Radiobiologia degli Adroni e sue implicazioni in adroterapia e radioprotezione. Roberto Cherubini INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro Legnaro-Padova

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1 Radiobiologia degli Adroni e sue implicazioni in adroterapia e radioprotezione Roberto Cherubini INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro Legnaro-Padova Pavia, Palazzo San Tommaso, 19 Aprile 2006

2 Esposizione alle radiazioni ionizzanti Valutazione del rischio 2

3 origini istituzionali della radiobiologia. Nelle biografie di E. Fermi si legge: ( ) Al termine della guerra, Compton, sostenuto dal direttore dell Università di Chicago, Robert Maynard Hutchins, decise di istituire un Istituto di ricerca pura in cui erano riuniti gli scienziati più capaci di quello che era stato il Laboratorio Metallurgico. L'istituto venne scisso in tre sezioni a seconda della disciplina sperimentale che veniva studiata, e vennero quindi fondati l'istituto per gli Studi Nucleari, dove sarebbe andato a lavorare Fermi, l'istituto dei Metalli e l'istituto di Radiobiologia. 3

4 Scopi della radiobiologia. Studio degli effetti biologici indotti dalle radiazioni ionizzanti a livello cellulare, tessutale, animale Individuazione di parametri biofisici caratterizzanti l azione delle radiazioni nella materia vivente Implicazioni in Radioprotezione Radioterapia 4

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6 .Il Bersaglio Bersaglio. Nucleo Cellula 6

7 organizzzione del DNA I cromosomi 7

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11 .Grandezze Radiobiologiche Dose (ICRU 51): D d ε = J/kg, Gy dm Dose rate (ICRU 51): D & = dd dt Gy/min Linear Energy Transfer (Zirckle, 1952) de LET= dx kev/µm Definition of the relative biological effectiveness, RBE, illustrated for cell survival curves 11

12 Efficacia Biologica Relativa (E.B.R.( R.B.E) Considerato un determinato effetto biologico ( (end point: morte cellulare, induzione di mutazioni geniche, aberrazioni cromosomiche ) Scelta una radiazione di riferimento (RX da tubo radiogeno di 250kV p ; Rγ del 60 Co ) RBE: rapporto tra l effetto indotto dalla radiazione in esame e quello indotto dalla radiazione di riferimento a parità di dose assorbita. Nel caso della sopravvivenza cellulare: R. B. E. = SF SF r RX D= 2Gy 12

13 o ancora: Efficacia Biologica Relativa (RBE) RBE : rapporto tra la dose di una radiazione di riferimento (D RX ) e la dose della radiazione in esame (D r ) necessarie per ottenere lo stesso livello dell effetto biologico considerato R. B. E. = D D RX r SF = SF 0 D 0 SF XR SF p SF RBE = SF p XR D= D 0 13

14 o ancora: Efficacia Biologica Relativa (RBE) Si possono anche considerare i parametri (α) che indicano la pendenza delle curve dose-risposta dei RX e della radiazione r in esame: αr RBE...= α Tale definizione di RBE è rappresentativa dell efficacia alle basse dosi RX α XR α p α RBE = α p XR 14

15 Note sull RBE: L RBE di una radiazione non è una grandezza univoca ma dipende: - dalla definizione usata per il calcolo; - dall effetto biologico considerato (p.e( p.e.:.: sopravvivenza o induzione di mutazioni, ); - dal livello d espressione considerato per un dato effetto biologico; ico; - dalla linea cellulare considerata. Dipendenza dal livello d espressione RBE 10 = (D XR / D p ) SF=0.10 RBE 1 = (D XR / D p ) SF=

16 .Perdita d energia di particelle cariche nella materia de dx TOT de dx ION = de dx BB de dx BB = 4πe 4 Z mv 2 p 2 p NZ m ln 2mv I 2 p + term. relativist ici Z p = n.ro atomico della particella (o Z eff per ioni pesanti) Z m = n.ro atomico del mezzo v p = velocità della particella m = massa dell elettrone elettrone N = n.ro di atomi per cm 3 del mezzo I = potenziale di ionizzazione del mezzo (funzione di Z m ) 16

17 .. per ioni pesanti Carica efficace nel caso di ioni pesanti (A>4), nella formula di BB, Z p va sostituita con la carica efficace Z eff : se v p supera la velocità orbitale dei suoi stessi e-e questi sono strappati nelle prime collisioni con gli atomi del mezzo; quando il proiettile rallenta, cattura e-e degli atomi del mezzo e il suo stato di carica si riduce fino a neutralizzarsi (quando si ferma). la dipendenza di Z eff da v p è espressa attraverso la formula semi-empirica di Barkas: Z eff = Z p (1-exp(-125βZ p -2/3 )) β = v p /c 17

18 depth dose profiles of X-rays, 60 Co-gamma and Röntgen-Bremsstrahlung with Carbon ions of 250 MeV/u and 300 MeV/u Localizzazione della dose (G. Kraft, GSI) 18

19 Uno studio dell azione delle Radiazioni: Sopravvivenza cellulare Sopravvivenza cellulare = capacità di riprodursi Morte cellulare/clonogenica = perdita della capacità di riprodursi Destino delle Cellule irraggiate: - Producono colonie (almeno 50 cellule) - Producono colonie abortive (numero di divisioni minore di quello necessario x formare colonie di 50 cell.) - Perdono la capacità di dividersi e si ingrandiscono a dismisura (cell giganti) - microcolonie : divisioni cellulari ma ad un rateo più lento (colonie più piccole al termine dell esperimento) - Degenerano e si distaccano dalla capsula di Petri 19

20 Curve di sopravvivenza cellulare Frazione di sopravvivenza (in scala log.) vs. dose (in scala lineare) La frazione di sopravvivenza diminuisce all aumentare della dose seguendo un andamento lineare o lineare quadratico (su grafico semilogaritmico). SF SF = = e e αd ( α D+βD 2 ) Curva A - lin. La dose D 0 (o D 37 ) è quella per cui SF(D=D 0 ) = e -1 = 0.37 Il numero di estrapolazione n deriva dall estrapolazione a 0 della parte lineare della curva. La dose D q è quella per cui la retta estrapolante interseca il livello di sopravvivenza del 100% Curva B - lin. quadr. 20

21 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto del LET Più alto è il LET più pendente è la curva. La gran parte delle linee cellulari, esposte a radiazioni di basso LET, mostrano una spalla iniziale sulla curva di sopravvivenza, che indica l intervento di meccanismi di riparazione del danno da radiazione In seguito a esposizione a radiazioni ad alto LET la capacità di recupero del danno è bassa o assente: curve di sopravvivenza con andamento lineare 21

22 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto dell ossigeno L ossigeno è un radiosensibilizzatore. Le cellule in presenza di O 2 risultano più radiosensibili che in ipossia Si definisce l Oxygen enhancement ratio (OER) come: D con O2 D senza O2 OER = D D senzao cono 2 2 iso -effetto 22

23 Effetto dell ossigeno All aumentare della concentrazione di O 2 la pendenza della curva aumenta, ma il suo andamento non cambia. Si dice che l O 2 è un agente modificatore della dose nel senso che in presenza di O 2 si riduce la dose di radiazione necessaria per produrre un determinato effetto biologico (p.e. un determinato livello di sopravvivenza) O 2 modifica la quantità di danno ma non ne altera il tipo All aumentare del LET della radiazione l effetto O 2 si riduce: l O 2 non modifica l effetto delle radiazioni ad alto LET 23

24 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto del rateo di dose Al diminuire del rateo di dose le cellule sono in grado di attivare i meccanismi di riparazione del danno cellulare: la sopravvivenza cellulare cresce. 24

25 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto del frazionamento di dose 2 fraz. di dose Dose acuta Se è somministrata una dose D 1 e viene fatto intercorrere del tempo prima della seconda dose D 2 le cellule possono attivare i meccanismi di riparazione del danno indotto. La curva di sopravvivenza presenta una seconda spalla. Il frazionamento di dose risulta efficace nel caso di radiazioni a basso LET 25

26 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto della fase del ciclo cellulare La radiosensibilità cellulare cambia a seconda della fase del ciclo cellulare in cui le cellule si trovano al momento dell irraggiamento: - Le cellule sono più radioresistenti nella fase S; - Le cellule in mitosi sono le più radiosensibili. Nota: In seguito a esposizione a radiazioni ad alto LET, la variazione di radiosensibilità nelle diverse fasi del ciclo cellulare è minore che nel caso di esposizione aradiazioni a basso LET 26

27 Curve di sopravvivenza cellulare Effetto della linea cellulare Ogni linea cellulare ha una specifica radiosensibilità e questa influenza la risposta all esposizione. 27

28 Curve di sopravvivenza cellulare Fase G 1 corta 2 Fase G 1 lunga 2 La radiosensibilità delle diverse fasi del ciclo cellulare è diversa a seconda della linea: - Cellule con fase G 1 breve (p.e. cell di Hamster cinese) sono le meno sensibili nell ultima parte della fase S, più sensibili in G 1 e le più sensibili in mitosi e G 2 ; - Cellule con fase G 1 lunga (p.e. HeLa cell) hanno una fase resistente all inizio della G 1 e una sensibile alla sua fine. 28

29 Curva RBE LET (Barendsen, 1968) Nel 1968 Barendsen dimostrò come l RBE variasse in funzione del LET indipendentemente dal tipo di radiazione secondo la curva: Particelle alfa (Overkill) Raggi X Deutoni RBE calcolato all 80% della sopravvivenza Aumento di RBE all aumentare del LET fino al raggiungimento di un massimo Per 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 29

30 ma successivamente: Curve RBE-LET diverse per ioni diversi Dati sperimentali ottenuti al GSI da Kraft (1987) indicano una dipendenza dell RBE dal numero atomico dello ione nel caso degli ioni pesanti. In seguito a uno studio sistematico svolto presso i LNL (Belli et al., 1989), è stato dimostrato che: - l RBE dei protoni è maggiore dell RBE delle particelle alfa dello stesso LET; - la curva RBE-LET per i protoni ha il max in corrispondenza a un valore di LET di 25keV/µm invece che di 100keV/ µm come per le particelle alfa. Particelle cariche diverse con lo stesso LET hanno un efficacia biologica diversa: Il massimo dell RBE si sposta verso i LET più alti al crescere del numero atomico dello ione. 30

31 RBE vs LET of Light Charged Particles at LNL-INFN Relative Biological Effectiveness (RBE) vs Linear Energy Transfer (LET) of light ions for cell inactivation in V79 cells, obtained at the LNL. Such results gave the first experimental evidence that low-energy protons are more effectives than heavier particles when compared at the same LET values. (Belli, Cherubini et al, ) 31

32 RBE, LET e struttura di traccia Il parametro LET non è indicativo della qualità della radiazione Ciò che consente di spiegare la diversa efficacia delle radiazioni è la struttura di traccia 32

33 Struttura di traccia Approssimazione di rallentamento continuo (continuous( slowing down) il LET indica solo l energia l media trasferita per unità di percorso Distribuzione casuale degli eventi di deposito energetico lungo la traiettoria della particella: l energia l dello ione primario è convertita in energia cinetica degli e - prodotti struttura di traccia core: eventi di eccitazione e e - di bassa energia penumbra: e- di alta energia (raggi δ) 33

34 Esempi di struttura di traccia di particelle cariche Tracce di particelle alfa (1<E<8MeV) e ioni carbonio (E=12 e 36MeV) in acqua. Simulazione ottenuta tramite Codice Monte Carlo (tratto da Paretzke,1991) 34

35 Parametri caratterizzanti la traccia Diametro range massimo degli e - prodotti nell interazione con il mezzo, dipende dalla velocità dello ione primario Densità di ionizzazione inversamente proporzionale alla velocità dello ione primario dn Z 2 4 eff de 2πe = C 2 2 dove C = 2 β E NZ mc m 35

36 Qualità del danno??? From: D.T. Goodhead 36

37 .DNA damage as a function of radiation quality. (Belli et al, ) 37

38 .successo dei modelli basati sulla struttura di traccia Tra tutti i diversi approcci, il modello basato sulla struttura di traccia mostra il migliore accordo con i dati sperimentali: - È in grado di spiegare l effetto di saturazione per alti LET caratteristico della curva RBE- LET; - Al diminuire dell RBE, per ioni di diverso numero atomico è prodotta una diversa curva RBE- LET (o σ I -LET) dal diminuire del raggio della traccia che è funzione della velocità della particella e non del LET. Cucinotta et, IJRB 69(1996)593 38

39 SOBP Spread Out Bragg Peak (Kramer et al, Phys Med Biol 45 (2000)3319) 39

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41 .Vantaggi per una Radioterapia con radiazioni densamente ionizzanti Piccoli valori di range e di straggling Inverso profilo di dose (picco di Bragg) Elevati valori di RBE (Relative Biological Effectiveness) Bassi valori di OER (Oxygen Enhancement Ratio) Riduzione della radiosensibilità (indipendenza dal ciclo cellulare) Possibilità di monitoraggio in-linea del profilo di dose in profondità verifica del trattamento radioterapica (inbeam PET) 41

42 depth dose profiles of X-rays, 60 Co-gamma and Röntgen-Bremsstrahlung with Carbon ions of 250 MeV/u and 300 MeV/u Localizzazione della dose (G. Kraft, GSI) 42

43 GSI, Darmstadt A spherical volume of 6 cm diameter between 9 and 15 cm depth in water was irradiated with carbon ions of 270 MeV per nucleon. CR-39 nuclear track detectors were placed in water in steps of a few mm. After etching they show the precise delivery of dose in the target volume. 43

44 Comparison of the physical dose distribution (upper diagram) and the survival rate of cells (lower diagram) as a function of penetration depth for ion and photon beams. The enhanced energy deposition at the end of the particle range and the corresponding dramatic decrease of cell survival show that heavy ion beams are excellent tools for the treatment of deep seated tumours. (Kraft et al, GSI) 44

45 Measured depth dose distributions (Bragg curves) in water (points) together with GSI model calculations (red curves). When heavy ions pass through a thick absorber like the human body even small cross sections for nuclear reactions produce a significant amount of lighter reaction products. In radiotherapy the change in biological efficiency between the primary ions and the lighter secondaries has to be taken into account in treatment planning, as well as their longer range. 45

46 .Radiobiologia in Italia 46

47 INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro Padova, Italy 47

48 At present, four accelerators are in operation at the LNL : AN2000 Mainly used for solid state physics and applied physics experiments. CN Mainly used for interdisciplinary research, neutron physics research and advanced educational purposes. Tandem-XTU Used for fundamental heavy- ions nuclear physics experiments and Interdisciplinary researches. At present, Injector of ALPI ALPI Used for fundamental heavy- ions nuclear physics experiments at intermediate energy and Interdisciplinary researches Electrostatic accelerator, Van de Graaff type. Single stage-belt charging system. Maximum terminal working voltage 2.5 MV. Available accelerated ions: 1 H, 4 He single charged Continuous beams. Maximum Ion Energy: 2.5 MeV 1 experimental hall; 5 beam lines among which one dedicated to a focussed µ- beam facility. Electrostatic accelerator, Van de Graaff type. Single stage - Belt charging system. Maximum terminal working voltage: 7 MV. Available accelerated ions: 1,2 H, 3 He, 4 He single and double charged; 15 N double charged Continuous and pulsed beams. Maximum Ion Energy: 7 MeV for single charged; 14 MeV for 4 He ++ ; 8 MeV for 15 1 experimental hall; 7 beam lines among which one dedicated to radiobiology r and collimated µ-beam facilities. 15 N ++ Electrostatic accelerator, Van de Graaff type. Double stage - Laddertron charging system. Maximum working voltage: 15 MV. Available accelerated ions range from 1 H to 197 Au. Continuous and pulsed beams. Energy:from 30 MeV/amu for 1 H to about 1.5 MeV/amu for 197 Au. 3 experimental halls; 10 beam lines among which one dedicated to radiobiology Linear superconducting quarter-wave resonant cavities accelerator. At present ions are injected by Tandem Superconducting material: Lead and Niobium. Accelerated Ions: 12 C and from 28 Si to 197 Au. Energy: about 20 MV x ion charge state. The total output energy of ions from the Tandem-Alpi complex is the sum of Tandem injection energy and ALPI energy: about 35 x ion charge state s (MeV). Experimental halls and beam lines: the same ones of Tandem-XTU. 48

49 Available INFN-LNL facilities for Radiobiological studies: Light ion broad-beam irradiation facility at the 7MV Van de Graaff CN electrostatic accelerator (protons, deuterons, helium-3 and helium-4 ions; E: MeV) Heavy ion broad-beam facility at the Tandem-ALPI accelerator complex (A>4; E: 5-26 MeV/amu) Light single-ion microbeam facility for single-cell irradiation at the 7MV Van de Graaff CN electrostatic accelerator (protons, deuterons, helium-3 and helium-4 ions; E: MeV) Fully equipped cell biology Laboratory 49

50 INFN-LNL Light and Heavy Ions Radiobiological facility (Belli, Cherubini et al, NIM A256(1987) ) 50

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53 INFN-Laboratori Nazionali del Sud Catania, Italy 53

54 INFN-LNS, CATANA: Protontherapy Facility 54

55 INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) 55

56 INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) the RBE of high-let protons for survival increases with cellular radioresistance to gamma-rays (Belli et al, Intern. Jour Radiat Biol 76(2000) ) 56

57 INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) 57

58 INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) RR= Recovery Ratio RR = Surv split /Surv acute the measured Recovery Ratio increases with time the cell lines showing the highest radiosensitivity show a greater RR with respect to the cell lines having the highest radioresistance Intrinsic radiosensitivity may not be related to a deficient recovery 58

59 Carbon-ion irradiation of human cells from tumor and normal tissues 8 SQ20B 6 M10 INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) RBE (a/ax) RBE (a/ax) LET (kev/um) SCC25 RBE (a/ax) RBE (a/ax) LET (kev/um) HF LET (kev/um) LET (kev/um) 59

60 In summary (1) INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) The RBE of high-let protons and carbon ions increases with cellular radioresistance to X-/gamma-rays The cell with greatest radioresistance showed the highest increase in responsiveness to particles 60

61 In summary (2) INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) The inactivation measurements performed on normal and tumour cell lines suggest that the recovery following split doses of low energy protons increases with time between fractions and seems complete after the first three hours. The maximum recovery ratio slightly decreases with radiosensitivity for both survival levels. This trend is more evident for 1% survival level, where the most radiosensitive cell lines showed a greater recovery in comparison to the most radioresistant ones. Furthermore, the lowest RR max value is observed for 20 kev/µm protons, indicating that the recovery potential after split doses is small for slow protons. This has been already observed for heavy ions, and is here observed for the first time with low-energy protons. Finally, the cell radiosensitivity and the corresponding β RR values suggest that the intrinsic radiosensitivity could not be related to a deficient recovery. A possible explanation for differential radiosensitivity might be the inducible radioresistance at low doses. 61

62 In summary (3) INFN, ATER-Bio Collaboration (LNL, Milano, Napoli, Roma-Sanità) overall, the gathered data, together with data from other Authors, indicate the correlation between RBE and cellular radiosensitivity as a further favourable feature of particles in tumour treatment, beside to the particle intrinsic ballistic properties 62

63 Effetti delle basse dosi (studi in vitro) (E.Tsoulou et al., Int. J. Rad.. Biol. (2001),vol. 77, ) LNL broad ion beam cell irradiations: 60 Co γ rays and 4 He 2+ ions of different energies (59, 79 and 102 kev/µm LET) Chinese hamster V79 cells Low dose hyper-radiosensitivity radiosensitivity Induced radioresistance 63

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65 LNL-INFN Single-Ion Microbeam Facility: peculiar characteristics ( Gerardi, et al., Radiat. Res. 164(2005) ; 161(2004)93 ; 158(2002)371 ) Inverted phase contrast optical microscope + Software for cell image acquisition acquisition and coordinates logging (semi-automatically) NO FLUORESCENT CELL STAINING NO UV LIGHT Precision micropositioning stages (Physik( Instrumente,, D): 0.1µm m positioning resolution and unidirectional repeatability 0.1µm m minimum step No backlash Overall positionning precision under microscope: 2 µm Pinhole beam microcollimation in air: 2µm 2 m or 5µm 5 m in diam. Counting rate: < 1 ion / second Variety of particles available; Wide LET (and energy) range covered (protons, deuterons, helium-3, helium-4; 7 to 180 kev/µm) 65

66 ..effetti non-targeted G.A. Nelson,

67 Valutazione di rischio alle basse dosi Dati raccolti alle alte dosi: - studi epidemiologici (Hiroshima e Nagasaki; incidenti nucleari..) - studi in vitro:irraggiamenti a fascio largo Estrapolazione alle basse dosi: modello lineare senza soglia (LNT): Rischio Sopra-lineare Lineare? Sub-lineare A soglia Dose (Sv) Curva determinata sulla base di dati relativi alle alte dosi S. Gerardi every dose, no matter how low, carries with it some risk risk per unit dose is constant risk is additive risk can only increase with dose biological variables are insignificant compared to dose Ronald E. J. Mitchel,AECL

68 Grazie dell attenzione.. 68