Maria Antonella Tabocchini Giuseppe Esposito Pasqualino Anello Workshop 25 febbraio 2015, ENEA Frascati Radiobiologia in vitro: set up sperimentale e dati radiobiologici con protoni al TOP-IMPLART Maria Antonella Tabocchini Giuseppe Esposito Pasqualino Anello

Radiobiologia Cellulare & Animale Tumori Testa Collo Cellulare 7 MeV 147 MeV 47 MeV 237 MeV Tumori Testa Collo Cellulare 17 MeV Profondi

TOP IMPLART ha 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

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: Consente l’irradiazione con radiazioni di basso range (particelle cariche di bassa energia) in condizioni di “track-segment“ (L = - dE/dx  cost) Fondamentale per la corretta determinazione della dose: D= 1.6*10-9 *F * LET

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

Schema del sistema di irradiazione per TOP-IMPLART Scala 1:2 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 200 mm 25 mm In fase di realizzazione da parte ISS una ruota automatizzata contenente alloggiamenti per 12 cilindretti da posizionare di fronte al fascio verticale E’ previsto 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

15 aprile 2014 Primo esperimento: irradiazione di fibroblasti polmonari di Hamster cinese V79 con protoni da 5 MeV (E incidente sul campione)

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/(0.50·100) = 0.40 (40%)

 grande abbastanza per tenere bassi gli errori statistici 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

dD/dt (Gy/min) misurata (*) dD/dt (Gy/min) misurata (*) DOSIMETRIA Nelle tabelle sono mostrate solo alcune delle dosi impartite negli esperimenti Le dosi scelte sono quelle somministrate a parità di parametri di macchina Esperimento 14-05-2014 D (Gy) nominale t (s) esposizione D (Gy) misurata (*) dD/dt (Gy/min) misurata (*) 20 0.51 1.53 1 40 0.69 1.03 80 1.12 0.84 60 0.96 2 200 2.43 0.73 Esperimento 4-11-2014 D (Gy) nominale M.U. (V) D (Gy) misurata (*) dD/dt (Gy/min) misurata (*) 0.5 5 0.74 2.96 1 10 1.33 2.75 2 20 2.58 2.92 8 50 5.15 2.00 (*) Quantità determinate con i GAF subito dopo l’esposizione Le quantità finali risultano aumentate di circa il 10%

Protoni da 5 MeV, corrispondenti ad un LET incidente di circa 8 KeV/µm Exp.1 15-5-2014 Exp.2 4-11-2014 Dose misurata con Gafcromici EBT3  β Fit sui dati di entrambi gli exps. Dati ottenuti con la collaborazione di Mariella Balduzzi

: 0.251 ± 0.038 β: 0.018 ± 0.005

Esperimenti di interesse ISS Consolidamento dei dati ottenuti Irradiazioni con fasci ad energia più bassa (LET più alto, possibilmente 28 keV/µm incidente) per confronto con i dati ottenuti ai LNL-INFN Esperimenti a diverso dose-rate (limite max ???) Impiego di altre linee cellulari ed altri end point

Grazie per l’attenzione !

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

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