Введение к работе
Актуальность исследования. Лучевая терапия является одним из основных методов лечения в онкологии. По данным Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Б лохина РАМН она рекомендуется в 50-70 % случаев заболевания как самостоятельно, так и в комбинации с другими видами лечения (хирургия, химиотерапия). Важнейшей задачей при ее проведении является минимизация повреждений здоровых тканей с максимальным поражением тканей опухоли. В связи с этим, все более широкое распространение в онкологической практике приобретает протонная лучевая терапия. Она является одним из наиболее перспективных и быстро развивающихся направлений в современной ядерной медицине.
По сравнению с обычно используемыми электромагнитными видами излучений протоны обладают рядом преимуществ. При прохождении через биологические ткани они формируют треки, в пределах которых расходуют энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Процесс сопровождается замедлением движения и уменьшением остаточной энергии частиц, что обусловливает возрастание плотности ионизации с максимумом на конечном участке пробега в области пика Брэгга. Такая особенность их энерговыделения с реализацией «Брэгговского максимума» в конце пробега создает условия для оптимального формирования дозы в тканях опухолей с максимальным повреждением их клеток при облучении в области пика Брэгга и минимальным повреждением окружающих тканей и тканей по ходу пучка частиц до места локализации опухоли. Такой терапевтический протонный пучок впервые в России был создан в Объединенном институте ядерных исследований на синхроциклотроне Лаборатории ядерных проблем в 1967 году (Джелепов В. П. и др., 1975) и в течение длительного периода используется для проведения лучевой терапии пациентов.
Поскольку ведущая роль в развитии лучевых повреждений клеток млекопитающих и человека в их постлучевой гибели принадлежит структурным нарушениям хромосом, изучение закономерностей образования хромосомных аберраций при проведении протонной лучевой терапии имеет несомненное значение и представляется важной задачей. Весьма актуальной является проблема нормирования лучевых нагрузок на пациентов при проведении протонной лучевой терапии. Остаются недостаточно изученными вопросы о соотношении выхода структурных аберраций хромосом в неделящихся клетках нормальных тканей по ходу пучка частиц и в делящихся клетках опухолей. Эти обстоятельства определили проведение настоящего исследования.
В качестве модели для исследования повреждений хромосомного аппарата клеток человека использована культура лимфоцитов периферической
крови человека. Тест-система для цитогенетического анализа хромосом человека рекомендована Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) для исследования влияния неблагоприятных факторов окружающей среды на клетки человека и на наследственность. Как известно, в периферической крови человека лимфоциты не делятся и находятся в состоянии покоя или пресинтеза ДНК. Однако под действием фитогемагглютинина (ФГА) Т-лимфоциты в условиях культивирования способны к трансформации с последующим митотическим делением. Важным обстоятельством является также то, что выход аберраций хромосом в лимфоцитах крови человека при воздействии ионизирующих излучений практически совпадает in vitro и in vivo (Brewen J.G. and Gengozian N., 1971; Buckton K.E. et al., 1971; Schmid E. et al., 1974). Использование культуры лимфоцитов в таких исследованиях позволяет избежать вынужденных экстраполяции и оговорок, неизбежно возникающих при интерпретации результатов, полученных на других объектах.
Цель и задачи исследования. Целью работы является сравнительное цитогенетическое исследование действия протонов терапевтического пучка фазотрона с исходной энергией 170 МэВ на не делящиеся клетки человека и протонов в области пика Брэгга на клетки в разных фазах клеточного цикла.
Для её выполнения поставлены следующие задачи:
Провести сравнительный количественный анализ частоты образования клеток с хромосомными аберрациями, общего числа и разных видов аберраций хромосом в лимфоцитах крови человека при действии протонов терапевтического пучка на входе в объект и в области пика Брэгга.
Исследовать характер дозовых зависимостей частоты образования клеток с хромосомными аберрациями и общего числа аберраций хромосом в лимфоцитах, облученных в разных фазах клеточного цикла протонами терапевтического пучка на входе в объект и в области пика Брэгга.
Исследовать закономерности возникновения разных видов нестабильных аберраций хромосом в лимфоцитах, облученных в разных фазах клеточного цикла протонами терапевтического пучка на входе в объект и в области пика Брэгга.
Провести оценку величины ОБЭ протонов терапевтического пучка с исходной энергией 170 МэВ и в области пика Брэгга по частоте возникновения клеток с хромосомными аберрациями и общему числу аберраций при облучении лимфоцитов в Go-фазе клеточного цикла.
Оценить биологическую эффективность протонов в области пика Брэгга при облучении делящихся лимфоцитов по сравнению с воздействием протонов с энергией 170 МэВ на не делящиеся клетки.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
Цитогенетическими методами выявлены количественные и качественные особенности образования разных видов структурных нарушений хромосом в лимфоцитах периферической крови человека, облученных в разных фазах клеточного цикла протонами терапевтического пучка с исходной энергией 170 МэВ и в области пика Брэгга.
Исследована роль физического фактора при воздействии протонов исходного пучка с энергией 170 МэВ и в области пика Брэгга, которая определяется различиями их линейной передачи энергии. Оценка по цитогенетическим показателям относительной биологической эффективности протонов терапевтического пучка при облучении неделящихся клеток (в Go-фазе клеточного цикла) показала, что коэффициент ОБЭ протонов исходного пучка равен 1,0±0,03, а протонов в области пика Брэгга - 1,2±0,1.
Выявлена роль биологического фактора в эффективности протонного терапевтического пучка, которая определяется различием в радиочувствительности неделящихся и делящихся клеток. Показана наиболее высокая эффективность протонов в области пика Брэгга при облучении лимфоцитов в Ог-фазе клеточного цикла.
С учетом вклада в эффект фракции высоко радиочувствительных G2-облученных лимфоцитов коэффициент эффективности протонов терапевтического пучка в области пика Брэгга по сравнению с воздействием протонов-170 МэВ на неделящиеся клетки составил 1,45±0,10.
Научная новизна. В работе впервые:
Исследована роль физического и биологического факторов в биологической эффективности протонов терапевтического пучка с энергией 170 МэВ.
Выявлена наиболее высокая радиочувствительность лимфоцитов в G2-фазе клеточного цикла при облучении протонами в области пика Брэгга.
- Проведена оценка биологической эффективности протонов в области
пика Брэгга при облучении делящихся клеток по сравнению с действием
протонов с исходной энергий 170 МэВ на неделящиеся клетки. По аналогии с
ОБЭ рассчитан коэффициент эффективности протонов в области пика Брэгга с
учетом вклада в эффекты фракции наиболее радиочувствительных G2-
облученных лимфоцитов.
Научно-практическая значимость работы. Результаты исследования имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Они пополняют сведения о радиочувствительности клеток человека в разных фазах клеточного цикла при воздействии корпускулярными видами излучений с разной линейной передачей энергии. Выявленные количественные и качественные
характеристики действия протонов терапевтического пучка на клетки человека могут использоваться при оценке воздействия корпускулярными ионизирующими излучениями с разными ЛПЭ, в том числе при проведении лучевой терапии. Количественный учет нестабильных хромосомных аберраций может рассматриваться как один из надежных критериев при разработке и применении методов радиотерапии. Результаты исследования способствуют пониманию процессов формирования хромосомных повреждений в клетках опухолевых и здоровых тканей при проведении лучевой терапии протонами высоких энергий. Полученные данные могут быть полезными при планировании курсов лучевой терапии, при расчетах оптимальных доз лучевого воздействия.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы были представлены и обсуждены на 12 конференциях: Всеросс. конф. «Радиобилогиеские основы лучевой терапии». Москва. 2005; Second Int. Conf. "Modern problems of genetics, radiobiology, radioecology and evolution". Yerevan, Armenia. 2005; 13-я и 15-я научн. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов. Дубна. 2005, 2008; XV Междунар. научно-практ. конф. «Экология человека в постчернобыльский период». Минск, Беларусь. 2007; Fourth international Summer School on Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine. Prague, Czech Rep. 2007; VII Конф. молодых ученых, специалистов и студентов. Москва. 2008; 13-я научн. конф. молодых ученых и специалистов ОИЯИ. Дубна. 2009 (доклад отмечен второй премией в номинации научно-исследовательские экспериментальные работы); IX Междунар. школа по радиобиологии для молодых ученых. Обнинск. 2009; Fifth international Summer School on Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine. Bratislava, Slovak Rep. 2009; 37th Annual Meeting of the European Radiation Research Society, Prague. Czech Rep. 2009; VI Съезд по радиационным исследованиям. Москва. 2010 (доклад отмечен первой премией в конкурсе молодых ученых - секции X «Радиобиология тяжелых ионов»).
Апробация диссертации состоялась на заседании научно-технического совета Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ РАН 20 октября 2011г. (протокол № 76).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, 2 статьи опубликованы в журнале, рекомендованном ВАК МОиН РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 128 страницах, состоит из введения, 4-х глав, выводов, заключения; содержит 10 таблиц и 26 рисунков. Список литературы включает 75 наименований на русском и английском языках.
