Early and delayed biological effects of high energy, high Linear Energy Transfer

charged particles

D. BETTEGA1, P. CALZOLARI1, L. DONEDA2, M. DURANTE3, L. TALLONE1

1Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Milano and INFN, Italy2Dipartimento di Biologia e Genetica, Università degli Studi di Milano, Italy

3Dipartimento di Scienze Fisiche, Università Federico II, Napoli, and INFN, Italy

Questo studio è parte di un più ampio progetto, che coinvolge numerosi laboratori nazionali ed esteri, che ha come scopo la determinazione degli effetti biologici degli ioni pesanti di alta energia costituenti la radiazione spaziale.

La storia: fin dalla fine del 19° secolo, ci si rese conto che nell’ambiente terrestre era presente della radiazione , in parte riconducibile all’emissione da parte delle rocce terrestri ed in parte proveniente dall’esterno dell’atmosfera , come misero in evidenza i voli con palloni all’inizio del 900, che ne rilevarono l’aumento all’aumentare della quota.

La radiazione spaziale

Radiazione intrappolata nel campo magnetico terrestreFasce di Van Allen, al di sopra dell’atmosfera fino a ad oltre 70000 km , costituita da protoni ( fino a circa 450 MeV, 90% con ranges

1 cm acqua) ed elettroni (alcuni MeV, ranges 1-2 cm acqua ). Una piccola componente di alta energia penetra negli abitacoli,

producendo neutroni ed altro.

Radiazione emessa dal Sole (SPE)

Elettroni, protoni e particelle più pesanti di alta energia emesse occasionalmente dal Sole ( brillamenti ed emissioni dalla corona ) che, senza adeguata protezione, possono comportare dosi letali .

Radiazione Cosmica (GCR)Sono nuclei di tutti gli elementi di energia molto elevata (fino a 1 TeV/n) , provenienti dall’esterno del sistema solare. Importante per le missioni e le permanenze di lunga durata ( alcune p/ cm 2

s).

La radiazione ionizzante rilascia energia nei materiali attraversati producendo ionizzazioni ed eccitazioni degli atomi . Nei sistemi biologici questo determina,

alla fine di una serie di eventi chimici e biochimici, la produzione di danni. Grandezze fisiche legate all’effetto prodotto sono :

dose D = Eass/m (Gy = 1 J/kg)

Trasferimento Lineare di Energia LET = dE/dx ( keV/m)

In molti casi il LET non descrive con sufficiente dettaglio quello che avviene a livello del target primario dell’azione della radiazione, il DNA, occorre

guardare alle deposizioni di energia a livello nanometrico ( struttura di traccia)

Efficacia Biologica Relativa ( RBE) = ( Drad. riferimento / D )stesso effetto

(radiazione di riferimento : X (250kV) o 60Co).

I valori di RBE sono alla base dei fattori di qualità Q(L) assegnati alle diverse radiazioni nell’ambito della radioprotezione.

dose equivalente H = Q(L)D(L) dL ( Sv)

NASA: Strategic Program Plan for Space Radiation Health Research ( NASA, Washington DC ) 1998.

Radiazione cosmica

87% protoni, 12% He, 1% nuclei più pesanti con energie fino

a 1 TeV /n

I protoni sono i maggior costituenti in termini di flusso,

ma i nuclei (HZE)…….

alta E possono penetrare diversi cm di materiali alto Z elevata densità di ionizzazione ( Z2 )

alto LET alta efficacia biologica

Lo spettro della radiazione spaziale comprende protoni, neutroni, gamma, ioni HZE con diversa energia ed efficacia biologica, che

si modifica interagendo con i materiali. Pochi sono i dati sperimentali sugli effetti biologici , soprattutto quelli a lungo

termine, e nulli quelli di tipo epidemiologico.

La NASA ha valutato l’attuale incertezza nella stima dei rischi per l’induzione di tumore da parte della radiazione spaziale compresa tra 400 e 1500% (si vorrebbe ridurre questa incertezza al 50% entro il

2020).

La maggiore causa di questa incertezza è la scarsa conoscenza degli effetti biologici delle particelle cariche pesanti di alta

energia (ioni HZE)

Numerosi laboratori stanno conducendo esperimenti a terra, utilizzando modelli sperimentali (cellule coltivate in vitro) e fasci di ioni pesanti di alta

energia ( centinaia di MeV/n) prodotti da acceleratori.

Effetti misurati:mortalità cellulare

rotture a livello del DNAaberrazioni cromosomiche

mutazionialterazioni di geni

trasformazione neoplasticaeffetti nelle cellule progenie di quelle irraggiate

Parallelemente vengono sviluppati codici di calcolo e modelli di interazione radiazione spaziale - sistemi biologici.

Il nostro laboratorio : mortalità cellulare nelle cellule irraggiate e nella progenie di quelle sopravvissute alla radiazione (DRD) e

trasformazione neoplastica in presenza e in assenza di schermature di diversi materiali ( Esperimenti ASI e INFN) .

Ioni : Fe , Ti , Si fino a 1 GeV/n

Linee cellulari umane ( AG1522, CGL1)

DRD: diminuzione del potenziale clonogenico delle cellule progenie di quelle sopravvissute all’esposizione . Manifestazione di instabilità del genoma indotta dalla

radiazione?

Irraggiamenti:

• 0.2 and 0.5 GeV/n Fe and 0.49 GeV/n Si-ion beams, at HIMAC , NIRS (J)

• 1 GeV/n Fe and 0.97 GeV/n Ti- ion beams , at NSRL , BNL (USA)

rays : 60Co source , Istituto Nazionale dei Tumori, Milano

Heavy ion beams induce inactivation more effectively than 60 Co rays. The 1 GeV/n Fe beam shows the highest effectiveness for inactivation .

The highest LET iron beam (442 keV/ m ) shows the lowest effectiveness at low doses.

Surviving fraction vs dose for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1GeV/n Fe-ion beams , 0.97 GeV/n Ti and 0.49 MeV/n Si-ion beams .

LET values were respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,50,01

0,1

1

Dose ( Gy )

Sur

vivi

ng f

ract

ion

1 GeV/n Fe 0.5 GeV/n Fe 0.2 GeV/n Fe 0.49 GeV/n Si 0,97 GeV/n Ti

60

Co rays

Cloning Efficiency of the progeny versus dose given to their progenitors for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1GeV/n Fe , 0.97

GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams.

There is a large and dose dependent reduction of the cloning efficiency of the progeny of the irradiated cells compared with their controls with all types of radiations.

The effect is higher with all the ion beams compared with the gamma rays and the 1 GeV/n Fe ion-beam is the most effective.0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,01

0,1

1

Dose (Gy)

Clo

ning

Eff

icie

ncy

1 GeV/n Fe 0.5 GeV/n Fe 0.2 GeV/n Fe 0.49 GeV/n Si 0,97 GeV/n Ti

60

Co rays

RBE versus LET for survival and delayed reproductive death of AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1 GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and

0.49 GeV/n Si beams .

• The 0.2 GeV/n Fe-ion beam, with the highest LET value of 442 keV/ m, shows the lowest RBE values, 0.6 0.09 and 1.3 0.2 for survival and delayed reproductive death respectively.

• RBE values higher than one are found for both the effects with all the other LETs up to 150-200 keV/m , where RBE reaches a maximum of 1.60.1 and 3.3 0.6 for survival and delayed reproductive death respectively.

1 10 1000

1

2

3

4

5

Fe

Fe

Fe

Ti

Si

Co60 rays

Survival Delayed

Reproductive Death

RB

E

LET ( keV/ m )

RBE50% versus LET for survival and delayed reproductive death of AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1 GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and

0.49 GeV/n Si beams .

0,1 1 10 100

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Fe

Fe

Fe

TiSi

Co 60

rays

LET ( keV/ m )

RB

E 5

0%

Survival Delayed Reproductive

Death

Surviving fraction versus fluence for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1GeV/n Fe, 0.97 GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams. LET values

were respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240,01

0,1

1

Fluence (106 p/ cm

2 )

Sur

vivi

ng f

ract

ion

0.2 GeV/n Fe 0.5 GeV/n Fe 1 GeV/n Fe 0.97 GeV/n Ti 0,49 MeV/n Si The 442 keV/m Fe-ion beam

shows the highest effectiveness

the 56 keV/m Si-ion beam is the less effective

(for an inactivation level of 50% the 442 keV/m Fe-ion beam is about 5 fold more effective than the Si-ion beam)

Cloning efficiency of the progeny of the irradiated cells versus fluence given to their progenitors for AG1522 cells irradiated with 0.2, 0.5, 1GeV/n Fe, 1 GeV/n Ti and 0.49 GeV/n Si beams. LET values were

respectively 442, 200, 147, 106, and 56 keV/m

• The 442 keV/m Fe-ion beam shows the highest effectiveness

• the 56 keV/m Si-ion beam is the less effective

(for an inactivation level of 50% the 442 keV/m Fe-ion beam is about 5 fold more effective than the Si-ion beam ).

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 240,01

0,1

1

Fluence (106 p / cm

2)

Clo

ning

eff

icie

ncy

0.2 GeV/n Fe 0.5 MeV/n Fe 1 GeV/n Fe 0.97 GeV/n Ti 0.49 GeV/n Si

Inactivation cross section for the directly irradiated cells and their progeny, versus LET.

• Inactivaton cross sections for the directly irradiated cells increase with increasing LET from about 13 to about 80 m 2 in the LET interval between 56 and 442 keV /m.

• Inactivation cross sections for the progeny of the irradiated cells show a similar behaviour, varying from about 10 to about 60 m 2 in the same LET interval .

• For both the end points the maximum cross section is lower than the mean nuclear area ( 170 m 2).

100

10

100

Survival Delayed

Reproductive death

50%

(m

2 )

LET ( keV/ m )

The inactivation cross section 50% was evaluated from the slope of the survival or cloning efficiency curve at the dose

D 50% giving the inactivation level of 50%,

Conclusions

The heavy ion beams induce inactivation and delayed reproductive death more effectively than Co 60 rays.

The Relative Biological Effectiveness is maximum for LET values between 150-200 keV/m and it is higher for delayed

compared to early reproductive death .

Analysis of the fluence –effect curves shows that the inactivation cross sections for the directly irradiated cells

and for their progeny increase with LET up to 442 keV/m . The increase rate is similar for the two end points.

Preliminary results on neoplastic transformation induction

• Transformation frequency / surviving cells ( 10-5 ) in CGL1 human cells after 0,97 GeV/n Ti ions or 15 MeV photons irradiation 0 1 2 3 4 5

0

10

20

30

40

50

60

15 MeV photons

0,97 GeV/n Ti

Tra

nsfo

rmat

ion

freq

uenc

y/ s

urvi

ving

cel

l ( 1

0 -5 )

Dose (Gy)

ACKNOWLEDGEMENTS

• This research project has been funded by the Italian Space Agency

• ( ASI ) and by INFN.

• We are grateful to the staff of NSRL and HIMAC for their skillful technical assistance during irradiations.

• We also would like to acknowledge the invaluable assistance of K. Ando, Y Furusawa, P Guida and M. Vasquez during our staying in the laboratories at NIRS and BNL.

Grazie !