Corso di Radioprotezione e RadioBiologia

Slide a cura della Dott.ssa Alessandra Bernardini e  Prof. Mauro Belli Universita' degli studi di Cagliari, Dipartimento di Fisica

Testo di riferimento: Radioprotezione di base – S.Sandri, M.D’Arienzo, A. Coniglio casa editrice CISU

Struttura del corso RadioProtezione

Lezione 1: interazione radiazione materia
◦Brevi cenni di fisica atomica e nucleare
Lezione 2: grandezze e unità di misura
◦Unità di misura, grandezze dosimetriche e di protezione
Lezione 3: principi di rivelazione
◦Rivelatori e dosimetri
Lezione 4: dispositivi medici per diagnostica e terapia
◦apparecchi medicali
Lezione 5: apparati per uso industriale e ricerca
◦apparecchi industriali
Lezione 6: schermaggio delle radiazioni
◦Attenuazione della radiazione e barriere
Lezione 7: principi di radioprotezione
◦Principi internazionali e legislazione
Lezione 8: effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
◦Effetti biologici e sanitari, modelli matematici
Lezione 9: organizzazione della radioprotezione
◦Compiti e responsabilità, documentazione per al sorveglianza fisica

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Struttura del corso RadioBiologia

Richiami sull’interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia biologica
• Catena degli eventi e scala dei tempi degli effetti sull’organismo umano
• Le prime osservazioni sugli effetti indesiderati
• I meccanismi fondamentali in Radiobiologia

• Le basi cellulari.

• Colture cellulari e ciclo cellulare.
• Radiobiologia cellulare e relativi endpoints.
• Generalità sulle relazioni dose-risposta
• Natura del bersaglio cellulare. Effetti sui vari componenti cellulari (proteine, acidi nucleici, membrane),
• Evidenze del DNA come bersaglio principale.
• DNA e cromatina. I vari livelli di organizzazione della cromatina
• Cenni di chimica delle radiazioni
• Azione diretta ed azione indiretta
• I vari tipi di lesioni indotte sul DNA dalle radiazioni ionizzanti.
• Le rotture a doppio filamento del DNA cellulare come lesioni critiche
• Lesioni complesse al DNA
• Riparazione chimica ed enzimatica del danno al DNA
• Sistemi riparativi cellulari con particolare riferimento alla riparazione delle DSB.
• Cenni alla rivelazione e alla misura delle DSB. Centrifugazione in gradiente di densità, elettroforesi a campo costante e pulsato, metodo della fosforilazione dell’istone H2AX.
• Il concetto di ricongiungimento dei frammenti e di riparazione fedele.
• Relazione tra numero di DSB e numero di lesioni letali.
• Aberrazioni cromosomiche e cromatidiche in relazione al ciclo cellulare
• Ritardo mitotico. Morte cellulare: morte riproduttiva, apoptosi.
• Mutazioni geniche
• Aberrazioni cromosomiche
• Trasformazioni neoplastiche “in vitro”
• Fattori biochimici e biologici che modificano la radiosensibilità cellulare (ploidia e ciclo cellulare, capacità riparativa, presenza di ossigeno, radioprotettori endogeni ed esogeni)
• Fattori fisici e biofisici che modificano la radiosensibilità cellulare (qualità della radiazione, distribuzione temporale della dose, organizzazione del bersaglio)
• Richiami sulla forma della risposta biologica in funzione della dose e in funzione della qualità della radiazione.
• Modelli biofisici e modelli biologici. I primi tentativi di modellare la risposta in funzione della dose: le teorie dell’urto e del bersaglio, loro limiti interpretativi.
• La microdosimetria e la teoria dell’azione duale (TDRA): dimensioni del sito critico per i depositi energetici.
• Esperimenti contrastanti con la TDRA: effetto dei raggi X molli, esperimenti con ioni correlati, relazione RBE-LET o RBE-y per diverse particelle.
• Relazioni lineari-quadratiche ed uso fenomenologico della TDRA.
• La biologia nella risposta alle radiazioni: il ruolo della riparazione delle lesioni al DNA.
• La teoria molecolare.
• La teoria della riparazione saturabile.
• Recenti approcci basati sull’integrazione di fisica e biologia: il ruolo dei cluster di ionizzazioni, il concetto di lesioni correlate spazialmente e di lesioni complesse sul DNA, relazione con la riparabilità.
• Sviluppo di metodi computazionali per la struttura della traccia.
• Modelli di traccia radiali e 3D.
• Microdosimetria e nanodosimetria computazionale.
• Interazioni cellula-cellula.
• Radiobiologia di organi e tessuti.
• Modelli della risposta.
• Effetto del rateo di dose
• Frazionamento della dose e dose biologicamente efficace.
• Effetto ossigeno.
• Effetti sui tessuti sani e sui tessuti tumorali. La finestra terapeutica.
• Probabilità di controllo del tumore (TPC).
• Probabilità di complicanze dei tessuti normali (NTCP).
• Il rapporto terapeutico
• Aspetti radiobiologici della brachiterapia
• Misura della radiosensibilità
• Test prognostici e test predittivi di radiosensibilità in radioterapia
• Radioterapia mirata e adroterapia.
• Cenni ai trattamenti combinati radioterapia-chemioterapia

• Cenni di radiopatologia: effetti deterministici ed effetti stocastici
• Relazione degli effetti deterministici ed effetti stocastici con gli effetti cellulari.
• Integrazione dei dati epidemiologici e delle conoscenze radiobiologiche.
• Ruolo della radiobiologia nella determinazione della relazione dose-effetto.
• L’estrapolazione dei dati epidemiologici alle basse dosi. Il fattore di efficacia per la dose e il rateo di dose (DDREF) secondo l’ICRP.
• La valutazione dell’efficacia delle radiazioni densamente ionizzanti. Il fattore di qualità della radiazione secondo l’ICRP.
• Fattori di peso, dose equivalente e dose efficace, detrimento sanitario. L’uso della dose come indicatore di rischio.

• Il problema della valutazione del rischio alle basse dosi.
• Le basi razionali dell’estrapolazione lineare senza soglia alle basse dosi (ipotesi LNT) alla luce delle attuali conoscenze radiobiologiche.
• Il paradigma convenzionale della Radiobiologia e sue conseguenze in Radioprotezione.
• Violazione del paradigma convenzionale. Effetti biologici non lineari. Effetti “targeted” e “non-targeted”: meccanismi “bystander”, instabilità genomica, risposta adattativa.
• Critica all’uso della dose collettiva come indicatore di rischio. Limiti dell’attuale impostazione basata sull’ipotesi LNT e sui fattori di peso della radiazione.
• Le attuali incertezze in radioprotezione e linee di tendenza della ricerca radiobiologica.

• Obiettivi generali della radioterapia dei tumori.
• Richiami sulle differenze tra radiazioni fotoniche e particelle pesanti cariche: curve di attenuazione e curva di Bragg.
• Potenziali vantaggi dosimetrici e radiobiologici dei fasci di particelle pesanti cariche, con particolare riguardo ai protoni e agli ioni carbonio.
• Indicazioni dell’adroterapia.
• Il picco di Bragg allargato (SOBP) e la modulazione del fascio.
• Cenni alle principali modalità di trattamento con adroni carichi: la modulazione passiva e quella attiva.
• Radiobiologia dei protoni e degli ioni carbonio. Variazioni dell’efficacia biologica relativa (RBE) con la qualità della radiazione nel picco di Bragg.

• Il trattamento conforme e obiettivi del piano di trattamento; superfici isodose e superfici isoeffetto.
• Approcci per la valutazione dell’efficacia biologica e per la determinazione delle superfici isoeffetto: uso di simulazioni basate sui codici di Montecarlo.
• Impiego dei dati radiobiologici nei piani di trattamento (TPS).
• Cenni ai principali approcci per la valutazione della dose “biologica” e della dose “clinica” dei fasci di ioni carbonio. Uso di sistemi biologici cellulari di riferimento. Uso del “Local Effect Model” (LEM).
• Situazione attuale e progetti in corso a livello internazionale ed italiano. Cenni alla facility CATANA dell’INFN ed al Centro CNAO.

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