cap_01. Radiobiologie generala

Radiobiologie generală: biologie celulară

I. RADIOBIOLOGIE GENERALĂ 1.

NOŢIUNI DE BIOLOGIE CELULARĂ ŞI TISULARĂ

1.1 COMPOZIŢIA CHIMICĂ A CELULEI .................................................................................2 1.2 COMPARTIMENTELE CELULARE, STRUCTURA ŞI FUNCŢIILE LOR ...................................2 1.3 TIPURI DE ŢESUTURI MAMIFERE ...................................................................................5 1.4 DIVIZIUNEA CELULARĂ ŞI CICLUL CELULAR ................................................................6 1.5 CINETICA POPULAŢIILOR CELULARE ............................................................................8 BIBLIOGRAFIE ........................................................................................................................10 Biologia celulară studiază caracterele celulei ca numitor comun al vieţuitoarelor. Celula este cea mai mică unitate morfo-funcţională şi comportamentală a vieţii. Celulele îndeplinesc diferite funcţii ceea ce explică marea lor diversitate. Există diferenţe fundamentale cu privire la planul de organizare şi funcţionare între celulele procariotelor şi cele ale eucariotelor. Dintre procariote fac parte bacteriile şi algele albastreverzi (numite şi cianobacterii) iar dintre eucariote fac parte plantele şi animalele. Eucariotele pot fi unicelulare (cum sunt protozoarele) sau pluricelulere (animale metazoare sau plante metafite) dar procariotele sunt numai unicelulare. Celulele eucariote au un nucleu cu morfologie caracteristică, înconjurat de o membrană nucleară iar la interior se află nucleolii. În citoplasmă sunt dispuse organitele celulare delimitate de membrane şi un citoschelet care determină forma celulei şi stă la baza motilităţii celulare. Celulele eucariote posedă forme evoluate de înmulţire ca meioza şi mitoza (Benga 1985). Principalele diferenţe între celulele procariote şi cele eucariote sunt redate în Tabelul 1-I. Tabelul 1-I Celule procariote vs. eucariote

STRUCTURĂ

PROCARIOTE

EUCARIOTE

Membrană nucleară

Nu

Prezentă

Cromozomi

Unic

Multipli

Golgi, reticul endoplasmic

Nu

Prezent

Mitocondrii

Nu

Prezente

Ribozomi

Mici

Mari

Microtubuli

Nu

Prezenţi

Perete celular

Da

Nu

Numărul celulelor care alcătuiesc organismele vii variază în limite foarte largi. Un adult uman cu greutate de 70 kg este alcătuit din aproximativ 7 x 10 13 celule grupate în ţesuturi, organe şi sisteme care îndeplinesc funcţii specifice. Celulele sunt clasificate în funcţie de: localizare (hepatocite), culoare (eritrocite), morfologie 1

Radiobiologie generală: biologie celulară

(polimorfonucleare), funcţie (osteoclaste), populaţie (celule Paneth).

1.1

Compoziţia chimică a celulei (a) Apa: este mediul de dispersie al materiei vii în care se desfăşoară fenomenele fizicochimice ale vieţii. Celulele umane sunt alcătuite în proporţie de 60-85% din apă. Cantitatea de apă variază în funcţie activitatea şi vârsta celulei. Un adult uman de 70 de kg conţine peste 40 de kg de apă. (b) Elementele chimice: din totalul de 60 de elemente chimice identificate la nivelul celulei doar 20 sunt demonstrate ca fiind indispensabile pentru viaţă. i.

Mineralele sunt reprezentate de ioni: Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, P (PO4)-, S (HS)-, F şi oligoelemente: Co, Cu, Fe, Mn, Zn, Se, care au în general rol catalitic al unor reacţii chimice. Sodiul şi potasiul sunt elemente importante în mecanismele de reglare celulară. Concentraţia de Na+ este mai mare în afara celulei, în timp ce concentraţia de K+ este mai mare în interiorul celulei. Acest gradient este menţinut printr-un mecanism activ (pompa de ioni) care previne explozia dar şi ratatinarea celulei.

ii.

Macromoleculele sunt acizi nucleici (ADN şi ARN), aminoacizi şi proteine, hidraţi de carbon, lipide.

Figura 1-1. Morfologia unei celule mamifere (modificat după Nias 2000)

1.2

Compartimentele celulare, structura şi funcţiile lor

Compartimente celulare A. CITOPLASMA este cavitatea care conţine toate organitele şi incluziunile celulare, fiind compusă din 70% apă, ioni, oligoelemente, zaharuri, lipide şi aminoacizi. In citoplasmă se găsesc organitele celulare care sunt necesare pentru: (a) sinteza proteinelor şi a altor produse cu semnificaţie biologică şi (b) producţia de energie. Organitele celulare sunt separate atât între ele cât şi de citoplasmă prin membrane celulare. Organizarea generală a unei celule mamifere este reprezentată în Figura 1-1. Membranele celulare Delimitează celula de mediul înconjurător şi compartimentează celula. Membranele celulare 2

Radiobiologie generală: biologie celulară

sunt metabolic active fiind bariere cu permeabilitate selectivă. Ele au structură lipoproteică şi dimensiuni cuprinse între 8 şi 10 nm (nanometri). Sunt asimetrice, diferite la interior faţă de exterior. Fiecare membrană este unică din punct de vedere al compoziţiei fie că este de natură lipidică sau proteică. Organitele celulare Mitocondriile: se presupune că au apărut odată cu bacteriile primitive. Au formă alungită şi neregulată. Prezintă 2 membrane: externă care reglează exportul de ATP şi internă care conţine enzime implicate în producţia ATP. Membrana internă trimite prelungiri care formează crestele mitocondriale. Acestea au rolul de a creşte suprafaţa membranelor pentru generarea mai eficientă de compuşi energetici. Matricea este sediul glicolizei iar granulele matricei depozitează calciul. Mitocondriile sunt sediul respiraţiei aerobice şi a ciclului Krebs. Hepatocitele au aproximativ 1000 mitocondrii care sunt metabolic foarte active. Alte celule cum sunt hematiile nu au mitocondrii. Numărul mitocondriilor este diferit, în funcţie de activitatea metabolică a celulei. Reticulul endoplasmic, poate fi neted sau rugos. Neted: are suprafaţă netedă cu reţele membranare care leagă tubulii şi veziculele din citoplasmă. Acestea sunt implicate în metabolismul glucozei (la nivel hepatic), în detoxifiere, depozitarea calciului, producţia de hormoni steroizi, sinteza lipidelor, depozitarea colesterolului, producţia de acid clorhidric. Funcţia principală este în special detoxifierea şi mai puţin sinteza. Rugos: saci şi tubuli care la exterior sunt tapetaţi de ribozomi. Ribozomii sunt sediul sintezei de proteine. Elementele reticulului endoplasmic rugos sunt ataşate de nucleu fiind considerate un „cărăuş” între acesta din urmă şi citoplasma pe de o parte şi mediul extracelu1ar pe de altă parte. Funcţia principală este de sinteză a proteinelor destinate să părăsească citosolul şi să intre în alte compartimente celulare. Aparatul Golgi Este situat perinuclear. Are suprafaţa netedă şi este compus din membrane care leagă vezicule şi tubuli. Funcţional este implicat în activitatea de sortare a proteinelor, de legare a lor cu alţi compuşi, în activitatea de export a acestora precum şi în modificarea şi transportul moleculelor “fabricate” în reticulul endoplasmatic. Lizozomii Complex de organite limitate de membrane monostrat, care conţin enzime proteolitice şi acizi foarte activi. Au un pH foarte scăzut, astfel că este foarte important să fie separaţi de conţinutul celulei. Sunt implicaţi în distrugerea materialelor străine cum sunt bacteriile şi virusurile. Alterarea membranei lizozomale determină eliberarea enzimelor cu rol în digestia intracelulară care ar permite atacul proteinelor şi a acizilor nucleici în altă parte a celulei. Distrugerea lizozomilor este unul din mecanismele prin care iradierea determină moartea celulară. Peroxizomii Sunt organite celulare înconjurate de o singură membrană. Conţin enzime care utilizează oxigenul pentru îndepărtarea hidrogenului din diferite molecule organice. În reacţiile care au loc este generată apa oxigenată care ulterior este folosită la oxidarea altor molecule în diferite procese de detoxifiere. Excesul de apă oxigenată este anihilat de catalază care determină descompunerea apei oxigenate în apă şi oxigen molecular (H2O2→ Η2Ο+Ο2). Până al 40% din 3

Radiobiologie generală: biologie celulară

conţinutul de proteine al peroxizomilor este reprezentate de catalază. Dacă descompunerea apei oxigenate nu are loc se formează radicalii liberi care sunt compuşi foarte toxici pentru celulă (Voiculeţ 1997). Centriolii Sunt structuri cilindrice, compuse din microtubuli cu organizare superioară. Un centriol este alcătuit din nouă „mănunchiuri”. Fiecare „mănunchi” la rândul lui, este alcătuit din trei microtubuli care sunt aranjaţi într-o configuraţie de tipul unei elice. În timpul diviziunii celulare, centriolii servesc drept „matriţă” pentru formarea şi organizarea microtubulilor. De asemenea formează fusul mitotic care ajută la separarea cromatinei între cele două celule fiice. Toate structurile enumerate mai sus se află în interiorul celulei. Pentru asigurarea funcţionalităţii celulare există un schimb continuu între compartimentele delimitate de membrane interne ale celulei şi exteriorul acesteia. Acest schimb se realizează prin endocitoză şi exocitoză. O formă specială de exocitoză o reprezintă fagocitoza care permite “înghiţirea “ unor particule foarte mari sau chiar a unei celule străine în întregime. Citoscheletul Cu cât o celulă este mai mare şi prezintă structuri interne mai specializate şi elaborate, cu atât creşte nevoia de a menţine aceste structuri la locurile lor şi de a le controla mişcările. Celulele eucariote prezintă un schelet intern denumit citoschelet care îi conferă celulei forma, capacitatea de mişcare şi abilitatea de a-şi aranja organitele şi de a le transporta dintr-o parte a celulei în alta. Citoscheletul este compus dintr-o reţea de proteine filamentoase care se găsesc practic nemodificate în toate celulele eucariote (Pollard 2001). Incluziunile celulare sunt reprezentate de: i.

Microfilamente: asigură locomoţia celulei şi transportul intracelular. Cele mai cunoscute sunt miozina şi actina care se găsesc în ţesutul muscular. Unele sunt specifice unui anumit ţesut: keratina pentru piele, vimetina pentru ţesutul conjunctiv, neurofilamentele pentru ţesutul nervos.

ii.

Microtubuli: contribuie la menţinerea formei celulei, ca şi la formarea unor structuri de motilitate (cili, flageli). De asemenea iau parte la alcătuirea fusului mitotic, pot fi rapid asamblaţi sau dezasamblaţi în funcţie de necesităţile celulei. Colchicina blochează asamblarea lor, oprind astfel mitoza. (diviziunea celulară).

iii.

Pigmenţii celulari sunt: melanină în celulele pielii, hemosiderină în celulele hepatice, lipofuxină.

B. NUCLEUL: este centrul de comandă al celulei. Conţine unităţile ereditare, genele, care sunt dispuse în cromozomi. Genele controlează activitatea celulară prin codificarea enzimelor proteinelor şi a altor substanţe care sunt produse de celulă. În celula aflată în repaus cromozomii apar ca structuri granulare cu aspect întunecat formând cromatina. Membranele care delimitează nucleul protejează structura ADN şi aparatul său de control de diferitele mişcări la nivelul citoscheletului precum şi de diferitele modificări chimice ce au loc în citoplasmă. Ele permit de asemenea segregarea a doi paşi cruciali în exprimarea informaţiei genetice: (a) transcripţia ADN– copierea informaţiei secvenţei ADN în secvenţă ARN şi (b) translaţia ARN - utilizarea secvenţei ARN în sinteza proteinelor specifice. Din punct de vedere chimic cromozomii sunt compuşi din acid deoxiribonucleic (ADN). 4

Radiobiologie generală: biologie celulară

Nucleul este şi sediul sintezei de acid ribonucleic (ARN). Există trei tipuri de ARN: i.

ARN mesager (ARNm) - transportă informaţiile necesare pentru sinteza proteinelor de la ADN în citoplasmă

ii.

ARN ribozomal (ARNr)- migrează în citoplasmă unde devine sediul sintezei de proteine.

iii.

ARN de transfer (ARNt)- serveşte ca sistem de transport al aminoacizilor pentru sinteza proteinelor.

Sinteza ARN are loc la nivelul nucleolilor. Nucleul este separat de citoplasmă printr-o membrană în 2 straturi care permite circulaţia între compartimentele nucleare şi cele citoplasmatice a fluidelor, electroliţilor, a ARN şi a altor constituenţi (Alberts 2002). Organizarea celulară poate fi asemănată unei fabrici în care procese diferite se desfăşoară sub acelaşi acoperiş: în condiţii normale ansamblul funcţionează armonios fiecare proces decurgând conform planificării. Unele procese sunt mai importante si dezorganizarea acestora poate avea consecinţe majore pentru celulă, altele dimpotrivă sunt mai puţin importante iar eventualele dereglări pot trece chiar neobservate. Nucleul poate fi asemănat cu computerul central al uzinei. Dereglarea funcţiilor şi mecanismelor de coordonare la acest nivel are de obicei consecinţe grave pentru celulă şi ele pot culmina cu moartea celulei (Nias 2000).

1.3

Tipuri de ţesuturi mamifere

Din punct de vedere structural celulele sunt similare, dar din punct de vedere funcţional ele sunt foarte diferite. Mai multe celule cu aceeaşi funcţie alcătuiesc un ţesut. Ţesuturile mamifere pot fi sistematizate astfel: 1. Ţesuturi epiteliale: constau din celule care cresc în straturi şi acoperă organe sau delimitează cavităţi. Pielea este constituită din celule epiteliale pavimentoase care produc cheratină. Alte tipuri de celule epiteliale sunt: cuboide care tapetează canalele glandelor salivare şi al tubulilor renali, celule columnare care tapetează lumenul tractului digestiv şi au funcţii secretorii. 2. Ţesuturi conjunctive: sunt cele care asigură suportul pentru creşterea altor ţesuturi asigurând o legătură între acestea. Unele dintre celulele conjunctive sunt specializate în producerea diverselor substanţe intercelulare cum sunt calciul la nivelul oaselor sau grăsimile la nivelul ţesutului adipos. 3. Ţesuturile musculare: sunt alcătuite din celule a căror citoplasmă are proprietăţi contractile, fapt care permite efectuarea de lucru mecanic sau tensiune. Ţesutul muscular poate fi sub control voluntar (muşchii scheletici), sau autonom (inimă, viscere). 4. Ţesutul nervos: format din celule specializate în comunicare. Include creierul, măduva spinării şi nervii care se găsesc peste tot în organism. Neuronul este o celulă de formă alungită, specializată în conducerea impulsurilor. Alte tipuri de celule nervoase îndeplinesc funcţii de suport şi se numesc celule nevrogliale. 5. Celulele sanguine: sunt produse în măduva osoasă, iar elementele diferenţiate îndeplinesc funcţii specifice. Astfel cele din seria albă sunt responsabile de apărarea imunologică a organismului, trombocitele au rol în coagulare, iar hematiile sunt specializate în transportul de oxigen. Hematiile sunt celule fără nucleu (excepţie de la regulă) citoplasma lor fiind un rezervor de hemoglobină (Travis 1989). 5

Radiobiologie generală: biologie celulară

1.4

Diviziunea celulară şi ciclul celular

În timpul vieţii fetale majoritatea celulelor sunt în diviziune. Pe parcursul vieţii adulte, în condiţii fiziologice, ţesuturile nu cresc şi nici nu diminuează, deşi multe dintre ele au populaţii celulare care sunt în diviziune. În condiţii normale producţia de celule este în echilibru cu pierderea acestora. Ciclul celular este divizat în faze diferite şi distincte între care cea mai importantă este mitoza, procesul diviziunii nucleare ce culminează cu diviziunea celulară propriu-zisă. Mitoza este procesul de diviziune caracteristic celulelor somatice. În urma mitozei rezultă două celule fiice cu caracteristici identice. Materialul genetic al celulei mamă este împărţit în mod egal între celulele fiice care sunt copii fidele ale celei dintâi. Fazele mitozei sunt: a. Profaza: în care cromatina capătă aspect filamentos şi devine vizibilă b. Metafaza: cromatina se dispune în platoul ecuatorial c. Anafaza: are loc migrarea cromatinei de-a lungul fusului celular la polii opuşi ai celulei d. Telofaza: se produce reconstrucţia membranei nucleare şi separarea celor 2 celule fiice fiecare cu materialul ei genetic Meioza este procesul prin care se divid celulele germinale. Acesta este un tip special de diviziune care reduce numărul de cromozomi din ovocite şi spermatozoizi de la un număr diploid (2n), la unul haploid (n). Acest tip special de diviziune este necesar pentru ca numărul de cromozomi ai zigotului (produsul unirii dintre ovocit şi spermatozoid) să fie 2n. La om numărul de cromozomi este în mod normal de 46. Meioza reduce numărul de cromozomi ai celulelor germinale la 23 (Travis 1987). Ciclul celular este definit ca intervalul de timp între mijlocul mitozei unei celule şi mijlocul mitozei următoare în ambele celule fiice rezultate din diviziune. Fazele ciclului celular sunt: a. M (mitoza)- durată ½ oră b. G1 (first G=gap) - durată foarte variabilă, de la câteva ore la câteva zile. Este faza în care nu se produce nici o replicare a ADN-ului. c. S (sinteză) - durată 5-8 ore, este cea mai constantă. Este faza în care se produce sinteza ADN-ului. d. G2 (second G=gap) - durată 2-3 ore. În această fază nu se produce nici o replicare a ADN-ului şi la sfârşitul ei începe profaza (faza I a mitozei). Deoarece celulele au nevoie de timp pentru a creşte înainte de a se divide, ciclul celular standard este în general destul de lung, de circa 12 ore sau chiar mai mult. Ciclul celular urmează secvenţele menţionate între două mitoze. Faza de sinteză a ADN, sau faza S, este cel mai uşor de detectat cu metodele actuale. Aceasta se datorează faptului că sinteza ADN se desfăşoară exclusiv în această fază, spre deosebire de sinteza altor produse care pot avea loc şi în alte faze ale ciclului celular. Sinteza ARN şi a proteinelor continuă şi în interfază dar este mult mai dificil de localizat „temporal” decât sinteza ADN. După mitoză celulele pot rămâne un anumit timp în repaus, în G0, înainte de a reintra în G1 (Porth 1990). Sistemul de control al ciclului celular se bazează pe două familii de proteine cheie. Prima este familia protein- kinazelor dependente de cicline (CDK= cyclin-dependent protein kinases). A doua este o familie de proteine a căror concentraţie creşte şi descreşte pe parcursul ciclului 6

Radiobiologie generală: biologie celulară

celular şi sunt denumite cicline. Acestea din urmă se leagă de moleculele CDK şi le controlează abilitatea de a fosforila proteinele ţintă corespunzătoare. Există puncte de control (check points) înaintea fiecăruia dintre cele două evenimente principale ale ciclului celular, sinteza ADN şi mitoza. Acestea sunt declanşate de moleculele CDK a căror activitate este dependentă de combinaţia lor cu ciclinele. Trecerea de la G1 la S este iniţial controlată de complexele ciclinelor D/CDK4 iar ulterior de E/CDK2. Faza S este controlată de complexul ciclina A/CDK2, mediată de complexul ciclinei H/CDK7. În sfârşit trecerea de la G2 la mitoză stă sub controlul complexului ciclin B/CDK1. Nivelul CDK creşte similar apei în spatele unui baraj reprezentat de inhibitorii acestor kinaze (cyclin dependent kinase inhibitors CDKI – p15, p16, p18, p19, p21, p27). Când nivelul CDK este maxim acestea declanşează distrugerea CDKI şi antrenează celula în faza S. Un al doilea baraj este situat în punctul de trecere dintre faza G2 şi M înainte ca celula să intre în mitoză (Nias 2000). Gena supresoare p53 are un rol esenţial în controlul ciclului celular. Leziunile ADN provocate de iradiere determină acumularea p53 care întrerupe replicarea pentru ca mecanismele de reparaţie ale ADN să poată acţiona mai mult timp înainte de intrarea în faza S. Dacă reparaţia se soldează cu un eşec atunci p53 poate declanşa sinuciderea celulei prin apoptoză. Multe celule tumorale prezintă gena p53 inactivată datorită unor mutaţii şi oprirea ciclului celular în G1 nu este posibilă. Consecinţa este continuarea replicării ADN cu leziuni şi acumularea de mutaţii. Celulele tumorale cu mutaţii ale p53 pot fi mai radiosensibile (Coleman 1993). Sincronizarea populaţiilor celulare În general populaţiile de celule mamifere proliferează în mod asincron, în sensul că celulele se găsesc în faze diferite ale ciclului celular. Studiul efectelor iradierii în diferite faze ale ciclului celular necesită populaţii celulare care să evolueze perfect sincron. Aceasta înseamnă că fiecare celulă aparţinând unei populaţii trebuie să treacă printr-un anumit punct al ciclului celular concomitent cu celelalte. Acest lucru est practic imposibil de realizat in vivo şi extrem de dificil in vitro. O populaţie celulară poate fi considerată sincronă când 90% dintre celule se găsesc în acelaşi punct al ciclului celular. Metode fizice de sincronizare Selecţia mitotică este o metodă mecanică. Ea se bazează pe faptul că în culturi monostrat celulele aflate în mitoză sunt mai puţin aderente pe suprafaţa mediului de cultură. Practic recipientul de cultură este agitat uşor, celulele în mitoză se desprind de pe suprafaţa solidă (agar) şi trec în faza lichidă a mediului de cultură. Suspensia de celule obţinută astfel are un index mitotic de 90% (indicele mitotic reprezintă raportul între numărul celulelor în mitoză şi numărul total de celule). Tehnica nu perturbă parametrii creşterii celulare şi viabilitatea celulelor. Selecţia volumică se bazează pe diferenţele de volum existente pe parcursul ciclului celular, timp în care volumul celulelor se dublează. În cadrul unei populaţii celulare asincrone există o distribuţie a volumelor celulare începând cu volumul cel mai mic, post telofază şi sfârşind cu cel mai mare, dinaintea profazei. Cu ajutorul citometriei de flux (flow cytometry), pe baza distribuţiei volumelor este posibilă selecţia celulelor din faze diferite cu scopul de a produce o populaţie celulară sincronizată. Practic se realizează o suspensie de celule izolate marcată cu o substanţă fluorescentă care se leagă de ADN. Suspensia este trecută în dreptul unui fascicul laser care determină fluorescenţa substanţei legate de ADN. Fluorescenţa este măsurată la nivelul fiecărei celule şi este cu atât mai mare cu cât cantitatea de ADN este mai mare. Ulterior celulele pot fi sortate în funcţie de cantitatea de ADN care este corelată cu momentul ciclului celular. Citometria de flux are multiple aplicaţii in radiobiologie dar cel mai des este utilizată pentru determinarea timpului potenţial de dublare celulară Tpot. 7

Radiobiologie generală: biologie celulară

Metode chimice de sincronizare Sincronizarea cu ajutorul substanţelor chimice este posibilă pe două căi: i.

Blocarea progresiunii celulelor într-o anumită fază a ciclului celular urmată de suspendarea blocajului pentru a permite unui „val” de celule să progreseze concomitent în ciclul celular. De obicei blocajul se adresează sintezei ADN.

ii.

Selectarea unei cohorte de celule aflate într-o anumită fază de diviziune şi îndepărtarea celulelor care sunt în alte faze ale ciclului celular.

Pentru fiecare din aceste proceduri sunt necesare substanţe care sunt active doar în anumite faze ale ciclului celular. Aceste substanţe se numesc fazo dependente, cele mai cunoscute sunt alcaloizii de Vinca (Vincristina) care blochează progresiunea celulei în mitoză şi determină moartea ei în faza S. Antimetaboliţii, cum este citozin arabinozidul, determină blocarea celulelor la joncţiunea dintre G1/S producând astfel moartea celulelor.

1.5

Cinetica populaţiilor celulare

Organizarea tisulară este consecinţa proliferării şi diferenţierii celulelor. Proliferarea este foarte activă în perioada embrionară a vieţii dar diminuează în intensitate pe măsură ce individul devine adult. Din acest moment proliferarea este prezentă doar la nivelul anumitor ţesuturi iar ritmul ei este corelat cu necesităţile fiziologice. Din punct de vedere cinetic ţesuturile adulte se pot afla în următoarele situaţii: (a) fără proliferare, (b) cu index proliferativ ridicat (c) cu index proliferativ redus (Tabelul 1-II). Un parametru care oferă informaţii utile privind caracteristicile cinetice este indexul mitotic sau indexul de proliferare (IM), care se calculează după următoarea relaţie: Ecuaţia 1-1

unde TC este timpul total al ciclului celular. Tabelul 1-II. Populaţii celulare şi caracteristicile lor cinetice

Fără mitoze Fără regenerare

Index mitotic scăzut Regenerare redusă

Index mitotic crescut Regenerare accentuată

Neuroni Organe de simţ Suprarenală

Ficat Tiroidă Endoteliu vascular Ţesut conjunctiv

Epiderm Epiteliu intestinal Măduva osoasă Gonade

Sistemele celulare regenerative sunt cele la nivelul cărora există proliferare celulară. Acestea sunt clasificate astfel: (A) Compartimentate- cu organizare ierarhică (tip H) Populaţiile celulare care sunt răspunzătoare de regenerarea ţesuturilor şi respectiv de funcţia acestora sunt diferite. Celulele care asigură funcţia tisulară sunt diferenţiate nefiind capabile de diviziune. Compartimentul proliferativ asigură “aprovizionarea” cu celule a compartimentului funcţional pe măsură ce acesta din urmă suferă pierderi. Ţesuturi compartimentate sunt: epiteliul cutanat şi mucoasele, epiteliul intestinal, măduva osoasă etc. 8

Radiobiologie generală: biologie celulară

Aceste ţesuturi sunt cele care dezvoltă reacţiile acute la iradiere, reacţii care sunt tranzitorii şi în general limitate la perioada de tratament. Nu influenţează în mod decisiv raportul terapeutic, ci numai în măsura în care determină întreruperea radioterapiei. (B) Necompartimentate- flexibile (tipF) Sunt în general ţesuturi cu cinetică lentă şi index mitotic scăzut. Aceste ţesuturi nu au celule stem propriu zise, regenerarea lor fiind asigurată de anumite categorii de celule funcţionale care au o capacitate proliferativă limitată ca răspuns la anumiţi stimuli. Ţesuturi cu organizare flexibilă sunt ficatul, tiroida, ţesutul conjunctiv, ţesutul renal, parenchimul pulmonar. La nivelul acestor ţesuturi apar reacţiile tardive ale iradierii (sechelele). Acestea sunt complicaţiile care alterează raportul terapeutic şi influenţează în mod decisiv rezultatele radioterapiei. Tot din punct de vedere cinetic populaţiile celulare pot fi: (A) Populaţii echilibrate Sunt populaţii celulare în care producţia de celule este egală cu pierderea celulară (exemplu: sistemele epiteliale simple). În general ţesuturile normale aflate sub control homeostatic se comportă în acest fel. (B) Populaţii celulare cu creştere necontrolată Sunt populaţii celulare unde producţia de celule este mai mare decât pierderea celulară. Nu există nici o corelaţie între producţia de celule şi necesităţile fiziologice deoarece nici o tumoare nu îndeplineşte un rol funcţional. O astfel de populaţie o reprezintă celulele tumorale. Spre deosebire de celulele care alcătuiesc ţesuturile normale, celulele tumorale sunt heterogene cu privire la multe caracteristici: formă, dimensiune, comportament biologic. Caracteristicile celulelor tumorale care determină răspunsul lor la iradiere sunt: i. Capacitatea proliferativă ii. Capacitatea clonogenică iii. Starea de oxigenare Pe baza acestor caracteristici populaţia celulară a unei tumori poate fi stratificată în opt categorii. În categoria 1 sunt celulele care proliferează, sunt clonogenice şi bine oxigenate. Categoria 2 este reprezentată de celule proliferative, oxigenate dar lipsite de capacitate clonogenică, adică nu se pot divide indefinit. Categoriile 3 şi 4 sunt de obicei slab reprezentate deoarece foarte rar celulele hipoxice proliferează şi încă mai rar pot fi clonogenice. Categoriile 5 şi 6 conţin celule neproliferative, neclonogenice, bine oxigenate sau anoxice. Aceste celule sunt prezente în centrul necrotic al tumorilor şi uneori reprezintă porţiuni însemnate din tumoră. Categoriile 7 şi 8 sunt celule neproliferative dar totuşi clonogenice, unele anoxice. Sunt celulele aflate în faza G0 a ciclului celular (Nias 2000).

REZUMAT Celula este cea mai mică unitate morfo-funcţională a vieţii. Există 2 tipuri de celule: procariote, caracteristice organismelor primitive, bacterii şi alege albastre-verzi şi eucariote, caracteristice plantelor şi animalelor. Celulele sunt organizate în ţesuturi şi organe. 9

Radiobiologie generală: biologie celulară

Celulele mamifere sunt structuri complexe care conţin organite celulare şi nucleul care este centrul de comandă al celulei fiind astfel elementul cel mai important. Nucleul conţine unităţile de ereditate- genele care sunt dispuse în cromozomi. Genele controlează activitatea celulară prin codificarea proteinelor enzimelor şi a altor substanţe care sunt produse de celulă. Diviziunea celulară: Mitoza diviziune caracteristică celulelor somatice. În urma mitozei rezultă două celule fiice cu caracteristici identice: Meioza: procesul prin care se divid celulele germinale; este un tip special de diviziune care reduce numărul de cromozomi din ovocite şi spermatozoizi de la un număr diploid (2n), la unul haploid (n). Regenerarea populaţiilor celulare: (a) sisteme neregenerative (ex. neuronii), (b) sisteme regenerative care sunt de 2 tipuri: ierarhizate şi flexibile. Din punct de vedere cinetic: există populaţii echilibrate unde producţia de celule este egală cu pierderile, şi populaţii tumorale unde producţia de celule depăşeşte pierderile.

Bibliografie 1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition, Garland Publishing, Inc., New-York & London, 2002. 2. Benga, G., Biologie celulară şi moleculară, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 1985, 26-45. 3. Coleman, N. C., Beneficial liaisons: radiobiology meets cellular and molecular biology (review article), Radiother. Oncol., 1993, 28, 1-16. 4. Nias, W. A. H., Cells and tissues, in: An introduction to radiobiology (second edition), John Willey & Sons New-York, 2000, 1-11. 5. Pollard, T. D., Genomics, the cytoskeleton and motility, Nature, 2001, 409, 842-843. 6. Porth- Matson, Carol., Curtis, R. L., Patho-physiology, concepts of altered health states, Third edition, Mattson- Porth, C., Editor, J. B. Lippincott, Philadelphia, 1990, 4-15. 7. Travis, La Torre, Elisabeth., Review of cell biology, in: Primer of medical Radiobiology, 2-nd edition, Year Book Medical Publishers inc, Chicago, London, Boca-Raton, 1989, 2-25. 8. Voiculeţ, N., Puiu, Liliana, Biologia moleculară a celulei, Editura ALL, Bucureşti 1997.

10