Fyzika částic v lékařství

V rámci této skupiny se věnujeme potenciálním aplikacím částicové fyziky v medicíně, zejména v terapii nádorových onemocnění. Hadronová radioterapie (http://www-hep.fzu.cz/projekty/medicine/), tedy léčba nádorových onemocnění pomocí ozařování svazky protonů nebo dalších iontů, je moderní léčebná metoda, která je velmi šetrná vůči zdravým tkáním v okolí nádoru i vůči celému organismu a od níž se očekává výrazné zvýšení úspěšnosti léčby nádorových onemocnění. Těžištěm naší výzkumné aktivity je matematické modelování procesů, které probíhají v ozářených buňkách a které vedou k usmrcení nádorových buněk a odstranění nádoru, resp. v případě zdravých buněk ke vzniku nežádoucích vedlejších účinků léčby. Matematické modely těchto procesů jsou nezbytné pro optimální plánování léčby v radioterapii onkologických onemocnění. Tyto modely také napomáhají hlubšímu pochopení zákonitostí biologických účinků záření, odhalených v rámci experimentálního radiobiologického výzkumu.

Námi vypracovaný pravděpodobnostní model biologických účinků ionizujícího záření [1] umožňuje matematicky popsat jak indukci poškození zářením, tak opravy těchto poškození buňkami. Byla provedena systematická analýza dat pro buněčnou inaktivaci po ozáření svazky protonů a lehkých iontů, jejímž výsledkem bylo určení množství a závažnosti indukovaného poškození v závislosti na kvalitě záření [2]. Tyto výsledky byly doplněny analytickým modelem charakteristického profilu předávané energie pro svazky lehkých iontů, tzv. Braggova píku, a využity pro vypracování semi-analytického modelu biologických účinků protonových a iontových svazků, který může přispět k plánování léčby v hadronové radioterapii [3]. Ve spolupráci s Ústavem jaderné fyziky AV ČR jsme se věnovali i biofyzikálním interpretacím zářením vyvolaného poškození buněk. Nalezli jsme korelace mezi indukcí buněčného poškození zářením různé kvality a rozložením deponované energie, množstvím a rozložením volných radikálů a množstvím specifických molekulárních poškození buněčné DNA [5].

V současné době se zaměřujeme zvláště na rozdíly v reakci na ozáření mezi normálními buňkami a od nich odvozenými radiosenzitivními liniemi. Cílem těchto studií je určit podrobné charakteristiky reparačních procesů v buňkách, tedy buněčné schopnosti opravovat zářením vyvolané poškození DNA.

Skupina se aktivně účastní evropské multidisciplinární spolupráce ENLIGHT (http://cern.ch/enlight) (The European Network for LIGht ion Hadron Therapy), jejímž cílem je výzkum a vývoj směřující k širokému a efektivnímu využití hadronové radioterapie v Evropě. Řešitelé projektu se podílejí na projektu Spolupráce ČR s CERN. V letech 2005 – 2007 jsme úspěšně řešili grantový projekt GA ČR „Modelování radiobiologického mechanismu protonů a lehkých iontů v buňkách a tkáních“ (GA202/05/2728) (http://aplikace.isvav.cvut.cz/projectDetail.do?rowId=GA202%2F05%2F2728)

Významné publikace:

1. Kundrát P., Lokajíček M., Hromčíková H.: Probabilistic two-stage model of cell inactivation by ionizing particles. Physics in Medicine and Biology 50 (7), 1433-1447, 2005
2. Kundrát P.: Detailed analysis of the cell-inactivation mechanism by accelerated protons and light ions. Physics in Medicine and Biology, 51 (5), 1185-1199, 2006
3. Kundrát P.: A semi-analytical radiobiological model may assist treatment planning in light ion radiotherapy. Physics in Medicine and Biology 52 (23), 6813-6830, 2007
4. Hromčíková H.: Modelling of radiobiological mechanisms in cells and tissues, disertační práce, Praha 2008
5. Davídková M., Kundrát P., Štěpán V., Palajová Z., Judas L.: Lethal events in V79 cells irradiated by low-energy protons and correlations with distribution patterns of energy deposition, radical concentration and DNA damage. Applied Radiation and Isotopes 67 (3), 454-459, 2009

Řešitelé:
Pavel Kundrát, Miloš Lokajíček Sn., Hana Pisaková (Hromčíková)