Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. MIDPAC PAVIA 1 ... · Interazione radiazioni ionizzanti -...

MIDPAC

Esperimento Struttura Flag Resp. Naz.

MIDPAC PAVIA 1

MIDPAC SANITA

EC4 ricalcolato

Allegato 1

http://preventivi1.infn.it:591/preventivi_2003/FMPro?-db=...p_naz_flag&-sortorder=descend&-sortfield=struttura&-find= [31/07/2002 10.52.20]

Ricercatoreresponsabile locale:

PAVIA

ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE

Preventivo per l'anno 2003

Struttura

(a cura del rappresentante nazionale)

Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane; misuresperimentali e modelli teorici

L.N.L., L.N.S., NIRS (Chiba - Giappone), BNL (Upton - U.S.A.), ISS (Roma)

CN (L.N.L.), CS (L.N.S.), Syncroton (NIRS), Syncroton (BNL)

p, α, C, Fe

Interazione radiazioni ionizzanti - sistemi biologici

Facilities per irraggiamento, laboratori di radiobiologia delle sezioni della collaborazione

Pavia, Roma1-Gruppo Collegato Sanità

3 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2003

2004

2005

Misura di DSB in cellule irradiate con γ, p e ioni C e Fe; danno ossidativo (DO) da p di bassa energiaed alto LET e p di alta energia e basso LET; simulazione danno al DNA da γ e p e di aberrazionicromosomiche (AC) radioindotte; calcolo effetti radioprotettivi da radicali OH; estensione modelloframmentazione (MF) a processi non casuali e costruzione modello per SCGE.

Completamento ed estensione misure di DSB del I anno; misura riparazione DSB indotte da γ e ioniC; DO per p di alta energia e medio LET; simulazione danno al DNA da α ed estensione modelloper AC visibili con tecnica FISH; sviluppo MF per caratterizzazione riparazione, applicazione delmodello SCGE ai dati sperimentali.

Completamento misure di induzione e riparazione di DSB indotte da p e ioni C e Fe; DO per p confascio modulato; uso di FLUKA per campi misti e modello teorico per effetto bystander; estensioneed applicazione MF con introduzione cinetica di riparazione delle dsb.

Nuovo Esperimento GruppoMIDPAC 5

Andrea Ottolenghi

Pavia

Incarico di ricercaA. Ottolenghi

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

andrea.ottolenghi@ pv.infn.ite-mail:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

PAVIA



Struttura


Resp. loc.: A. Ottolenghi

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

PC linux con doppio processore con due dischi ad alta capacità, 1GB

Riunioni di collaborazione nazionale, missioni AC LNL e LNS

Supporti vari, software

1 mese uomo al GSF (Monaco, Germania)

Note:

1 partecipazione a congresso nazionale

Ram, Gruppo di continuità, Monitor

2 partecipazioni a congressi internazionali

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

1,0

2,0

8,0

1,0

4,0

15,0

5,0

2,0

4,0

3,0

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

PAVIA



Struttura

ALLEGATO MODELLO EN 2

Danno al DNAUtilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmente in grado di trasportareelettroni, fotoni e protoni di diversa energia e di simularne l'interazione con strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli diorganizzazione (dalla doppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di danni al DNA di diversacomplessità: oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversi livelli dicomplessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente alla presenza di scavengers e istoni, chepossono entrambi giocare un ruolo protettivo in quanto competono con il il cosiddetto "danno indiretto". A parità di condizioniambientali, le simulazioni saranno effettuate per protoni di diversa energia e, per confronto, per raggi gamma.

Aberrazioni cromosomicheNell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti: monitoraggio citogenetico inradioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), l'Unità di Milano/Pavia ha sviluppato un modello e un codice disimulazione in grado di simulare l'induzione di varie categorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento dilinfociti umani con campi monocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due opiù dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado di evolvere in aberrazionicromosomiche. Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validato nel casodell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di alto LET (ª100 keV/micron); le curvedose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelle misurate.Nel corso del primo anno del presente progetto si intende implementare nel modello il livello di background di aberrazionicromosomiche, che a basse dosi può giocare un ruolo fondamentale in quanto le lesioni di background possono interagire conquelle radioindotte. Inoltre il modello sarà esteso al caso di protoni di basso LET (ª10 keV/micron o meno) e validato medianteconfronti con dati sperimentali disponibili in letteratura. Su queste basi il rapporto tra dicentrici e anelli centrici sara' testato comepossibile marcatore biologico della radiazione.



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:

Nessuna



PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo

Affitti emanut.appar.

Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

2,0 8,0 1,0 4,0 15,0

TOTALI 24,0 3,0 4,0 37,0

ANNIFINANZIARI

2003

6,0

2,0 8,0 1,0 11,020042,0 8,0 1,0 11,02005

In kEuro

Mod. EN. 4

Note:

PREVISIONE DI SPESA

Piano finanziario globale di spesa




PAVIA

Struttura


Miss. interno

Miss. estero

Materialedi

cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

12,0 26,0 21,0 29,0 88,0

TOTALI 36,0 78,0 63,0 39,0 216,0

ANNIFINANZIARI

2003

12,0 26,0 21,0 5,0 64,02004

12,0 26,0 21,0 5,0 64,02005


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO

- vedere allegato -



PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 1


PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO



PAVIA

Struttura

Mod. EN. 5

(a cura del rappresentante nazionale)Pag. 2

Cognome e Nome

Qualifica

Dipendenti Incarichi

Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori

Codice EsperimentoMIDPAC

Gruppo

PAVIA

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

6,0

4,1Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici

Tecnici Full Time Equivalent

BALLARINI Francesca 805AsRic1

CANDONI Bruno (MI) 1005P.A.2

GARZELLI Maria Vittoria 205AsRic3

GIROLETTI Elio 1005Ric4

OTTOLENGHI Andrea 805P.A.5

SCANNICCHIO Domenico 302P.O.6

(a cura del responsabile locale)Mod. EC/EN 7



Gruppo

PAVIA

5



Struttura

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (a cura del responsabile locale)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:

Mod. EC/EN 8

Denominazione mesi-uomo


Data completamento

MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)

30-06-2003 Simulazione di danni al DNA da gamma e protoni e quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavangers

30-06-0200 Misura delle DSB indotte da protoni e raggi gamma

30-06-2003 Estensione modello frammentazione a processi non casuali ed applicazioni a primi esperimenti

31-12-2003 Implementazione del background di aberrazioni nel codice di simulazione di AC radioindotte e validazione del modelloper protoni di basso LET

Descrizione

31-12-2003 Aggiornamento dell'analisi dei dati disponibili in letteratura sul bystander effect

31-12-2003 Misura delle DSB indotte da ioni carbonio e ioni ferro

31-12-2003 Danno ossidativo per protoni ad alto LET (LNL) per due valori di dose (5 e 10 Gy)

31-12-2003 Danno ossidativo per protoni di alta energia e basso LET (LNS) (20 Gy)

31-12-2003 Costruzione modello per analisi esperimenti SCGE

Nessuna

Resp. Naz.: Andrea Ottolenghi

Ricercatoreresponsabile locale:

Gr. coll. SANITA'



Struttura ROMA I


Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche incellule umane; misure sperimentali e modelli teorici

LNL, LNS, NIRS (Chiba - Giappone), BNL (Upton - USA),ISS (Roma)

CN (LNL), CS (LNS), Syncroton (NIRS), Syncroton (BNL)

p, alfa, C, Fe

Interazione radiazioni ionizzanti - sistemi biologici

Facilities per irraggiamento, laboratori di radiobiologiadelle sezioni della collaborazione

Pavia, Roma1-Gruppo Collegato Sanità

3 anni

Linea di ricerca

Laboratorio ovesi raccolgono i dati

Acceleratore usato

Fascio(sigla e caratteristiche)

Processo fisico studiato

Apparato strumentale utilizzato

Sezioni partecipanti all'esperimento

Istituzioni esterneall'Ente partecipanti

Durata esperimento

Mod. EN. 1

P R O G R A M M A D I R I C E R C A

A) I N F O R M A Z I O N I G E N E R A L I

B) S C A L A D E I T E M P I : piano di svolgimento

PERIODO ATTIVITA’ PREVISTA

2003

2004

2005

Misura di DSB in cellule irradiate con gamma, p e ioni C e Fe; danno ossidativo (DO) da pdibassa E ed alto LET e p di alta E e basso LET; simulazione danno al DNA da gamma e p ediaberr. cromosomiche (AC) radioindotte; calcolo effetti radioprotettivi da radicali OH;Completamento ed estensione misure di DSB del I anno; misura riparazione DSB indotteda gamma e ioni C; DO per p di alta E e medio LET; simulazione danno al DNA da alfa edestensione modello per AC visibili con tecnica FISH; sviluppo MF per caratterizzazioneriparazione, applicazione modello SCGE ai dati sperimentali.

Completamento misure di induzione e riparazione di DSB indotte da p e ioni C e Fe; DOper p con fascio modulato; uso di FLUKA per campi misti e modello teorico per effettobystander; estensione ed applicazione MF con introduzione cinetica di riparazione delleDSB.


Andrea Ottolenghi

Pavia

Inc. di RicercaMauro Belli

[email protected]:

RappresentanteNazionale:

Struttura diappartenenza:

[email protected]:

Posizionenell'I.N.F.N.:

PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO 2003In kEuro

(a cura del responsabile locale)Mod. EN. 2

Gr. coll. SANITA'



Struttura ROMA I


Resp. loc.: Mauro Belli

VOCIDI

SPESA

DESCRIZIONE DELLA SPESA

Consorzio Ore CPU Spazio Disco Cassette Altro

Totale

Beckman Coulter, modello Z2

4 turni presso CN-LNL (1 ricercatore per turno per 2 o 3 giorni)

Terreni di coltura, materiale plastico monouso, materiale vario da

1 turno presso AGS-BNL (2 ricercatori per 20 giorni):

Note:

6 turni presso CS-LNS (2 ricercatori per turno per 2 o 3 giorni)

laboratorio, materiale per costruzione supporti per irraggiamento

stima di 10 Keuro per diarie (tasse comprese) e 2 Keuro per viaggi

cellule

4 congressi internazionali

IMPORTI

ParzialiTotale

Compet.

A cura del la Comm.ne Scient i f ica Nazionale

25,0

10,0

18,0

20,0

25,0

73,0

2,08,0

12,0

20,0

6,0

Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?Breve descrizione dell'intervento:

(a cura del responsabile locale)All. Mod. EN. 2

Gr. coll. SANITA'



Struttura ROMA I

ALLEGATO MODELLO EN 2

In relazione alle spese programmate si specifica quanto segue:

1) per quanto riguarda le missioni interno, si fa presente che ènecessario effettuare irradiazioni presso gli acceleratori indicatiutilizzando modalità sperimentali diverse a seconda degli effettistudiati. Ciò comporta la necessità di chiedere turni separati (delladurata di 2-3-giorni) in relazione agli esperimenti da effettuare,a cui parteciperanno i ricercatori con le specifiche competenze;

2) per quanto riguarda le missioni estero relativa ai turni dimisura, la richiesta è per due ricercatori che si recheranno pressola facility del Brookhaven National Laboratory (USA) per unperiodo di 20 giorni in occasione di un turno di irradiazione. Ladurata della missione è dovuta alla necessità di allestire lacoltura cellulare con almeno 10 giorni di anticipo rispetto alledate programmate per le irradiazioni, ai tempi necessari peril processamento dei campioni e alla necessità di considerareeventuali slittamenti di programma dovuti a problemi di macchinae/o di organizzazione sperimentale;

3) le richieste relative al consumo si riferiscono a materialevario per le colture e per i test di analisi ed all'acquisto dimateriale necessario per l'allestimento del sistema di irradiazionepresso i LNS;

4) in relazione alla voce inventariabile, è di fondamentaleimportanza l'acquisto di un Coulter Counter (Beckman Coulter Z2)da collocare presso i LNS, ad integrazione della strumentazionegià presente. Questa apparecchiatura è necessaria per: a) valutare la concentrazione ottimale dei campioni prima dell'irradiazione b) avere una precisione adeguata nei conteggi della sospensione cellulare su cui verrà determinata la sopravvivenza; c) determinare la distribuzione dei volumi cellulari che rappresenta uno degli effetti che si intendono studiare.



In kEuro

Mod. EN. 3

Note:

PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE

PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO

(a cura del responsabile locale)

Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alladisponibilità di personale e di attrezzature:



Gr. coll. SANITA'

Struttura ROMA I



Miss. interno

Miss. estero

Mater. di cons.

Trasp.eFacch.

SpeseCalcolo


Mat.inventar.

Costruz.apparati

TOTALECompetenza

10,0 18,0 20,0 25,0 73,0

TOTALI 54,0 60,0 35,0 179,0

ANNIFINANZIARI

2003

30,0

10,0 18,0 20,0 5,0 53,0200410,0 18,0 20,0 5,0 53,02005

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ricerca Assoc.

Affer. al

Gruppo

Numero totale dei Ricercatori


Gruppo

Gr. coll. SANITA'

5



Struttura ROMA I

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA

RICERCATORI

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.

TECNOLOGI

N N

11,0

9,2Ricercatori Full Time Equivalent

Numero totale dei TecnologiTecnologi Full Time Equivalent

Cognome e Nome

Qualifica


Ruolo Art. 15 Collab.tecnica

Assoc.tecnica

TECNICI

N

Numero totale dei Tecnici 2,0

1,5Tecnici Full Time Equivalent

Antonelli Francesca 1005AsRic1

Belli Mauro 805D.R.2

Campa Aless. 804Ric3

Dini Valentina 1005Ric4

Esposito Giuseppe 1005Ric5

Grande Sveva 1005AsRic6

Guidoni Laura 505I Ric7

Rosi Antonella 1005Ric8

Simone Giustina 805I Ric9

Tabocchini M. Antonella 805I Ric10

Viti Vincenza 505D.R.11

Luciani Anna Maria 50ISS1

Sorrentino Eugenio 100ISS2




Gruppo

Gr. coll. SANITA'

5



Struttura ROMA I

COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)

SERVIZI TECNICI Annotazioni:


Denominazione mesi-uomo


Missioni interno

Missioni estero

Mater.di

Cons.

Tras. eFac.

SpeseCalc

Aff. eManut. App.

Mater.invent.

Costruz.apparati TOTALE

Pub.Scien.

SpesSem

Invitiospitistran.ESPERIM.

Esperimento gruppo Rappresentante nazionale Struttura res_naz

MIDPAC 5 Andrea Ottolenghi Pavia nuovonuovo_continua

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,84 0,84

11,0

9,2

2,0

1,5

10 18 20 25 73MIDPAC

di cui sj

10 18 20 25 73

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 7,93

Ricercatori

FTE

Personale

Tecnologi

FTE

Tecnici

FTEServizi mesi uomo

Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi0,68 0,68

6,0

4,1

2 8 1 4 15MIDPAC

di cui sj

2 8 1 4 15

di cui sj

Totali

Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 3,66

12 26 21 29 88Totali

di cui sj

Mod. EC4 dati

12,0 26,0 21,0 29,0 88,0Totali-Dati EC4

TOTALI

Confronto con il modello EC4

Ricercatori 17,0

13,3FTE

Personale Tecnologi

FTE

Tecnici 2,0

1,5FTEServizi mesi uomo

0,78 0,78Rapporti (FTE/numero) Ricercatori Ricercatori+Tecnologi Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi) 6,62

Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane: misure sperimentali emodelli teorici

Sigla: MIDPAC (Meccanismi d' Induzione di Danni da PArticelle Cariche)Durata del progetto: 3 anni: 2003-2005

Sezioni partecipanti

Pavia Roma 1 – Gruppo Collegato Sanità

Francesca Ballarini 80% Francesca Antonelli 100%Bruno Candoni 100% Mauro Belli 80%Maria Vittoria Garzelli 20% Alessandro Campa 80%Elio Giroletti 100% Valentina Dini 100%Andrea Ottolenghi 80% Giuseppe Esposito 100%Domenico Scannicchio 30% Sveva Grande 100%

Laura Guidoni 50%Antonella Rosi 100%Giustina Simone 80%M. Antonella Tabocchini 80%Vincenza Viti 50%

Anna Maria Luciani 50%Eugenio Sorrentino 100%

Giacomo Cuttone dei LNS e Roberto Cherubini dei LNL, con i loro collaboratori, hanno dato la lorodisponibilità a coadiuvare i partecipanti all’esperimento durante gli irraggiamenti necessariall’espletamento delle misure programmate. Inoltre, i LNL sono disponibili ad ospitare i ricercatoripresso il Laboratorio di Radiobiololgia ed i LNS a rendere disponibile la strumentazione necessaria agliesperimenti.

Introduzione

I meccanismi alla base della catena di eventi che porta dalla deposizione iniziale di energia da partedelle radiazioni ionizzanti (r.i) alla produzione di lesioni molecolari, al loro processamento da parte deisistemi cellulari di difesa sino ai cambiamenti genomici stabili ed alle conseguenti modificazioni nellafunzionalità cellulare non sono ancora noti in dettaglio. In particolare, l'individuazione dellecaratteristiche fisiche che modulano l'efficacia biologica di radiazioni di diversa qualità è un problemaancora aperto.L’approfondimento delle conoscenze dell’influenza della qualità della radiazione su diversi end-pointbiologici può contribuire ad una migliore determinazione dei fattori di peso della radiazione utilizzati inradioprotezione e all’individuazione di bioindicatori del rischio radioindotto. Sono inoltre evidenti lepossibili ricadute nel campo della radioterapia con adroni, che sfrutta la localizzazione spaziale delladose rilasciata dalle particelle cariche in corrispondenza del picco di Bragg e l’eventuale aumento diefficacia biologica relativa (RBE) rispetto alle radiazioni convenzionali.Nell'ambito dello studio dei meccanismi di induzione di danni radiobiologici, sono di grande aiuto siamisure sperimentali ad hoc relative ad end-point specifici, sia modelli teorici basati sulla struttura di

traccia della radiazione, che permettono di testare assunzioni diverse sui vari step intermedi delprocesso d'interesse (vedasi la fig. 1).

Fig. 1: rappresentazione schematica dei processi d'induzione di danni biologici da radiazioni ionizzanti a diversi livelli

Questo esperimento si propone di studiare i meccanismi di base responsabili della maggiore efficacia diparticelle cariche rispetto a radiazioni fotoniche e sfrutta una parte delle competenze acquisiteattraverso precedenti esperimenti INFN effettuati nell’ambito di collaborazioni tra le Sezioni Sanità(attualmente Gruppo collegato Sanità-Sezione di Roma1), Legnaro, Milano, Napoli, Catania e Pavia.I gruppi proponenti possiedono anche l’esperienza acquisita con la partecipazione a consorzi di ricercafinanziati dalla Comunità Europea, quali il progetto LowDoseRiskModels (Improved cancer riskquantification for environmental, medical and occupational exposures to low doses of ionizingradiation by mechanistic models) e RADNA (Induction, repair and biological consequences of DNAdamages caused by radiation of various qualities).

Gli obiettivi generali dell’esperimento proposto sono i seguenti: a) comprensione dei meccanismid'induzione di danno al DNA, considerato il target principale delle r.i., con particolare attenzione alruolo della qualità della radiazione e delle caratteristiche del sistema biologico studiato (organizzazionedella cromatina, presenza di radioprotettori endogeni/esogeni); b) comprensione dei meccanismi dievoluzione del danno al DNA (relazione tra danno iniziale, danno residuo dopo riparazione ed effetti alivello cellulare; formazione di aberrazioni cromosomiche) con particolare attenzione al ruolo dellacomplessità delle lesioni e della loro distribuzione; c) identificazione degli effetti metabolici radiondottiimmediati e tardivi in cellule tumorali umane, con particolare attenzione al danno a carico dei lipidi edegli altri metaboliti e cataboliti cellulari, in relazione al blocco proliferativo e al danno ossidativo.

Il progetto si articolerà in una parte che prevede lo studio di specifici end-point biologici mediantediversi approcci sperimentali e di una parte focalizzata allo sviluppo di modelli teorici relativi aimeccanismi di formazione del danno radioindotto. L’integrazione dei due approcci potrà costituire unsinergia per la comprensione dei meccanismi alla base del danno da radiazioni.

1. Misure sperimentali

Sono previste irradiazioni di cellule in coltura da effettuare presso diverse facility in Italia e all’estero,e misure riguardanti il danno a livello molecolare (essenzialmente danni al DNA) e cellulare (dannimetabolici, blocco proliferativo, perdita della capacità riproduttiva, induzione di mutazioni) utilizzandole tecniche più avanti specificate.

1.1 Radiazioni di interesse

Si prevede di studiare gli effetti prodotti da ioni accelerati quali protoni, ioni carbonio e ferro, eparticelle alfa emesse da sorgente. Nel caso di ioni accelerati, verranno presi in considerazione fascicon diversa struttura di traccia, sia dal punto di vista del trasferimento lineare di energia che del profiloradiale. Il confronto tra stesse particelle con diverso LET e particelle diverse con LET simili potrà dareinformazioni sull’influenza della struttura della traccia sui diversi end-point biologici considerati.Inoltre, le informazioni relative agli effetti biologici indotti dagli ioni ferro, in particolare quelli di piùalta energia, sono estremamente limitate, e quindi la loro acquisizione è di estremo interesse.

In tabella sono riportate le caratteristiche dei fasci di interesse per gli esperimenti proposti conindicazione delle facility presso le quali sono disponibili.

Tipo di radiazione Energia incidente LET Range residuo Facility

Protoni 0.88 MeV 28 keV/µm 19.7 µm CN-LNLProtoni 62 MeV 1.1 keV/µm 32.3 mm CS-LNS

Ioni carbonio 62 MeV/u 40 keV/µm 10.9 mm CS-LNSIoni carbonio 135 MeV/u 22 keV/µm 43.4 mm HIMAC-NIRS

Ioni ferro 414 MeV/u 200 keV/µm 71.6 mm HIMAC-NIRSIoni ferro 1.05 GeV/u 148 keV/µm 285.4 mm AGS-BNLIoni ferro 5.00 GeV/u 164 keV/µm 1780 mm AGS-BNL

CN-LNL: CN Van de Graaff da 7 MV dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) – INFN;CS-LNS: Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud (LNS) - INFN (Catania);HIMAC-NIRS: doppio Sincrotrone del Heavy Ions Medical Accelerator (HIMAC) del NationalInstitute for Radiological Sciences (NIRS, Chiba, Giappone);AGS-BNL: Alternate Gradient Syncrotron del Brookhaven National Laboratory (BNL, Upton, USA).

Per quanto riguarda le particelle alfa, potrà essere utilizzata la sorgente di 244Cm (picco principale dellospettro di emissione a 5800 keV), progettata in collaborazione con i LNL e realizzata presso l’ISS.Come radiazione di riferimento saranno considerati raggi gamma da 60Co.

1.2 Sistemi cellulari modello

Per gli esperimenti saranno utilizzati sistemi modello costituiti da cellule umane in coltura.In particolare, verranno considerati fibroblasti AG1522, derivanti da tessuti sani, cellule HeLa, ottenuteda un carcinoma della cervice uterina e cellule MCF7, da carcinoma mammario. Per alcuni esperimentisi utilizzeranno inoltre sferoidi costituiti da aggregati multicellulari, che rappresentano un sistemamodello rappresentativo dei tumori solidi.

Verrà anche effettuato uno studio di fattibilità per verificare l’idoneità dell’impiego di una linealinfoblastoide (utile anche per un confronto con la risposta di linfociti del sangue perifericoampiamente utilizzati per esperimenti di induzione di aberrazioni cromosomiche) e linee derivanti damelanomi oculari.

1.3 Produzione e riparazione del danno al DNA e relazione con effetti a livello cellulare

Sebbene le doppie rotture (DSB) nel DNA delle cellule irradiate siano considerate le lesioni critiche perimportanti effetti cellulari (quali la formazione di aberrazioni cromosomiche, l’induzione di mutazionie la morte cellulare), non si osserva in generale una correlazione tra l’efficacia di induzione di dannomolecolare e danno cellulare da parte dei vari tipi di radiazione (Obe et al, 1992). Questa mancanza dicorrelazione è stata già da tempo evidenziata dal gruppo Sanità in collaborazione con i LNL (Belli et al,1996, 1998) utilizzando ioni leggeri e sistemi cellulari di roditore (cellule di Hamster cinese V79).Una possibile ragione di questa discrepanza è una possibile sottostima del numero di DSB dovuta sia alimitazioni delle tecniche di analisi sia alle assunzioni alla base dei modelli di calcolo che prevedonouna loro distribuzione casuale lungo la molecola di DNA (Holley e Chatterjee, 1996, Löbrich et al1996, Rydberg, 1996). Poiché ci si aspetta che radiazioni densamente ionizzanti producano cluster diionizzazioni con efficienza relativamente elevata, influendo quindi sul tipo di danno prodotto e sullasua distribuzione spaziale (Goodhead, 1994; Ward, 1985; Ottolenghi et al, 1997), le comuni tecniche dianalisi possono non essere in grado di discriminare tra lesioni “semplici” e lesioni “complesse”. Questepossono risultare meno riparabili e dar luogo ad un aumento di severità del danno a livello cellulare.

In questo esperimento verrà studiato sia il danno iniziale al DNA, sia quello residuo dopo un certotempo di riparazione da parte della cellula. Questi danni verranno messi in relazione con gli effetti alivello cellulare. A questo fine saranno utilizzate le curve di sopravvivenza ottenute in precedenzanell’ambito delle collaborazioni citate, o determinate direttamente nel caso di fasci non ancora studiatiper questo end-point. Inoltre, in caso di risposta positiva dello studio di fattibilità con cellulelinfoblastoidi, verranno effettuati, sia esperimenti di sopravvivenza che di induzione di mutazioniHPRT.

Il danno al DNA verrà analizzato mediante tecniche elettroforetiche quali la “Pulsed Field GelElectrophoresis” (PFGE) e la “Single Cell Gel Electrophoresis” (SCGE, nota anche come “Cometassay”).La PFGE consente di determinare sia il numero di frammenti di DNA (e quindi di DSB) che la lorodistribuzione in diversi intervalli di peso molecolare (Newman et al., 1997; Hoglund et al., 2000).Attraverso lo sviluppo di modelli di frammentazione ed il confronto con le misure sperimentali, èpossibile stimare la correlazione spaziale di queste lesioni lungo la molecola di DNA (Belli et al.,2000a,b; 2001; 2002, Friedland et al, 1999). Ci si aspetta, in particolare per le radiazioni densamenteionizzanti, una distribuzione di doppie rotture non casuale, con un maggior numero di frammenti dibasso peso molecolare. Il gruppo Sanità ha una consolidata esperienza in questo settore sia per quantoriguarda le tecniche sperimentali che lo sviluppo e l’applicazione di modelli per l’analisi del danno daradiazioni (Belli et al., 1997a,b; 2001; Belli e Campa, 1999).

Rispetto alla PFGE, la SCGE è una tecnica di analisi che permette di utilizzare dosi inferiori,confrontabili con quelle usate per la risposta a livello cellulare (sopravvivenza). Inoltre, l’analisi vieneeffettuata a livello della singola cellula (Fairbairn et al., 1995). Questa caratteristica è di particolarerilevanza nel caso di particelle cariche per le quali ci si aspetta una significativa disomogeneità nelladistribuzione locale di dose.

La SCGE, pur essendo una tecnica ampiamente utilizzata in modo empirico anche per screeninggenotossici (Collins et al., 1997), manca ancora di una descrizione biofisica dei suoi principi difunzionamento.Ci si propone quindi di effettuare una modellizzazione dei meccanismi che sono alla base della tecnicaallo scopo di identificare i parametri rilevanti per la quantificazione del danno in termini di numero dirotture della catena del DNA. In particolare, si cercherà di mettere in relazione la forma e l’intensitàdelle immagini di fluorescenza alla quantità del danno radioindotto sul DNA cellulare basandosi sulladiversa mobilità nel campo elettroforetico dei “loop” di DNA che hanno subito danno a seguitodell’irradiazione.

1.4 Studio del danno ossidativo e del blocco proliferativo

Oltre ai danni sul DNA, sono documentati effetti a carico di altre strutture cellulari, in particolaremembrane e lipidi, effetti che possono essere rilevanti soprattutto alle dosi caratteristiche dellaradioterapia (Radford 1999, Cornelissen et al 2002, Giusti et al 1998)

Sulla base di esperimenti effettuati negli anni passati (Grande et al. 1999a, Grande S. et al 1999b,Grande et al 2001) su cellule in coltura stabilizzate, sono stati messi in luce cambiamenti metaboliciradioindotti a carico dei lipidi cellulari o di metaboliti solubili, fra cui in primo luogo il glutatione, ilcui ruolo in relazione al danno ossidativo è stato più volte messo in evidenza. Questi effetti sonoascrivibili a danni di tipo ossidativo mediati da radicali. Le connessioni fra il danno ossidativo a caricodelle membrane e gli effetti sul glutatione sono state anche recentemente messe in luce da ricerchevolte a chiarire il ruolo protettivo della caffeina in relazione agli effetti dipendenti dall’ossigeno insistemi mitocondriali in vitro (Kamat et al 2000).

Il glutatione risulta implicato in diverse reazioni che avvengono in seguito all’irraggiamento. La suaconcentrazione è indice della radiosensibilità cellulare (Yanagisawa et al 1997). La capacità cellulare disintesi del glutatione è in relazione con il ruolo di un enzima, la γ -glutammil-sintetasi (Mackey andIanzini 2000) e questo enzima è “sopra-regolato” nelle cellule radioresistenti.

Particolarmente interessanti possono essere poi le osservazioni a carico dell’acido glutammico che è unmetabolita implicato nel ciclo del glutatione che si può quantificare anche negli spettri di MRS in vivoanche a campi molto bassi.

Altri metaboliti legati al metabolismo lipidico sono la fosforilcolina e fosforiletanolamina e i cataboliticolina, glicerofosforilcolina (GPC) e glicerofosforiletanolamina (GPE). Questi composti vanno presi inconsiderazione in quanto studi effettuati su tumori irraggiati hanno evidenziato un aumento della GPCe della GPE in seguito ad irraggiamento (Muschel et al 1992, Sharma and Jain 2001), attribuibile ad unalterato funzionamento degli enzimi suddetti, legato alle condizioni di stress in cui si trova la cellula inseguito all’irraggiamento.

I nostri primi risultati che hanno confermato il fenomeno, hanno indicato anche che la rispostametabolica è non solo quantitativamente, ma forse anche qualitativamente diversa per radiazionicaratterizzate da più alto LET rispetto ai raggi gamma (Grande et al. 1999a, Grande et al 1999b,Grande et al 2001). Alcuni degli effetti osservati potrebbero essere più rilevanti per i protoni rispetto aigamma e potrebbero essere coinvolti cataboliti e metaboliti diversi.

I risultati ottenuti in precedenza tramite la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) hanno messo inevidenza un incremento nel danno metabolico indotto da fasci protonici con LET 30 keV/µm superioreper un fattore 2 rispetto alle radiazioni gamma. Questo effetto verrà ulteriormente investigato infunzione del tempo intercorso dall’irraggiamento, in modo da discriminare tra gli effetti immediati equelli in cui intervengono i meccanismi di produzione di danno mediati dal metabolismo cellulare.Inoltre, si procederà all’irraggiamento degli sferoidi cellulari che costituiscono un modello migliorerispetto alle colture in monostrato per la risposta di tumori solidi, soprattutto per quanto riguarda lecomunicazioni cellula-cellula e la disponibilità di ossigeno negli strati interni (Hamilton, 1998).

Lo studio del blocco proliferativo radioindotto è da mettere in relazione con le varie alterazioni neicammini metabolici che vengono perturbati dall’irraggiamento. Verrà approfondito l’effetto sui lipidicellulari, in quanto esistono diverse evidenze sperimentali che mostrano effetti selettivi a carico delmetabolismo lipidico e la modulazione dei cosiddetti lipidi mobili (ML, essenzialmente trigliceridi) .Un risultato confermato da misure di microscopia elettronica, è stato ottenuto in precedenza trattando lecellule HeLa con il farmaco antitumorale lonidamina, che provoca blocco della crescita cellularemediante inibizione delle funzioni mitocondriali ed è stato interpretato con il fatto che le cellule,bloccate nella loro progressione attraverso il ciclo, continuano ad accumulare trigliceridi (Grande et al1999c, Rosi et al 1999).Questi risultati sono in accordo con evidenze recenti in cui l’accumulo di trigliceridi è associatoall’instaurarsi di apoptosi ( Hakumaki et al. 1999 e Al Saffar et al. 2002). A questo riguardo, laspettroscopia di Risonanza magnetica nucleare è considerata la tecnica di elezione in quanto permettedi rilevare queste strutture nel sistema intatto.

L’identificazione e la relativa quantificazione dei metaboliti sarà effettuata mediante spettroscopia dirisonanza magnetica (1H MRS) in alta risoluzione (400-600 e 700 MHz), sui lipidi estratti dai sistemibiologici in esame. Il confronto fra gli spettri dei sistemi biologici intatti e quelli dei relativi estrattipermetterà di discriminare fra gli effetti dovuti a variazioni di concentrazione e quelli dovuti avariazioni di struttura.

Per correlare le osservazioni metaboliche con le modificazioni della proliferazione cellulare indottedall’irraggiamento è necessario conoscere la distribuzione delle cellule nelle varie fasi del ciclo dicrescita, in quanto i processi metabolici, in particolare la sintesi lipidica, sono dipendenti dallaregolazione del ciclo cellulare, almeno nelle cellule non perturbate. Inoltre si intende monitorare lavariazione dei volumi cellulari, in quanto questo parametro, in particolare la distribuzione dei volumi, èfortemente influenzato dall’irraggiamento, non è in semplice connessione con le variazioni delle fasidel ciclo ed è in grado di fornire informazioni sul blocco proliferativo.

Le variazioni delle fasi del ciclo cellulare nei sistemi irraggiati saranno determinate mediante tecnichedi citofluorimetria a flusso, mentre i volumi cellulari saranno determinati utilizzando un CoulterCounter.

2. Modelli teorici

L’approccio utilizzato nel presente progetto di ricerca sarà quello tradizionalmente adottato dal gruppoproponente, che possiede un'ampia esperienza nel campo della modellizzazione degli effetti delleradiazioni ionizzanti su strutture biologiche a diversi livelli, sia in termini di modelli meccanicistici ecodici di simulazione (Ottolenghi et al 1995, 1997a-c, 2001, 2002; Friedland et al 1999; Ballarini et al1999, 2000, 2002a-d), sia in termini di modelli semi-empirici basati su parametri forniti dalle misuresperimentali (Belli et al., 2001; 2000a). Caratteristica comune agli studi meccanicistici è un approcciobasato sulla fisica del problema, in termini di struttura di traccia della radiazione descritta sia a livellodel nanometro (codici "event-by-event" come PARTRAC, che descrivono ogni singola deposizione dienergia e sono adatti a livello sub-cellulare e cellulare), sia a livello del micron (codici "condensed-history" come FLUKA, adatti a livello supra-cellulare, Battistoni et al, 2002). In particolare in questoprogetto si intende focalizzarsi sul danno al DNA e sulle aberrazioni cromosomiche. L'approccioadottato sarà, oltre che meccanicistico e stocastico, "ab initio": le previsioni dei modelli, sviluppatisulla base di alcune assunzioni fondamentali, saranno confrontate direttamente con i dati sperimentali(sia quelli disponibili in letteratura, sia quelli ottenuti nel corso del progetto); sarà evitata l'introduzionedi parametri liberi da determinare a posteriori sulla base di "best fit" con dati sperimentali, in modo damantenere un approccio completamente meccanicistico.L'approccio semi-empirico risulta quindi complementare a quello meccanicistico, e fa da ponte dicollegamento con gli aspetti sperimentali del progetto.Oltre al danno al DNA e alle aberrazioni cromosomiche, sarà investigato il ruolo della comunicazionecellulare rispetto al cosiddetto "bystander effect", consistente nell'induzione di danni in cellule che nonsono state direttamente attraversate dalla radiazione. I dati sull'effetto bystander disponibili inletteratura sono ormai sufficientemente numerosi e affidabili da permettere lo sviluppo di approcci ditipo modellistico; questi ultimi possono essere di grande aiuto nella comprensione dei meccanismicoinvolti, che sono ancora poco chiari, nonostante sia ormai assodato che le varie forme dicomunicazione cellulare giochino un ruolo fondamentale.L’attività modellistica sarà svolta con il GSF di Monaco, Germania (HG Paretzke e coll.), con cuiesiste una consolidata attività di collaborazione nell’ambito di consorzi europei (Paretze et al, 2000).

2.1 Danno al DNA

Utilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmentein grado di trasportare elettroni, fotoni e protoni di diversa energia in acqua liquida e di simularnel'interazione con modelli di strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli di organizzazione (dalladoppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di vari tipi di danno al DNA:oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversilivelli di complessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente allapresenza di scavengers e proteine istoniche, che possono giocare un ruolo protettivo in quantocompetono con il cosiddetto "danno indiretto", dovuto all'attacco del DNA da parte di radicali libericome l'OH. A parità di condizioni ambientali, le simulazioni saranno ripetute per radiazioni di diversaqualità (in particolare fotoni, protoni, particelle alfa e, in prospettiva, ioni più pesanti), al fine diquantificare il ruolo giocato dalla struttura di traccia. Nel caso di protoni e particelle alfa, i risultatiottenuti saranno confrontati con un lavoro precedente (Ottolenghi et al., 1995) effettuato con unmodello geometrico di DNA. Tale confronto permetterà di stimare il ruolo del livello di dettaglioutilizzato nella descrizione della doppia elica.

Per quanto riguarda l'approccio semi-empirico, in questo progetto saranno proposti modelli per larappresentazione dei vari pattern di frammentazione del DNA ottenuti sperimentalmente, considerandosia il caso di cellule appena irraggiate, sia quello di cellule in cui ha avuto luogo il processo di riparo.L’approccio tradizionale per la descrizione dei pattern di frammentazione prevede il confronto tra i datisperimentali ed una distribuzione di doppie rotture casuale nei cromosomi irradiati. È stata giàsviluppata una generalizzazione di questo metodo, in cui si tiene conto dell'ulteriore frammentazioneindotta non dalla radiazione, ma dalla procedura connessa all’elettroforesi (e messa in evidenza dallaframmentazione del campione di controllo); questo significa in pratica ipotizzare una frammentazioneradioindotta casuale non di cromosomi intatti, ma di un campione polidisperso. Tale generalizzazione èstata per ora applicata allo studio di pattern di frammentazione indotti da raggi gamma, che non erapossibile riprodurre senza considerare la polidispersione. Si intende ora introdurre esplicitamente lecorrelazioni tra doppie rotture che ci si aspetta con particelle cariche. Ci si propone più avanti diintrodurre nel modello la cinetica di riparazione delle DSB.

Si prevede anche lo sviluppo di un modello per la rappresentazione delle quantità ricavabili dagliesperimenti di Single Cell Gel Electrophoresis (SCGE o “Comet assay”). In particolare, sicalcoleranno, in funzione della quantità di danno radioindotto sui “loop” di DNA, la forma e l’intensitàdelle immagini di fluorescenza. In questa modellizzazione occorre inserire come input la dimensionemedia dei “loop” e la distribuzione spaziale dei loro punti di ancoraggio. Quindi il confronto con lemisure sperimentali, oltre che permettere di valutare il numero medio di doppie rotture, forniràinformazioni anche su queste caratteristiche strutturali della molecola di DNA.

2.2 Aberrazioni cromosomiche

Nell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti:monitoraggio citogenetico in radioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), sono statisviluppati un modello teorico e un codice Monte Carlo in grado di simulare l'induzione di variecategorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento di linfociti umani con campimonocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due opiù dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado dievolvere in aberrazioni cromosomiche (Ballarini et al 1999, Ottolenghi et al 2001, Ballarini et al2002c). Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validatonel caso dell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di altoLET (≈100 keV/micron); le curve dose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelleosservate sperimentalmente.Nell'ambito del presente progetto, si intende estendere e validare il modello al caso di protoni di bassoLET (≈10 keV/micron o meno) e di protoni e particelle alfa di LET intermedio (tra i 10 e i 100keV/micron). Il modello sarà inoltre esteso al caso di particolari aberrazioni - come le traslocazioni,fortemente correlate con il rischio, e gli scambi complessi - visibili solo con la tecnica di colorazioneFISH, che è stata implementata nel codice ma non ancora testata in modo sistematico medianteconfronti con dati sperimentali. Sarà inoltre implementata nel modello la possibilità di simularel'irraggiamento con campi misti, la cui composizione sarà scelta di volta in volta sulla base dellespecifiche condizioni (sperimentali o "reali") che si intendono riprodurre. Specialmente nel caso diirraggiamento con ioni accelerati, per cui la probabilità che avvengano reazioni nucleari non ètrascurabile, bisogna infatti considerare che anche un fascio inizialmente monocromatico può esserecostituito da componenti diverse quando interagisce con il bersaglio. Nel caso di esperimenti in vitrociò è dovuto essenzialmente alle interazioni che si verificano lungo la linea di fascio, mentre per

esposizioni in vivo giocano un ruolo importante le interazioni con i vari costituenti dell'organismo. Ilproblema sarà affrontato mediante l'utilizzo del codice Monte Carlo FLUKA, al fine di ottenere unadescrizione stocastica dei campi di radiazione d'interesse. Gli spettri così ottenuti saranno utilizzaticome input per i modelli di induzione di danni radiobiologici di cui sopra.

2.3 Bystander effect

Negli ultimi dieci anni, soprattutto in seguito all'introduzione dei cosiddetti "microbeams" si sonoandati accumulando numerosi dati sperimentali che mostrano l'induzione di diversi tipi di danni (mortecellulare, mutazioni, aberrazioni cromosomiche ecc…) in cellule non direttamente attraversate dallaradiazione. I meccanismi che governano questi processi sono ancora poco chiari, ma è ormai assodatoche le varie forme di comunicazione cellulare giocano un ruolo fondamentale. Questi fenomeni,osservati per diversi endpoints e con diverse tecniche, hanno due caratteristiche comuni essenziali: simanifestano a basse dosi (0.5 Gy o meno) e hanno una risposta sovra-lineare, il che potrebbe averedelle notevoli implicazioni sulla stima del rischio a basse dosi, che fino ad ora si basasull'estrapolazione lineare di dati a dosi maggiori. Data l'importanza del fenomeno, il gruppoproponente questo progetto ha svolto un'analisi critica dei principali set di dati disponibili in letteratura(Ballarini et al 2002a,d). Tale analisi ha messo in evidenza l'importanza di almeno due forme dicomunicazione cellulare, quella mediata dal mezzo di coltura e quella mediata dalle cosiddette "gap-junctions", che sono canali che mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule adiacenti,permettendo il passaggio di molecole di piccole dimensioni (inferiori ai 2000 Dalton) che possonogiocare il ruolo di messaggeri. In questo progetto, oltre ad effettuare l'analisi dei nuovi dati che sirenderanno disponibili in futuro, si intende sviluppare un modello teorico che sia in grado di descrivereuno o piu' effetti bystander (tipicamente morte cellulare e mutazioni), al fine di chiarire i principalimeccanismi coinvolti e di determinare la dipendenza di questi fenomeni da fattori quali la dose, il dose-rate, la qualità della radiazione, le condizioni di irraggiamento e di coltura ecc. Saranno inoltreanalizzate le possibili implicazioni dell'effetto bystander in termini di rischio da radiazioni.

Referenze bibliografiche

Al Saffar NM, Titley JC, Robertson D, Clarke PE, Jackson LE, Leach MO, Ronen S. Apoptosis is associated withtriacylglycerol in Jurkat T cells. Br J Cancer 86: 963-70 (2002).

Ballarini F., Merzagora M., Monforti F., Durante M., Gialanella G., Grossi G.F., Pugliese M., Ottolenghi A.. Chromosomeaberrations induced by light ions: Monte Carlo simulations based on a mechanistic model, Int J Radiat Biol, London, 75,35-46 (1999).

Ballarini F., Biaggi M., Merzagora M., Ottolenghi A., Dingfelder M., Friedland W., Jacob P., Paretzke H. G., Stochasticaspects and uncertainties in the prechemical and chemical stages of electron tracks in liquid water: a quantitativeanalysis based on M. C. simulations. Radiat Environ Biophys, Berlin, 39, 179-188 (2000).

Ballarini F, Biaggi M, Ottolenghi A, Sapora O, Cellular communication and bystander effects: a critical review formodelling low-dose radiation action. Mutation Research, 501, 1-12 (2002a).

Ballarini F., Biaggi M., Ferrari A., Ottolenghi A., Pelliccioni M., Scannicchio D., Influence of the Shielding on the SpaceRadiation Biological Effectiveness. IV. Modelling submitted to The J. of Rad. Res (2002b).

Ballarini F., Biaggi M., Ottolenghi A., Nuclear architecture and radiation-induced chromosome aberrations: models andsimulations. Rad. Prot. Dosimetry, in press, (2002c).

Ballarini F. and Ottolenghi A., Low dose radiation action: possible implications of bystander effects and adaptive response,Journal for Radiological Protection, in press (2002d).

Battistoni G, A Ferrari, P Sala, F Ballarini, M Biaggi, A Ottolenghi, Development of the FLUKA Monte Carlo code and ofits scientific and technological applications. Submitted for publication in Frascati Physics Series (2002e).

Belli, M., Campa, A., The Problem of Predicting the Biological Effects in Mixed Firelds: Recent Approaches andPerspectives. In: “Risk Evaluation Of Cosmic-Ray Exposure In Long-Term Manned Space Mission”. K. Fujitaka,H.Majima, K.Ando, H.Yasuda E M.Suzuki Eds. (Kodansha Scientific, Tokio), pp.173-179 (1999).

Belli, M., Campa, A., Dini, V., Esposito, G., A Mathematical Model of DNA Fragmentation Induced by Gamma-Rays. In:“Mathematics And Computers In Modern Sciences”. Ed. N.E.Mastorakis. (World Scientific And Engeneering SocietyPress) pp.183-186 (2000a)

Belli, M., Campa, A., Ermolli, I., A Semi-Empirical Approach to the RBE Evaluation of Therapeutic Proton Beams: TheMethodological Framework. Radiat.Res., 148, 592-598 (1997a).

Belli, M., Campa, A., Ermolli, I., Rosetti, M., Rbe Evaluation of a Modulated 160 Mev Proton Beam Using Monte CarloCodes. J.Jap.Soc.Therap.Rad.Onc., 9, Supplement 2, 103-107 (1997b).

Belli, M., Cera, F., Cherubini, R., Haque, A.M.I., Ianzini, F., Moschini, G., Sapora, O., Simone, G., Tabocchini, M.A.,Tiveron, P., DNA Double Strand Breaks Production and Rejoining in V79 Cells Irradiated With Light Ions. Adv. SpaceRes., 18 (No.1/2), (1/2)73-(1/2)82 (1996).

Belli, M., Cera, F., Cherubini, R., Dalla Vecchia, Haque, A.M.I., Ianzini, F., Moschini, G., Sapora, O., Simone, G.,Tabocchini, M.A., Tiveron, P., RBE-LET Relationship For Cell Inactivation and Mutation Induced by Low EnergyProtons in V79 Cells: Further Results at the LNL Facility. Int.J.Radiat.Biol. 74, 501-509 (1998).

Belli, M., Cherubini, R., Dalla Vecchia, M., Dini, V., Esposito, G., Moschini, G., Sapora, O., Signoretti, C., Simone, G.,Sorrentino, E., Tabocchini, M.A., DNA Fragmentation in Mammalian Cells Exposed to Various Light Ions. Adv. SpaceRes., 27 (2), 393-399 (2001).

Belli, M., Cherubini, R., Dalla Vecchia, M., Dini, V., Esposito, G., Moschini, G., Sapora, O., Simone, G., Tabocchini,M.A., DNA Fragmentation in V79 Cells Irradiated With Light Ions as Measured By PFGE. I: Experimental Results. Int.J. Radiat. Biol., 78 (6), 475-482.(2002).

Belli, M., Cherubini, R., Dalla Vecchia, M., Dini, V., Moschini, G., Sapora, O., Signoretti, C., Simone, G., Tabocchini,M.A., Tiveron, , DNA DSB Induction And Rejoining in V79 Cells Irradiated with Light Ions: A Constant Field GelElectrophoresis Study. Int. J. Radiat. Biol., 76 (8), 1095-1104 (2000b).

Biaggi M., Ballarini F., Ferrari A., Ottolenghi A., Pelliccioni M., A Monte Carlo code for a direct estimation of radiationrisk, Physica Medica 17/S1, 103-105 (2001).

Biaggi M., Ballarini F., Burkard W., Egger E., Ferrari A., Ottolenghi A. Physical and biophysical characteristics of a fullymodulated 72 MeV therapeutic proton beam: model predictions and experimental data. Nuclear Instr. and Methods - B,Amsterdam, 159, 89-100 (1999).

Biaggi M., Ballarini F., Burkard W., Egger E., Ferrari A., Ottolenghi A., Scannicchio D. Applications and possiblegeneralisations of a method tested at the OPTIS facility, for analysing physical and radiobiological properties oftherapeutic proton beams. Physica Medica, XVII/S3, 63-67 (2001).

Cornelissen M, Thierens H, De Ridder L Interphase Death In Human Pbl After Moderate And High Doses Of Low AndHigh Let Radiation: An Electron Microscopic Approach. Anticancer Res 22 (1a): 241-5, 2002

Durante M, Antonelli F, Ballarini F, Belli M, Bettega D, Biaggi M, Calzolari P, Ferrari A, Gialanella G, Giussani A., GrossiG, Massariello P, Ottolenghi A, Pugliese M, Scampoli P, Simone G, Sorrentino E, Tabocchini M A, Tallone L, Spaceradiation shielding: biological effects of accelerated iron ions and their modification by aluminum or lucite shields.Microgravity and Space Station Utilisation, 2, 179-181 (2001).

Friedland W., Jacob P., Paretzke H.G., Merzagora M. and Ottolenghi A.. Simulation of DNA fragment distributions afterirradiation with photons, Radiat Environ Biophys, Berlin, 38, 39-47 (1999).

Giusti A.M. Raimondi M., Ravagnan G., Sapora O.,Parasassi T. Human Cell Membrane Oxidative Damage Induced bySingle and Fractionated Doses of Ionizing Radiation: A Fluorescence Study. Int. J. Biol. 74, 5, 595-605 (1998).

Goodhead, D.T. Initial Events in the Cellular Effects of Ionizing Radiations: Clustered Damage in DNA. Int. J. Radiat. Biol63, 7-17 (1994).

Grande S, Luciani Am, Rosi A, Cherubini R, Conzato M, Guidoni L, Viti V. Radiation Effects on Soluble Metabolites InCultured HeLa Cells Examined by 1H MRS: Changes in Concentration of Glutathione and of Lipid Catabolites Inducedby Gamma Rays and Proton Beams. Int J Cancer 96, 27-42 (2001).

Grande, S., Luciani, A.M., Rosi, A., Viti, V., Guidoni, L. (1999a). 1H MRS of Cell Extracts can Monitor the Effects on CellMetabolism due to Growth Impairment in Gamma Irradiated HeLa Cells. In: Proceedings of The International SocietyFor Magnetic Resonance In Medicine. Philadelphia, Pensylvania, Usa 22-28 May 1999. Vol.2, p.1356 (1999a).

Grande S., Guidoni L., Luciani A.M., Rosi A., Viti V., Dalla Vecchia M., Cherubini R. 1d and 2d 1H MRS Study ofMetabolic Effects Induced by Low and High LET Particles on Cultured HeLa Cells: Identification of PossibileSpectroscopic Markers. Atti Della Prima Riunione Nazionale di Radiobiologia, Padova, 1999 (1999b.)

Grande, S., Guidoni, L., Luciani, Am., Rosi, A., Viti, V. Identification of Spectroscopic Markers Related to Changes in theProliferative State of Cells: 1H MRS Studies. In: Atti del XXX Congresso Nazionale Risonanze Magnetiche, GruppoItaliano di Discussione delle Risonanze Magnetiche (GDRM), Cortona (Ar), 6-9 Ottobre 1999, pp. 17-18 (1999c).

Hakumaki Jm, Poptani H, Sandmair Am, Yla-Herttuala S, Kappupinenra 1H MRS Detects Polyunsaturated Fatty AcidAccumulation During Gene Therpy of Glioma: Implications for In Vivo Detection of Apoptosis. Nat Med 5 : 1323-1327 (1999).

Hamilton G. Multicellular Speroids as In Vitro Tumor Model. Cancer Lett, 131 29-34 (1998).Hoglund, E., Blomquist, E., Carlsson, J., Stenerlow, B., DNA Damage Induced by Radiation of Different Linear Energy

Transfer: Initial Fragmentation. Int.J.Radiat.Biol., 76, 539-547 (2000).Holley, W.R. and Charrerjee, A., Clusters of DNA Damage Induced by Ionizing Radiation. Formation of Short DNA

Fragments. I. Theoretical Modeling. Radiation Research, 145, 188-199 (1996).Kamat JP, Boloor KK, Devasagayam TP, Jayaashree B, Kevasan PC. Differential Modification by Caffein of Oxygen-

Dependent and Independent Effects of Gamma Irradiation on Rat Liver Mitchondria. Int J Rad Biol 76: 1281-8 (2000).Loebrich, M., Cooper, P.K., Rydberg, B., Non Random Distributions of DNA Double-Strand Breaks Intuced by Particle

Irradation. Int.J.Radiat.Biol., 70, 493-503 (1996).Mackey M.A., Ianzini F., Enhancement of Radiation Induced Mitotic Catastrophe by Moderate Hyperthermia. Int. J. Radiat.

Biol. 76 : 2, 273-80 (2000).Marathe D, Mishra KP. Radiation Induced Changes in Permeabillity in Unilamellar Phospholipids Liposomes. Radiat Res

157, 685-92 (2002).Merzagora M. , W. Friedland, P. Jacob, F. Monforti., A. Ottolenghi and H. G. Paretzke, Influence of the initial spatial

distribution of radical species in irradiated water on their subsequent diffusin, reactions and attack on DNA. Rad. Res148, 489-490 (1997).

Moroni A., U. Abbondanno, C. Agodi, R. Alba, F. Ballarini, G. Bellia, M. Biaggi , M. Bruno , G. Casini , S. Cavallaro , R.Cherubini, M. Chiari, N. Colonna, R. Coniglione, M. D'Agostino, A. Del Zoppo, A. Giussani, F. Gramegna, C.Maiolino, G. V. Margagliotti, P.F. Mastinu, E. Migneco, P.M. Milazzo, A. Nannini, A. Ordine, A. Ottolenghi, P.Piattelli, D. Santonocito, P. Sapienza G. Vannini, L. Vannucci, E. Vardaci, Nuclear detecting systems at LNL and LNS:Foreseen experiments to provide basic data for heavy-ion risk assessment. Physica Medica 17/S1, 120-124 (2001)

Muschel R.J. Zhang H.B., Iliakis G., McKenna W.G. Effects of Ionizing Radiation on Cyclin Expression in HeLa Cells.Radiat. Res. 132, 162-67, (1992).

Newmann, H.C., Prise, K.M., Folkard, M., Michael, B.D., DNA Double-Strand Break Distributions in X-Ray and α-Particles Irradiated V79 Cells: Evidence for Non-Random Breakage. Int.J.Radiat.Biol., 71, 347-363 (1997).

Obe, G., Johannes, C., And Schulte-Frolinde, D., DNA Double-Strand Breaks Induced by Sparsely Ionising Radiation andEndonucleases as Critical Lesions for Cell Death, Chromosomal Aberrations, Mutation and Oncogenic Transformation.Mutagenesis, 7, 3-12 (1992).

Ottolenghi A., Merzagora M., Tallone L., Durante M., Paretzke H.G., Wilson W.E., The quality of DNA double-strandbreaks: a Monte Carlo simulation of the end-structure of strand breaks produced by protons and alpha particles, Radiatand Environ Biophysics, Berlin, Vol. 34, No 4, 239-244 (1995).

Ottolenghi A., Merzagora M., Paretzke H. G.. A mechanistic approach to evaluate biological effectiveness of hadrons,based on DNA damage simulations. In: GSI-Report-95-10 (ISSN 0171-4546), Darmstatd, Germany, pp 117-120 (1995).

Ottolenghi A., Merzagora M., Paretzke H.G., DNA complex lesions induced by protons and alpha particles: track structurecharacteristics determining LET and particle type dependence. Radiat. Environ. Biophysics, Berlin, Germany, 36, 97-103 (1997a).

Ottolenghi A., Merzagora M., Monforti F.. A Monte Carlo calculation of cell inactivation by light ions. Int. J. Radiat. Biol.72, 5, 505-513(1997b).

Ottolenghi A., Merzagora M., Monforti F., Candoni B., Paretzke H.G., Mechanistic and phenomenological models ofradiation induced biological damages, Physica Medica, XIII, 282-286 (1997c).

Ottolenghi A., Ballarini F., Merzagora M., Modelling radiation induced biological lesions: from initial energy depositions tochromosome aberrations, Radiat Environ Biophys, 38, 1-13, (1999).

Ottolenghi A., Ballarini F., Biaggi M., Modelling chromosomal aberration induction by ionising radiation: the influence ofinterphase chromosome architecture. Adv. in Space Res., 27/2, 369-382 (2001a).

Ottolenghi A., Ballarini F., Biaggi M. Mechanistic and phenomenological models for the estimate of radiation-inducedbiological damage. Physica Medica, XVII/S1, 3-12 (2001b).

Ottolenghi A., Ballarini F., Biaggi M., Mechanistic bases for modelling space radiation risk and planning radiationprotection of astronauts, Physica Medica 17/S1, 274-279 (2001c).

Ottolenghi A, Scannicchio D, Ballarini F, Biaggi M, Valota A, From track structure to biological endpoins: models, codesand MC simulations to investigate radiation action and damage formation. Submitted for publication in Frascati PhysicsSeries (2002).

Paretzke HG, Ballarini F, Brugmans M., Dingfelder M., Edwards A., Friedland W., Goodhead D., Heidenreich W., Hill M.,Jacob P., Leenhouts H.P., Litte M., Merzagora M., Monforti F., Nikjoo H., O’Neill P., Ottolenghi A., von Sonntag C.,Stepanek J., Terrisosl M.. Biophysical models for the induction of cancer by radiation. In: Radiation fields, dosimetry,biokinetics and biophysical models for cancer induction by ionising radiation 1996-1999, final report HG Paretzke ed,GSF-Bericht 02/2000 (ISSN 0721-1694), Neuherberg (Germany), pp. 1-62 (2000).

Pugliese M. , Durante M., Grossi G., Monforti F., Orlando D., Ottolenghi A., Scampoli P. and Gialanella G. Inactivation ofindividual mammalian cells by single α-particles. Int. J. Radiat. Biol. 72, 4, 397-407 (1997).

Radford I.R: Initiation of Ionizing Radiation-Induced Apoptosis: DNA Damage-Mediated or does Ceramide have a Role?Review. Int. J.Radiat. Biol 75, 521-528 (1999)

Rosi, A., Luciani, A.M., Matarrese, P., Arancia, G., Viti, V., Guidoni, L. 1H-MRS Lipid Signal Modulation andMorphological and Ultrastructural Changes Related to Tumor Cell Proliferation. Magnetic Resonance In Medicine, 42,248-257 (1999).

Rydberg, B., Clusters of DNA Damage Induced by Ionizing Radiation: Formation of Short DNA Fragments. II.Experimental Detection. Radiat.Res., 145, 200-209 (1996).

Sharma RK and Jain V. Radiotherapeutic Response of Ehrlich Ascite Tumor Cells Perfused in Agarose Thread andImplanted in Mice. A 31p MR Study. Strahlenther Onkol 177: 212-9 (2001).

Ward, J.F., Biochemistry of DNA lesions. Radiat. Res., 104, S103-S111 (1985).Yanagisawa T, Urade M, Takahashi Y, Yamamoto Y , Furuyama J. Levels of Superoxide Dismutase, Glutathione and

Poly(Adp-Ribose)Polymerase in Radioresistant Human kb Carcinoma Cell Line. Jpn J Cancer Res 88, 1070-77 (1997).

Pianificazione delle attività delle sezioni coinvolte su scala triennale

Roma 1 – Gruppo Collegato SanitàI anno:• Misura delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e raggi gamma.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di bassa energia ed alto LET e di alta energia e basso LET.• Estensione del modello di frammentazione per considerare processi non casuali per l’analisi degli esperimenti di PFGE.• Costruzione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE.

II anno• Completamento delle misure delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e

raggi gamma. Estensione delle misure ai fasci di ioni carbonio e ferro del NIRS.• Esperimenti di riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL) e ioni carbonio (LNS).• Studio di fattibilità per esperimenti di induzione di mutazioni indotte da raggi gamma in cellule HL60.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di alta energia e medio LET.• Applicazione dei modelli di frammentazione per l’analisi della riparazione delle DSB indotte dalle diverse radiazioni.• Applicazione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE disponibili.

III anno• Completamento degli esperimenti di induzione e riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL), ioni carbonio (LNS,

NIRS) e ioni ferro (BNL, NIRS).• Analisi dati e confronto tra le metodiche utilizzate.• Eventuali esperimenti di induzione di mutazioni indotte da particelle alfa in cellule HL60.• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da fascio modulato di protoni.• Estensione del modello di frammentazione con l’introduzione di parametri rappresentativi delle cinetiche di riparazione

delle DSB e confronto con i dati sperimentali.

PaviaI anno:• danno al DNA:

- quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavengers rispetto all'attacco dei radicali OH distribuiti lungo la tracciadella radiazione- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da raggi gamma e protoni.

• aberrazioni cromosomiche:- implementazione background di aberrazioni cromosomiche (AC) nella simulazione delle AC radioindotte;- validazione del modello nel caso di protoni di basso LET;

• bystander effect:- aggiornamento dell'analisi critica dei dati disponibili in letteratura

II anno:• danno al DNA:

- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da particelle alfa.• aberrazioni cromosomiche:

- estensione e validazione del modello nel caso di aberrazioni visibili solo con la tecnica FISH (tipicamentetraslocazioni e scambi complessi);- implementazione nel modello delle condizioni di irraggiamento isotropo per gli ioni

• bystander effect: aggiornamento sui modelli disponibili in letteratura

III anno• campi misti:

- identificazione dei campi misti d'interesse e loro caratterizzazione mediante il codice FLUKA;• aberrazioni cromosomiche:

- estensione del modello a campi misti;• bystander effect:

- sviluppo di un modello teorico, ed eventualmente un codice di simulazione, in grado di descrivere l'induzione di dannispecifici (tipicamente morte cellulare) in cellule non attraversate dalla radiazione ma vicine a cellule irraggiate.

Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. MIDPAC PAVIA 1 ... · Interazione radiazioni ionizzanti -...

Documents

Transcript of Esperimento Struttura Flag Resp. Naz. MIDPAC PAVIA 1 ... · Interazione radiazioni ionizzanti -...