Radiobiologia

Radiobiologia clínicaRadiobiologia clínicaIntrodução ao futuroIntrodução ao futuro

Rui P RodriguesRui P RodriguesUnidade de RadioterapiaUnidade de Radioterapia

Hospital CUF Descobertas Hospital CUF Descobertas

http://rt.no.sapo.pthttp://rt.no.sapo.pt

DEFINIÇÃODEFINIÇÃO

RadiobiologiaRadiobiologia

estudo dos efeitos da radiação estudo dos efeitos da radiação

em organismos vivosem organismos vivos

Noções básicasNoções básicas

Célula : Célula : Ø ~Ø ~0.025 mm (1 mm = 40 células em fila)0.025 mm (1 mm = 40 células em fila)

O O núcleonúcleo ocupa 10 a 90% do volume celular ocupa 10 a 90% do volume celular


No núcleo o No núcleo o DNADNA está enrolado numa está enrolado numa hélice hélice dupla, dupla, 100 vezes menor que a célula100 vezes menor que a célula

RX: probabilidade baixa de afectar o DNA RX: probabilidade baixa de afectar o DNA (ef.directo)(ef.directo)

Efeitos da radiação sobre o DNA Efeitos da radiação sobre o DNA predominantemente por acção de moléculas predominantemente por acção de moléculas circundantes (ef.indirecto) circundantes (ef.indirecto)

HH22O → ionização → reactividadeO → ionização → reactividade


Uma Uma partícula ionizadapartícula ionizada pode causar uma ou mais ionizações em pode causar uma ou mais ionizações em cada molécula de DNA que atravessacada molécula de DNA que atravessa

O mecanismo major de lesão do DNA é a O mecanismo major de lesão do DNA é a quebra das cadeiasquebra das cadeias da da dupla hélicedupla hélice

A quebra de uma única cadeia (single strand break) é reparada A quebra de uma única cadeia (single strand break) é reparada eficazmente por mecanismos intracelulareseficazmente por mecanismos intracelulares

A quebra de ambas as cadeias do DNA é menos eficaz levando A quebra de ambas as cadeias do DNA é menos eficaz levando com maior probabilidade à com maior probabilidade à morte celularmorte celular

RADIOBIOLOGIA CLÍNICARADIOBIOLOGIA CLÍNICA

O objectivo da radioterapia é o controlo tumoral com dano mínimo O objectivo da radioterapia é o controlo tumoral com dano mínimo nos tecidos normaisnos tecidos normais

A combinação de diferentes modalidades de tratamento melhora o A combinação de diferentes modalidades de tratamento melhora o índice terapêuticoíndice terapêutico

Diferentes perfis genéticos condicionam respostas diferentes ao Diferentes perfis genéticos condicionam respostas diferentes ao tratamento tratamento

ResumoResumo

Novas estratégias no tratamento do cancroNovas estratégias no tratamento do cancro

Impacto da imagiologia molecular na prática da Impacto da imagiologia molecular na prática da radioterapiaradioterapia

Modelos de simulação computorizada para Modelos de simulação computorizada para optimização do tratamentooptimização do tratamento

LéxicoLéxico

Terapêutica molecular dirigida (targeted therapy) Terapêutica molecular dirigida (targeted therapy)

Microclima tumoral Microclima tumoral

Agentes bioredutores Agentes bioredutores

Ensaios clínicosEnsaios clínicos

Microarrajos de DNA (microarrays)Microarrajos de DNA (microarrays)

Tecnologia proteómica Tecnologia proteómica

Pesquisa de Alvos molecularesPesquisa de Alvos moleculares

Definição de Perfis moleculares individualizadosDefinição de Perfis moleculares individualizados

QuestõesQuestões

Diferentes cancros evoluem e respondem de forma Diferentes cancros evoluem e respondem de forma diferente ao mesmo tratamentodiferente ao mesmo tratamento

Tumores parentemente idênticos têm evoluções Tumores parentemente idênticos têm evoluções diferentes em hospedeiros diferentesdiferentes em hospedeiros diferentes

Quais as moléculas envolvidas e suas funções ?Quais as moléculas envolvidas e suas funções ?

Quais as sequências (cascatas) de sinalização intra- e Quais as sequências (cascatas) de sinalização intra- e inter- celular que regulam a sensibilidade dos tecidos ?inter- celular que regulam a sensibilidade dos tecidos ?

SoluçõesSoluções

As técnicas de biologia molecular têm As técnicas de biologia molecular têm progredido rapidamenteprogredido rapidamente

Projecto do Genoma Humano: mapeamento dos Projecto do Genoma Humano: mapeamento dos genes nas células humanas com impacto genes nas células humanas com impacto definitivo no tratamento do cancrodefinitivo no tratamento do cancro

Revolução na radioterapiaRevolução na radioterapia

O tratamento personalizado do cancro pode ser O tratamento personalizado do cancro pode ser conseguido explorando os novos conhecimentosconseguido explorando os novos conhecimentos

Mecanismos de reparação do DNA Mecanismos de reparação do DNA Controlo do ciclo celular Controlo do ciclo celular Transdução de sinais intracelulares Transdução de sinais intracelulares Microclima tumoral Microclima tumoral

Terapêutica molecular dirigidaTerapêutica molecular dirigida

TERAPÊUTICA MOLECULAR DIRIGIDATERAPÊUTICA MOLECULAR DIRIGIDA

Uso de fármacos que actuam em processos Uso de fármacos que actuam em processos específicos do crescimento e desenvolvimento específicos do crescimento e desenvolvimento do cancro:do cancro:

Inibidores dos receptores da tirosina-quinase Inibidores dos receptores da tirosina-quinase

Inibidores da angiogénese Inibidores da angiogénese

Inibidores dos proteosomas Inibidores dos proteosomas

ImunoterapiaImunoterapia


O crescimento celular nos tecidos normais é controlado pelo O crescimento celular nos tecidos normais é controlado pelo equilíbrio entre factores promotores e inibidores do crescimentoequilíbrio entre factores promotores e inibidores do crescimento

Quando este equilíbrio é perturbado as células podem crescer Quando este equilíbrio é perturbado as células podem crescer descontroladamente (cancro)descontroladamente (cancro)

Um dos factores chave do crescimento celular é a dupla:Um dos factores chave do crescimento celular é a dupla:

Factor de Crescimento EpidérmicoFactor de Crescimento Epidérmico [(EGF) epidermal growth factor][(EGF) epidermal growth factor]

Receptor do EGF na membrana celularReceptor do EGF na membrana celular [(EGFR) EGF receptor[(EGFR) EGF receptor


Estas proteinas estão localizadas na membrana celularEstas proteinas estão localizadas na membrana celular

São constituidas por três porções ou domínios:São constituidas por três porções ou domínios:

Extracelular (domínio de ligação ou ligando)Extracelular (domínio de ligação ou ligando) IntramembranarIntramembranar Intracelular (actividade tirosina quinase) Intracelular (actividade tirosina quinase)

A activação do EGFR A activação do EGFR →→ cascata de sinalização intracelular: cascata de sinalização intracelular:

Inibição da apoptoseInibição da apoptose Estimulação da proliferação celular Estimulação da proliferação celular Angiogénese Angiogénese Diferenciação celular Diferenciação celular Migração celularMigração celular



O status funcional do EGFR pode ser medido (imunohistoquímica)O status funcional do EGFR pode ser medido (imunohistoquímica)

Tratamento dirigido ao EGFR:Tratamento dirigido ao EGFR:

Anticorpos monoclonaisAnticorpos monoclonais dirigidos ao domínio externo do receptor dirigidos ao domínio externo do receptor (cetuximab, trastuzumab) (cetuximab, trastuzumab)

Moléculas inibidoras da Moléculas inibidoras da tirosina quinasetirosina quinase (domínio interno) (domínio interno)

A actividade da EGFR-TK nos tumores pode comprometer os A actividade da EGFR-TK nos tumores pode comprometer os resultados do tratamento com radiações:resultados do tratamento com radiações:

Bloqueio do efeito citotóxico da radiação Bloqueio do efeito citotóxico da radiação Aumento da repopulação tumoral Aumento da repopulação tumoral


Acredita-se que a exposição a radiações ionizantes activa o EGFR Acredita-se que a exposição a radiações ionizantes activa o EGFR e como consequência activa a cadeia de sinalização intracelular e como consequência activa a cadeia de sinalização intracelular envolvida na defesa celular contra a agressão.envolvida na defesa celular contra a agressão.

O tratamento simultâneo com um fármaco inibidor da tirosina O tratamento simultâneo com um fármaco inibidor da tirosina quinase pode prevenir a activação do EGFR induzida pela radiação.quinase pode prevenir a activação do EGFR induzida pela radiação.

Combinando o Combinando o ZD1839ZD1839 com radioterapia pode melhorar as com radioterapia pode melhorar as respostas em tumores de pulmão não pequenas células, tumores respostas em tumores de pulmão não pequenas células, tumores de cabeça e pescoço e outros tumores sólidosde cabeça e pescoço e outros tumores sólidos

Inibidores da angiogéneseInibidores da angiogénese

AngiogéneseAngiogénese: formação de novos vasos sanguíneos a partir de : formação de novos vasos sanguíneos a partir de vasos pré-existentes vasos pré-existentes

Rara em adultos Rara em adultos

Ocorre durante a cicatrização de feridas, inflamação, ovulação, Ocorre durante a cicatrização de feridas, inflamação, ovulação, gravidez ou isquémia.gravidez ou isquémia.

Nos tumores assegura aporte de nutrientes e oxigénio e remoção Nos tumores assegura aporte de nutrientes e oxigénio e remoção de subprodutos do metabolismode subprodutos do metabolismo

É regulada por moléculas activadoras e inibidoras actuando sobre É regulada por moléculas activadoras e inibidoras actuando sobre certos genes no tecido hospedeirocertos genes no tecido hospedeiro


As células neoplásicas segregam para os tecidos circundantes As células neoplásicas segregam para os tecidos circundantes moléculas estimuladoras de crescimento vascular:moléculas estimuladoras de crescimento vascular:

Factor de Crescimento do Endotélio Vascular Factor de Crescimento do Endotélio Vascular [vascular endothelial growth factor (VEGF)][vascular endothelial growth factor (VEGF)]

Factor de Básico de Crescimento dos Fibroblastos Factor de Básico de Crescimento dos Fibroblastos [basic fibroblast growth factor (bFGF)][basic fibroblast growth factor (bFGF)]

A ligação do factor de crescimento a um receptor de parede activa A ligação do factor de crescimento a um receptor de parede activa a via de sinalização intracelular a via de sinalização intracelular → → formação de células endoteliaisformação de células endoteliais

As células endoteliais activadas produzem enzimas capazes de As células endoteliais activadas produzem enzimas capazes de degradar a degradar a matriz extracelularmatriz extracelular dos tecidos circundantes. dos tecidos circundantes.

Isto permite às células endoteliais migrar, dividirem-se e Isto permite às células endoteliais migrar, dividirem-se e organizarem-se para formar uma nova rede vascular.organizarem-se para formar uma nova rede vascular.


Inibir a angiogénese pode atrasar ou prevenir o crescimento das Inibir a angiogénese pode atrasar ou prevenir o crescimento das células tumoraiscélulas tumorais

As proteinas naturais que inibem a angiogénese:As proteinas naturais que inibem a angiogénese: angiostatina / endostatina / trombospondina angiostatina / endostatina / trombospondina

Mecanismo de acção dos inibidores da angiogénese: Mecanismo de acção dos inibidores da angiogénese:

Inibição directa da função das células endoteliais Inibição directa da função das células endoteliais promovendo a apoptose / destruição celularpromovendo a apoptose / destruição celular

Bloqueio da cascata de sinalização da angiogéneseBloqueio da cascata de sinalização da angiogénese interferência com os receptodes de membrana das células endoteliais interferência com os receptodes de membrana das células endoteliais inibição de produção de factores pró-angiogénicosinibição de produção de factores pró-angiogénicos

Bloqueio da destruição da matriz extracelular Bloqueio da destruição da matriz extracelular por inibição da actividade das enzimas degradativaspor inibição da actividade das enzimas degradativas

Inibidores dos proteosomasInibidores dos proteosomas

ProteosomaProteosoma = destruidor de proteinas = destruidor de proteinas

Complexo enzimático celular responsável pela decomposição das Complexo enzimático celular responsável pela decomposição das proteinas (regulação funcional)proteinas (regulação funcional)

As proteinas são destruidas quando já não são necessárias:As proteinas são destruidas quando já não são necessárias: Proteinas sinalizadoras Proteinas sinalizadoras Enzimas Enzimas Proteinas estruturaisProteinas estruturais

O compromisso deste sistema pode transformar a célulaO compromisso deste sistema pode transformar a célula

Inibidores dos proteosomasInibidores dos proteosomas

Os Os inibidores dos proteosomasinibidores dos proteosomas provocam: provocam: Indução da apoptose Indução da apoptose Reversão da resistência a certas drogas Reversão da resistência a certas drogas Alteração do microclima celular, bloqueando Alteração do microclima celular, bloqueando

Os circuitos das citoquinas Os circuitos das citoquinas A adesão celular A adesão celular A angiogeneseA angiogenese

Ensaios fase III de inibidores dos proteosomas – Ensaios fase III de inibidores dos proteosomas – BortezomibBortezomib

Resultados impressionantes no tratamento do mieloma múltiplo, em Resultados impressionantes no tratamento do mieloma múltiplo, em comparação com a dexametasona em altas doses.comparação com a dexametasona em altas doses.

Efeitos adversos registados durante ensaios fase II Efeitos adversos registados durante ensaios fase II (neuropatia (neuropatia periférica, acidentes vasculares cerebrais, dôr abdominal grau 3)periférica, acidentes vasculares cerebrais, dôr abdominal grau 3)

ImunoterapiaImunoterapia

Não interfere com os sinais activadores do crescimentoNão interfere com os sinais activadores do crescimento

Inicia um Inicia um sinal imunitáriosinal imunitário → → reacções imunitárias anti-tumorais reacções imunitárias anti-tumorais → → destruição das células tumorais destruição das células tumorais

Pode ser lançado um ataque Pode ser lançado um ataque duploduplo usando agentes usando agentes radioimunoterapêuticosradioimunoterapêuticos

A droga imunoterápica é ligada a uma substância radioactivaA droga imunoterápica é ligada a uma substância radioactiva

resposta imunitária anti-tumoralresposta imunitária anti-tumoral

reacção anti-tumoral da radiação depositada selectivamentereacção anti-tumoral da radiação depositada selectivamente

MICROCLIMA TUMORALMICROCLIMA TUMORAL

O microclima tumoral é a caracterização das condições metabólicas O microclima tumoral é a caracterização das condições metabólicas e fisiológicas no interior dos tumores sólidose fisiológicas no interior dos tumores sólidos

Na maioria dos tumores existe: Na maioria dos tumores existe:

Concentração baixa de glucose Concentração baixa de glucose

Concentração elevada de ácido láctico Concentração elevada de ácido láctico

pH extracelular baixo (acidose) pH extracelular baixo (acidose)

Tensão de oxigénio baixa Tensão de oxigénio baixa

Hipóxia tumoral Hipóxia tumoral

Factores que Factores que causamcausam hipóxia tumoral hipóxia tumoral (tensão O2 < 2.5 mm Hg)(tensão O2 < 2.5 mm Hg)

Estrutura e função anormal da Estrutura e função anormal da microvascularizaçãomicrovascularização tumoral tumoral Aumento das distâncias de Aumento das distâncias de difusãodifusão entre os vasos e as células entre os vasos e as células

tumoraistumorais Redução da capacidade de transporte de oxigénio do Redução da capacidade de transporte de oxigénio do sanguesangue

ConsequênciasConsequências da hipóxia: da hipóxia:

Redução da formação de Redução da formação de radicais livresradicais livres (mecanismo directo) (mecanismo directo) Alterações na Alterações na expressão dos genesexpressão dos genes Instabilidade genéticaInstabilidade genética (indução de resistência ao tratamento e (indução de resistência ao tratamento e

desenvolvimento de fenotipos mais agressivos)desenvolvimento de fenotipos mais agressivos)

Hipóxia tumoral Hipóxia tumoral

Estratégias para contornar a hipóxia:Estratégias para contornar a hipóxia:

Aumentar a distribuição de oxigénio ou drogas oxigeno-miméticasAumentar a distribuição de oxigénio ou drogas oxigeno-miméticas

Oxigénio hiperbárico Oxigénio hiperbárico (baixa eficácia)(baixa eficácia) Radiossensibilizantes com afinidade electrónica elevada Radiossensibilizantes com afinidade electrónica elevada (limitado)(limitado) Nitroimidazois Nitroimidazois (apenas alguns – nimorazole - provaram um efeito significativo (apenas alguns – nimorazole - provaram um efeito significativo

em radioterapia de cancros supraglóticos, da laringe e da faringe)em radioterapia de cancros supraglóticos, da laringe e da faringe)

Explorar as condições locais com terapêutica dirigidaExplorar as condições locais com terapêutica dirigida (targeted therapy)(targeted therapy)

Drogas bioreductoras Drogas bioreductoras (activação intratumoral)(activação intratumoral)

Pró-drogasPró-drogas: e: exploram a capacidade dos tumores sólidos terem um xploram a capacidade dos tumores sólidos terem um metabolismo redutor metabolismo redutor que activa a forma citotóxica do fármaco que activa a forma citotóxica do fármaco

através de através de genes-suicidas hipoxia-dependentesgenes-suicidas hipoxia-dependentes

Hipóxia tumoralHipóxia tumoral

O O metabolismo bioredutormetabolismo bioredutor apenas ocorre na ausência de oxigénio apenas ocorre na ausência de oxigénio

A activação de A activação de pró-drogaspró-drogas está facilitada na maioria dos tumores está facilitada na maioria dos tumores com células hipóxicas.com células hipóxicas.

Compostos em desenvolvimento:Compostos em desenvolvimento:

Mitomicina C Mitomicina C

TirapazamineTirapazamine (quebra da cadeia do DNA) (quebra da cadeia do DNA)

Ensaios fase II/III: combinada com cisplatina em tumores de pulmão, Ensaios fase II/III: combinada com cisplatina em tumores de pulmão, mama, C&P e melanomamama, C&P e melanoma

Ensaios fase II: combinada com radioterapia em tumores de C&P, colo Ensaios fase II: combinada com radioterapia em tumores de C&P, colo uterino, glioblastomauterino, glioblastoma

IMAGIOLOGIA MOLECULARIMAGIOLOGIA MOLECULAR

Aplicações básicas Aplicações básicas (sondas moleculares)(sondas moleculares)::

DiagnósticoDiagnóstico: localização / distribuição das moléculas alvo : localização / distribuição das moléculas alvo TratamentoTratamento: adicionando um agente terapêutico à sonda molecular: adicionando um agente terapêutico à sonda molecular

A aplicação prática destas tecnologias permitiu desenvolver A aplicação prática destas tecnologias permitiu desenvolver métodos de visualização tumoral para além da morfologia:métodos de visualização tumoral para além da morfologia:

PET PET (positron emission tomography)(positron emission tomography)

SPECT SPECT (single-photon emission computed tomography)(single-photon emission computed tomography)

MRS MRS (magnetic resonance spectroscopy)(magnetic resonance spectroscopy)

Permite ‘ver’ os sistemas biológicos funcionais intratumorais dando Permite ‘ver’ os sistemas biológicos funcionais intratumorais dando informação sobre Metabolismo / Fisiologia / Biologia molecular informação sobre Metabolismo / Fisiologia / Biologia molecular

Complementa a informação anatómica convencional Complementa a informação anatómica convencional (TAC, RMN)(TAC, RMN)

P E T – F D GP E T – F D G

O marcador mais popular em PET é o FDG O marcador mais popular em PET é o FDG (18-fluor fluorodeoxyglucose)(18-fluor fluorodeoxyglucose)

Análogo da glicose transportado para dentro da célula pelo Análogo da glicose transportado para dentro da célula pelo gluc-1gluc-1

O gluc-1 tem uma expressão aumentada nos tumores malignos O gluc-1 tem uma expressão aumentada nos tumores malignos

A PET-FDG tem um impacto significativo na determinação do GTV A PET-FDG tem um impacto significativo na determinação do GTV e PTV em tumores de pulmão:e PTV em tumores de pulmão:

Detecção de envolvimento ganglionarDetecção de envolvimento ganglionar

Diferenciação entre tecido maligno e atelectasia Diferenciação entre tecido maligno e atelectasia

Detecção de tumor viável após tratamentoDetecção de tumor viável após tratamento

P E T – C TP E T – C T

IMAGIOLOGIA MOLECULARIMAGIOLOGIA MOLECULAR

A imagiologia de A imagiologia de áreas tumorais hipóxicasáreas tumorais hipóxicas, ,

com com proliferação activaproliferação activa, , angiogéneseangiogénese, , apoptoseapoptose

ou ou expressão genética alteradaexpressão genética alterada

leva à identificação de leva à identificação de heterogeneidades tumoraisheterogeneidades tumorais

que que poderãopoderão ser tratadas de uma forma individualizada ser tratadas de uma forma individualizada

usando usando radioterapia de intensidade modulada.radioterapia de intensidade modulada.

SIMULAÇÃO DA RESPOSTA TUMORAL À RADIOTERAPIASIMULAÇÃO DA RESPOSTA TUMORAL À RADIOTERAPIA

ModelosModelos para caracterização do crescimento tumoral e resposta à para caracterização do crescimento tumoral e resposta à radioterapia que permitam optimizar o tratamento, baseados em: radioterapia que permitam optimizar o tratamento, baseados em:

Imagiologia tumoral Imagiologia tumoral Dados histopatológicos e genéticos do doente Dados histopatológicos e genéticos do doente Macanismos biológicos fundamentais Macanismos biológicos fundamentais (cinética tumoral, modelo linear-quadrático)(cinética tumoral, modelo linear-quadrático)

Testes de Testes de validação clínicavalidação clínica foram animadores foram animadores (GBM)(GBM)

A adaptação deste modelo a dados clínicos reais irá melhorar a sua A adaptação deste modelo a dados clínicos reais irá melhorar a sua fiabilidadefiabilidade, que irá depender dos dados fornecidos:, que irá depender dos dados fornecidos:

Informação biológica do doenteInformação biológica do doente Perfis genéticos Perfis genéticos Qualidade dos sistemas de imagiologia Qualidade dos sistemas de imagiologia (molecular)(molecular)

SIMULAÇÃO DA RESPOSTA TUMORAL À RADIOTERAPIASIMULAÇÃO DA RESPOSTA TUMORAL À RADIOTERAPIA

ESTROESTRO - - Projecto GENEPIProjecto GENEPI genetic pathways for the prediction of the effects of irradiationgenetic pathways for the prediction of the effects of irradiation

Banco de tecidosBanco de tecidos

Dados clínicos detalhados após radioterapia Dados clínicos detalhados após radioterapia (resposta tumoral; (resposta tumoral; reacções nos tecidos sãos)reacções nos tecidos sãos)

Dados dosimétricos e de follow-upDados dosimétricos e de follow-up

CONCLUSÕESCONCLUSÕES

A biologia molecular é a chave para o A biologia molecular é a chave para o diagnósticodiagnóstico e e tratamentotratamento dirigido e individualizado do cancro.dirigido e individualizado do cancro.

O futuro da radioterapia reside na exploração dos conhecimentos O futuro da radioterapia reside na exploração dos conhecimentos de de genéticagenética e do e do microclima tumoralmicroclima tumoral..

Usando estudos de Usando estudos de proteómicaproteómica e a e a bioinformáticabioinformática poderão ser poderão ser encontrados os alvos moleculares ideais.encontrados os alvos moleculares ideais.

ModelosModelos informáticos dependem da caracterização dos perfis informáticos dependem da caracterização dos perfis moleculares moleculares predictivospredictivos da resposta dos tecidos às radiações. da resposta dos tecidos às radiações.

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