Wpływ wiązek mieszanych promieniowania jonizującego na dynamikę naprawy uszkodzeń DNA w komórkach U2OS

Podwójnoniciowe uszkodzenia DNA są szczególnie szkodliwą formą uszkodzeń, które mogą różnić się stopniem złożoności w zależności od czynnika, który je indukuje. W reakcji na tego typu uszkodzenia, komórki inicjują wieloetapowy proces odpowiedzi biologicznej. Promieniowanie alfa, charakteryzujące się dużą gęstością jonizacji, wywołuje złożone uszkodzenia skupione w niewielkiej objętości. Pośrednio jonizujące promieniowanie gamma indukuje rozproszone, proste uszkodzenia, głównie poprzez produkcję reaktywnych form tlenu. Badania nad wpływem zastosowania promieniowania jonizującego na materiał biologiczny pozostają obszarem intensywnych badań, w szczególności gdy napromienianie odbywa się z wykorzystaniem różnych typów promieniowania dostarczanych razem. Celem pracy było zbadanie wpływu sekwencyjnych wiązek mieszanych promieniowania jonizującego na odpowiedź biologiczną komórek nowotworowych kostniakomięsaka. Do zbadania efektu oddziaływania dwóch rodzajów promieniowania oraz jego wpływu na indukcję uszkodzeń DNA został wykorzystany test radiobiologiczny, który polega na analizie ognisk naprawczych białka NBS1. Obserwacje obejmowały analizę powstawania i zanikania ognisk, ich rozmiaru, intensywności oraz ruchliwości. Porównane zostały skutki napromienienia komórek promieniowaniem alfa i gamma stosowanymi osobno oraz sekwencyjnie z uwzględnieniem kolejności. Do obserwacji ognisk został użyty mikroskop fluorescencyjny do obrazowania żywych komórek w czasie rzeczywistym. Przed przystąpieniem do badań radiobiologicznych, przeprowadzona została dozymetria źródeł dostępnych w laboratorium Zakładu Biologii Molekularnej Uniwersytetu w Sztokholmie, które były używane do napromienienia materiału biologicznego. Do sprawdzenia przestrzennego rozkładu dawki źródła promieniowania gamma wykorzystane zostały certyfikowane dozymetry aktywne i pasywne, jak i dozymetr krzemowy wykonany w ramach współpracy z Wydziałem Fizyki Uniwersytetu w Sztokholmie. Weryfikacja dozymetryczna źródła promieniowania alfa została przeprowadzona w oparciu o symulacje komputerowe z wykorzystaniem metod Monte Carlo. Uzyskane wyniki wskazują na wpływ kolejności stosowania promieniowania charakteryzującego się różnym sposobem oddziaływania na indukcję DNA oraz szybkości i jakości ich naprawy. Ekspozycja na sekwencyjne wiązki mieszane, gdzie promieniowanie alfa było stosowane jako pierwsze, wywołała silniejszy efekt biologiczny: największą liczbę powstałych ognisk naprawczych o największym rozmiarze oraz najwolniejszej naprawie. Możliwe wyjaśnienia sugerują, że otwarcie chromatyny indukowane przez cząstki alfa może nasilać uszkodzenia poprzez ekspozycję DNA na rodniki indukowane promieniowaniem gamma, lub też aktywacja mechanizmu naprawy jest silniejsza, gdy indukcja uszkodzeń cząstkami alfa poprzedza uszkodzenia rozproszone indukowane promieniowaniem gamma.

Double-strand DNA damage is a particularly cytotoxic form of damage that can vary in complexity depending on the inducing factor. In response to such damage, cells initiate a multistep process of biological response. The alpha particles, characterized by high ionization density, induce complex damage concentrated in a small volume. Indirectly ionizing gamma radiation induces scattered, simple damage, primarily through the production of reactive oxygen species. Studies on the impact of ionizing radiation on biological material remain an area of intensive investigation, especially when irradiation involves the simultaneous use of different types of radiation. The aim of the study was to investigate the effect of sequential mixed beams of ionizing radiation on the biological response of osteosarcoma tumor cells. To examine the effect of the interaction of two types of radiation and its impact on the induction of DNA damage, a radiobiological test involving the analysis of repair foci of the NBS1 protein was used. The observations included an analysis of the formation and disappearance of foci, their size, intensity and mobility. The effects of cell irradiation with alpha and gamma radiation used separately and sequentially were compared, considering the order of exposure. A fluorescence microscope for real-time imaging to observe the repair foci. Before performing radiobiological experiments, dosimetry of the sources available in the Department of Molecular Biosciences at the Stockholm University was conducted. These sources were used for irradiating biological material. To verify the spatial distribution of the absorbed dose from the gamma radiation source, certified active and passive dosimeters, as well as a silicon dosimeter developed in collaboration with the Department of Physics of the Stockholm University, were employed. Dosimetric verification of the alpha radiation source was performed through computer simulations using Monte Carlo methods. The obtained results indicate the influence of the order of irradiation, characterized by different effects on DNA induction as well as the rate and quality of their repair. Exposure to sequential mixed beams, where alpha radiation was delivered first, resulted in a stronger biological effect: the highest number of formed repair foci with the largest size and the slowest repair. Possible explanations suggest that chromatin opening induced by alpha particles may enhance damage by exposure of DNA to radicals induced by gamma radiation, or the activation of the repair mechanism is stronger when the induction of damage by alpha particles precedes sparsely radiation-induced damage gamma.