cellulare La capacità delle radiazioni ionizzanti di provocare alterazioni biologiche significative (morte cellulare o arresto della proliferazione) nelle cellule di una neoplasia o in quelle di un tessuto normale. Radioresponsività cellulare La velocità con cui si manifestano clinicamente le alterazioni biologiche radioindotte. In particolare: la risposta di un tumore alle radiazioni ionizzanti dipende dalla percentuale di cellule capaci di riprodursi; l effetto delle radiazioni ionizzanti sulle cellule dipende dalla differenziazione morfologica e funzionale delle stesse.

28 Legge di Bergonie e Tribondeau Le cellule di un organismo mostrano diversa sensibilità alle radiazioni ionizzanti; questo e stato dimostrato attraverso ricerche che hanno portato a formulare tale enunciato: la radiosensibilita di un tessuto è direttamente proporzionale all attivita mitotica ed inversamente proporzionale al grado di differenziazione delle sue cellule. Da questo si evince quanto segue: le cellule giovani o immature sono maggiormente radiosensibili rispetto a quelle mature; le cellule in rapida divisione sono maggiormente radiosensibili; le cellule in rapida crescita sono più radiosensibili.