Giuseppe Esposito Maria Antonella Tabocchini Workshop 18 marzo 2014, ENEA Frascati Radiobiologia In vitro: setup sperimentale e dati radiobiologici con fasci di fotoni ad alta dose per impulso presso IFO Giuseppe Esposito Maria Antonella Tabocchini

Radiobiologia Cellulare & Animale Tumori Testa Collo Cellulare 7 MeV 100 MeV 30 MeV 90 MeV Tumori Testa Collo Cellulare 10 MeV Profondi

TOP IMPLART avrà un fascio verticale dedicato ad esperimenti di radiobiologia/dosimetria con fasci di protoni di bassa energia necessità di modificate il set up sperimentale rispetto a quello utilizzato nel caso di linee di fascio orizzontali come ai LNL-INFN

Schema del sistema di irradiazione per TOP-IMPLART Portacampioni utilizzato ai LNL-INFN: cilindretto di acciaio chirurgico, chiuso nella parte inferiore con un foglio di mylar da 50 mm sul quale vengono fatte crescere le cellule Scala 1:2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 200 mm 25 mm Proposta ISS: realizzare una ruota automatizzata contenente alloggiamenti per 12 cilindretti da posizionare di fronte al fascio verticale Da prevedere un sistema di termostatazione per eventuali irraggiamenti a 4 °C 15 mm + un coperchio per termostatazione 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Non in scala

Irradiazione di cellule in monostrato Esperimenti con cellule in monostrato aderenti su un supporto sottile (e.g., Mylar) base in mylar del portacampioni particelle ionizzanti nucleo cellulare cellule adese Vantaggi: Impiego con radiazioni di basso range (particelle cariche di bassa energia) in condizioni di “track-segment experiment “ (L = - dE/dx  cost): D= 1.6*10-9 *F * LET Possibilità di utilizzare cellule quiescenti (G0) per inibizione da contatto

Irradiazione di cellule in sospensione La configurazione del fascio verticale consente, in linea di principio, di poter effettuare irradiazioni di cellule in sospensione con significativi vantaggi rispetto ad un fascio orizzontale Vincoli: necessità di utilizzare cellule di dimensioni tali da poter effettuare esperimenti in “track- segment conditions necessità di individuare la soluzioni ottimale per mantenere le cellule in posizione, e cioè aderenti al fondo di mylar dei portacampioni, per tutta la durata dell’irradiazione

Esperimento tipo: inattivazione cellulare La quantità che si misura è la frazione di cellule sopravviventi ad una dose D che si indica con S(D) L’andamento di S(D) al variare di D si definisce curva di sopravvivenza (grafico semilogaritmico) Nel caso di cellule V79 (fibroblasti polmonari di Hamster cinese) vengono seminate circa di 105 cellule/cilindretto in 2 cilindretti per punto di dose (incluso il Cn) Dopo l’irraggiamento le cellule sono staccate (con tripsina) e un certo numero, N, piastrate in almeno 3 capsule Petri da 6 cm dia (o fiasche T-25) e vengono messe in incubatore Dopo circa 10 cicli di duplicazione (almeno 5 giorni nel caso delle V79) si misura il numero di colonie con “almeno 50 cellule” che si sviluppano nel controllo (NCn) e nei campioni irradiati alla dose D ossia (ND): Efficienza di clonaggio E.C. = NCn/N NCn = N · E.C. S (D) = ND / NCn = ND / (N · E.C.) Frazione di cellule sopravviventi

Esempio: E.C. = 50/100 = 0.50 (50%) S (D) = 20/(0.5·100) = 0.40

In genere si cerca di ottenere all’incirca lo stesso numero di colonie nelle capsule irradiate e in quelle di controllo  grande abbastanza per tenere bassi gli errori statistici  non troppo elevato così da avere bassa probabilità di errori per colonie sovrapposte Errore relativo statistico è all’incirca lo stesso per tutti i punti di dose impiegati Esempio: Il numero di cellule seminate tiene conto della diminuzione attesa della clonogenicità

Curve di sopravvivenza Sono state proposte varie funzioni matematiche per descrivere l’andamento sperimentale di S(D) S(D) Dal modello multi target-single hit: S(D) = 1-(1- exp(D/D0)n Oggi si tende ad usare in maniera fenomenologica la cosiddetta relazione lineare-quadratica: Dal linear-quadratic model : S(D) = exp(-aD-bD2) a pendenza iniziale (basse dosi) b andamento della curva alle alte dosi

Dipendenza delle curve di sopravvivenza dal tipo cellulare S(D) Le cellule non hanno tutte la stessa radiosensibilità Cellule diverse possono mostrare valori di radiosensibilità assai diversi Vi è spesso una stretta relazione tra radiosensibilità cellulare e apoptosi (morte cellulare programmata)

Dipendenza delle curve di sopravvivenza dalla qualità della radiazione Curve dose-risposta per diverse radiazioni V79: Belli et al Int. J. Radiat. Res., 1989 HF19: Cox et al, Int. J. Radiat. Res., 1979 All’aumentare del LET (densità di ionizzazione): Riduzione della spalla Aumento della pendenza Efficacia Biologica Relativa (RBE, Relative Biological Effectiveness) di una radiazione di interesse rispetto ad un’altra di riferimento (raggi X o gamma) dose radiazione di riferimento dose radiazione considerata a parità di effetto RBE =

RBE al 10% di sopravvivenza RBE – LET RBE al 10% di sopravvivenza (Blakely et al, Heavy ions radiobiology:cellular studies. Adv. Radiat. Biol. 1984) Dati da numerose linee cellulari Per valori di LET superiori al punto di massimo l’RBE decresce al crescere del LET (overkilling): una singola particella deposita più energia di quella richiesta per produrre l’effetto biologico considerato: si osserva un effetto di saturazione del danno letale dovuto al fatto che nella cellula viene depositata più energia di quella necessaria per la sua inattivazione

In attesa di avere pronta la linea di fascio di protoni daTOP-IMPLART … iniziati esperimenti con fasci di fotoni ad alta dose per impulso presso IFO # 83 glioblastoma cancer stem cells – DNA damage 0.5 h 2 h 4 h 24 h

IFO-IRE X-rays LDR vs HDR

Fibroblasti polmonari di Hamster cinese V79 – curve di sopravvivenza LDR 4 Gy/min LDR-HE 4 Gy/min HDR 24 Gy/min

In attesa del fascio di protoni ………… gli esperimenti continuano all’IFO per consolidare i dati sulle V79

Dipendenza delle curve di sopravvivenza dal rateo di dose di fotoni 1.5 Gy/min 1.6 cGy/min = 0.96 Gy/h

Dipendenza delle curve di sopravvivenza dalla presenza di ossigeno Con O2 Senza O2 Curve di sopravvivenza per cellule di mammifero (hamster) esposte a raggi X in condizioni ipossiche e aerobiche. L’effetto ossigeno riduce la dose di radiazioni richiesta per produrre un determinato effetto radiobiologico

Dipendenza della sopravvivenza dalla fase del ciclo cellulare in cui avviene l’irradiazione Sopravvivenza di cellule di hamster e HeLa irradiate dopo la prima mitosi (sincronizzate)