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   Responsabile: Pietro Bartolini
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Radiazioni e Radioprotezione

Effetti molecolari e cellulari di radiazioni a basso e ad alto LET

Lo sviluppo tecnologico ha aumentato considerevolmente la possibilità di esposizione delle persone alle radiazioni ionizzanti ed i conseguenti rischi, ma al tempo stesso ha favorito importanti progressi nella valutazione della risposta degli organismi viventi agli insulti esterni e dei relativi metodi di protezione. Inoltre, ha consentito di sviluppare metodi innovativi di radioterapia, come la terapia ad intensità modulata e quella con particelle cariche (adroterapia). L’avanzamento delle conoscenze sull’interazione tra radiazioni ionizzanti ed esseri viventi è dunque essenziale per ulteriori progressi sia in radioprotezione, sia in radioterapia, settori nei quali contribuisce in particolare ai seguenti obiettivi: i) adeguamento degli standard di radioprotezione nei vari usi delle radiazioni ionizzanti e nella gestione delle esposizioni alle sorgenti naturali di radiazione; ii) ottimizzazione dei protocolli radioterapeutici. Il raggiungimento di questi due obiettivi, in genere separatamente considerati a livello sanitario, richiede lo sviluppo di comuni conoscenze scientifiche di base, dove la ricerca biofisica e radiobiologica svolge un ruolo chiave. Gli studi che confluiscono in quest’area sono indirizzati alla comprensione dettagliata dei collegamenti tra la qualità della radiazione, le lesioni indotte a livello del DNA ed i danni a livello cellulare, quale presupposto per giungere alla formulazione dei meccanismi d’azione delle radiazioni ionizzanti a livello molecolare e cellulare; essi si avvalgono di approcci multidisciplinari, secondo una strategia riconosciuta a livello europeo ed internazionale, nei quali confluiscono tecniche e metodologie fisiche e biologiche, in gran parte avanzate o innovative. Per questi studi sono considerate radiazioni ionizzanti di tipo diverso, aventi diversa capacità di ionizzazione, definita mediante il parametro “trasferimento lineare di energia” (Linear Energy Tranfer, LET). Il LET è usato come parametro approssimato per caratterizzare la “qualità” della radiazione e quindi la sua efficacia biologica. Le radiazioni a basso LET, dette anche “sparsamente ionizzanti”, sono ad esempio i raggi X (purché non di energia troppo bassa) e i raggi gamma, e su queste si sono basati gran parte degli studi radiobiologici tradizionali. Negli ultimi anni vi è stata una considerevole crescita dell'interesse sugli effetti biologici delle particelle cariche (appartenenti alla famiglia degli adroni carichi), dovuta principalmente a due ordini di motivi, il primo legato agli impieghi innovativi degli adroni in radioterapia (adroterapia) ed il secondo legato alla necessità di stabilire standard di radioprotezione per le radiazioni nello spazio, in relazione ai voli commerciali ad alta quota, alla permanenza di astronauti nella Stazione Spaziale Internazionale e alle future missioni interplanetarie (Marte), oltre che all’opportunità di approfondire gli aspetti di radioprotezione per gli emettitori alfa naturali (ad es. radon). Il passaggio nella materia biologica di particelle pesanti cariche densamente ionizzanti produce modificazioni qualitativamente diverse da quelle prodotte dalla radiazione "sparsamente ionizzante" (raggi X e gamma). Mentre questi ultimi depositano energia nella materia attraverso elettroni secondari capaci di percorrere distanze relativamente lunghe, così da distribuire l'energia su volumi relativamente grandi ed in maniera pressoché omogenea, gli ioni pesanti depositano energia in volumi ristretti e adiacenti alla traccia degli ioni primari, così da produrre zone con elevata densità locale di ionizzazione. Accanto alle informazioni utili per le applicazioni in radioprotezione ed in radioterapia, lo studio degli effetti biologici al variare della densità di ionizzazione fornisce uno strumento eccellente per la comprensione dei meccanismi di base dell’azione delle radiazioni ed in questo senso la qualità della radiazione rappresenta una sonda fisica per la risposta radiobiologica. Per quanto riguarda la radioprotezione, il principale obiettivo per il futuro, condiviso sia nell’UE che negli USA, è quello di risolvere le incertezze sul rischio associato alle esposizioni a dosi basse e protratte, cioè ai livelli che s’incontrano tipicamente negli ambienti di vita e di lavoro. La soluzione di questo problema ha importanti implicazioni sanitarie ed economiche nell’uso delle radiazioni sia in campo medico che industriale. In effetti, negli ultimi tempi ha ripreso vigore il dibattito sull’applicabilità del modello lineare senza soglia (Linear No Threshold, LNT), poiché le recenti ricerche radiobiologiche hanno evidenziato la complessità della risposta cellulare. Tra queste hanno ricevuto particolare attenzione quelle sui cosiddetti effetti “non targeted” (extra-bersaglio), quali l’instabilità genomica, l’effetto bystander e la risposta adattativa, che potrebbero dar luogo a componenti non lineari con effetti diversi e forse opposti nella risposta cellulare, anche dipendenti dalla qualità della radiazione. Benché alcuni di questi fenomeni fossero noti da qualche tempo (risposta adattativa), o fossero conosciuti fenomeni probabilmente ad essi collegati (come gli effetti abscopali in radioterapia, collegabili forse all’effetto bystander), solo recentemente si è iniziato a valutarne il significato in radioprotezione e in radioterapia. Per quanto riguarda la radioterapia, occorre chiarire i meccanismi che determinano le differenze nella capacità di cura e nella severità di effetti tardivi osservati nei diversi pazienti sottoposti a trattamento con fotoni o con adroni. Ciò appare collegato, oltre che alle diverse istologie tumorali, alla diversa radiosensibilità intrinseca in cellule di diversi tessuti. Inoltre, soprattutto a seguito di trattamenti particolarmente complessi quale ad esempio la radioterapia ad intensità modulata (Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT), la dose al corpo intero aumenta in maniera significativa così come aumentano i gradienti di dose all’interno del volume bersaglio. Questi aspetti aprono problematiche radiobiologiche nuove che necessitano di essere approfondite. Il miglioramento di specifiche conoscenze di radiobiologia cellulare, soprattutto quella dei meccanismi della risposta cellulare, è fondamentale sia per ottimizzare il trattamento, sia per mettere a punto adeguati test predittivi della risposta al trattamento stesso. L’ampliamento delle informazioni relative alla radiosensibilità /radioresistenza cellulare può essere uno strumento importante in radioterapia oncologica laddove un problema di non facile soluzione è quello di eliminare selettivamente le cellule tumorali. Gli orientamenti di ricerca correnti indicano come argomento importante in relazione alla risposta delle cellule alle radiazione ionizzanti anche il danno sulla membrana, includendo i lipidi e le variazioni metaboliche correlate, e il danno ossidativo con i relativi meccanismi di protezione per mezzo di molecole attive nei processi di detossificazione ad esso associato, come il glutatione. Viene ricercata la correlazione del danno biologico, inteso sia come morte cellulare che come effetto sul metabolismo, a seguito di irraggiamento, con lo studio del comportamento dei segnali di Risonanza magnetica nucleare (1H MRS), mirando all’individuazione di marker spettroscopici da mettere in relazione al danno cellulare.
L’area “Effetti molecolari e cellulari di radiazioni a basso e ad alto LET” si articola attualmente nelle seguenti linee di ricerca:
­ effetti biologici “targeted” e “non targeted” delle radiazioni ionizzanti
­ ruolo del fondo naturale di radiazione nella risposta cellulare,
­ effetti genotossici della radiazione cosmica;
­ basi radiobiologiche dell’adroterapia

Chi siamo
Maria Antonella Tabocchini
Antonella Rosi
Alessandro Campa
Anna Maria Luciani
Valentina Dini
Sveva Grande
Alessandra Palma
Giuseppe Esposito

Allegati

Pubblicato il 08-10-2006 in Radiazioni e Radioprotezione , aggiornato al 21-11-2013

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