Fizycy także mogą walczyć z rakiem

Swój wkład w badania nad na wprowadzeniem w krajach europejskich nowej terapii nowotworowej opartej na napromieniowaniu molekularnym, mają także polscy naukowcy. Analizę uszkodzeń DNA powstałych w wyniku napromieniowania prowadziła na Uniwersytecie Jagiellońskim dr Katarzyna Psonka.

PROMIENIOWANIE RENTGENOWSKIE A MOLEKULARNE
"W pracy doktorskiej badałam jakościowe i ilościowe uszkodzenia radiacyjne w DNA, powstałe na skutek napromieniowania promieniowaniem rentgenowskim i molekularnym, to znaczy za pomocą wiązki wysokoenergetycznych jonów" - tłumaczy dr Psonka. Jak mówi, tkanki mogą zostać napromieniowane nie tylko standardowo używanym w terapii promieniowaniem rentgenowskim lecz także wiązką ciężkich cząstek naładowanych.

Efekty radiobiologiczne zachodzące w materile biologicznym zależą od głębokości, na jaką wnika promieniowanie i od dawki, ktora na tej głębokości zostaje zdeponowana. Im dalej w głąb sięga promieniowanie rentgenowskie, tym mniej energii zostaje pochłonięte. Oznacza to, że największa część energii zostaje pochłonięta przez tkankę w zewnętrznej części. "Przy naświetleniu guzów położonych głęboko pod skórą jest to dużym problemem, ponieważ właśnie na zdrowej skórze deponowana jest większość dawki" W przypadku ciężkich jonów deponowana energia osiąga maksimum (tzw. maksimum Bragga) na głębokości odpowiadającej jej maksymalnemu zasięgowi w materiale biologicznym (tzw. odwrotny profil dawki).

Użycie wiązki ciężkich jonów pozwala więc drastycznie zmniejszyć obciążenie zdrowej tkanki, w szczególności skóry" - tłumaczy specjalistka. "Profil dawki można regulować poprzez zmianę energii kinetycznej jonów i ich intensywności. Dzięki temu precyzyjnie kształtowany jest rozkład dawki pochłoniętej w nowoczesnej radioterapii nowotworów. Terapia ta opracowana została przez laboratorium Gesellschaft fűr Schwerionenforschung (GSI)" - mówi dr Psonka. Dodaje, że terapia ta jest skuteczna, gdy poprawne oszacuje się spodziewany efektu biologiczny, zależny od parametrów fizycznych użytej wiązki jonów.

USZKODZENIA NA POZIOMIE GENETYCZNYM
Badaczka przypomina, że łańcuch DNA jest zbudowany z dwóch nici skręconych w tzw. alfa-helisę. Uszkodzenia DNA są wywoływane przez promieniowanie UV, wolne rodniki czy promieniowanie jonizujące. W DNA powstaje cała gama różnych uszkodzeń, m.in. modyfikacje zasad azotowych czy przecięcia łańcucha DNA (pojedyncze i podwójne). W przypadku dwóch pierwszych rodzajów uszkodzeń białkowy aparat naprawczy na do dyspozycji drugi nieuszkodzony łańcuch jako matrycę, z której może odczytać poprawną sekwencję nukleotydów.

"Uszkodzenia podwójne są szczególnie niebezpieczne dla komórek, ponieważ oba łańcuchy są uszkodzone i oderwane od całości podwójnej nici. Dlatego też są trudne do naprawy. Jeśli komórka jest w stanie naprawić powstałe uszkodzenia, to wraca do cyklu komórkowego i dalej działa poprawnie. Jeśli natomiast uszkodzenia nie są poprawnie zreperowane, komórka nie dzieli się dalej lub umiera. Właśnie uszkodzenia podwójne prowadzące do fragmentacji molekuł DNA były przedmiotem moich badań" - tłumaczy dr Psonka. Plazmidowy DNA ma nieskomplikowaną strukturę, bez wielostopniowej organizacji przestrzennej z kompleksami białkowymi, jaka występuje w komórkowym DNA.

Używanie go jako modelowego układu pozwoliło ówczesnej doktorantce uprościć badany problem. W swojej pracy Katarzyna Psonka posługiwała się metodą mikroskopii sił atomowych, która pozwala na bezpośrednią obserwację pojedynczych molekuł DNA i ich fragmentów z nanometrową dokładnością.

WAŻNE ZJAWISKO KLASTERYZACJI USZKODZEŃ
Badaczka pokazała w sposób eksperymentalny, że rozkład dawki deponowanej przez jony jest silnie niejednorodny. Uszkodzenia tworzone w pobliżu przelatującego jonu są skorelowane przestrzennie - tworzą się tzw. klastry uszkodzeń. Są one szczególnie trudne do naprawy przez komórkę. W plazmidowym DNA napromienionym wiązką jonów klasteryzacja uszkodzeń jest widoczna jako nadprodukcja krótkich fragmentów DNA. "Białkowy aparat naprawczy komórki ma do czynienia z czymś w rodzaju puzzli - duża ilość małych fragmentów, które należy połączyć w odpowiedniej kolejności" - obrazuje dr Psonka. W związku z różnicami w produkcji uszkodzeń przez jony i promieniowanie rentgenowskie wprowadza się tzw. względną skuteczność biologiczną, która jest miarą efektywności jonów. Stopień fragmentacji DNA, będący stosunkiem ilości krótkich fragmentów do długich, posłużył badaczce do oszacowania względnej skuteczności dla użytych jonów - jest on prawie o rząd wielkości większy w porównaniu do promieniowania rentgenowskiego.

Badania tego typu mają fundamentalne znaczenie, nie tylko ze względu na wprowadzenie w krajach europejskich nowej terapii nowotworowej opartej na napromieniowaniu molekularnym, ale także z racji konieczności oceny naturalnego ryzyka radiologicznego, na przykład w załogowych lotach kosmicznych).(PAP)