Statistical effects of the repair mechanisms of cells damaged by ionizing radiation

• Autorzy: Kowalska A. , Czerski K. , Kaczmarski M. , Pereira W. , Kutsalo P. , Zaytseva E.

Warianty tytułu

PL

Statystyczne efekty reperacji komórek uszkodzonych w wyniku naświetlania promieniowaniem jonizującym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Ionizing radiation passing through living matter in the form of ion tracks causes DNA double strand breaks, which lead to chromosomal aberrations. On one hand, the number of aberrations is determined by the absorbed dose of radiation and on the other hand results from the efficiency of the repair mechanisms. These mechanisms are especially important for low doses, the study of which is particularly time-consuming.Here, a new method to estimate the effectiveness of repair mechanisms is presented. The method is based on the reduction of variance of observed chromosomal aberrations in relation to the values expected for the Poisson statistics. This effect is known in other fields of physics as the Fano factor and can be applied to various tissues and for both low and high LET (Linear Energy Transfer) radiation’s types.By exploiting the new method, distributions of chromosomal aberrations in peripheral blood lymphocytes observed for gamma and 150 MeV proton radiation, have been compared. Experiments using proton beams were carried out in the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russia.

PL

Promieniowanie jonizujące, tworząc w materii ożywionej ślady jonowe i łamiąc podwójną helisę DNA, prowadzi do powstania aberracji chromosomowych. Ich liczba z jednej strony określona jest pochłoniętą dawką rodzajem promieniowania, a z drugiej strony wynika z wydajności mechanizmów reperacji komórkowej. Mechanizmy te są szczególnie ważne w przypadku niskich dawek, dla których badania są szczególnie pracochłonne.W niniejszej pracy przedstawiona zostanie metoda oszacowania efektywności mechanizmów reparacyjnych w oparciu o obserwowaną redukcję wariancji liczby otrzymanych aberracji chromosomowych w stosunku do zakładanej wartości według statystyki Poissona. Efekt ten znany jest w innych dziedzinach fizyki jako czynnik Fano i może być zastosowany do różnych tkanek oraz promieniowania jonizującego o niskim bądź wysokim LET (ang. LinearEnergy Transfer).W oparciu o nową metodę statystycznego oszacowania efektywności mechanizmów reperacji komórkowej porównane zostaną rozkłady aberracji chromosomów limfocytów krwi obwodowej obserwowane dla naświetlań zarówno kwantami gamma, jak i protonami o energii 150 MeV. Eksperymenty z użyciem wiązki protonowej przeprowadzone zostały w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych w Dubnej w Rosji.

Słowa kluczowe

EN

chromosomal aberration; repair mechanism; Poisson statistics; Fano factor

PL

aberracja chromosomowa; mechanizm reparacyjny; statystyka Poissona; czynnik Fano

• Wydawca: Jacek Doskocz
• Czasopismo: Acta Bio-Optica et Informatica Medica. Inżynieria Biomedyczna
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 21, nr 1
• Strony: 24--31
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz.

Twórcy

autor

Kowalska A.

• Uniwersytet Szczeciński, Instytut Fizyki, 70-451 Szczecin, ul. Wielkopolska 15
• Akademia Morska, Katedra Fizyki i Chemii, 70-500 Szczecin, Wały Chrobrego 1-2
• Joint Institute for Nuclear Research, Laboratory of Radiation Biology, 141980 Dubna, Joliot-Curie 6

autor

Czerski K.

• Uniwersytet Szczeciński, Instytut Fizyki, 70-451 Szczecin, ul. Wielkopolska 15

autor

Kaczmarski M.

• Uniwersytet Szczeciński, Instytut Fizyki, 70-451 Szczecin, ul. Wielkopolska 15

autor

Pereira W.

• Uniwersytet Szczeciński, Instytut Fizyki, 70-451 Szczecin, ul. Wielkopolska 15

autor

Kutsalo P.

• Joint Institute for Nuclear Research, Laboratory of Radiation Biology, 141980 Dubna, Joliot-Curie 6

autor

Zaytseva E.

• Joint Institute for Nuclear Research, Laboratory of Radiation Biology, 141980 Dubna, Joliot-Curie 6

Bibliografia

• [1] M. Toulemonde, E. Surdutovich, A. Solov’yov: Temperature and pressure spikes in- ion beam cancertherapy, Physical Review E, vol. 80, 2009, 03191.
• [2] T. Kawata, H. Ito, H.Wu, F.A.Cuccinota: Chromosome aberrations induced by High-LET Radiations,Biological Sciences in Space, vol. 18(4), 2004, s. 216–223.
• [3] F.A. Cucinotta, M.H.Y. Kim, V. Willingham, K.A George: Physical and biological organ dosimetry analysis for International Space Station astronauts, Radiation Research, vol. 170, 2008, s. 127–138.
• [4] K. George, M. Durante, V. Willingham, H. Wu, T. Yang, F.A. Cucinotta: Biological effectiveness of accelerated particles for the induction of chromosome damage measured in metaphase and interphase human lymphocytes, Radiation Research, vol. 160, 2003, s. 425–435.
• [5] K. George, F.A. Cucinotta: The influence of shielding on the biological effectiveness of accelerated particles for the induction of chromosome damage, Advances in Space Research., vol. 39, 2007, s. 1076–1081
• [6] F.A. Cucinotta, M. Durante: Cancer risk from exposure to galactic cosmic rays: implications for space exploration by human beings, The Lancet Oncology, vol. 7, 2006, s. 431–435.
• [7] M.N. Cornforth, S.M. Bailey, E.H. Goodwin: Dose responses for chromosome aberrations produced in noncycling primary human fibroblasts by alpha particles and gamma rays delivered at sublimiting low dose rates, Radiation Research, vol. 158, 2002, s. 43–53.
• [8] C.R. Geard: Charged particle cytogenetics: effects of LET, fluence, and particle separation on chromosomal aberrations, Radiation Research, vol. 104, 1995, s.112–121.
• [9] C.R. Geard, R.D. Colvett, N. Rohrig: On the mechanics of chromosomal aberrations. A study with single and multiple spatially-associated protons, Mutation Research, vol. 69, 1980, s. 81–99.
• [10] M. Hada, J.L. Huff, Z. Patel, T. Kawata, J.M. Pluth, K.A. George, F.A. Cucinotta: T cells are not radiosensitive for chromosomal exchanges at low dose, Mutation Research, vol. 716, 2011, s. 76–83.
• [11] M. Gahdhi, L.W. Dillon, S. Pramanik, Y.E. Nikiforov, Y.H. Wang: DNA breaks at fragile sites generate oncogenic RET/PTC rearrangements in human thyroid cells, Oncogene, vol. 29, 2010, s. 2272–2280.
• [12] A.L. Ponomarev; K. George; F.A. Cucinotta: Generalized time-dependent model of radiation-induced chromosomal aberrations in normal and repair-deficient human cells, Radiation Research, vol. 181, 2014, s. 284–292.
• [13] A.A. Edwards, D.C. Lloyd, R.J. Purrott: Radiation induced chromosome aberrations and the Poisson distribution, Radiation and Enviormental Biophysics, vol. 16, s. 89–100.
• [14] C.M-S. Lee, F. Famoye: A comparison of generalized Poisson distribution for modeling chromosome aberrations, Biomedical Journal, vol. 38, 1996, s. 299–313.
• [15] E. Gudowska-Nowak, R. Lee, E. Nosonova, S Ritter, M. Scholz: Effect of LET and track structure on the statistical distribution of chromosome aberrations, Advances in Space Research, vol. 39, 2005, s. 249–253
• [16] K. Janardan, D. Schaeffer: Models for the Analysis of Chromosomal Aberrations in Human Leukocyte, Biometrical Journal, vol. 19, 2007, s. 599–612
• [17] A. Kowalska, K. Czerski, M. Kaczmarski, M. Lewocki, B. Masojć, A. Łukowiak: Comparison of cell repair mechanisms by means of chromosomal aberration induced by proton and gamma irradiation - preliminary results, European Physical Journal D, vol. 69, 2015, s. 79
• [18] U. Fano: Ionization Yield of Radiations. II. The Fluctuations of the Number of Ions, Physical Review, vol. 72, 1947, s. 26
• [19] T. Kowalski, A. Smith, A. Peacock: Fano factor implications from gas scintillationproportional counter measurements Nuclear Instruments and Methods A, vol. 279, 1989, s. 567–572.
• [20] T.E. Schmidt, O. Zlobinskaya, G. Multhof: Differences in phosphorylated gamma-H2AX formation and removal of cells exposed to low and high linear energy transfer radiation, Current Genomics, vol. 13, 2012, s. 418–425.