midpac - AC INFN - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

MIDPAC
Esperimento Struttura Flag Resp. Naz.
MIDPAC
PAVIA
MIDPAC
SANITA
1
EC4 ricalcolato
Allegato 1
http://preventivi1.infn.it:591/preventivi_2003/FMPro?-db=...p_naz_flag&-sortorder=descend&-sortfield=struttura&-find= [31/07/2002 10.52.20]
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Struttura
PAVIA
Ricercatore
responsabile locale: A. Ottolenghi
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
Andrea Ottolenghi
Struttura di
appartenenza:
Pavia
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Incarico di ricerca
e-mail:
[email protected] pv.infn.it
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
Linea di ricerca
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
GENERALI
Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in cellule umane; misure
sperimentali e modelli teorici
L.N.L., L.N.S., NIRS (Chiba - Giappone), BNL (Upton - U.S.A.), ISS (Roma)
CN (L.N.L.), CS (L.N.S.), Syncroton (NIRS), Syncroton (BNL)
p, α, C, Fe
Interazione radiazioni ionizzanti - sistemi biologici
Facilities per irraggiamento, laboratori di radiobiologia delle sezioni della collaborazione
Pavia, Roma1-Gruppo Collegato Sanità
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
3 anni
B) S C A L A
PERIODO
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
2003
Misura di DSB in cellule irradiate con γ, p e ioni C e Fe; danno ossidativo (DO) da p di bassa energia
ed alto LET e p di alta energia e basso LET; simulazione danno al DNA da γ e p e di aberrazioni
cromosomiche (AC) radioindotte; calcolo effetti radioprotettivi da radicali OH; estensione modello
frammentazione (MF) a processi non casuali e costruzione modello per SCGE.
2004
Completamento ed estensione misure di DSB del I anno; misura riparazione DSB indotte da γ e ioni
C; DO per p di alta energia e medio LET; simulazione danno al DNA da α ed estensione modello
per AC visibili con tecnica FISH; sviluppo MF per caratterizzazione riparazione, applicazione del
modello SCGE ai dati sperimentali.
2005
Completamento misure di induzione e riparazione di DSB indotte da p e ioni C e Fe; DO per p con
fascio modulato; uso di FLUKA per campi misti e modello teorico per effetto bystander; estensione
ed applicazione MF con introduzione cinetica di riparazione delle dsb.
Mod. EN. 1
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
A. Ottolenghi
PAVIA
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
Riunioni di collaborazione nazionale, missioni AC LNL e LNS
1 partecipazione a congresso nazionale
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
2,0
2,0
5,0
3,0
1 mese uomo al GSF (Monaco, Germania)
2 partecipazioni a congressi internazionali
8,0
1,0
Supporti vari, software
1,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
PC linux con doppio processore con due dischi ad alta capacità, 1GB
Ram, Gruppo di continuità, Monitor
4,0
4,0
Totale
15,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Gruppo
5
A. Ottolenghi
PAVIA
ALLEGATO MODELLO EN 2
Danno al DNA
Utilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmente in grado di trasportare
elettroni, fotoni e protoni di diversa energia e di simularne l'interazione con strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli di
organizzazione (dalla doppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di danni al DNA di diversa
complessità: oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversi livelli di
complessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente alla presenza di scavengers e istoni, che
possono entrambi giocare un ruolo protettivo in quanto competono con il il cosiddetto "danno indiretto". A parità di condizioni
ambientali, le simulazioni saranno effettuate per protoni di diversa energia e, per confronto, per raggi gamma.
Aberrazioni cromosomiche
Nell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti: monitoraggio citogenetico in
radioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), l'Unità di Milano/Pavia ha sviluppato un modello e un codice di
simulazione in grado di simulare l'induzione di varie categorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento di
linfociti umani con campi monocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due o
più dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado di evolvere in aberrazioni
cromosomiche. Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validato nel caso
dell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di alto LET (ª100 keV/micron); le curve
dose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelle misurate.
Nel corso del primo anno del presente progetto si intende implementare nel modello il livello di background di aberrazioni
cromosomiche, che a basse dosi può giocare un ruolo fondamentale in quanto le lesioni di background possono interagire con
quelle radioindotte. Inoltre il modello sarà esteso al caso di protoni di basso LET (ª10 keV/micron o meno) e validato mediante
confronti con dati sperimentali disponibili in letteratura. Su queste basi il rapporto tra dicentrici e anelli centrici sara' testato come
possibile marcatore biologico della radiazione.
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Gruppo
5
Struttura
PAVIA
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
2004
2005
2,0
8,0
1,0
2,0
8,0
1,0
11,0
2,0
8,0
1,0
11,0
TOTALI
6,0
24,0
3,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
4,0
4,0
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
Nessuna
15,0
37,0
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Gruppo
5
Struttura
PAVIA
PREVISIONE DI SPESA
Piano finanziario globale di spesa
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
Miss.
interno
Miss.
estero
Materiale
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
2003
12,0
26,0
21,0
29,0
88,0
2004
12,0
26,0
21,0
5,0
64,0
2005
12,0
26,0
21,0
5,0
64,0
TOTALI
36,0
78,0
63,0
39,0
216,0
Note:
Mod. EN. 4
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Gruppo
5
Struttura
PAVIA
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
- vedere allegato -
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 1
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Gruppo
5
Struttura
PAVIA
PROPOSTA DI NUOVO ESPERIMENTO
Mod. EN. 5
(a cura del rappresentante nazionale)
Pag. 2
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
A. Ottolenghi
PAVIA
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
1
2
3
4
5
6
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
BALLARINI Francesca
CANDONI Bruno (MI)
GARZELLI Maria Vittoria
GIROLETTI Elio
OTTOLENGHI Andrea
SCANNICCHIO Domenico
TECNOLOGI
N
AsRic
5
80
P.A.
5
100
AsRic
5
20
Ric
5
100
P.A.
5
80
P.O.
2
30
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Assoc.
tecnica
6,0 Numero totale dei Tecnici
4,1 Tecnici Full Time Equivalent
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Codice
Preventivo per l'anno 2003
Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura
Gruppo
5
A. Ottolenghi
PAVIA
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
(a cura del responsabile locale)
Annotazioni:
Nessuna
SERVIZI TECNICI
mesi-uomo
Denominazione
MILESTONES PROPOSTE PER IL 2003 (a cura del responsabile nazionale)
Data completamento
Descrizione
Resp. Naz.:
Andrea Ottolenghi
30-06-2003
Simulazione di danni al DNA da gamma e protoni e quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavangers
30-06-0200
Misura delle DSB indotte da protoni e raggi gamma
30-06-2003
Estensione modello frammentazione a processi non casuali ed applicazioni a primi esperimenti
31-12-2003
Implementazione del background di aberrazioni nel codice di simulazione di AC radioindotte e validazione del modello
per protoni di basso LET
31-12-2003
Aggiornamento dell'analisi dei dati disponibili in letteratura sul bystander effect
31-12-2003
Misura delle DSB indotte da ioni carbonio e ioni ferro
31-12-2003
Danno ossidativo per protoni ad alto LET (LNL) per due valori di dose (5 e 10 Gy)
31-12-2003
Danno ossidativo per protoni di alta energia e basso LET (LNS) (20 Gy)
31-12-2003
Costruzione modello per analisi esperimenti SCGE
Mod. EC/EN 8
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Struttura ROMA I
Gr. coll. SANITA'
Ricercatore
responsabile locale: Mauro Belli
e-mail: [email protected]
Gruppo
5
Rappresentante
Nazionale:
Andrea Ottolenghi
Struttura di
appartenenza:
Pavia
Posizione
nell'I.N.F.N.:
Inc. di Ricerca
e-mail:
[email protected]
PROGRAMMA DI RICERCA
A) I N F O R M A Z I O N I
GENERALI
Linea di ricerca
Meccanismi di formazione di danni da particelle cariche in
cellule umane; misure sperimentali e modelli teorici
Laboratorio ove
si raccolgono i dati
LNL, LNS, NIRS (Chiba - Giappone), BNL (Upton - USA),
ISS (Roma)
Acceleratore usato
Fascio
(sigla e caratteristiche)
Processo fisico
studiato
Apparato strumentale
utilizzato
Sezioni partecipanti
all'esperimento
CN (LNL), CS (LNS), Syncroton (NIRS), Syncroton (BNL)
p, alfa, C, Fe
Interazione radiazioni ionizzanti - sistemi biologici
Facilities per irraggiamento, laboratori di radiobiologia
delle sezioni della collaborazione
Pavia, Roma1-Gruppo Collegato Sanità
Istituzioni esterne
all'Ente partecipanti
Durata esperimento
3 anni
B) S C A L A
PERIODO
2003
2004
2005
Mod. EN. 1
DEI
TEMPI:
piano di svolgimento
ATTIVITA’ PREVISTA
Misura di DSB in cellule irradiate con gamma, p e ioni C e Fe; danno ossidativo (DO) da p
di
bassa E ed alto LET e p di alta E e basso LET; simulazione danno al DNA da gamma e p e
di
aberr. cromosomiche (AC) radioindotte; calcolo effetti radioprotettivi da radicali OH;
Completamento ed estensione misure di DSB del I anno; misura riparazione DSB indotte
da gamma e ioni C; DO per p di alta E e medio LET; simulazione danno al DNA da alfa ed
estensione modello per AC visibili con tecnica FISH; sviluppo MF per caratterizzazione
riparazione, applicazione modello SCGE ai dati sperimentali.
Completamento misure di induzione e riparazione di DSB indotte da p e ioni C e Fe; DO
per p con fascio modulato; uso di FLUKA per campi misti e modello teorico per effetto
bystander; estensione ed applicazione MF con introduzione cinetica di riparazione delle
DSB.
(a cura del rappresentante nazionale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura ROMA I
Gruppo
5
Mauro Belli
Gr. coll. SANITA'
PREVENTIVO LOCALE DI SPESA PER L’ANNO
VOCI
DI
SPESA
2003
In kEuro
IMPORTI
DESCRIZIONE DELLA SPESA
Parziali
4 turni presso CN-LNL (1 ricercatore per turno per 2 o 3 giorni)
6 turni presso CS-LNS (2 ricercatori per turno per 2 o 3 giorni)
Totale
Compet.
A cura della
Comm.ne
Scientifica
Nazionale
2,0
8,0
10,0
1 turno presso AGS-BNL (2 ricercatori per 20 giorni):
stima di 10 Keuro per diarie (tasse comprese) e 2 Keuro per viaggi
4 congressi internazionali
12,0
6,0
Terreni di coltura, materiale plastico monouso, materiale vario da
laboratorio, materiale per costruzione supporti per irraggiamento
cellule
20,0
18,0
20,0
Consorzio
Ore CPU
Spazio Disco
Cassette
Altro
25,0
Beckman Coulter, modello Z2
25,0
Totale
73,0
Note:
Sono previsti interventi di edilizia e/o impiantistica che ricadono sotto la disciplina della legge Merloni?
Breve descrizione dell'intervento:
Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Struttura ROMA I
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Gruppo
5
Mauro Belli
Gr. coll. SANITA'
ALLEGATO MODELLO EN 2
In relazione alle spese programmate si specifica quanto segue:
1) per quanto riguarda le missioni interno, si fa presente che è
necessario effettuare irradiazioni presso gli acceleratori indicati
utilizzando modalità sperimentali diverse a seconda degli effetti
studiati. Ciò comporta la necessità di chiedere turni separati (della
durata di 2-3-giorni) in relazione agli esperimenti da effettuare,
a cui parteciperanno i ricercatori con le specifiche competenze;
2) per quanto riguarda le missioni estero relativa ai turni di
misura, la richiesta è per due ricercatori che si recheranno presso
la facility del Brookhaven National Laboratory (USA) per un
periodo di 20 giorni in occasione di un turno di irradiazione. La
durata della missione è dovuta alla necessità di allestire la
coltura cellulare con almeno 10 giorni di anticipo rispetto alle
date programmate per le irradiazioni, ai tempi necessari per
il processamento dei campioni e alla necessità di considerare
eventuali slittamenti di programma dovuti a problemi di macchina
e/o di organizzazione sperimentale;
3) le richieste relative al consumo si riferiscono a materiale
vario per le colture e per i test di analisi ed all'acquisto di
materiale necessario per l'allestimento del sistema di irradiazione
presso i LNS;
4) in relazione alla voce inventariabile, è di fondamentale
importanza l'acquisto di un Coulter Counter (Beckman Coulter Z2)
da collocare presso i LNS, ad integrazione della strumentazione
già presente. Questa apparecchiatura è necessaria per:
a) valutare la concentrazione ottimale dei campioni prima
dell'irradiazione
b) avere una precisione adeguata nei conteggi della sospensione
cellulare su cui verrà determinata la sopravvivenza;
c) determinare la distribuzione dei volumi cellulari che
rappresenta uno degli effetti che si intendono studiare.
All. Mod. EN. 2
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Nuovo Esperimento
MIDPAC
Gruppo
5
Resp. loc.:
Mauro Belli
Struttura ROMA I
Gr. coll. SANITA'
PREVISIONE DI SPESA: PIANO FINANZIARIO LOCALE
PER GLI ANNI DELLA DURATA DEL PROGETTO
In kEuro
ANNI
FINANZIARI
2003
2004
2005
TOTALI
Miss.
interno
Miss.
estero
Mater.
di
cons.
Trasp.e
Facch.
Spese
Calcolo
Affitti e
manut.
appar.
Mat.
inventar.
Costruz.
apparati
TOTALE
Competenza
10,0
18,0
20,0
25,0
73,0
10,0
18,0
20,0
5,0
53,0
10,0
18,0
20,0
5,0
53,0
30,0
54,0
60,0
35,0
179,0
Note:
Mod. EN. 3
(a cura del responsabile locale)
Osservazioni del Direttore della Struttura in merito alla
disponibilità di personale e di attrezzature:
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura ROMA I
Gruppo
5
Mauro Belli
Gr. coll. SANITA'
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA
RICERCATORI
Qualifica
Dipendenti
N
Cognome e Nome
Affer.
al
Assoc. Gruppo
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ricerca
Antonelli Francesca
Belli Mauro
2
Campa Aless.
3
Dini
Valentina
4
Esposito Giuseppe
5
Grande Sveva
6
Guidoni Laura
7
Rosi Antonella
8
Simone Giustina
9
10 Tabocchini M. Antonella
11 Viti Vincenza
TECNOLOGI
AsRic
1
D.R.
N
5
100
5
80
Ric
4
80
Ric
5
100
Ric
5
100
AsRic
5
100
I Ric
5
50
Ric
5
100
I Ric
5
80
I Ric
5
80
D.R.
5
50
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 23 Ass. Tecnol.
Numero totale dei Tecnologi
Tecnologi Full Time Equivalent
TECNICI
N
1
2
Numero totale dei Ricercatori
Ricercatori Full Time Equivalent
Mod. EC/EN 7
Cognome e Nome
Qualifica
Dipendenti
Incarichi
Ruolo Art. 15 Collab.
tecnica
Luciani Anna Maria
Sorrentino Eugenio
11,0 Numero totale dei Tecnici
9,2 Tecnici Full Time Equivalent
Assoc.
tecnica
ISS
50
ISS
100
2,0
1,5
(a cura del responsabile locale)
ISTITUTO NAZIONALE DI FISICA NUCLEARE
Preventivo per l'anno 2003
Codice
Esperimento
MIDPAC
Resp. loc.:
Struttura ROMA I
Gruppo
5
Mauro Belli
Gr. coll. SANITA'
COMPOSIZIONE DEL GRUPPO DI RICERCA (cont.)
Annotazioni:
SERVIZI TECNICI
Denominazione
Mod. EC/EN 8
mesi-uomo
(a cura del responsabile locale)
Esperimento
gruppo
Rappresentante nazionale
Struttura res_naz
MIDPAC
5
Andrea Ottolenghi
Pavia
ESPERIM.
Missioni
interno
Inviti
ospiti
stran.
Missioni
estero
11,0
9,2
Tecnologi
FTE
Mater.
di
Cons.
Spes
Sem
nuovo_continua
nuovo
Tras.
Aff. e
e Pub. Spese Manut.
Fac. Scien. Calc
App.
Mater.
invent.
Costruz.
apparati
TOTALE
Personale
Ricercatori
FTE
Tecnici
FTE
Rapporti (FTE/numero) Ricercatori
MIDPAC
2,0
1,5
Servizi mesi uomo
0,84 Ricercatori+Tecnologi
0,84
10
18
20
25
73
10
18
20
25
73
di cui sj
Totali
di cui sj
Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi)
7,93
Personale
Ricercatori
FTE
6,0
4,1
Tecnologi
FTE
Tecnici
FTE
Rapporti (FTE/numero) Ricercatori
MIDPAC
Servizi mesi uomo
0,68 Ricercatori+Tecnologi
0,68
2
8
1
4
15
2
8
1
4
15
di cui sj
Totali
di cui sj
Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi)
3,66
TOTALI
Totali
12
26
21
29
88
26,0
21,0
29,0
88,0
di cui sj
Confronto con il modello EC4
Mod. EC4 dati
Totali-Dati EC4
12,0
Personale
Ricercatori
FTE
17,0
13,3
Tecnologi
FTE
Tecnici
FTE
2,0
Servizi mesi uomo
1,5
Rapporti (FTE/numero) Ricercatori
0,78 Ricercatori+Tecnologi
Richieste/(FTE ricercatori+tecnologi)
6,62
0,78
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)
Durata del progetto: 3 anni: 2003-2005
Sezioni partecipanti
Pavia
Francesca Ballarini
Bruno Candoni
Maria Vittoria Garzelli
Elio Giroletti
Andrea Ottolenghi
Domenico Scannicchio
Roma 1 – Gruppo Collegato Sanità
80%
100%
20%
100%
80%
30%
Francesca Antonelli
Mauro Belli
Alessandro Campa
Valentina Dini
Giuseppe Esposito
Sveva Grande
Laura Guidoni
Antonella Rosi
Giustina Simone
M. Antonella Tabocchini
Vincenza Viti
100%
80%
80%
100%
100%
100%
50%
100%
80%
80%
50%
Anna Maria Luciani
50%
Eugenio Sorrentino
100%
Giacomo Cuttone dei LNS e Roberto Cherubini dei LNL, con i loro collaboratori, hanno dato la loro
disponibilità a coadiuvare i partecipanti all’esperimento durante gli irraggiamenti necessari
all’espletamento delle misure programmate. Inoltre, i LNL sono disponibili ad ospitare i ricercatori
presso il Laboratorio di Radiobiololgia ed i LNS a rendere disponibile la strumentazione necessaria agli
esperimenti.
Introduzione
I meccanismi alla base della catena di eventi che porta dalla deposizione iniziale di energia da parte
delle radiazioni ionizzanti (r.i) alla produzione di lesioni molecolari, al loro processamento da parte dei
sistemi cellulari di difesa sino ai cambiamenti genomici stabili ed alle conseguenti modificazioni nella
funzionalità cellulare non sono ancora noti in dettaglio. In particolare, l'individuazione delle
caratteristiche fisiche che modulano l'efficacia biologica di radiazioni di diversa qualità è un problema
ancora aperto.
L’approfondimento delle conoscenze dell’influenza della qualità della radiazione su diversi end-point
biologici può contribuire ad una migliore determinazione dei fattori di peso della radiazione utilizzati in
radioprotezione e all’individuazione di bioindicatori del rischio radioindotto. Sono inoltre evidenti le
possibili ricadute nel campo della radioterapia con adroni, che sfrutta la localizzazione spaziale della
dose rilasciata dalle particelle cariche in corrispondenza del picco di Bragg e l’eventuale aumento di
efficacia biologica relativa (RBE) rispetto alle radiazioni convenzionali.
Nell'ambito dello studio dei meccanismi di induzione di danni radiobiologici, sono di grande aiuto sia
misure sperimentali ad hoc relative ad end-point specifici, sia modelli teorici basati sulla struttura di
traccia della radiazione, che permettono di testare assunzioni diverse sui vari step intermedi del
processo d'interesse (vedasi la fig. 1).
Fig. 1: rappresentazione schematica dei processi d'induzione di danni biologici da radiazioni ionizzanti a diversi livelli
Questo esperimento si propone di studiare i meccanismi di base responsabili della maggiore efficacia di
particelle cariche rispetto a radiazioni fotoniche e sfrutta una parte delle competenze acquisite
attraverso precedenti esperimenti INFN effettuati nell’ambito di collaborazioni tra le Sezioni Sanità
(attualmente Gruppo collegato Sanità-Sezione di Roma1), Legnaro, Milano, Napoli, Catania e Pavia.
I gruppi proponenti possiedono anche l’esperienza acquisita con la partecipazione a consorzi di ricerca
finanziati dalla Comunità Europea, quali il progetto LowDoseRiskModels (Improved cancer risk
quantification for environmental, medical and occupational exposures to low doses of ionizing
radiation by mechanistic models) e RADNA (Induction, repair and biological consequences of DNA
damages caused by radiation of various qualities).
Gli obiettivi generali dell’esperimento proposto sono i seguenti: 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.
Il progetto si articolerà in una parte che prevede lo studio di specifici end-point biologici mediante
diversi approcci sperimentali e di una parte focalizzata allo sviluppo di modelli teorici relativi ai
meccanismi di formazione del danno radioindotto. L’integrazione dei due approcci potrà costituire un
sinergia per la comprensione dei meccanismi alla base del danno da radiazioni.
1. Misure sperimentali
Sono previste irradiazioni di cellule in coltura da effettuare presso diverse facility in Italia e all’estero,
e misure riguardanti il danno a livello molecolare (essenzialmente danni al DNA) e cellulare (danni
metabolici, blocco proliferativo, perdita della capacità riproduttiva, induzione di mutazioni) utilizzando
le tecniche più avanti specificate.
1.1 Radiazioni di interesse
Si prevede di studiare gli effetti prodotti da ioni accelerati quali protoni, ioni carbonio e ferro, e
particelle alfa emesse da sorgente. Nel caso di ioni accelerati, verranno presi in considerazione fasci
con diversa struttura di traccia, sia dal punto di vista del trasferimento lineare di energia che del profilo
radiale. Il confronto tra stesse particelle con diverso LET e particelle diverse con LET simili potrà dare
informazioni sull’influenza della struttura della traccia sui diversi end-point biologici considerati.
Inoltre, le informazioni relative agli effetti biologici indotti dagli ioni ferro, in particolare quelli di più
alta energia, sono estremamente limitate, e quindi la loro acquisizione è di estremo interesse.
In tabella sono riportate le caratteristiche dei fasci di interesse per gli esperimenti proposti con
indicazione delle facility presso le quali sono disponibili.
Tipo di radiazione
Energia incidente
LET
Range residuo
Facility
Protoni
Protoni
Ioni carbonio
Ioni carbonio
Ioni ferro
Ioni ferro
Ioni ferro
0.88 MeV
62 MeV
62 MeV/u
135 MeV/u
414 MeV/u
1.05 GeV/u
5.00 GeV/u
28 keV/µm
1.1 keV/µm
40 keV/µm
22 keV/µm
200 keV/µm
148 keV/µm
164 keV/µm
19.7 µm
32.3 mm
10.9 mm
43.4 mm
71.6 mm
285.4 mm
1780 mm
CN-LNL
CS-LNS
CS-LNS
HIMAC-NIRS
HIMAC-NIRS
AGS-BNL
AGS-BNL
CN-LNL: CN Van de Graaff da 7 MV dei Laboratori Nazionali di Legnaro (LNL) – INFN;
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).
Per quanto riguarda le particelle alfa, potrà essere utilizzata la sorgente di 244Cm (picco principale dello
spettro di emissione a 5800 keV), progettata in collaborazione con i LNL e realizzata presso l’ISS.
Come radiazione di riferimento saranno considerati raggi gamma da 60Co.
1.2 Sistemi cellulari modello
Per gli esperimenti saranno utilizzati sistemi modello costituiti da cellule umane in coltura.
In particolare, verranno considerati fibroblasti AG1522, derivanti da tessuti sani, cellule HeLa, ottenute
da un carcinoma della cervice uterina e cellule MCF7, da carcinoma mammario. Per alcuni esperimenti
si utilizzeranno inoltre sferoidi costituiti da aggregati multicellulari, che rappresentano un sistema
modello rappresentativo dei tumori solidi.
Verrà anche effettuato uno studio di fattibilità per verificare l’idoneità dell’impiego di una linea
linfoblastoide (utile anche per un confronto con la risposta di linfociti del sangue periferico
ampiamente utilizzati per esperimenti di induzione di aberrazioni cromosomiche) e linee derivanti da
melanomi oculari.
1.3 Produzione e riparazione del danno al DNA e relazione con effetti a livello cellulare
Sebbene le doppie rotture (DSB) nel DNA delle cellule irradiate siano considerate le lesioni critiche per
importanti effetti cellulari (quali la formazione di aberrazioni cromosomiche, l’induzione di mutazioni
e la morte cellulare), non si osserva in generale una correlazione tra l’efficacia di induzione di danno
molecolare e danno cellulare da parte dei vari tipi di radiazione (Obe et al, 1992). Questa mancanza di
correlazione è stata già da tempo evidenziata dal gruppo Sanità in collaborazione con i LNL (Belli et al,
1996, 1998) utilizzando ioni leggeri e sistemi cellulari di roditore (cellule di Hamster cinese V79).
Una possibile ragione di questa discrepanza è una possibile sottostima del numero di DSB dovuta sia a
limitazioni delle tecniche di analisi sia alle assunzioni alla base dei modelli di calcolo che prevedono
una loro distribuzione casuale lungo la molecola di DNA (Holley e Chatterjee, 1996, Löbrich et al
1996, Rydberg, 1996). Poiché ci si aspetta che radiazioni densamente ionizzanti producano cluster di
ionizzazioni con efficienza relativamente elevata, influendo quindi sul tipo di danno prodotto e sulla
sua distribuzione spaziale (Goodhead, 1994; Ward, 1985; Ottolenghi et al, 1997), le comuni tecniche di
analisi possono non essere in grado di discriminare tra lesioni “semplici” e lesioni “complesse”. Queste
possono risultare meno riparabili e dar luogo ad un aumento di severità del danno a livello cellulare.
In questo esperimento verrà studiato sia il danno iniziale al DNA, sia quello residuo dopo un certo
tempo di riparazione da parte della cellula. Questi danni verranno messi in relazione con gli effetti a
livello cellulare. A questo fine saranno utilizzate le curve di sopravvivenza ottenute in precedenza
nell’ambito delle collaborazioni citate, o determinate direttamente nel caso di fasci non ancora studiati
per questo end-point. Inoltre, in caso di risposta positiva dello studio di fattibilità con cellule
linfoblastoidi, verranno effettuati, sia esperimenti di sopravvivenza che di induzione di mutazioni
HPRT.
Il danno al DNA verrà analizzato mediante tecniche elettroforetiche quali la “Pulsed Field Gel
Electrophoresis” (PFGE) e la “Single Cell Gel Electrophoresis” (SCGE, nota anche come “Comet
assay”).
La PFGE consente di determinare sia il numero di frammenti di DNA (e quindi di DSB) che la loro
distribuzione in diversi intervalli di peso molecolare (Newman et al., 1997; Hoglund et al., 2000).
Attraverso lo sviluppo di modelli di frammentazione ed il confronto con le misure sperimentali, è
possibile stimare la correlazione spaziale di queste lesioni lungo la molecola di DNA (Belli et al.,
2000a,b; 2001; 2002, Friedland et al, 1999). Ci si aspetta, in particolare per le radiazioni densamente
ionizzanti, una distribuzione di doppie rotture non casuale, con un maggior numero di frammenti di
basso peso molecolare. Il gruppo Sanità ha una consolidata esperienza in questo settore sia per quanto
riguarda le tecniche sperimentali che lo sviluppo e l’applicazione di modelli per l’analisi del danno da
radiazioni (Belli et al., 1997a,b; 2001; Belli e Campa, 1999).
Rispetto alla PFGE, la SCGE è una tecnica di analisi che permette di utilizzare dosi inferiori,
confrontabili con quelle usate per la risposta a livello cellulare (sopravvivenza). Inoltre, l’analisi viene
effettuata a livello della singola cellula (Fairbairn et al., 1995). Questa caratteristica è di particolare
rilevanza nel caso di particelle cariche per le quali ci si aspetta una significativa disomogeneità nella
distribuzione locale di dose.
La SCGE, pur essendo una tecnica ampiamente utilizzata in modo empirico anche per screening
genotossici (Collins et al., 1997), manca ancora di una descrizione biofisica dei suoi principi di
funzionamento.
Ci si propone quindi di effettuare una modellizzazione dei meccanismi che sono alla base della tecnica
allo scopo di identificare i parametri rilevanti per la quantificazione del danno in termini di numero di
rotture della catena del DNA. In particolare, si cercherà di mettere in relazione la forma e l’intensità
delle immagini di fluorescenza alla quantità del danno radioindotto sul DNA cellulare basandosi sulla
diversa mobilità nel campo elettroforetico dei “loop” di DNA che hanno subito danno a seguito
dell’irradiazione.
1.4 Studio del danno ossidativo e del blocco proliferativo
Oltre ai danni sul DNA, sono documentati effetti a carico di altre strutture cellulari, in particolare
membrane e lipidi, effetti che possono essere rilevanti soprattutto alle dosi caratteristiche della
radioterapia (Radford 1999, Cornelissen et al 2002, Giusti et al 1998)
Sulla base di esperimenti effettuati negli anni passati (Grande et al. 1999a, Grande S. et al 1999b,
Grande et al 2001) su cellule in coltura stabilizzate, sono stati messi in luce cambiamenti metabolici
radioindotti a carico dei lipidi cellulari o di metaboliti solubili, fra cui in primo luogo il glutatione, il
cui ruolo in relazione al danno ossidativo è stato più volte messo in evidenza. Questi effetti sono
ascrivibili a danni di tipo ossidativo mediati da radicali. Le connessioni fra il danno ossidativo a carico
delle membrane e gli effetti sul glutatione sono state anche recentemente messe in luce da ricerche
volte a chiarire il ruolo protettivo della caffeina in relazione agli effetti dipendenti dall’ossigeno in
sistemi mitocondriali in vitro (Kamat et al 2000).
Il glutatione risulta implicato in diverse reazioni che avvengono in seguito all’irraggiamento. La sua
concentrazione è indice della radiosensibilità cellulare (Yanagisawa et al 1997). La capacità cellulare di
sintesi del glutatione è in relazione con il ruolo di un enzima, la γ -glutammil-sintetasi (Mackey and
Ianzini 2000) e questo enzima è “sopra-regolato” nelle cellule radioresistenti.
Particolarmente interessanti possono essere poi le osservazioni a carico dell’acido glutammico che è un
metabolita implicato nel ciclo del glutatione che si può quantificare anche negli spettri di MRS in vivo
anche a campi molto bassi.
Altri metaboliti legati al metabolismo lipidico sono la fosforilcolina e fosforiletanolamina e i cataboliti
colina, glicerofosforilcolina (GPC) e glicerofosforiletanolamina (GPE). Questi composti vanno presi in
considerazione in quanto studi effettuati su tumori irraggiati hanno evidenziato un aumento della GPC
e della GPE in seguito ad irraggiamento (Muschel et al 1992, Sharma and Jain 2001), attribuibile ad un
alterato funzionamento degli enzimi suddetti, legato alle condizioni di stress in cui si trova la cellula in
seguito all’irraggiamento.
I nostri primi risultati che hanno confermato il fenomeno, hanno indicato anche che la risposta
metabolica è non solo quantitativamente, ma forse anche qualitativamente diversa per radiazioni
caratterizzate da più alto LET rispetto ai raggi gamma (Grande et al. 1999a, Grande et al 1999b,
Grande et al 2001). Alcuni degli effetti osservati potrebbero essere più rilevanti per i protoni rispetto ai
gamma e potrebbero essere coinvolti cataboliti e metaboliti diversi.
I risultati ottenuti in precedenza tramite la Risonanza Magnetica Nucleare (RMN) hanno messo in
evidenza un incremento nel danno metabolico indotto da fasci protonici con LET 30 keV/µm superiore
per un fattore 2 rispetto alle radiazioni gamma. Questo effetto verrà ulteriormente investigato in
funzione del tempo intercorso dall’irraggiamento, in modo da discriminare tra gli effetti immediati e
quelli in cui intervengono i meccanismi di produzione di danno mediati dal metabolismo cellulare.
Inoltre, si procederà all’irraggiamento degli sferoidi cellulari che costituiscono un modello migliore
rispetto alle colture in monostrato per la risposta di tumori solidi, soprattutto per quanto riguarda le
comunicazioni cellula-cellula e la disponibilità di ossigeno negli strati interni (Hamilton, 1998).
Lo studio del blocco proliferativo radioindotto è da mettere in relazione con le varie alterazioni nei
cammini metabolici che vengono perturbati dall’irraggiamento. Verrà approfondito l’effetto sui lipidi
cellulari, in quanto esistono diverse evidenze sperimentali che mostrano effetti selettivi a carico del
metabolismo lipidico e la modulazione dei cosiddetti lipidi mobili (ML, essenzialmente trigliceridi) .
Un risultato confermato da misure di microscopia elettronica, è stato ottenuto in precedenza trattando le
cellule HeLa con il farmaco antitumorale lonidamina, che provoca blocco della crescita cellulare
mediante inibizione delle funzioni mitocondriali ed è stato interpretato con il fatto che le cellule,
bloccate nella loro progressione attraverso il ciclo, continuano ad accumulare trigliceridi (Grande et al
1999c, Rosi et al 1999).
Questi risultati sono in accordo con evidenze recenti in cui l’accumulo di trigliceridi è associato
all’instaurarsi di apoptosi ( Hakumaki et al. 1999 e Al Saffar et al. 2002). A questo riguardo, la
spettroscopia di Risonanza magnetica nucleare è considerata la tecnica di elezione in quanto permette
di rilevare queste strutture nel sistema intatto.
L’identificazione e la relativa quantificazione dei metaboliti sarà effettuata mediante spettroscopia di
risonanza magnetica (1H MRS) in alta risoluzione (400-600 e 700 MHz), sui lipidi estratti dai sistemi
biologici in esame. Il confronto fra gli spettri dei sistemi biologici intatti e quelli dei relativi estratti
permetterà di discriminare fra gli effetti dovuti a variazioni di concentrazione e quelli dovuti a
variazioni di struttura.
Per correlare le osservazioni metaboliche con le modificazioni della proliferazione cellulare indotte
dall’irraggiamento è necessario conoscere la distribuzione delle cellule nelle varie fasi del ciclo di
crescita, in quanto i processi metabolici, in particolare la sintesi lipidica, sono dipendenti dalla
regolazione del ciclo cellulare, almeno nelle cellule non perturbate. Inoltre si intende monitorare la
variazione dei volumi cellulari, in quanto questo parametro, in particolare la distribuzione dei volumi, è
fortemente influenzato dall’irraggiamento, non è in semplice connessione con le variazioni delle fasi
del ciclo ed è in grado di fornire informazioni sul blocco proliferativo.
Le variazioni delle fasi del ciclo cellulare nei sistemi irraggiati saranno determinate mediante tecniche
di citofluorimetria a flusso, mentre i volumi cellulari saranno determinati utilizzando un Coulter
Counter.
2. Modelli teorici
L’approccio utilizzato nel presente progetto di ricerca sarà quello tradizionalmente adottato dal gruppo
proponente, che possiede un'ampia esperienza nel campo della modellizzazione degli effetti delle
radiazioni ionizzanti su strutture biologiche a diversi livelli, sia in termini di modelli meccanicistici e
codici di simulazione (Ottolenghi et al 1995, 1997a-c, 2001, 2002; Friedland et al 1999; Ballarini et al
1999, 2000, 2002a-d), sia in termini di modelli semi-empirici basati su parametri forniti dalle misure
sperimentali (Belli et al., 2001; 2000a). Caratteristica comune agli studi meccanicistici è un approccio
basato sulla fisica del problema, in termini di struttura di traccia della radiazione descritta sia a livello
del nanometro (codici "event-by-event" come PARTRAC, che descrivono ogni singola deposizione di
energia e sono adatti a livello sub-cellulare e cellulare), sia a livello del micron (codici "condensedhistory" come FLUKA, adatti a livello supra-cellulare, Battistoni et al, 2002). In particolare in questo
progetto si intende focalizzarsi sul danno al DNA e sulle aberrazioni cromosomiche. L'approccio
adottato sarà, oltre che meccanicistico e stocastico, "ab initio": le previsioni dei modelli, sviluppati
sulla base di alcune assunzioni fondamentali, saranno confrontate direttamente con i dati sperimentali
(sia quelli disponibili in letteratura, sia quelli ottenuti nel corso del progetto); sarà evitata l'introduzione
di parametri liberi da determinare a posteriori sulla base di "best fit" con dati sperimentali, in modo da
mantenere un approccio completamente meccanicistico.
L'approccio semi-empirico risulta quindi complementare a quello meccanicistico, e fa da ponte di
collegamento con gli aspetti sperimentali del progetto.
Oltre al danno al DNA e alle aberrazioni cromosomiche, sarà investigato il ruolo della comunicazione
cellulare rispetto al cosiddetto "bystander effect", consistente nell'induzione di danni in cellule che non
sono state direttamente attraversate dalla radiazione. I dati sull'effetto bystander disponibili in
letteratura sono ormai sufficientemente numerosi e affidabili da permettere lo sviluppo di approcci di
tipo modellistico; questi ultimi possono essere di grande aiuto nella comprensione dei meccanismi
coinvolti, che sono ancora poco chiari, nonostante sia ormai assodato che le varie forme di
comunicazione cellulare giochino un ruolo fondamentale.
L’attività modellistica sarà svolta con il GSF di Monaco, Germania (HG Paretzke e coll.), con cui
esiste una consolidata attività di collaborazione nell’ambito di consorzi europei (Paretze et al, 2000).
2.1 Danno al DNA
Utilizzando come base di partenza il codice PARTRAC sviluppato con il GSF di Monaco, attualmente
in grado di trasportare elettroni, fotoni e protoni di diversa energia in acqua liquida e di simularne
l'interazione con modelli di strutture biologiche caratterizzate da diversi livelli di organizzazione (dalla
doppia elica ai "loops" di fibra di cromatina), sarà simulata l'induzione di vari tipi di danno al DNA:
oltre ai single- e double-strand breaks (ssb e dsb), anche danni "clusterizzati" caratterizzati da diversi
livelli di complessità. Particolare attenzione sarà posta alle condizioni ambientali, tipicamente alla
presenza di scavengers e proteine istoniche, che possono giocare un ruolo protettivo in quanto
competono con il cosiddetto "danno indiretto", dovuto all'attacco del DNA da parte di radicali liberi
come l'OH. A parità di condizioni ambientali, le simulazioni saranno ripetute per radiazioni di diversa
qualità (in particolare fotoni, protoni, particelle alfa e, in prospettiva, ioni più pesanti), al fine di
quantificare il ruolo giocato dalla struttura di traccia. Nel caso di protoni e particelle alfa, i risultati
ottenuti saranno confrontati con un lavoro precedente (Ottolenghi et al., 1995) effettuato con un
modello geometrico di DNA. Tale confronto permetterà di stimare il ruolo del livello di dettaglio
utilizzato nella descrizione della doppia elica.
Per quanto riguarda l'approccio semi-empirico, in questo progetto saranno proposti modelli per la
rappresentazione dei vari pattern di frammentazione del DNA ottenuti sperimentalmente, considerando
sia il caso di cellule appena irraggiate, sia quello di cellule in cui ha avuto luogo il processo di riparo.
L’approccio tradizionale per la descrizione dei pattern di frammentazione prevede il confronto tra i dati
sperimentali ed una distribuzione di doppie rotture casuale nei cromosomi irradiati. È stata già
sviluppata una generalizzazione di questo metodo, in cui si tiene conto dell'ulteriore frammentazione
indotta non dalla radiazione, ma dalla procedura connessa all’elettroforesi (e messa in evidenza dalla
frammentazione del campione di controllo); questo significa in pratica ipotizzare una frammentazione
radioindotta casuale non di cromosomi intatti, ma di un campione polidisperso. Tale generalizzazione è
stata per ora applicata allo studio di pattern di frammentazione indotti da raggi gamma, che non era
possibile riprodurre senza considerare la polidispersione. Si intende ora introdurre esplicitamente le
correlazioni tra doppie rotture che ci si aspetta con particelle cariche. Ci si propone più avanti di
introdurre nel modello la cinetica di riparazione delle DSB.
Si prevede anche lo sviluppo di un modello per la rappresentazione delle quantità ricavabili dagli
esperimenti di Single Cell Gel Electrophoresis (SCGE o “Comet assay”). In particolare, si
calcoleranno, in funzione della quantità di danno radioindotto sui “loop” di DNA, la forma e l’intensità
delle immagini di fluorescenza. In questa modellizzazione occorre inserire come input la dimensione
media dei “loop” e la distribuzione spaziale dei loro punti di ancoraggio. Quindi il confronto con le
misure sperimentali, oltre che permettere di valutare il numero medio di doppie rotture, fornirà
informazioni anche su queste caratteristiche strutturali della molecola di DNA.
2.2 Aberrazioni cromosomiche
Nell'ambito di un precedente esperimento INFN ("DOSBI-Dosimetria Biologica da linfociti:
monitoraggio citogenetico in radioterapia", resp. naz. G. Gialanella, resp. loc. A. Ottolenghi), sono stati
sviluppati un modello teorico e un codice Monte Carlo in grado di simulare l'induzione di varie
categorie di aberrazioni cromosomiche in seguito all'irraggiamento di linfociti umani con campi
monocromatici di fotoni e ioni leggeri, assumendo che solo le "lesioni complesse" (definite come due o
più dsb entro 30 coppie di basi e calcolate con simulazioni di struttura di traccia) siano in grado di
evolvere in aberrazioni cromosomiche (Ballarini et al 1999, Ottolenghi et al 2001, Ballarini et al
2002c). Mediante il confronto con dati sperimentali disponibili in letteratura, il modello è stato validato
nel caso dell'induzione di dicentrici e anelli centrici da parte di raggi gamma e particelle alfa di alto
LET (≈100 keV/micron); le curve dose-risposta simulate hanno mostrato un ottimo accordo con quelle
osservate sperimentalmente.
Nell'ambito del presente progetto, si intende estendere e validare il modello al caso di protoni di basso
LET (≈10 keV/micron o meno) e di protoni e particelle alfa di LET intermedio (tra i 10 e i 100
keV/micron). Il modello sarà inoltre esteso al caso di particolari aberrazioni - come le traslocazioni,
fortemente correlate con il rischio, e gli scambi complessi - visibili solo con la tecnica di colorazione
FISH, che è stata implementata nel codice ma non ancora testata in modo sistematico mediante
confronti con dati sperimentali. Sarà inoltre implementata nel modello la possibilità di simulare
l'irraggiamento con campi misti, la cui composizione sarà scelta di volta in volta sulla base delle
specifiche condizioni (sperimentali o "reali") che si intendono riprodurre. Specialmente nel caso di
irraggiamento con ioni accelerati, per cui la probabilità che avvengano reazioni nucleari non è
trascurabile, bisogna infatti considerare che anche un fascio inizialmente monocromatico può essere
costituito da componenti diverse quando interagisce con il bersaglio. Nel caso di esperimenti in vitro
ciò è dovuto essenzialmente alle interazioni che si verificano lungo la linea di fascio, mentre per
esposizioni in vivo giocano un ruolo importante le interazioni con i vari costituenti dell'organismo. Il
problema sarà affrontato mediante l'utilizzo del codice Monte Carlo FLUKA, al fine di ottenere una
descrizione stocastica dei campi di radiazione d'interesse. Gli spettri così ottenuti saranno utilizzati
come input per i modelli di induzione di danni radiobiologici di cui sopra.
2.3 Bystander effect
Negli ultimi dieci anni, soprattutto in seguito all'introduzione dei cosiddetti "microbeams" si sono
andati accumulando numerosi dati sperimentali che mostrano l'induzione di diversi tipi di danni (morte
cellulare, mutazioni, aberrazioni cromosomiche ecc…) in cellule non direttamente attraversate dalla
radiazione. I meccanismi che governano questi processi sono ancora poco chiari, ma è ormai assodato
che le varie forme di comunicazione cellulare giocano un ruolo fondamentale. Questi fenomeni,
osservati per diversi endpoints e con diverse tecniche, hanno due caratteristiche comuni essenziali: si
manifestano a basse dosi (0.5 Gy o meno) e hanno una risposta sovra-lineare, il che potrebbe avere
delle notevoli implicazioni sulla stima del rischio a basse dosi, che fino ad ora si basa
sull'estrapolazione lineare di dati a dosi maggiori. Data l'importanza del fenomeno, il gruppo
proponente questo progetto ha svolto un'analisi critica dei principali set di dati disponibili in letteratura
(Ballarini et al 2002a,d). Tale analisi ha messo in evidenza l'importanza di almeno due forme di
comunicazione cellulare, quella mediata dal mezzo di coltura e quella mediata dalle cosiddette "gapjunctions", che sono canali che mettono in comunicazione i citoplasmi di due cellule adiacenti,
permettendo il passaggio di molecole di piccole dimensioni (inferiori ai 2000 Dalton) che possono
giocare il ruolo di messaggeri. In questo progetto, oltre ad effettuare l'analisi dei nuovi dati che si
renderanno disponibili in futuro, si intende sviluppare un modello teorico che sia in grado di descrivere
uno o piu' effetti bystander (tipicamente morte cellulare e mutazioni), al fine di chiarire i principali
meccanismi coinvolti e di determinare la dipendenza di questi fenomeni da fattori quali la dose, il doserate, la qualità della radiazione, le condizioni di irraggiamento e di coltura ecc. Saranno inoltre
analizzate le possibili implicazioni dell'effetto bystander in termini di rischio da radiazioni.
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Pianificazione delle attività delle sezioni coinvolte su scala triennale
Roma 1 – Gruppo Collegato Sanità
I anno:
• Misura delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e raggi gamma.
• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di bassa energia ed alto LET e di alta energia e basso LET.
• Estensione del modello di frammentazione per considerare processi non casuali per l’analisi degli esperimenti di PFGE.
• Costruzione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE.
II anno
• Completamento delle misure delle DSB in cellule irradiate con protoni (LNL), ioni carbonio (LNS), ioni ferro (BNL) e
raggi gamma. Estensione delle misure ai fasci di ioni carbonio e ferro del NIRS.
• Esperimenti di riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL) e ioni carbonio (LNS).
• Studio di fattibilità per esperimenti di induzione di mutazioni indotte da raggi gamma in cellule HL60.
• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da protoni di alta energia e medio LET.
• Applicazione dei modelli di frammentazione per l’analisi della riparazione delle DSB indotte dalle diverse radiazioni.
• Applicazione del modello per l’analisi degli esperimenti di SCGE disponibili.
III anno
• Completamento degli esperimenti di induzione e riparazione delle DSB indotte da protoni (LNL), ioni carbonio (LNS,
NIRS) e ioni ferro (BNL, NIRS).
• Analisi dati e confronto tra le metodiche utilizzate.
• Eventuali esperimenti di induzione di mutazioni indotte da particelle alfa in cellule HL60.
• Danno ossidativo e blocco proliferativo indotto da fascio modulato di protoni.
• Estensione del modello di frammentazione con l’introduzione di parametri rappresentativi delle cinetiche di riparazione
delle DSB e confronto con i dati sperimentali.
Pavia
I anno:
• danno al DNA:
- quantificazione del ruolo protettivo di istoni e scavengers rispetto all'attacco dei radicali OH distribuiti lungo la traccia
della radiazione
- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da raggi gamma e protoni.
• aberrazioni cromosomiche:
- implementazione background di aberrazioni cromosomiche (AC) nella simulazione delle AC radioindotte;
- validazione del modello nel caso di protoni di basso LET;
• bystander effect:
- aggiornamento dell'analisi critica dei dati disponibili in letteratura
II anno:
• danno al DNA:
- simulazione di diversi tipi di danni al DNA indotti da particelle alfa.
• aberrazioni cromosomiche:
- estensione e validazione del modello nel caso di aberrazioni visibili solo con la tecnica FISH (tipicamente
traslocazioni e scambi complessi);
- implementazione nel modello delle condizioni di irraggiamento isotropo per gli ioni
• bystander effect: aggiornamento sui modelli disponibili in letteratura
III anno
• campi misti:
- identificazione dei campi misti d'interesse e loro caratterizzazione mediante il codice FLUKA;
• aberrazioni cromosomiche:
- estensione del modello a campi misti;
• bystander effect:
- sviluppo di un modello teorico, ed eventualmente un codice di simulazione, in grado di descrivere l'induzione di danni
specifici (tipicamente morte cellulare) in cellule non attraversate dalla radiazione ma vicine a cellule irraggiate.