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
Esempi di studi radiobiologici di fasci terapeutici di protoni e ioni Carbonio
Fascio di protoni (62 MeV) –Nizza (tumori dell’occhio)
Fascio terapeutico di ioni Carbonio (200 MeV/n)- GSI
Darmstadt (tumori della testa e del collo)
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).
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 .
25
-5
1,2
120
0,8
1,1
survival at 0 Gy
Surviving fraction
Sopravvivenza
2 mm
15.6 mm
25 mm
27.2 mm
27.8 mm
60
Co
0,6
80
60
Physical dose
Biological dose
40
0
1
2
3
4
5
Dose (Gy)
6
7
8
0,8
0,4
0,7
0,2
0,6
20
-3
10
0,9
0,5
0
5
10
15
20
Depth (mm)
25
30
0,0
0
20
40
60
80
100
120
Depth (mm)
140
0,8
20
0,7
0,6
15
0,5
0,4
10
0,3
Dose ( Gy)
-2
10
100
Dose ( Gy)
Percentage
1
-1
10
0,9
)
1,3
transformation frequency / surviving cell ( 10
140
0
10
0,2
5
0,1
transformation frequency at 0 Gy
0
0
50
100
0,0
150
Depth ( mm )
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, 2005
Late 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.
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Measurements of biological effectiveness of carbon ions in rodent and human cells for the development of a radiobiologybased 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