Early and delayed biological effects of high
energy, high Linear Energy Transfer
charged particles
D. BETTEGA1, P. CALZOLARI1, L. DONEDA2, M. DURANTE3,
L. TALLONE1
1Dipartimento
di Fisica, Università degli Studi di Milano and INFN, Italy
2Dipartimento di Biologia e Genetica, Università degli Studi di Milano, Italy
3Dipartimento di Scienze Fisiche, Università Federico II, Napoli, and INFN, Italy
Questo studio è parte di un più ampio progetto, che coinvolge
numerosi laboratori nazionali ed esteri, che ha come scopo la
determinazione degli effetti biologici degli ioni pesanti di alta
energia costituenti la radiazione spaziale.
La storia: fin dalla fine del 19° secolo, ci si rese conto che
nell’ambiente terrestre era presente della radiazione , in parte
riconducibile all’emissione da parte delle rocce terrestri ed in parte
proveniente dall’esterno dell’atmosfera , come misero in evidenza
i voli con palloni all’inizio del 900, che ne rilevarono l’aumento
all’aumentare della quota.
La radiazione spaziale
Radiazione intrappolata nel campo magnetico terrestre
Fasce di Van Allen, al di sopra dell’atmosfera fino a ad oltre 70000
km , costituita da protoni ( fino a circa 450 MeV, 90% con ranges 1
cm acqua) ed elettroni (alcuni MeV, ranges 1-2 cm acqua ). Una
piccola componente di alta energia penetra negli abitacoli,
producendo neutroni ed altro.
Radiazione emessa dal Sole (SPE)
Elettroni, protoni e particelle più pesanti di alta energia emesse
occasionalmente dal Sole ( brillamenti ed emissioni dalla corona )
che, senza adeguata protezione, possono comportare dosi letali .
Radiazione Cosmica (GCR)
Sono nuclei di tutti gli elementi di energia molto elevata (fino a 1
TeV/n) , provenienti dall’esterno del sistema solare. Importante per
le missioni e le permanenze di lunga durata ( alcune p/ cm 2 s).
La radiazione ionizzante rilascia energia nei materiali attraversati producendo
ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi . Nei sistemi biologici questo determina,
alla fine di una serie di eventi chimici e biochimici, la produzione di danni.
Grandezze fisiche legate all’effetto prodotto sono :
dose D = Eass/m
(Gy = 1 J/kg)
Trasferimento Lineare di Energia LET = dE/dx ( keV/m)
In molti casi il LET non descrive con sufficiente dettaglio quello che avviene a
livello del target primario dell’azione della radiazione, il DNA, occorre guardare
alle deposizioni di energia a livello nanometrico ( struttura di traccia)
Efficacia Biologica Relativa ( RBE) = ( Drad. riferimento / D )stesso effetto
(radiazione di riferimento : X (250kV) o 
60Co).
I valori di RBE sono alla base dei fattori di qualità Q(L) assegnati alle
diverse radiazioni nell’ambito della radioprotezione.
dose equivalente H = Q(L)D(L) dL
( Sv)
Radiazione cosmica
87% protoni, 12% He, 1% nuclei
più pesanti con energie fino a 1
TeV /n
I protoni sono i maggior
costituenti in termini di flusso,
ma i nuclei (HZE)…….
NASA: Strategic Program Plan for Space Radiation
Health Research ( NASA, Washington DC ) 1998.
alta E possono penetrare diversi cm di materiali
alto Z  elevata densità di ionizzazione (  Z2 )
alto LET  alta efficacia biologica
Lo spettro della radiazione spaziale comprende protoni, neutroni,
gamma, ioni HZE con diversa energia ed efficacia biologica, che
si modifica interagendo con i materiali. Pochi sono i dati
sperimentali sugli effetti biologici , soprattutto quelli a lungo
termine, e nulli quelli di tipo epidemiologico.
La NASA ha valutato l’attuale incertezza nella stima dei rischi per
l’induzione di tumore da parte della radiazione spaziale compresa tra
400 e 1500% (si vorrebbe ridurre questa incertezza al 50% entro il
2020).
La maggiore causa di questa incertezza è la scarsa conoscenza
degli effetti biologici delle particelle cariche pesanti di alta
energia (ioni HZE)
Numerosi laboratori stanno conducendo esperimenti a terra, utilizzando
modelli sperimentali (cellule coltivate in vitro) e fasci di ioni pesanti di alta
energia ( centinaia di MeV/n) prodotti da acceleratori.
Effetti misurati:
mortalità cellulare
rotture a livello del DNA
aberrazioni cromosomiche
mutazioni
alterazioni di geni
trasformazione neoplastica
effetti nelle cellule progenie di quelle irraggiate
Parallelemente vengono sviluppati codici di calcolo e modelli di
interazione radiazione spaziale - sistemi biologici.
Il nostro laboratorio : mortalità cellulare nelle cellule irraggiate e nella
progenie di quelle sopravvissute alla radiazione (DRD) e
trasformazione neoplastica in presenza e in assenza di schermature di
diversi materiali ( Esperimenti ASI e INFN) .
Ioni : Fe , Ti , Si fino a 1 GeV/n
Linee cellulari umane ( AG1522, CGL1)
DRD: diminuzione del potenziale clonogenico delle cellule progenie di quelle
sopravvissute all’esposizione . Manifestazione di instabilità del genoma indotta dalla
radiazione?
Irraggiamenti:
• 0.2 and 0.5 GeV/n Fe and 0.49 GeV/n Si-ion beams, at HIMAC , NIRS (J)
• 1 GeV/n Fe and 0.97 GeV/n Ti- ion beams ,
at NSRL , BNL (USA)
•  rays : 60Co source , Istituto Nazionale dei
Tumori, Milano
Surviving fraction vs dose for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5,
1GeV/n Fe-ion beams , 0.97 GeV/n Ti and 0.49 MeV/n Si-ion beams .
LET values were respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m.
1
1 GeV/n Fe
0.5 GeV/n Fe
0.2 GeV/n Fe
0.49 GeV/n Si
0,97 GeV/n Ti
Surviving fraction
60
Co  rays
Heavy ion beams induce
inactivation more effectively
than 60 Co  rays. The 1 GeV/n
Fe beam shows the highest
effectiveness for inactivation .
0,1
The highest LET iron beam
(442 keV/ m ) shows the
lowest effectiveness at low
doses.
0,01
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Dose ( Gy )
Cloning Efficiency of the progeny versus dose given to their
progenitors for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1GeV/n Fe , 0.97
GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams.
Cloning Efficiency
1
0,1
1 GeV/n Fe
0.5 GeV/n Fe
0.2 GeV/n Fe
0.49 GeV/n Si
0,97 GeV/n Ti
60
Co  rays
0,01
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Dose (Gy)
There is a large and dose
dependent reduction of the
cloning efficiency of the
progeny of the irradiated
cells compared with their
controls with all types of
radiations.
The effect is higher with all
the ion beams compared
with the gamma rays and
the 1 GeV/n Fe ion-beam is
the most effective.
RBE versus LET for survival and delayed reproductive death of
AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1 GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and
0.49 GeV/n Si beams .
5
•
The 0.2 GeV/n Fe-ion beam, with
the highest LET value of 442 keV/
m, shows the lowest RBE
values, 0.6  0.09 and 1.3  0.2 for
survival and delayed reproductive
death respectively.
•
RBE values higher than one are
found for both the effects with all
the other LETs up to 150-200
keV/m , where RBE reaches a
maximum of 1.60.1 and 3.3  0.6
for survival and delayed
reproductive death respectively.
Survival
Delayed
Reproductive Death
4
Fe
RBE 
3
Ti
2
Fe
Si
Fe
1
60
Co  rays
0
1
10
LET ( keV/ m )
100
RBE50% versus LET for survival and delayed reproductive death of
AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1 GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and
0.49 GeV/n Si beams .
3,5
Survival
Delayed Reproductive
Death
3,0
Fe
2,5
RBE 50%
Ti
Si
2,0
Fe
Fe
1,5
1,0
Co
0,1
60
 rays
1
10
LET ( keV/ m )
100
Surviving fraction versus fluence for AG1522 cells irradiated with 0.2,
0.5, 1GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams. LET values
were respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m
1
Surviving fraction
0.2 GeV/n Fe
0.5 GeV/n Fe
1 GeV/n Fe
0.97 GeV/n Ti
0,49 MeV/n Si
0,1
0,01
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
6
2
Fluence (10 p/ cm )
The 442 keV/m Fe-ion beam
shows the highest effectiveness
the 56 keV/m Si-ion beam is
the less effective
(for an inactivation level of 50%
the 442 keV/m Fe-ion beam
is about 5 fold more effective
than the Si-ion beam)
Cloning efficiency of the progeny of the irradiated cells versus fluence
given to their progenitors for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5,
1GeV/n Fe, 1 GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams. LET values were
respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m
Cloning efficiency
1
0,1
0.2 GeV/n Fe
0.5 MeV/n Fe
1 GeV/n Fe
0.97 GeV/n Ti
0.49 GeV/n Si
0,01
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24
6
2
Fluence (10 p / cm )
• The 442 keV/m Fe-ion beam
shows the highest effectiveness
• the 56 keV/m Si-ion beam is
the less effective
(for an inactivation level of 50%
the 442 keV/m Fe-ion beam
is about 5 fold more effective
than the Si-ion beam ).
Inactivation cross section for the directly irradiated cells
and their progeny, versus LET.
Inactivaton cross sections for the
directly irradiated cells increase
with increasing LET from about 13
to about 80 m 2 in the LET interval
between 56 and 442 keV /m.
•
Inactivation cross sections for the
progeny of the irradiated cells show
a similar behaviour, varying from
about 10 to about 60 m 2 in the
same LET interval .
•
For both the end points the
maximum cross section is lower than
the mean nuclear area ( 170 m 2).
2
50% (m )
100
Survival
Delayed
Reproductive death
•
10
100
LET ( keV/  m )
The inactivation cross section 50% was evaluated from the
slope of the survival or cloning efficiency curve at the dose
D 50% giving the inactivation level of 50%,
Conclusions
The heavy ion beams induce inactivation and delayed reproductive
death more effectively than Co 60  rays.
The Relative Biological Effectiveness is maximum for LET
values between 150-200 keV/m and it is higher for delayed
compared to early reproductive death .
Analysis of the fluence –effect curves shows that the
inactivation cross sections for the directly irradiated cells
and for their progeny increase with LET up to 442 keV/m
. The increase rate is similar for the two end points.
Preliminary results on neoplastic transformation induction
)
60
Transformation frequency/ surviving cell ( 10
-5
0,97 GeV/n Ti
50
40
30
20
15 MeV photons
10
0
0
1
2
3
Dose (Gy)
4
5
• Transformation frequency /
surviving cells ( 10-5 ) in CGL1
human cells after 0,97 GeV/n
Ti ions or 15 MeV photons
irradiation
ACKNOWLEDGEMENTS
• This research project has been funded by the Italian Space Agency
• ( ASI ) and by INFN.
• We are grateful to the staff of NSRL and HIMAC for their skillful
technical assistance during irradiations.
• We also would like to acknowledge the invaluable assistance of K.
Ando, Y Furusawa, P Guida and M. Vasquez during our staying in the
laboratories at NIRS and BNL.
Grazie !