Kyslíkový efekt - Oxygen effect

v biochemie, účinek kyslíku odkazuje na tendenci ke zvýšení radiosenzitivita zdarma živé buňky a organismy v přítomnosti kyslík než v anoxické nebo hypoxické podmínky, kdy napětí kyslíku je méně než 1% z atmosférický tlak (tj. <1% 101,3 kPa, 760 mmHg nebo 760 torr).

Fyziologie a příčiny

Relativní citlivost. Tento obrázek ilustruje typickou změnu v relativní radiosenzitivitě pro biologický účinek, jako je buněčná smrt, když je vystaven záření s nízkou ionizující hustotou (např. Rentgenové záření). Zobrazený hyperbolický vztah má maximální OER 2,70 pro 100% kyslík (při 760 mmHg), s poloviční hodnotou OER při 4,2 mmHg nebo 0,55% kyslíku.

Vysvětlení účinku kyslíku a význam pro hypoxické tkáně

Účinek kyslíku má zvláštní význam ve vnějším paprsku radiační terapie kde zabíjení nádorové buňky s foton a elektron paprsky v dobře okysličených oblastech mohou být až třikrát větší než ve špatně vaskulované části nádoru.

kromě hypoxie nádoru, účinek kyslíku je také relevantní pro hypoxie podmínky přítomné v normální fyziologii kmenová buňka výklenky jako endosteum sousedící s kostí kostní dřeň[1] a vrstva epitelu z střevo.[2] Kromě toho existují nezhoubná onemocnění, při nichž se okysličené tkáně mohou stát hypoxickými, například při stenóze Koronární tepny spojený s kardiovaskulární onemocnění.[3]

Změňte s ionizující hustotou. Tento obrázek ilustruje trend relativní radiosenzitivity nebo OER s kyslíkovým napětím pro záření o různé ionizační hustotě nebo lineárním přenosu energie (LET, keV / μm). Inhibice tvorby klonů kultivovanými lidskými buňkami byla měřena po expozici alfa-částicím, deuteronům a rentgenovým paprskům 250 kVp Barendsen et al. (1966). Rozsah maximálního OER pro 100% kyslík (při 760 mmHg) byl 2,7 pro rentgenové záření 250 kVp klesající na 1,0 pro 2,5 MeV alfa-částice. Zobrazené křivky OER v každém případě předpokládají poloviční rozsah hodnoty OER 4,2 mmHg nebo 0,55% kyslíku.

Historický výzkum účinku kyslíku

Holthusen (1921)[4] nejprve kvantifikoval kyslíkový efekt a zjistil 2,5 až 3,0krát méně násadových vajec hlístice Ascaris v okysličeném stavu ve srovnání s anoxickými podmínkami, což bylo nesprávně přiřazeno změnám v buněčné dělení. O dva roky později však Petry (1923)[5] nejprve připsáno ovlivnění kyslíkového napětí ionizující radiace účinky na semena zeleniny. Později důsledky účinků kyslíku na radioterapie byly diskutovány Mottramem (1936).[6]

Klíčovým pozorováním omezujícím hypotézy vysvětlující biologické mechanismy působení kyslíku je plyn oxid dusnatý je radiosenzibilizátor s podobnými účinky jako kyslík pozorovaný v nádorových buňkách.[7] Dalším důležitým poznatkem je, že kyslík musí být přítomen při ozařování nebo během milisekund poté, aby došlo k působení kyslíku.[8]

Nejznámějším vysvětlením účinku kyslíku je hypotéza fixace kyslíku, kterou vytvořil Alexander v roce 1962,[9] který předpokládal, že radiačně indukovaný neobnovitelný nebo „fixovaný“ atom DNA léze jsou smrtelné pro buňky v přítomnosti křemelina kyslík.[10][11] Nedávné hypotézy zahrnují hypotézu založenou na poškození zvýšeném kyslíkem z prvních principů.[12] Další hypotéza předpokládá, že ionizující záření vyvolává mitochondrie k produkci reaktivního kyslíku (a dusíkatých látek), které během něj unikají oxidační fosforylace který se mění s hyperbolickým vztahem saturace pozorovaným jak s účinkem kyslíku, tak s oxidem dusnatým.[13]

Přežití buněk. Tento obrázek ilustruje snížení OER z aerobních na anoxické podmínky pro nižší ve srovnání s vyššími dávkami, což má vliv na výběr expozic frakcionace dávky pro radioterapii nádorů.

Poměr vylepšení kyslíku a účinek radiace LET

Účinek kyslíku se kvantifikuje měřením citlivosti na záření nebo Poměr vylepšení kyslíku (OER) konkrétního biologického účinku (např. buněčná smrt nebo Poškození DNA ),[14] což je poměr dávek za čistého kyslíku a za anoxických podmínek. V důsledku toho se OER pohybuje od jednoty v anoxii k maximální hodnotě pro 100% kyslík, typicky až ke třem pro záření s nízkou ionizující hustotou (beta -, gama -, nebo rentgenové záření ), nebo tzv. low lineární přenos energie (LET) záření.

Radiosenzitivita se nejrychleji mění pro parciální tlaky kyslíku pod ~ 1% atmosférického tlaku (obr. 1). Howard-Flanders a Alper (1957)[15] vyvinuli vzorec pro hyperbolický funkce OER a jeho variací s koncentrací kyslíku nebo tlakem kyslíku ve vzduchu.

Radiobiologové identifikovány další charakteristiky účinku kyslíku, které ovlivňují radioterapeutické postupy. Zjistili, že maximální hodnota OER se snižuje jako ionizující -hustota záření se zvyšuje (obr. 2), od nízkého LET k vysokému LET záření.[16] OER je jednota bez ohledu na napětí kyslíku pro alfa částice s vysokým LET kolem 200 keV / μm. OER je snížena pro nízké dávky, jak je hodnoceno pro kultivované savčí buňky vystavené působení rentgenové záření za aerobních (21% O2, 159 mmHg) a anoxických (dusíku) podmínek.[17] Typický frakcionace ošetření jsou denně 2 Gy expozice, protože pod touto dávkou je tzv. „rameno“ nebo oblast opravy křivka přežití buněk je zasažen snížením OER (obr. 3).

Reference

  1. ^ Parmar K, Mauch P, Vergilio JA, Sackstein R, Down JD (2007). „Hypotéza fixace kyslíku: přehodnocení“. Sborník Národní akademie věd. 104 (13): 5431–5436. doi:10.1073 / pnas.0701152104. PMC  1838452. PMID  17374716.
  2. ^ Zheng L, Kelly CJ, Colgan SP (2015). "Fyziologická hypoxie a homeostáza kyslíku ve zdravém střevě. Přehled v tématu: Buněčné reakce na hypoxii". Am J Physiol Cell Physiol. 309 (6): C350 – C360. doi:10.1152 / ajpcell.00191.2015. PMC  4572369. PMID  26179603.
  3. ^ Richardson, RB (2008). „Změny napětí kyslíku, dávky záření a citlivosti v normálních a nemocných koronárních tepnách závislé na věku - část B: modelování difúze kyslíku do stěn cév“. Int J Radiat Biol. 84 (10): 849–857. doi:10.1080/09553000802389645. PMID  18979320.
  4. ^ Holthusen H (1921). „Beitrage zur Biologie der Strahlenwirkung“. Archiv Pflügers. 187: 1–24. doi:10.1007 / BF01722061.
  5. ^ Petry EJ (1923). „Kenntnis der Bedingungen der biologischen Wir kung der Rontgenstrahlen“. Biochemische Zeitschrift: 135–353.
  6. ^ Mottram JC (1936). "Faktor důležitosti v radiosensititě nádorů". Br J Radiol. 9: 606–614. doi:10.1259/0007-1285-9-105-606.
  7. ^ Šedá LH, zelená FO, Hawes CA (1958). „Vliv oxidu dusnatého na radiosenzitivitu nádorových buněk“. Příroda. 182 (4640): 952–953. Bibcode:1958Natur.182..952G. doi:10.1038 / 182952a0. PMID  13590191.
  8. ^ Howard-Flanders, P, Moore, D (1958). „Časový interval po pulzním ozáření, během kterého lze poškození bakterií upravit rozpuštěným kyslíkem. I. Hledání účinku kyslíku 0,02 sekundy po pulzním ozáření“. Radiat Res. 9 (4): 422–437. Bibcode:1958RadR .... 9..422H. doi:10.2307/3570768. JSTOR  3570768.
  9. ^ Alexander P (1962). "O způsobu působení některých ošetření, která ovlivňují radiační citlivost buněk". Trans N Y Acad Sci. 24: 966–978. doi:10.1111 / j.2164-0947.1962.tb01456.x. PMID  14011969.
  10. ^ Ewing D (1998). "Hypotéza fixace kyslíku: přehodnocení". Am J Clin Oncol. 21 (4): 355–361. doi:10.1097/00000421-199808000-00008. PMID  9708633.
  11. ^ Hall, EJ; Giaccia, AJ (2019). Radiobiologie pro radiologa. Philadelphia, PA: Wolters Kluwer. str. 597. ISBN  978-1-49-633541-8.
  12. ^ Grimes DR, Partridge M (2015). „Mechanistické zkoumání hypotézy fixace kyslíku a poměru zvýšení kyslíku“. Biomed Phys Eng Express. 1 (4): 045209. doi:10.1088/2057-1976/1/4/045209. PMC  4765087. PMID  26925254.
  13. ^ Richardson RB, Harper ME (2016). „Mitochondriální stres řídí radiosenzitivitu účinku kyslíku: důsledky pro radioterapii“. Cílový cíl. 7 (16): 21469–21483. doi:10,18632 / oncotarget.7412. PMC  5008299. PMID  26894978.
  14. ^ Thoday JM, Read J (1947). "Vliv kyslíku na frekvenci chromozomových aberací produkovaných rentgenovými paprsky". Příroda. 160 (4070): 608. Bibcode:1947Natur.160..608T. doi:10.1038 / 160608a0. PMID  20271559.
  15. ^ Howard-Flanders P, Alper T (1957). "Citlivost mikroorganismů na ozařování za kontrolovaných plynných podmínek". Radiat Res. 7 (5): 518–540. Bibcode:1957RadR ... 7..518H. doi:10.2307/3570400. JSTOR  3570400. PMID  13485393.
  16. ^ Barendsen GW, Koot CJ, Van Kersen GR, Bewley DK, Field SB, Parnell CJ (1966). "Vliv kyslíku na zhoršení proliferační kapacity lidských buněk v kultuře ionizujícím zářením různých LET". Int J Radiat Biol Relat Stud Phys Chem Chem Med. 10 (4): 317–327. doi:10.1080/09553006614550421. PMID  5297012.
  17. ^ Palcic B, Brosing JW, Skarsgard LD (1982). „Měření přežití při nízkých dávkách: poměr zvýšení kyslíku“. Br J Cancer. 46 (6): 980–984. doi:10.1038 / bjc.1982.312. PMC  2011221. PMID  7150493.