EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI LNF 7-9 Ottobre 2009 Ubaldo Bottigli Università di...

EFFETTI BIOLOGICIEFFETTI BIOLOGICI

DELLEDELLERADIAZIONI IONIZZANTIRADIAZIONI IONIZZANTI

LNF 7-9 Ottobre 2009

Ubaldo BottigliUbaldo Bottigli

Università di Siena Università di Siena

& &

Sezione INFN di PisaSezione INFN di [email protected]

Incontri di Fisica 2009Incontri di Fisica 2009

CSN5CSN5 – Fisica Applicata Ricerche Tecnologiche di avanguardiaRicerche Tecnologiche di avanguardia

mirate ai temi scientifici ed agli esperimenti dell’INFN

• I progetti finanziati dalla CNS5 si collocano nel campo della strumentazionecampo della strumentazione dedicata agli esperimenti di fisica nucleare, sub-nucleare ed astro-particellare:

Rivelatori Rivelatori di particelle, sviluppi di elettronicaelettronica e softwaresoftware

Acceleratori Acceleratori di particelle, sviluppi di elettronicaelettronica e softwaresoftware

Applicazioni di tecniche d’avanguardia nei settori inter-disciplinari e delle scienze della vita

CSN5CSN5 – Fisica Applicata – Fisica ApplicataLa CSN5 esiste fin dalla nascita dell’INFN e quindi ben prima della “attuale presunta richiesta governativa di applicazione”.I padri fondatori hanno pensato che una

OttimaBuona

SufficientePessima

Ricerca Fondamentale

OttimaBuona

SufficientePessima

Ricerca Applicata

Dose

La dose è l’energia assorbita per unità di massa:

Gy = J/Kg = m2/s2

1 Gy = 100 rad

mED

Equivalente di dose

L’equivalente di dose è un fattore (wR) moltiplicativo che indica il danno biologico relativo a parità di dose fisica:

Unità: Sievert, (Sv). Se wR = 1, allora 1 Gy = 1 SvVecchie unità = 100 rem = 1 Sv

RDwH

Radiation Radiation Weighting Factor (wR)

X and rays, electrons(*) 1Protons (E>2MeV) 5Neutrons (energy dependent) 5÷20 particles and other multi-caharged 20

(*)wR=1 for electrons of all energies except for Auger electrons emitted by nuclei bound to DNA

From ICRP n. 60 (1991)

Meccanismo cellulare di base del danno da radiazione

Le radiazioni ionizzanti possono danneggiare direttamente il bersaglio molecolare, oppure ionizzare l’acqua e quindi produrre radicali liberi che aggrediscono a loro volta le molecole.

Le radiazioni ionizzanti producono i danni sia direttamente, colpendo la cellula, sia indirettamente, ionizzando l’acqua, la quale a sua volta, genera dei radicali liberi che attaccano il bersaglio cellulare.

Modelli di sopravvivenza cellulare

Un grafico della frazione di sopravvivenza vs la dose, mostra due tipi di meccanismo di danneggiamento: il tipo-A (curva tratteggiata) ed il tipo-B (curva intera).

2DDsurvival eP

Meccanismo cellulare di base del danno da radiazione

Le radiazioni ionizzanti possono danneggiare direttamente il bersaglio molecolare, oppure ionizzare l’acqua e quindi produrre radicali liberi che aggrediscono a loro volta le molecole.

Effetti sulla molecola del DNAEffetti sulla molecola del DNA• La irradiazione può produrre vari tipi di alterazioni nella

struttura della molecola del DNA per effetto diretto o indiretto – alterazioni delle basi pirimidiniche (T , C ) o puriniche (A , G )– alterazioni del desossiribosio– rottura di legami con distacco di frammenti e formazione di

nuovi legami nello stesso filamento o crociati– rottura di un singolo filamento dell’elica (Single Strand Break)– rottura di entrambi i filamenti (Double Strand Break) per

effetto di una singola traccia o di due tracce contemporanee (hot spots)

Effetti del danno del DNA (End-point biologici)Effetti del danno del DNA (End-point biologici)• Riparazione completa con restitutio

– avviene per la grande maggioranza delle alterazioni minori– la cellula riprende la sua normale attività

• Riparazione erronea (misrepair)– la cellula muore dopo alcune divisioni (morte mitotica ritardata)– la cellula muore senza dividersi per accelerazione della morte

programmata (apoptosi)– la cellula non muore ma presenta mutazioni che possono modificare

alcune funzioni

• Fissazione non riparabile del danno

– la cellula muore subito nel giro di ore per liberazione di enzimi litici indipendentemente dalla mitosi (morte interfasica); riguarda alcune specie cellulari specifiche (linfociti, ovociti, cell. salivari sierose)

– la cellula muore in occasione del primo evento mitotico (morte mitotica) o dopo alcune mitosi (morte mitotica ritardata)

Il danno non riparabile è sostanzialmente rappresentato dalle doppie rotture (DSB)

La risposta delle cellule dipende…

1.dal rate di dose

2.dal tipo di cellula

3.dalla fase del ciclo cellulare

4.dalla presenza dell’ossigeno

Come se non bastasse…….la Come se non bastasse…….la DosimetriaDosimetria

Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti dipendono, come abbiamo visto, da molteplici fattori fisici e biologici e riguardo a quest’ultimi possiamo individuare tre bersagli interessanti:

la cellulala cellulal’organol’organo

l’organismol’organismo

Non è immediata la generalizzazione Non è immediata la generalizzazione dei risultati ottenuti su di un bersaglio dei risultati ottenuti su di un bersaglio rispetto agli altri.rispetto agli altri.

Il problema delle basse dosiIl problema delle basse dosi

Dosi non letali

dal cGy al Gy in funzione del bersaglio

Il problema delle basse dosiIl problema delle basse dosiNegli Stati Uniti sono state eseguite 62 milioni di Tac nel 2006, contro i tre milioni del 1980 [the New England Journal of Medicine (NEJM) Nov. 2007]

Forum

Forum europeo (2010-2025) sul problema degli effetti sulla popolazione delle dosi dovute ad esami di imaging biomedico.

Presidenza italiana del Presidenza italiana del forum ISSforum ISS


Studio degli effetti biologici indotti a seguito di

esposizione a basse dosi di radiazioni ionizzanti

Un Programma di lavoroUn Programma di lavoro

Contributo alla

valutazione del rischio

Comprensione degli

effetti non-lineari

EXCALIBUREXCALIBUR((EXEXposure effeposure effeCCts ts AAt t LLow-doses of ow-doses of IIonizing-onizing-radiation in radiation in BBiological cultiological cultURURes)es)

BOBO

CA/SSCA/SS

LNFLNF

LNGSLNGS

LNL LNL

PVPV

PI/SIPI/SI

Roma3Roma3

Dose dall’ambiente

Equivalente di dose annuale media è ~3 mSv

G. M

osc

hin

i, G

. Pa

vari

n, M

. Pel

licci

oni

, E. R

ighi

Dose media per irraggiamento esterno (mSv/y)da fondo

naturale

22

Esposizione a basse dosi di radiazioni ionizzanti

Contributo delle varie sorgenti

naturali di radiazioni ionizzanti alla dose

annuale media all’uomo negli

U.S.A.

Contributo relativo delle varie sorgenti di radiazioni ionizzanti alla dose annuale media all’uomo nel

mondo.

Principali sorgenti naturali “Terrestri” e loro vite medie

Potassio-40 40K 1.3x109a

Rudio-87 87Rb 5x1010a

Torio-232 232Th 1.4x1010a

Uranio-238 238U 4.5x1010a

Potassio-40 40K 17 mrem/a

Carbonio-14 14C 10mrem/a

Polonio-210 sino a Piombo-

210

210Po

210Pb

12 mrem/a

Totale 39mrem/a

Contributo alla dose media annuale delle principali sorgenti di irraggiamento interno

F.A. Mettler et al, 1995 S.C. Bushong, 1998

Valutazione di rischio alle basse dosi

• Studi a dosi medio-alte: - studi in vitro: irraggiamenti a “fascio

largo”

- studi epidemiologici: sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki, minatori di uranio, Chernobyl, popolazione medicalmente esposta

+ Estrapolazione alle basse dosi

assunzione cautelativa in radioprotezione: andamento lineare andamento lineare alle basse dosialle basse dosi

• Studi epidemiologici diretti a basse dosi - misura dell’esposizione indoor di radon e correlazione con l’incidenza di cancro ai polmoni

problemi metodologici nella determinazione dell’esposizione dell’individuo

(E.J. Hall, Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 65, No. 1, pp. 1–7, 2006)

?

ObiettiviObiettivi

Studio degli effetti biologici indotti a seguito di esposizione a basse dosi di radiazioni ionizzanti, con particolare riguardo agli effetti “non-lineari” (ipersensibilità, radioresistenza indotta, risposta adattativa, effetti di bystander..)1. Studio dei meccanismi di induzione e trasmissione del danno a basse dosi di radiazioni, in colture cellulari, in funzione della qualità della radiazione (raggi γ/X; protoni, alfa e ioni pesanti di varie energie)2. Studio dell’influenza dello stato di crioconservazione sulla risposta cellulare alle radiazioni ionizzanti (raggi γ) di sistemi biologici in-vitro e in-vivo, esposti al fondo naturale di radiazioni.3. Contributo alla valutazione di rischio per esposizioni alle basse dosi di R.I.4. Sistematica di effetti biologici indotti in diversi sistemi cellulari di mammifero, in coltura o crio-conservati, in funzione della qualità della radiazione e della dose(nel regime delle basse dosi), inclusi sistemi “in-vivo” (embrioni di pecora)

Stato dell’arte (1)Stato dell’arte (1)

Per esposizioni alle basse dosi di R.I. (<0.5 Gy) in radioprotezione, in via cautelativa, la valutazione di rischio è effettuata estrapolando i dati delle alte dosi, mediante una relazione “lineare senza soglia” (LNT, Linear No-Threshold cancer risk model), con l’assunzione “a prioristica” che gli organismi viventi rispondano allo stesso modo alle basse come alle alte dosi. In effetti, evidenze sperimentali accumulate negli ultimi 15 anni hanno mostrato la presenza di effetti “non-lineari” specifici alle basse dosi, non riscontrati alle alte dosi, quali:

•l’ipersensibilità e la radioresistenza indotta (HRS/IRR);•l’effetto bystander (BE);•l’instabilità genomica.


Ipersensibilità e Radioresistenza indotta (HRS/IRR)

Fenomeni di ipersensibilità e radioresistenza indotta sono stati riscontrati in più di 40 linee cellulari in vitro (umane, normali e tumorali, e di roditore), in seguito a irraggiamenti con basse dosi di radiazioni di raggi X/.

In esperimenti di sopravvivenza cellulare, tali effetti si traducono in una deviazione per dosi < 1 Gy dal convenzionale andamento lineare o lineare-quadratico delle curve dose-risposta, con una mortalità maggiore (HRS) alle dosi più basse e radioresistenza (IRR) successiva al crescere delle dosi.

Effetti delle basse dosi: Ipersensibilità (HRS) e Radioresistenza indotta (IRR)

(Marples and Joiner,Int. J. Radiat. Biol. 2001, vol. 77, 1133-1139)

Irraggiamenti cellulari con RXIrraggiamenti cellulari con RX:• Cellule normali e tumorali di ≠ radiosensibilità

• Iper-sensibilità alle basse dosiIper-sensibilità alle basse dosi• Radioresistenza indottaRadioresistenza indotta

Meccanismo protettivo indotto da basse dosi di radiazioni

Con neutroni e pioni di alto LET:Con neutroni e pioni di alto LET:Andamento lineare (no HRS/IRR)Andamento lineare (no HRS/IRR)


Ipersensibilità e Radioresistenza indotta (HRS/IRR)

Più recentemente HRS/IRR sono stati osservati anche con radiazioni densamente ionizzanti (ioni pesanti) in cellule di roditore, in contrasto però con quanto osservato con neutroni, pioni nel picco di Bragg e protoni di alta e bassa energia.

… Effetti delle basse dosi: Ipersensibilità e Radioresistenza indotta

(E.Tsoulou et al., Int. J. Rad. Biol. (2001),vol. 77, 1133-1139)

at LNL: broad ion beam cell irradiations:at LNL: broad ion beam cell irradiations:• 60Corays and 4He2+ ions

of different energies(59, 79 and 102 keV/m LET)

• Chinese hamster V79 cells

• Iper-sensibilità alle basse dosi (Iper-sensibilità alle basse dosi (HRSHRS))• Radioresistenza indotta (Radioresistenza indotta (IRRIRR))

…Effetti delle basse dosi (studi in vitro)

G. Borhnsen et al., Radiat. Prot. Dos.(2001),vol. 99, 255-256

Tsoulou,..,Cherubini et al., Radiat. Prot. Dosim. 99(2002) 237-240 GSI SIS facilty scanned pencil

beam and LNL broad ion beam cell

irradiations:• 6MV photons and 12C6+ ions of

92.5 MeV/amu on target (27.5 keV/m LET)

• 60Corays and 4He2+ ions of different energies(59, 79 and 102 keV/m LET)

• Chinese hamster V79 cells

• Low dose hyper-radiosensitivity

• Induced radioresistance

Effetto “Lazzaro”Effetto “Lazzaro”

Stato dell’arte (4)Stato dell’arte (4)Effetto bystander (BE)In esperimenti in vitro è stato osservato che il danno da radiazione è espresso anche in cellule non direttamente interessate dal deposito energetico, ma vicine (a contatto o non) a cellule irradiate.Tale effetto è stato riscontrato, in molte linee cellulari (di roditore, umane normali e tumorali), per diversi end-point biologici (scambi di cromatidi fratelli, aberrazioni cromosomiche, micronuclei, apoptosi, morte clonogenica, trasformazioni oncogeniche, mutazioni) e con diversi approcci sperimentali (irraggiamenti con “micro fasci” di RX o ioni; irraggiamenti con fasci “larghi” di ioni o con sorgenti con mascheramento di parte della popolazione cellulare esposta; esperimenti di trasferimento del terreno di coltura da una popolazione irraggiata a una non irraggiata; esperimenti di co-cultura tra popolazione irraggiata e non).

• 1 cellula colpita all’interno di una popolazione

• Danno (morte cellulare, apoptosi, induzione di micronuclei, trasformazioni oncogeniche)

espresso in più di 1 cellula (..evidenze sperimentali..)

• Quali meccanismi di induzione e trasmissione del danno?... secrezione di fattori citotossici nel mezzo di coltura da parte delle cellule irraggiate comunicazione diretta tra cellule attraverso “gap-junction” …. ROS/RNS (NO); ….

By gap-junction?

By soluble molecules?

Effetti delle basse dosi: Bystander effect

Mitocondrio produce energia(possiede il suo DNA - mtDNA)

Citoplasma

Nucleo = sede del materiale Genetico (DNA)

Citoplasma

N = Nucleo ( 8 μm )

Radiazione

Interazione diretta (e- )e indiretta (ROS)

Modificato da L.E. Feinendegen,2005©SG2008

Signaling between Tissue Cells and Matrix

Tissue

CellsMatrix

GapJunction

Hit Cell

= Bystander Effects

Ulteriore “Open problem”: Qual è il “target” della radiazione?

L.E

. F

ein

en

de

ge

n,

20

05

Riassunto effetti delle basse dosi

1) Priming dose: 5-40 cGy RX qualche h prima dell’irraggiamento

2) Irraggiamento (Challenging dose)

Osservato:

in vivo e in vitro (protozoi, alghe, cell vegetali e di mammifero) per diverse linee cellulari per diversi end-point biologici (mutazioni, trasformazioni oncog., micronuclei, danno cromosomico e sopravvivenza cellulare)

Stato dell’arte (5)Stato dell’arte (5)Instabilità genomicaInstabilità genomicaL’esposizione a radiazioni può dare inizio ad una cascata di eventi che produce un aumento del rateo di alterazioni nel genoma delle progenie di cellule irraggiate che non hanno manifestato un danno immediatamente dopo l’irraggiamento (effetti tardivi). L’instabilità è stata misurata in termini di una molteplicità di end-point biologici, ma con particolare attenzione al danno cromosomico. Anche tale effetto è stato evidenziato per diverse linee cellulari (cellule umane normali, linfociti umani, etc..) nonché per radiazioni sia a basso che ad alto LET.L’instabilità genomica è stata anche riscontrata nella progenie di cellule non direttamente irraggiate, ma in comunicazione, attraverso gap-junction o terreno di coltura, con cellule irraggiate, evidenziando una possibile relazione di tale effetto col BE.

Effetti delle basse dosi: Instabilità Genomica

L’esposizione a radiazioni produce un aumento del ritmo di mutazioni con danno cromosomico nella progenie di cellule irraggiate

Alterazioni nel cariotipo (numero e morfologia cromosomica) di cell esposte a dosi di particelle α corrispondenti (in media) a 1 ione/cellInstabilità cromosomica nel: •3% di cloni di cell ibride umane/criceto per 1 Gy di RX; •4% di cloni per 1 Gy di ioni ferro.

Stato dell’arte (6)Stato dell’arte (6)Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-conservaticonservati

Il metodo di conservazione per lunghi periodi di tempo di sistemi biologici è la cosiddetta “crio-conservazione”, ovvero il loro mantenimento, con opportuni trattamenti preparatori, mediante congelamento, vitrificazione o ibernazione in opportune installazioni di laboratorio (dewar per azoto liquido, -196°C, 77 K). Alle temperature criogeniche i processi biochimici cellulari sono inibiti e quindi si impedisce la senescenza cellulare e la degradazione del materiale biologico.La tecnica è ben conosciuta e praticata (30÷40 anni) ed è ben misurato il danno prodotto nelle cellule da la procedura congelamento-scongelamento.


Dipendendo dall’ambiente in cui i sistemi biologici crio-conservati vengono depositati, essi subiranno un irraggiamento protratto per anni e spesso per decine di anni, come nel caso delle “banche” di colture cellulari o delle “banche” di cellule staminali e/o germinali, a causa del fondo naturale di radiazioni.


Dipendendo dal tempo di conservazione e mancando l’azione antagonista continua dei meccanismi di riparazione, i “danni” prodotti dall’esposizione delle cellule crio-conservate al fondo di radiazioni,

in principioin principio andranno accumulandosi, trasformando l’esposizione a “dose protratta” (bassissimo rateo di dose del fondo ambientale) in esposizione a “dose acuta”, al momento dello scongelamento e rivitalizzazione delle cellule. (CRIORAD EXP.)


Recenti risultati sperimentali ottenuti confrontando la risposta a raggi- di diversi sistemi biologici in condizioni criogeniche e a temperature ambiente, in termini di vari end-point biologici, hanno mostrato un

““effetto protettivoeffetto protettivo”” della crio-conservazione rispetto all’azione delle R.I (raggi-)

Attività sperimentale di EXCALIBUR Attività sperimentale di EXCALIBUR a Settembre 2009a Settembre 2009

1.Esperimenti EPR (Electron Paramagnetic Resonance)

2.Irraggiamenti raggi-X, e particelle cariche su cromosomi ed analisi genomica

3.Irraggiamenti raggi-X, e particelle cariche su cellule ed analisi membranica

Attività EPR (1)Attività EPR (1)

Esperimenti EPR (Electron Paramagnetic Resonance) per misurare la concentrazione di radicali liberi prodotti da irraggiamento, allo scopo di:

1. determinare gli effetti dello stato di crioconservazione sulla natura e distribuzione dei prodotti radicalici;

2. confronto con la radiolisi in fase liquida; 3. effetti della dose, del rateo di dose e della

natura delle radiazioni.

Attività EPR (2)Attività EPR (2)

Metodologia:1. preparazione dei campioni di cellule V79, dei terreni

di coltura e di irraggiamento e dei loro componenti;2. irraggiamenti a 77 oK con radiazioni da 60Co, raggi

X, H+, D+ ed ;3. spettroscopia EPR in matrice e in fase liquida con

agenti di spin trapping

Attività EPR (3)Attività EPR (3)Campioni A1-A9:A1 : H2O PuraA2: H2O + DMSO* ( 10%)A3 : terreno di coltura DMEM completoA4 : Terreno di coltura DMEM completo + DMSOA5 : Terreno di coltura DMEM completo + FBSA6 : Terreno di coltura completo + FBS** + DMSO = terreno di congelamentoA7 : Cellule in terreno di coltura completo + FBS (1.5x107 cellule totali)A8 : Cellule in terreno di congelamento(1.5x107 cellule totali)A9: H2O + FBS

*Dimetilsolfossido (DMSO) per crioprotezione cellulare

**Fetal bovine serum (FBS) da aggiungere al medium di coltura per far crescere le cellule

Attività EPR (4)Attività EPR (4)aree irraggiati

0,00E+00

5,00E+03

1,00E+04

1,50E+04

2,00E+04

2,50E+04

3,00E+04

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

tempo irraggiamento (h)

are

aa1

x1

a3

a4

a5

x2

a7

a8

a9

AreaTotale(U.A.)

Tempo di irraggiamento ( h, 0.35 kGy/h)

A4 Terreno di coltura DMEM completo + DMSOA8 cellule in terreno di congelamento

A5 Terreno di coltura DMEM completo + FBSA1 acqua puraA9 acqua + FBSA3 terreno di coltura DMEM completo

Attività EPR (5)Attività EPR (5)ANALISI PARZIALE EFFETTUATA:

1. la presenza di DMSO aumenta la produzione di radicali liberi (metilici), la cui dinamica deve essere studiata;

2. i radicali OH (in misura minore anche i radicali HO2 ) sono dominanti in H2O pura e sono presenti in tutti i sistemi irraggiati. I radicali OH decadono a 140 oK senza generare nuove specie per reazione con gli altri componenti presenti;

3. il fenomeno descritto riduce drasticamente il danno mediato dalla radiolisi dell’acqua sulle cellule e costituisce una differenza sostanziale rispetto alla radiolisi in fase liquida;

4. non c’è, per ora, evidenza chiara del danno radicalico diretto o indiretto sulle cellule. Gli spettri EPR sono sostanzialmente gli stessi ottenuti dai sistemi senza cellule;

5. dobbiamo aumentare la popolazione di cellule nei campioni e si devono eseguire misure preliminari con sospensioni delle cellule in acqua pura.

Attività genomica (1)Attività genomica (1)

Il telomero è la regione terminale del cromosoma, da cui deriva il nome stesso, composta di DNA altamente ripetuto, che non codifica per alcun prodotto proteico. Ha un ruolo determinante nell'evitare la perdita di informazioni durante la duplicazione dei cromosomi. La DNA polimerasi, infatti, non è in grado di replicare il cromosoma fino alla sua terminazione; se non ci fossero i telomeri, che quindi vengono accorciati ad ogni replicazione, la replicazione del DNAcomporterebbe in ogni occasione una significativa perdita di informazione genetica. Vi sono prove che questo progressivo Vi sono prove che questo progressivo accorciamentoaccorciamento dei telomeri sia dei telomeri sia associato all'invecchiamento della associato all'invecchiamento della cellula e dell'intero organismo.cellula e dell'intero organismo. I telomeri (in giallo) sono evidenziati sui cromosomi attraverso una Fluorescent in situ hybridization (FISH)

Elizabeth Blackburn, Carol Greider e Jack Szostak, Nobel per la Medicina 2009, per aver individuato l'esistenza dei telomeri e delle telomerasi, correlandone l’accorciamento con l’invecchiamento cellulare.

Attività genomica (2)Attività genomica (2)Il telomero è composto da sequenze ripetute di DNA e da alcune proteine ed ha la funzione di proteggere le terminazioni dei cromosomi. Ciò impedisce da una parte la degradazione progressiva con rischio di perdita di informazione, dall'altra che tale regione, non presentando una corretta struttura a doppia elica, sia processata come estremità di filamento spezzato, con il rischio di fusione tra due regioni telomeriche di cromosomi diversi.

I telomeri sono estesi dall'enzima telomerasi, che rappresenta una classe di retrotrascrittasi specializzate, presenti in numerosi organismi (tra cui l'uomo), ma non in tutti (e soprattutto non in tutte le fasi dello sviluppo). In particolare, nell'uomo le telomerasi (così come nella maggior parte degli eucarioti multicellulari) sono attive solo nelle cellule della linea germinale: ciò significa che, ad ogni ciò significa che, ad ogni replicazione, i telomeri umani si accorciano di un replicazione, i telomeri umani si accorciano di un certo numero di paia di basi.certo numero di paia di basi.

Attività genomica (3)Attività genomica (3)Esistono teorie che associano il continuo accorciarsi dei telomeri con la senescenza delle cellule della linea somatica e con la prevenzione del cancro. Questo perché i telomeri agirebbero come una sorta di orologio biologico, legato cioè ad un numero massimo di mitosi (e di replicazioni del DNA), al termine del quale la cellula sarebbe troppo vecchia per essere mantenuta in vita e prenderebbe la via dell'apoptosi. Per garantire un efficace ricambio cellulare, in ogni caso, in molti tessuti dell'organismo sono presenti cellule staminali, che mantengono la corretta lunghezza dei telomeri attraverso la presenza di telomerasi attive.

Il meccanismo molecolare attraverso cui i telomeri troppo corti possono portare alla morte cellulare sembra essere legato alla perdita del loro corretto ripiegamento naturale (evento legato ad una loro dimensione troppo ristretta). Secondo alcune teorie comunemente accettate, la cellula è infatti in grado di riconoscere questo diverso ripiegamento come danno al DNA, avviando il processo dell'apoptosi sulla base dell'attività di molecole come p53. Tale processo di morte cellulare può anche essere avviato da una fusione tra cromosomi.


Nell'uomo, la sequenza ripetuta nei telomeri è composta di sei nucleotidi TTAGGG, ripetuti per una lunghezza che va da 3 a 20 kilobasi. Sono presenti 100-300 kilobasi addizionali di ripetizioni telomero-associate, che si dispongono tra il telomero ed il resto del cromosoma. La sequenza telomerica varia da specie a specie.

Tipo di organismo Sequenza telomerica

Vertebrati TTAGGG

Piante Superiori

TTTAGGG

Alghe Verdi TTTTAGGG

Insetti TTAGG


Le misure finora effettuate (4 Gy) mostrano che:1. i fibroblasti, di uomo e di topo, esibiscono differenti

comportamenti, per quanto riguarda la lunghezza del telomero, per iraggiamenti con radiazioni di basso od alto LET: accorciamento per basso LET, allungamento per alto LET;

2. la qualità della radiazione e la conseguente complessità del danno indotto a livello del DNA, sembrano giocare un ruolo nell’attivazione dei processi di ricombinazione a livello del telomero;

3.3. è del tutto sconosciuto, è del tutto sconosciuto, a nostra conoscenzaa nostra conoscenza, il , il significato radiobiologico di questo allungamento significato radiobiologico di questo allungamento del telomero (genomic instability??).del telomero (genomic instability??).


0 Gy

4 Gy

X raysNumber of Telomeres = 2204Mean length = 25,65St. Dev. = 17,03

Number of Telomeres = 1818Mean length = 29,58St. Dev. = 18,07

28,5 keV/um protons

X-rays

3 MeV protons

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 4 0 4

Doses (Gy)

Tel

om

ere

len

gth

(T

/C%

)

24 hrs 96 hrs

* *

*

Number of Telomeres = 1808 Mean length = 25,51St. Dev. = 15,45

Number of Telomeres = 1810 Mean length = 17,87St. Dev. = 11,79

ISIS Software “Metasystems”

T/C% =Tel fluo

Cen 2 fluo

01020304050

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91

01020304050

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91

01020304050

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91

01020304050

1 11 21 31 41 51 61 71 81 91

Attività membranica (1)Attività membranica (1)La risposta cellulare all’irraggiamento, è stata analizzata in termini di misure di correnti ioniche (il canale del K+) con la tecnica del patch clamp, cioè bloccando la differenza di potenziale elettrico in una piccola area della membrana cellulare o dell'intera cellula. L'estremità di una pipetta di vetro ( 1 m e 1010 ) viene fatta aderire perfettamente alla membrana cellulare permettendo così di isolare una piccola area della membrana stessa e i canali ionici in essa presenti. A questo punto è possibile modificare e manipolare chimicamente o elettricamente i canali stessi in modo da studiarne le proprietà.

Attività membranica (2)Attività membranica (2)

Curve I-Vottenute in seguito ad irraggiamenti con diversi valori di dose, registrate tramite la tecnicadel patch clamp in cellule V79

Attività membranica (3)Attività membranica (3)

Curve I-Vottenute in seguito ad irraggiamenti con p da 3 MeV, registrate tramite la tecnicadel patch clamp in cellule V79

EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI LNF 7-9 Ottobre 2009 Ubaldo Bottigli Università di...

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