Fisica Medica_ Radiobiologia

Effetti biologici della radiazione in cellule coltivate in vitro D. Bettega , P. Calzolari, M. La Fiandra, R. Marchesini -Sezione di Fisica Medica,

Dipartimento di Fisica e INFN – Milano.

Lo studio degli effetti biologici della radiazione ha diversi aspetti : oltre a quello conoscitivo che coinvolge la fisica, la chimica e la biologia, ci sono anche degli aspetti applicativi molto importanti :

-in radioprotezione : la conoscenza degli effetti per stimare correttamente il rischio dell’esposizione alla radiazione e ridurre i danni (popolazione, lavoratori, pazienti) -in radioterapia : la conoscenza degli effetti per sfruttare al meglio le proprietà distruttive della radiazione nei confronti delle cellule tumorali risparmiando quelle dei tessuti sani circostanti (pazienti)

In radioterapia, presupposto all’uso di nuovi fasci di radiazione (es fasci di adroni) o a nuove modalità di irraggiamento con fotoni (es IMRT), oltre alla perfetta conoscenza della distribuzione di dose nei tessuti sani e tumorali, è la conoscenza :

a) della loro efficacia nell’eliminare le cellule tumorali

b) dei possibili danni a lungo termine indotti nei tessuti sani circostanti (es. tumori secondari indotti dall’irraggiamento).

Cellule coltivate in vitro provenienti da tessuti normali e tumorali costituiscono un modello sperimentale estremamente utile per questo tipo di studi.

E’ possibile infatti misurare parallelemente diversi effetti biologici, confrontare i risultati con quelli ottenuti con le radiazioni convenzionalmente usate, testare e/o sviluppare idonei modelli di interazione radiazione–cellula da impiegare nei piani di trattamento dei pazienti

Colonie formate da cellule sopravissute a dosi diverse di radiazione

Formazione di micronuclei ( a seguito di danno cromosomico) e trasformazione neoplastica di cellule esposte a radiazione

0 20 40 60 80 100 120 1400,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Su

rviv

ing

fra

ctio

n

Depth (mm)

survival at 0 Gy

Do

se ( G

y)

0 50 100 1500

5

10

15

20

25

0,0

0,1

0,2

0,3

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0,5

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0,7

0,8

0,9

trans

form

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0 -5

)

Depth ( mm )

transformation frequency at 0 Gy

Dose ( G

y)

0 5 10 15 20 25 3020

40

60

80

100

120

140

Physical dose Biological dose

Per

cent

age

Depth (mm)

Fascio terapeutico di ioni Carbonio (200 MeV/n)- GSI Darmstadt (tumori della testa e del collo)

Dose del fascio a varie profondità in acqua (tratto continuo) e corrispondenti valori di Sopravvivenza ( fig.a) e Trasformazione neoplastica (fig. b) in cellule umane .

0 1 2 3 4 5 6 7 810-3

10-2

10-1

100

Dose (Gy)

Sopravvivenza

2 mm 15.6 mm 25 mm 27.2 mm 27.8 mm 60Co

Fascio di protoni (62 MeV) –Nizza (tumori dell’occhio)

Curve Dose-Sopravvivenza di cellule tumorali umane esposte al fascio terapeutico a varie profondità in acqua (fig.a) e confronto della dose fisica a varie profondità in acqua con i corrispondenti valori della dose biologicamente efficace (fig.b).

Esempi di studi radiobiologici di fasci terapeutici di protoni e ioni Carbonio

Recentemente ed in corso:

-Caratterizzazione radiobiologica dei fasci terapeutici di protoni e ioni Carbonio del Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO), Pavia. (Collaborazione varie sezioni INFN, Fondazione CNAO, Istituto Superiore di Sanità e Istituto Tumori)

-Interazione di fasci di ioni Carbonio (monoenergetici e terapeutici) e Radiosensibilizzanti di interesse clinico in cellule tumorali umane resistenti alla terapia convenzionale (fotoni). (Collaborazione varie sezioni INFN, Fondazione CNAO e Istituto Tumori)

- Effetti a lungo termine della componente neutronica di fasci di fotoni di alta energia (10 MeV) (Collaborazione Istituto Tumori)

Il Laboratorio di Radiobiologia al Dipartimento di Fisica:

Some publications :Cell transformation by light particles : Review of available data. D. Bettega - Radiotherapy & Oncology, 73 (Suppl 2),

S155-S157, 2004. Early and Delayed Reproductive Death in Human Cells Exposed to High Energy Iron Ion Beams. D. Bettega, P. Calzolari,

L. Doneda, M. Durante, L. Tallone. - Advances in Space Research. 35(2):280-5, 2005Late cellular effects of 12 C ions. G. Grossi, D. Bettega, P. Calzolari, M. Durante, T. Elsasser, G. Gialanella, P. Hessel, L.

Manti, M. Pugliese, S. Ritter, M. T. Santini, P. Scampoli and W. K. Weyrather.Il Nuovo Cimento, 31 C (1) , 39-47, 2008.

Effectiveness of Monoenergetic and Spread-Out Bragg Peak Carbon-Ions for Inactivation of Various Normal and Tumour Human Cell Lines. M. Belli, D.Bettega, P. Calzolari, R.Cherubini, G. Cuttone, M.Durante, G.Esposito, Y. Furusawa, S. Gerardi, G. Gialanella, G. Grossi5, L. Manti, R.Marchesini, M. Pugliese, P. Scampoli, G. Simone, E.Sorrentino, M.A. Tabocchini, L. Tallone - J. Radiation Research, 49 (6) 597-607, 2008

Neoplastic Transformation induced by Carbon ions. D. Bettega , P. Calzolari, P. Hessel, C. Stucchi, W. K. Weyrather- Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys, 73 (3) 861-868, 2009.

Measurements of biological effectiveness of carbon ions in rodent and human cells for the development of a radiobiology-based treatment planning system. A. Antoccia, F. Berardinelli, D. Bettega, P. Calzolari, M. Catalano, R. Cherubini, V. De Nadal, S. Gerardi, G. Grossi, L. Manti, R. Marchesini, R. Massa, E. Pignoli, P. Scampoli, A. Sgura, C. Tanzarella. LNL annual report 230, 97-98, 2010

Development of a radiobiology-based treatment planning system: progress report on the measurements of biological effectiveness of carbon ions in human and rodent cells at the Tandem-ALPI accelerator. A. Antoccia, F. Berardinelli, D. Bettega, P. Calzolari, R. Cherubini, V. De Nadal, S. Gerardi, G. Grossi, I. Improta, L. Manti, R. Marchesini, R. Massa, D. Nieri, E. Pignoli, P. Scampoli, V. Scanziani, A. Sgura, C. Tanzarella. LNL annual report 234, 153-154 , 2011

Carbon ions biological effectiveness measurements in human and rodent cells for the development of a radiobiology-based treatment planning system. A progress report. A. Antoccia, F. Berardinelli, D. Bettega, P. Calzolari, R. Cherubini, V. De Nadal, S. Gerardi, G. Grossi, I. Improta, L. Manti, R. Marchesini, R. Massa, D. Nieri, E. Pignoli, P. Scampoli, A. Sgura, C. Tanzarella. LNL annual report 238, 115-116, 2012