FISICA IN MEDICINA E BIOLOGIA. Gruppo V Attività del Gruppo Collegato Sanità

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1 FISICA IN MEDICINA E BIOLOGIA Gruppo V Attività del Gruppo Collegato Sanità

2 Radiobiologia Sviluppo e Valutazione di Tecnologie Avanzate per la Biomedicina

3 Radiobiologia Sviluppo e Valutazione di Tecnologie Avanzate per la Biomedicina

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5 MIDPAC Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane: misure sperimentali e modelli teorici Sigla: MIDPAC (Meccanismi d' Induzione di Danni da PArticelle Cariche) Persona di riferimento: Mauro Belli belli@iss.it

6 MIDPAC Obiettivi generali dell esperimento: a) comprensione dei meccanismi d'induzione di danno al DNA, considerato il target principale delle r.i., con particolare attenzione al ruolo della qualità della radiazione e delle caratteristiche del sistema biologico studiato (organizzazione della cromatina, presenza di radioprotettori endogeni/esogeni); b) comprensione dei meccanismi di evoluzione del danno al DNA (relazione tra danno iniziale, danno residuo dopo riparazione ed effetti a livello cellulare; formazione di aberrazioni cromosomiche) con particolare attenzione al ruolo della complessità delle lesioni e della loro distribuzione; c) identificazione degli effetti metabolici radiondotti immediati e tardivi in cellule tumorali umane, con particolare attenzione al danno a carico dei lipidi e degli altri metaboliti e cataboliti cellulari, in relazione al blocco proliferativo e al danno ossidativo.

7 MIDPAC Tipo di radiazione Energia incidente/let Range residuo Facility Protoni 0.88 MeV 28 kev/mm 19.7 mm CN-LNL Protoni 62 MeV 1.1 kev/mm 32.3 mm CS-LNS Ioni carbonio 62 MeV/u 40 kev/mm 10.9 mm CS-LNS Ioni carbonio 135 MeV/u 22 kev/mm mm HIMAC-NIRS Ioni ferro 414 MeV/u 200 kev/mm 71.6 mm HIMAC-NIRS Ioni ferro 1.05 GeV/u 148 kev/mm mm AGS-BNL Ioni ferro 5.00 GeV/u 164 kev/mm 1780 mm AGS-BNL CN-LNL: CN Van de Graaff da 7 MV dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) - INFN (Padova); CS-LNS: Ciclotrone Superconduttore dei Laboratori Nazionali del Sud (LNS) - INFN (Catania); HIMAC-NIRS: doppio Sincrotrone del Heavy Ions Medical Accelerator (HIMAC) del National Institute for Radiological Sciences (NIRS, Chiba, Giappone); AGS-BNL: Alternate Gradient Syncrotron del Brookhaven National Laboratory (BNL, Upton, USA).

8 MIDPAC Quando due rotture interessano i filamenti complementari a pochissime basi di distanza si ha una doppia rottura e la separazione in due parti della molecola di DNA. Sebbene le doppie rotture siano considerate le lesioni critiche per effetti cellulari quali inattivazione, induzione di mutazioni ed aberrazioni cromosomiche, il loro numero totale, a seguito di irraggiamento con diverse qualità di radiazioni, non sembra essere correlato con i diversi livelli di danno cellulare. Si ritiene quindi che le diverse radiazioni producano doppie rotture correlate spazialmente in maniera differente, e questo si rifletta sulla capacità riparativa e quindi sull effetto cellulare. Una distribuzione di doppie rotture causa una frammentazione del DNA, che può essere analizzata con tecniche elettroforetiche, mediante le quali si possono determinare le quantità di frammenti di diversi pesi molecolari. Attraverso lo sviluppo di modelli di frammentazione ed il confronto con i dati sperimentali, si può stimare la correlazione spaziale delle doppie rotture.

9 MIDPAC Elaborazione di dati sperimentali attraverso un modello che prevede doppie rotture la cui correlazione spaziale è una funzione costante a tratti. A) Raggi gamma e B) Protoni di 900 KeV r (LET 28.5 KeV/mm) C) Ioni ferro di 1 GeV/u u (LET 150 KeV/mm) t D) Ioni ferro di 200 MeV/u (LET 306 KeV/mm) t o 0.6 r e i p p o d 1 ) - o r e m u n A B C D Nel caso dei raggi gamma non vi è differenza tra i due intervalli di peso molecolare, e ciò è in accordo con una distribuzione casuale di doppie rotture. Per radiazioni più densamente ionizzanti il grafico mostra una produzione presenziale di frammenti di basso peso molecolare.

10 MIDPAC Danno a livello cellulare in funzione del LET 10 Gy Protons 20 Gy Gamma GPC PCho a GPC PCho b Cho Irradiated Cho a b (ppm) Control

11 Radiobiologia Sviluppo e Valutazione di Tecnologie Avanzate per la Biomedicina

12 Neuroscienza computazionale: teoria, simulazioni, dispositivi elettronici neuromorfi Persona di riferimento: Paolo Del Giudice

13 DISPOSITIVI NEUROMORFI Modelli del comportamento di insiemi di molti neuroni tra loro connessi medianti sinapsi modificabili dall esperienza, e analisi teorica tramite l utilizzo della teoria dei processi stocastici Simulazioni efficienti per reti di neuroni di grandi dimensioni e costruzione di chip VLSI che riproducono nella loro struttura gli elementi fondamentali dei modelli.

14 DISPOSITIVI NEUROMORFI Lo sviluppo di dispositivi neuromorfi, sviluppo di una attività presente da tempo nell INFN, è attualmente portato avanti dal Gr. Coll. Sanità e dalla Sezione RM2, ed è concentrato su tre argomenti: a. sviluppo e test dinamici di chip che implementano reti di neuroni impulsanti e sinapsi plastiche (modelli di apprendimento in tempo reale di stimoli) b. progettazione e costruzione di una infrastruttura di comunicazione idonea alla interazione tra diversi dispositivi neuromorfi, e alla gestione programmabile dell input/output esterno. c. progettazione di sensori visivi (in particolare di detector di variazioni locali e dinamiche di luminosità bordi)

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18 HAPTIC Si sta sviluppando uno studio di fattibilità per la costruzione di un dispositivo per la trasduzione tattile in tempo reale di segnali visivi: il primo prototipo previsto consiste nell adattamento di un mouse, dotato di un sensore visivo (verranno messe a confronto le prestazioni di sensori convenzionali e di sensori neuromorfi che stiamo attualmente progettando), interfacciato con una matrice di effettori tattili piezoelettrici. L applicazione a cui pensiamo è di ausilio al non vedente, e si riferisce ad un possibile complemento della traduzione Braille dei caratteri alfanumerici, per l acquisizione di grafici, semplici schemi e soprattutto informazioni iconiche, mediante uno scanning attivo da parte dell utente mediante il mouse.

19 CONRAD CONRAD(CONformal RAdiotherapy Dosimeters) Persona di riferimento: Sandro Onori

20 CONRAD La possibilità di ottenere una localizzazione estremamente accurata della distribuzione di dose al volume bersaglio, consente di aumentare la prescrizione di dose, senza superare i limiti di tolleranza per i tessuti sani circostanti (dose escalation). Per raggiungere questo scopo è indispensabile utilizzare modalità di rilascio della dose molto complesse e di difficile verifica dosimetrica. D altra parte quest ultimo requisito è fondamentale se non si vogliono vanificare le potenzialità offerte dall uso delle tecniche più avanzate. Il fascio di protoni ha una modulazione in energia Il fascio di fotoni non può essere modulato in energia, ma può essere modulato in intensità (Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT) (Webb 2000). Un fascio di fotoni ad intensità modulata, cioè con fluenza che varia da punto a punto del campo di radiazione, può essere ottenuto tramite l impiego di collimatori multilamellari (MLC).

21 CONRAD I principali problemi nella IMRT nascono dalla presenza di: - piccoli campi di radiazione con elevati gradienti di dose - variazione spaziale e temporale dell intensità di dose assorbita - variazione spaziale e temporale della composizione spettrale del fascio Caratteristiche necessarie del dosimetro alta sensibilità piccole dimensioni veloce risposta dinamica. radiation hardness (stabilità: piccola variazione della sensibilità con la dose accumulata; p. es. ricalibrazione per periodi brevi) indipendenza della risposta dalla composizione spettrale del fascio (e quindi dalle dimensioni del campo e dalla profondità di misura) indipendenza della risposta dall intensità di dose tessuto equivalenza precisione elevata linearità con la dose

22 CONRAD preliminarmente, si ritiene necessario indagare i sistemi commerciali potenzialmente idonei, determinandone caratteristiche e limiti; contemporaneamente, si intende, basandosi sull esperienza ed i risultati ottenuti nei precedenti esperimenti I3D, CANDIDO, EPICS e PROFRI, sviluppare sistemi dosimetrici a base di diamante, silicio, SiC e gel-fricke in grado di rispondere alle esigenze spinte della radioterapia conformazionale determinare le caratteristiche generali dei rivelatori sviluppati nel presente progetto ed in particolare la loro utilizzazione nell applicazione alla dosimetria di base e clinica in tecniche conformazionali, in particolare nella protonterapia e nella IMRT.

23 CONRAD Fig. 4 Film di diamante CVD prodotto a Firenze nell'ambito della collaborazione CANDIDO: spettro di termoluminescenza ( inserto ) per una dose di 50 cgy da 60 Co. L'andamento della carica rilasciata in funzione della dose risulta lineare fino a 6Gy. 8.E-03 7.E-03 carica [a.u.] 6.E-03 5.E-03 4.E-03 3.E-03 2.E-03 1.E-03 0.E Dose [cgy]

24 CONRAD Stiamo sviluppando un prototipo di tomografo ottico per la ricostruzione tridimensionale della dose tramite fantocci gel-fricke Implementazione della sorgente adatta su un microdensitometro tradizionali Motorizzazione del campione e ricostruzione tridimensionale della dose 0,8 0,7 0,6 DOD = 0,0212 x D R 2 = 0,9949 OD (u.a.) 0,5 0,4 0,3 DOD = 0,0202x R 2 = 0,9945 Prima taratura Seconda taratura 0,2 0, Dose (Gy)

25 VADONI VADONI - VAlutazione della DOse Naturale e da Incidente Persona di riferimento: Paola Fattibene

26 VADONI Finalità generale: fornire un contributo al complesso problema della valutazione della dose assorbita, conseguente a contaminazione interna di COPC (contaminants of potential concern) da sorgenti naturali o antropogeniche. Finalità specifiche: mettere a punto tecniche indipendenti e complementare sia di misura che di analisi dati che rendano piu realistiche ed affidabili le valutazioni e di conseguenza consentano una migliore comprensione dei meccanismi di trasferimento a seguito di ingestione ed inalazione. Il progetto si propone di coordinare il lavoro di gruppi e competenze che o storicamente si sono sempre occupati di dosimetria interna, o possiedono metodi e tecniche che potrebbero essere innovativamente utilizzati a questo scopo.

27 VADONI Le tecniche sperimentali dovrebbero sia fornire il supporto di dati ai modelli biocinetici per una migliore comprensione dei meccanismi di trasferimento dell attività, sia avere un ruolo nella verifica dei risultati dei modelli.

28 VADONI Utilizzare il dente come campione biologico per una migliore comprensione dei meccanismi di trasferimento ai tessuti ossei a seguito di ingestione ed inalazione

29 VADONI Si vuole raggiungere questo risultato attraverso la combinazione dei dati ottenuti da tre tecniche sperimentali e dallo sviluppo di modelli biocinetici di trasferimento e di ritenzione nel tempo ai tessuti ossei e, auspicabilmente, alle strutture del dente.

30 VADONI Negli ultimi anni sono state sviluppate alcune tecniche, complementari tra loro, per la misura di dose nei tessuti dentali (EPR, TL, OSL). L EPR misura direttamente la dose nei diversi tessuti dentali fornendo informazioni sia sull esposizione esterna, che sulla contaminazione interna.

31 VADONI TECHNIQUE SAMPLE EPR TL (Al2O3) OSL SCANNING MONTE CARLO MASS COLLECTION + SIMULATION SPECTROSCOPY or OPTICAL NAA/CPAA DENSITY SAMPLES Molars Molar enamel Molar enamel Molar enamel Whole teeth namel Molar dentine Molar dentine and dentine geometry (45 m m layer) Tissue powder geometry COHORTS Contaminated Contaminated Contaminated Contaminated Contaminated Contaminated Techa Techa River Techa River Techa River Techa River Techa River River population population population population population population DONOR BIRTH < 1953 < 1940 < 1940 < 1940 < YEARS and and and PARTNERS URCRM GSF GSF University of URCRM University of Milano INVOLVED ISS University of Milano-Bicocca Milano-Bicocca MILESTONES 1st YEAR Implementation of dentine EPR dosimetry Calibration Preliminary results Feasibility check Development and characterization of the dosemeter Implementation of modeling support for experiment interpretation Investigation on the available techniques