Η βασική μονάδα του βιολογικού συστήματος είναι το κύτταρο και το κυριότερο μόριο του κυττάρου είναι το DNA. Η απόδοση της μεταφερόμενης ενέργειας διά της ηλεκτρομαγνητικής (φωτόνια) και σωματιδιακής (ηλεκτρόνια) ακτινοβολίας στην ακτινοβολούμενη περιοχή κατά την κλινική εφαρμογή της ακτινοβολίας επιτυγχάνεται διά του επισυμβαίνοντα ιοντισμού των ατόμων και μορίων της βιολογικής ύλης.
Ο κυτταρικός θάνατος, που είναι ο πρόδρομος οποιασδήποτε άλλης μακροσκοπικής βλάβης σε οργανωμένους κυτταρικούς πληθυσμούς όπως όργανα και ιστούς, συσχετίζεται με θανατηφόρες βλάβες στο μόριο του DNA. Η βλάβη του DNA από ακτινοβολία μπορεί να συμβεί κατά δύο τρόπους την άμεση και έμμεση δράση της ακτινοβολίας.
Κατά την άμεση δράση της ακτινοβολίας τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια που παράγονται από τον ιοντισμό των ατόμων προσκρούουν στο μόριο του DNA και δημιουργούν βλάβες και ρήξεις στις έλικες (φυσική δράση).
Κατά την έμμεση δράση της διά ιοντισμού στα πολυπληθή μόρια ύδατος, που αποτελεί το 80% του κυττάρου, δημιουργούνται ελεύθερες ρίζες υδροξυλίου, είναι χημικά δραστικές και επιφέρουν βλάβες στο DNA (βιοχημική δράση). Η δραστικότητα της ακτινοβολίας οφείλεται κυρίως στην έμμεση δράση κατά τη θεραπευτική ακτινοθεραπεία.
Οι βλάβες ή ρήξεις στις έλικες του DNA μπορεί να είναι μονές όταν παράγονται μεμονωμένα στο χρόνο και στο χώρο που κατέχουν οι έλικες, ή διπλές, όταν παράγονται σε κοντινά χρονικές στιγμές και σε γειτονικές θέσεις στους δύο έλικες. Από το μέγεθος και το είδος της βλάβης εξαρτάται και η δυνατότητα της ενζυματικής επανόρθωσης της βλάβης.
Οι μη επανορθώσιμες διπλές ρήξεις των ελίκων του DNA οδηγούν σε κυτταρικό θάνατο.
Ανάλογα με το είδος και το πλήθος των βλαβών, που εξαρτάται από το ύψος της δόσης, τον τρόπο χορήγησης, τη χρονική περίοδο και LET (γραμμική μεταφερομένη ενέργεια linear energy transfer), τα κύτταρα έχουν τη δυνατότητα της μερικής ή ολικής επανόρθωσης.
Τα φαινόμενα αυτά εκφράζονται με τις καμπύλες επιβίωσης των κυττάρων σε καλλιέργειες. Οι καμπύλες αυτές περιγράφουν την πιθανότητα επιβίωσης σε σχέση με την χορηγηθείσα δόση και επηρρεάζονται από το δυναμικό ενζυματικής επιδιόρθωσης (repair), το δυναμικό αναπαραγωγής των κυττάρων (repopulation), το ρυθμό δόσης (dose rate), το κυτταρικό συγχρονισμό (redistribution).
Παράγοντες που επηρεάζουν τη βιολογική δράση της ακτινοβολίας.
Ο τρόπος χορήγησης της ακτινοβολίας παίζει σημαντικό ρόλο στη δραστικότητα πάνω στην έμβιο ύλη καθ’όσον παρατηρείται ότι μεγάλα χρονικά διαστήματα μεταξύ δύο δόσεων έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη επιδιόρθωση των μη θανατηφόρων βλαβών.
Η ακτινοευαισθησία των κυττάρων εξαρτάται από τη φάση του κυτταρικού κύκλου στην οποία βρίσκεται κατά τη στιγμή της ακτινοβόλησης. Η ακτινοευαισθησία είναι ελάχιστη στη G 0-φάση και μέγιστη στη G 2 και μίτωση.
Η μειωμένη οξυγόνωση των ιστών (υποξεία) ελαττώνει την κυτταρική ακτινοευαισθησία λόγω της απουσίας της καταλυτικής ιδιότητας του οξυγόνου στην παραγωγή ελευθέρων ριζών.
Η κατανομή της απορροφούμενης ποσότητας ενέργειας από τους ιστούς εξαρτάται κυρίως από το είδος της ακτινοβολίας δηλαδή αν είναι σωματιδιακή ή ηλεκτρομαγνητική και από την ενέργεια αυτής.
Η κατανομή βάθους χαρακτηρίζεται από τις καμπύλες κατανομής που αναφέρονται στο δοσιμετρικό υλικό γι’αυτό και εκφράζονται σε ποσοστιαίους αριθμούς (%).
Η μορφή μιάς καμπύλης βάθους εξαρτάται όχι μόνο από το είδος και την ενέργεια της ακτινοβολίας αλλά και από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του μηχανήματος παραγωγής της ακτινοβολίας, από το μέγεθος του πεδίου και την απόσταση της εστίας από το δέρμα (SSD: Source Skin Distance).
Η μέγιστη τιμή της δόσης εμφανίζεται με αυξανόμενη ενέργεια σε μεγαλύτερο βάθος (βάθος μέγιστης τιμής). Με την ακτινοβολία ηλεκτρονίων σε αντίθεση με εκείνη των φωτονίων η απορροφούμενη δόση φθίνει σε μικρότερο βάθος.
Η βιολογική δράση της ακτινοβολίας εξαρτάται όχι μόνο από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω αλλά και από την συνολική δόση και τον τρόπο χορήγησης της ακτινοβολίας. Δηλαδή από τη χρονική περίοδο χορήγησης της συνολικής δόσης και την ημερησία κατανομή μίας ή περισσότερων επί μέρους δόσεων (κλασματοποίηση ή υπερκλασματοποίηση).
Διάφορα σχήματα κλασματοποίησης (fractionation) της δόσης χρησιμοποιούνται στην κλινική ακτινοθεραπεία.
Η κλασική κλασματοποίηση άπαξ ημερησίως 2 Gy (1,8-2,5 Gy), 5 ημέρες την εβδομάδα, μέχρι τη συμπλήρωση της απαιτούμενης συνολικής δόσης για την κάθε περίπτωση.
Η υπερκλασματοποιημένη (hyperfractionation) ακτινοθεραπεία κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα.
Η δόση ανά συνεδρία είναι μικρότερη των 2 Gy και ο συνολικός χρόνος της ακτινοθεραπείας παραμένει σε σύγκριση με την κλασική κλασματοποίηση ο ίδιος και η συνολική δόση υψηλότερη.
Η επιταχυνόμενη κλασματοποίηση (accelareted fractionation) της ακτινοθεραπείας κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα. Η δόση ανά συνεδρία είναι τουλάχιστον 2 Gy και ολική διάρκεια της ακτινοθεραπείας είναι μικρότερη από την κλασική.
Η υπερκλασματοποιημένη επιταχυνόμενη κλασματοποίηση (hyper-fraktionated accelareted fractionation) της ακτινοθεραπείας κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα. Η δόση ανά συνεδρία είναι μικρότερη των 2 Gy και η ολική διάρκεια της ακτινοθεραπείας είναι μικρότερη από αυτήν των 2 Gy ανά συνεδρία.
Οι διαφορετικές κλασματοποιήσεις της ακτινοβολίας εφαρμόζονται για τη βελτίωση των κλινικών αποτελεσμάτων εκμεταλλευόμενοι το δυναμικό επαναπληθυσμού (repopulation) των νεοπλασματικών κυττάρων και τη δυνατότητα διόρθωσης των ημιθανατηφόρων βλαβών (repair).
Το σύνηθες ή κλασικό σχήμα εφαρμογής της ακτινοθεραπευτικής αγωγής είναι η χορήγηση της θεραπείας άπαξ ημερησίως επί πέντε ημέρες την εβδομάδα για 5 έως 7 εβδομάδες. Σε περίπτωση παρεμβολής μεσοδιαστήματος διακοπής της θεραπείας (π.χ. επί μία εμβδομάδα) έχουμε τη λεγόμενη διακεκομμένη θεραπεία (split-course).
Η αγωγή ακτινοθεραπείας σε 36 συνεδρίες επί 12 συνεχείς ημέρες σε μεσοδιάστημα 6 ωρών μεταξύ των κλασμάτων και δόση 1,4-1,6 Gy ανά κλάσμα ονομάζεται συνεχής επιταχυνόμενη υπερκλασματοποιημένη ακτινοθεραπεία (CHART).
