Βλάβες στο DNA μετά από έκθεση σε ακτινοβολία κλινικών εφαρμογών: επίδραση low LET ακτινοβολιών με εφαρμογή στη θεραπεία και τη διάγνωση

Abstract

Ionizing radiation plays a crucial role in both therapeutic and diagnostic applications in modern medicine, significantly enhancing the ability to detect and treat various health conditions. In therapeutic settings, particularly in cancer treatment, techniques such as external beam radiation therapy (EBRT) and brachytherapy target malignant cells while protecting adjacent healthy tissues. Proton therapy has emerged as a notable advancement, leveraging the unique physical properties of protons to precisely target tumors and spare critical structures, making it especially beneficial for treating malignancies near vital organs. However, challenges persist regarding the relative biological effectiveness (RBE) of proton therapy and the complexity of DNA damage induced, particularly in high linear energy transfer (LET) regions. Research indicates that proton therapy results in a higher incidence of complex DNA lesions compared to conventional photon irradiation, complicating cellular repair processes and potentially affecting treatment efficacy. In addition to its therapeutic applications, ionizing radiation is integral to medical diagnostics, especially in imaging techniques that guide clinical decision-making. Repeated exposure to low doses of radiation during procedures such as cardiac catheterization, particularly in pediatric patients, raises concerns about long-term health risks, including the potential for radiation-induced malignancies. Children are particularly vulnerable due to their developing tissues and longer life expectancy, which increases the window for manifesting radiation-related effects. This study aims to quantify and investigate the effects of low-LET radiation on DNA damage in various systems and comprises two distinct but complementary projects. The first project focuses on the primary radiation effects of proton therapeutic beams in vitro with the aim to elucidate the damage mechanisms associated with proton therapy, providing insights into the specific types of lesions induced and their implications for treatment efficacy. The second project examines the biological effects of low-LET ionizing radiation on patients undergoing cardiac catheterization, utilizing the γ-H2AX biomarker to assess DNA damage in peripheral blood lymphocytes of both pediatric and adult patients. By detecting early biological responses to radiation exposure, this project seeks to better understand the dose-response relationship in low-dose scenarios, thereby enhancing patient safety and informing clinical practices. Together, these projects aim to advance our understanding of radiation effects, contributing to improved outcomes and optimization of treatment protocols in both therapeutic and diagnostic contexts.

Οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο τόσο σε θεραπευτικές όσο και σε διαγνωστικές εφαρμογές στη σύγχρονη ιατρική, ενισχύοντας σημαντικά την ικανότητα ανίχνευσης και αντιμετώπισης διαφόρων παθήσεων. Στις θεραπευτικές εφαρμογές, ιδιαίτερα στη θεραπεία του καρκίνου, τεχνικές όπως η εξωτερική ακτινοθεραπεία και η βραχυθεραπεία στοχεύουν κακοήθη κύτταρα προστατεύοντας ταυτόχρονα τους γειτονικούς υγιείς ιστούς. Η θεραπεία με πρωτόνια αποτελεί σημαντική πρόοδο, αξιοποιώντας τις μοναδικές φυσικές ιδιότητες των πρωτονίων για την ακριβή στόχευση όγκων και την προστασία κρίσιμων δομών, καθιστώντας την ιδιαίτερα ωφέλιμη για τη θεραπεία κακοηθειών κοντά σε ζωτικά όργανα. Παρ' όλα αυτά, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις όσο αφορά τη σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα (RBE) της θεραπείας με πρωτόνια και την πολυπλοκότητα των βλαβών που προκαλούνται στο DNA, ιδιαίτερα σε περιοχές υψηλής γραμμικής μεταφοράς ενέργειας (LET). Έρευνες δείχνουν ότι η θεραπεία με πρωτόνια προκαλεί υψηλότερη συχνότητα σύνθετων βλαβών στο DNA σε σύγκριση με τη συμβατική ακτινοβόληση με φωτόνια, περιπλέκοντας τις κυτταρικές διαδικασίες επιδιόρθωσης και επηρεάζοντας ενδεχομένως την αποτελεσματικότητα της θεραπείας. Εκτός από τις θεραπευτικές εφαρμογές, οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι αναπόσπαστο μέρος της ιατρικής διάγνωσης, ιδιαίτερα σε απεικονιστικές τεχνικές που καθοδηγούν τις κλινικές αποφάσεις. Η επαναλαμβανόμενη έκθεση σε χαμηλές δόσεις ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια διαδικασιών όπως ο καρδιακός καθετηριασμός, ειδικά σε παιδιατρικούς ασθενείς, εγείρει ανησυχίες για τους μακροπρόθεσμους κινδύνους για την υγεία, συμπεριλαμβανομένου του ενδεχομένου εμφάνισης κακοηθειών που σχετίζονται με την ακτινοβολία. Τα παιδιά είναι ιδιαίτερα ευάλωτα λόγω των αναπτυσσόμενων ιστών τους και του μεγαλύτερου προσδόκιμου ζωής, που αυξάνει το χρονικό παράθυρο για την εκδήλωση των επιδράσεων που σχετίζονται με την ακτινοβολία. Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στην ποσοτικοποίηση και διερεύνηση των επιδράσεων ακτινοβολιών χαμηλού LET στο DNA σε διάφορα συστήματα και περιλαμβάνει δύο διακριτά αλλά συμπληρωματικά μέρη. Το πρώτο μέρος επικεντρώνεται στις πρωτογενείς επιδράσεις της ακτινοβολίας από θεραπευτικές δέσμες πρωτονίων in vitro, με στόχο τη διευκρίνιση των μηχανισμών επαγωγής βλαβών στο DNA που σχετίζονται με την ακτινοθεραπεία πρωτονίων, παρέχοντας πληροφορίες για τους συγκεκριμένους τύπους βλαβών που προκαλούνται και τις επιπτώσεις τους στην αποτελεσματικότητα της θεραπείας. Το δεύτερο μέρος εξετάζει τις βιολογικές επιδράσεις της ιονίζουσας ακτινοβολίας χαμηλού LET σε ασθενείς που υποβάλλονται σε καρδιακό καθετηριασμό, χρησιμοποιώντας τον βιοδείκτη γ-H2AX για την αξιολόγηση των δίκλωνων θραύσεων του DNA στα περιφερικά λεμφοκύτταρα τόσο παιδιατρικών όσο και ενήλικων ασθενών. Με την ανίχνευση πρώιμων βιολογικών αποκρίσεων στην έκθεση σε ακτινοβολία, το έργο αυτό στοχεύει στην καλύτερη κατανόηση της σχέσης δόσης-απόκρισης σε σενάρια χαμηλών δόσεων, ενισχύοντας έτσι την ασφάλεια των ασθενών και παρέχοντας πληροφορίες για κλινικές πρακτικές. Συνολικά, τα δύο αυτά projects αποσκοπούν στην προώθηση της κατανόησης των επιδράσεων της ακτινοβολίας, συμβάλλοντας στη βελτίωση των αποτελεσμάτων και τη βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων θεραπείας και διάγνωσης.