4. Oddziaływanie przyspieszonych jonów (protonów) z pojedynczymi żywymi komórkami biologicznymi

4. Oddziaływanie przyspieszonych jonów (protonów) z pojedynczymi żywymi komórkami biologicznymi

     Badania prowadzone z zastosowaniem tzw. mikrowiązek jonowych stanowią obecnie najbardziej wyrafinowaną gałąź badań biofizycznych prowadzonych na świecie. Kontrolowane przejście pojedynczej cząstki (protonu) przez badaną próbkę (np. monowarstwę komórek) przy dokładnej (rzędu mikrometra) znajomości toru jonu, pozwala na uzyskanie unikalnej informacji o odpowiedzi komórek na to zdarzenie. Możemy opisać interakcję pomiędzy jonami a komórką, w której następuje depozycja energii, możemy badać efekty małych dawek promieniowania.

     Ta informacja nie jest zaciemniona efektami uśrednienia (czasowego i przestrzennego) wielu przypadkowych zdarzeń, co nieuchronnie towarzyszyło interpretacji rezultatów uzyskanych przy użyciu szerokiej wiązki jonów, gdzie cząstki rozmieszczone są przypadkowo w czasie i przestrzeni, co pozwalało tylko na monitorowanie makroskopowych efektów dużych dawek promieniowania.

     Badania prowadzone z zastosowaniem mikrowiązki protonowej do wywoływania radiacyjnych uszkodzeń w pojedynczych komórkach dostarczają informacji na temat kluczowych procesów biologicznych, takich jak apoptoza (programowana śmierć komórki), naprawa DNA, sygnalizacja międzykomórkowa – m.in. efekt sąsiedztwa (ang. bystander effect), możliwości regeneracyjne komórki itp. Możemy badać przebieg tych procesów w funkcji ilości jonów oddziaływujących z komórką oraz ich toru przejścia. Poznawanie w takiej skali efektów poradiacyjnych pozwoli na dogłębne zrozumienie procesów zachodzących w komórkach, w tym procesów nowotworowych.

     Przy naszym akceleratorze Van de Graaffa, który pozwala na wytworzenie mikrowiązki protonowej, został zbudowany układ pomiarowy umożliwiający naświetlanie żywych komórek pojedynczymi protonami (SIHF – ang. Single Ion Hit Facility, Zdjęcie 7). Specjalna komora umożliwia naświetlanie komórek biologicznych w powietrzu atmosferycznym, na zewnątrz układu próżniowego. Specjalny system szczelin umieszczony w jonowodzie akceleratora oraz znaczne obniżenie prądu wiązki jonów do ok. 0,1 fA możliwe jest kontrolowanie ilości protonów trafiających w określony punkt badanej próbki. Dla uzyskania odpowiedniej dokładności i powtarzalności wyników (należy naświetlić co najmniej kilkaset komórek w czasie kilku-kilkunastu minut) eksperyment jest zautomatyzowany. Po optycznym zlokalizowaniu komórek na szkiełku pomiarowym, sporządzeniu mapy współrzędnych do naświetlania i określeniu innych warunków pomiaru (np. ilości protonów, jaką powinna być naświetlona każda komórka) samo naświetlanie jest wykonane przez odpowiednio skonstruowany i zaprogramowany system pomiarowy.

Zdjęcie 7. Układ skonstruowany do naświetlania pojedynczych komórek zadaną liczbą jonów (SIHF – ang. Single Ion Hit Facility), z prawej strony - szalka z komórkami umieszczona w układzie

Zdjęcie 8. Zastosowanie mikrowiązki protonowej do naświetlania komórek komórek

    Na Zdjęciu 8 przedstawiona jest seria wyników przedstawiająca efekt naświetlania komórek różnymi dawkami promieniowania pochodzącymi od przyspieszonych protonów. Więcej o naszych badaniach można dowiedzieć się od pracowników naszego Zakładu lub przeczytać w artykule „Materiały biologiczne wykorzystywane w badaniach naukowych prowadzonych w Zakładzie Spektroskopii Stosowanej” (Anna.Wiechec@ifj.edu.pl, Janusz.Lekki@ifj.edu.pl, Malgorzata.Lekka@ifj.edu.pl).

     Ogromnym wyzwaniem dla naukowców jest poszukiwanie metod i urządzeń fizycznych: nowych i modyfikacji znanych, aby można było je zastosować do nowatorskich i wyrafinowanych badań obiektów przyrodniczych, i wykorzystać do poszukiwania odpowiedzi na pytania, jakie stawia współczesna biologia, medycyna i inne dziedziny nauk.

     Akcelerator Van de Graaffa oraz układ mikrowiązki protonowej to skomplikowane narzędzia fizyczne, które potrafimy dostosować i wykorzystać dla potrzeb badań przyrodniczych i biomedycznych. Metody obrazowania oparte na tych urządzeniach (PIXE, PIGE, R(E)BS) mogą być przydatne w diagnostyce medycznej. Przykładowo umożliwiają one jednoczesny pomiar wielu pierwiastków wraz z zachowaniem struktury tkanek - nie powodując ich uszkodzenia. Oznacza to, że na tym samym materiale badawczym można przeprowadzić różne rodzaje analiz. Dogłębne zbadanie wpływu niskich dawek na pojedyncze komórki może mieć istotny wpływ na podjęcie działań prewencyjnych na rzecz ochrony zdrowia osób stale narażonych na niskie dawki promieniowania (np. personel medyczny). Zastosowanie mikrowiązki protonowej do naświetlania wybranych, pojedynczych komórek pozwala na badanie poradiacyjnych procesów wewnątrzkomórkowych i komunikacji międzykomórkowych. Uzyskane rezultaty mogą przyczynić się do optymalizacji i indywidualizacji radioterapii.