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Radiazioni - Ricerca e Applicazioni
Vol XX n. 1-2, Aprile-Agosto 2017
Pubblicazione periodica quadrimestrale
Editrice: Società Italiana per le Ricerche sulle Radiazioni Registrazione del Tribunale di Roma n. 406 del 6 Agosto 1998 Direttore Responsabile
Francesca Ballarini, Università degli Studi di Pavia e INFN-Sezione di Pavia e-mail: francesca.ballarini@unipv.it Tel.: 0382 987949
Comitato di Redazione
Mariagabriella Pugliese (Presidente SIRR), Francesca Antonelli, Silva Bortolussi, Valentina Dini, Daniele Dondi, Maria A. Mirri, Rosa Sciuto, Antonella Sgura, Lidia Strigari (Consiglio Direttivo)
SOMMARIO
IART (Intra-operative Avidination for Radionuclide Treatment) Giovanni Paganelli, Maria Luisa Belli, Anna Sarnelli
CHROMOSOME ABERRATIONS AND OTHER BIOMARKERS Francesca Ballarini
COMPLETE ANALYSIS OF RADON AND THORON ALPHA SPECTRA AND APPLICATION TO TIME-SERIES RECORDED IN THE PHLEGREAN FIELDS AREA F. Ambrosino, M. Pugliese, V. Roca, C. Sabbarese
COMBINED EFFECT OF DIFFERENT X-RAY DOSES AND LIGHT QUALITY ON SOYBEAN SEEDLINGS
Amitrano Chiara, De Micco Veronica, Vitale Ermenegilda, Pugliese Mariagabriella, Arena Carmen APPLICAZIONE DELLA FLUORESCENZA A RAGGI X ALLO STUDIO DI PIGMENTI DI AFFRESCHI
Jessica Brocchieri, Elvira Scialla, Carlo Sabbarese
STUDIO DELLE PROPRIETÀ RADIOPROTETTRICI E RADIOSENSIBILIZZANTI DI ESTRATTI VEGETALI DI CILIEGIA CAMPANA IN CELLULE UMANE NORMALI E TUMORALI ESPOSTE A RAGGI X
Ester Del Prete, Severina Pacifico, Simona Piccolella, Daniela Scognamiglio, Lorenzo Manti
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ALTERNATIVE LENGTHENING OF TELOMERE (ALT) INDUCED BY X-RAYS IN HUMAN PRIMARY FIBROBLASTS
De Vitis M., Coluzzi E., Berardinelli F., Addis E., O’Sullivan RJ., Sgura A.
ANALISI DEGLI EFFETTI GENOTOSSICI PRECOCI E PERSISTENTI DEL TRATTAMENTO CON I-131 IN PAZIENTI CON CARCINOMA DIFFERENZIATO DELLA TIROIDE TRATTATI IN CONDIZIONI DI IPOTIROIDISMO O IN PRESENZA DI rhTSH
Jessica Marinaccio, Marta Pacilio, Andrea Bracaglia, Francesco Berardinelli, Marco De Vitis, Giorgia Aversa, Marco Chianelli, Anna Giovanetti, Anna Tofani, Alberto Signore, Antonella Sgura STUDIO DELLA QUALITA’ DELL’IMMAGINE IN DIGITAL BREAST THOMOSYNTHESIS: CONFRONTO TRA OGGETTI DI TEST
C. Feoli, M. Sannino
RADIORESISTANCE OF DWARF BEAN PLANTS IRRADIATED WITH C AND Ti HEAVY IONS
Ermenegilda Vitale, Veronica De Micco, Bruno Hay Mele, Chiara Amitrano, Anna De Maio, Simona Carfagna, Carmen Arena
A PREDICTIVE VERSION OF THE BIANCA BIOPHYSICAL MODEL TO CALCULATE BIOLOGICAL EFFECTS ALONG HADRONTHERAPY DOSE PROFILES
Mario P. Carante
A NOVEL APPROACH TO DOSE CALCULATION IN HADRONTHERAPY Alessia Embriaco, Valentina E. Bellinzona, Andrea Fontana, Alberto Rotondi
CHARACTERIZATION OF A CdZnTe DETECTOR PROTOTYPE FOR BORON IMAGING BY SPECT
S. Fatemi, C.H. Gong, S. Bortolussi, I. Postuma, N. Protti, G. Benassi, N. Zambelli, M. Bettelli, A.
Zappettini, X.B. Tang and S. Altieri
BEAM RANGE MONITORING IN PARTICLE THERAPY WITH CHARGED SECONDARY PARTICLES
Giuseppe Battistoni, Francesco Collamati, Erika De Lucia, Riccardo Faccini, Paola Maria Frallicciardi, Carlo Mancini-Terracciano, Michela Marafini, Ilaria Mattei, Silvia Muraro, Riccardo Paramatti, Luca Piersanti, Davide Pinci, Antoni Rucinski, Alessio Sarti, Adalberto Sciubba, Elena Solfaroli Camillocci, Marco Toppi, Giacomo Traini, Serena Marta Valle, Cecilia Voena, Vincenzo Patera
TARGET FRAGMENTATION IN PROTONTHERAPY Serena M. Valle on behalf of the FOOT Collaboration
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IART (Intra-operative Avidination for Radionuclide Treatment) Giovanni Paganelli1, Maria Luisa Belli2, Anna Sarnelli2
1Nuclear Medicine Unit, Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (IRST) IRCCS, Meldola, Italy
2Medical Physics Unit, Istituto Scientifico Romagnolo per lo Studio e la Cura dei Tumori (IRST) IRCCS, Meldola, Italy
email: anna.sarnelli@irst.emr.it Introduzione
Il trattamento post-chirurgico di pazienti affette da tumore mammario sottoposte a chirurgia conservativa punta a prevenire le recidive di malattia [1-2]. Alcuni studi hanno dimostrato che i trattamenti che riducono in maniera sostanziale il rischio di recidiva locale sono associati ad una prolungata sopravvivenza delle pazienti trattate [3-4]. Tra le diverse tecniche di trattamento post- operatorie disponibili, la radioterapia locale migliora significativamente sia il controllo locale che la sopravvivenza a 15-anni post trattamento dopo terapia chirurgica parziale (“breast conservative”) o mastectomia totale [5-6].
Tuttavia, la radioterapia tradizionale a fasci esterni viene erogata in cicli di sedute giornaliere ripetute per 6-8 settimane, a seconda dello schema di trattamento adottato. A causa della lunga durata del trattamento e delle liste di attesa, molte pazienti ritardano la radioterapia o non riescano a portarla a termine. Alcuni autori hanno dimostrato che oltre alla mancata terapia post-chirurgica anche il prolungamento dei tempi d’attesa tra la chirurgia e l’inizio del trattamento radioterapico può incidere sulla sopravvivenza [7-8].
Da alcuni anni sono in fase di studio numerosi metodi per accelerare i tempi della radioterapia post intervento quali la IORT (Intra-Operative RadioTherapy [9]), la brachiterapia con MammoSite [10], il Targit [11] e la radioterapia stereotassica ipofrazionata [12]. In campo medico nucleare è stato sviluppato il metodo IART (Intra-operative Avidination for Radionuclide Treatment [13]) che consiste nella somministrazione locale di un radiofarmaco per un trattamento mirato alla lesione tumorale. La tecnica è basata sulla forte affinità che esiste naturalmente tra avidina (una proteina simile alla albumina) e biotina (nota anche come vitamina H). L’avidina iniettata dal Chirurgo nel letto operatorio si lega in maniera specifica alla biotina radiomarcata iniettata in vena dal Medico Nucleare 24 ore dopo l’intervento chirurgico.
Il radio farmaco IART è quindi un farmaco multi-componente la cui somministrazione avviene in diverse fasi (Figura 1):
step 1: creazione nella sede tumorale di una serie di recettori artificiali mediante l’iniezione in fase intra-operatoria di 100 mg di Avidina.
step 2: iniezione, a 24 ore dall’intervento chirurgico, di 50 mg di Albumina umana biotinilata (HSA-Biot) così da bloccare l’eccesso di avidina circolante
step 3: a 10 minuti dallo step 2, co-iniezione per 30 minuti di 185 MBq di 111In-biotina-DOTA (4 GBq/mg, ST 2210) e di 3.7 GBq di 90Y- Biotina (4 GBq/mg). Il primo farmaco viene iniettato a scopo di imaging per valutare la distribuzione dell’avidina sia in sede tumorale che nei tessuti sani, mentre il secondo farmaco ha finalità terapeutiche.
L’obiettivo primario della IART è di fornire, in maniera semplice e riproducibile un boost di dose al letto tumorale di circa 20 Gy il giorno dopo l’intervento chirurgico. Tre-quattro settimane dopo il
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boost, la paziente viene sottoposta a trattamento radioterapico a fasci esterni in regime accelerato (13 sedute giornaliere, 5 sedute/settimana, 2.85 Gy/seduta, per un totale di 37 Gy su tutta la mammella).
Il radioisotopo 90Y utilizzato a scopo terapeutico è un emettitore beta con un tempo di dimezzamento pari a 64.1 ore, un’energia media di emissione pari a 0.94 MeV ed energia massima di 2.27 MeV. A tale spettro energetico corrisponde un range medio di penetrazione nei tessuti molli di circa 5-6 mm (con R massimo di 11 mm). Ciò permette di effettuare una radioterapia altamente localizzata sulla sede tumorale, risparmiando i tessuti sani circostanti. La IART consente:
un precoce trattamento della regione mammaria a maggior rischio di recidiva
un risparmio di dose agli organi vitali circostanti (cuore, pleura e polmone) ed un minore impatto estetico sulla mammella trattata (ridotta dose a fasci esterni sulla cute)
riduzione delle visite ospedaliere associate alla radioterapia esterna fino al 30-50%, con vantaggi di compliance psicologici ed economici per la paziente ed il sistema sanitario.
Acquisizione e analisi dei dati
La dosimetria durante terapia prevede la raccolta di campioni ematici ed urine e l’acquisizione di immagini fino a tre giorni dalla somministrazione del composto marcato. L’obiettivo è quello di valutare, in corso di terapia, la dose effettivamente erogata al tumore e agli organi sani.
Studio biocinetico
Uno studio dosimetrico di carattere diagnostico [13-14] è stato inizialmente effettuato per valutare la biodistribuzione e la biocinetica del farmaco, sia nella regione bersaglio che negli organi sani a rischio nel trattamento IART. Dopo l’iniezione di avidina nel letto tumorale, alle pazienti è stata iniettata biotina marcata con 111In, emettitore gamma (t1/2 =2.8 giorni, emissione a 173 keV e 247 keV) adatto per l’acquisizione di immagini con gamma camera [15]. Nell’ipotesi che la cinetica della biotina sia indipendente dal radioisotopo con cui è marcata, le analisi effettuate sulla base della distribuzione di
111In sono rappresentative della biodistribuzione della biotina marcata con 90Y e possono essere utilizzate per il calcolo della dose mediante opportuno fattore di conversione. È anche possibile, in alternativa, iniettare unicamente 90Y-biotina ed acquisire le immagini prodotte dai fotoni di bremsstrahlung, previa opportuna calibrazione della gamma camera [16].
La valutazione dosimetrica si basa sull’analisi di campioni biologici (campioni di sangue e campioni di urine) e sull’analisi di immagini emissive. In particolare, dalla misura della concentrazione di attività nel sangue viene stimata la dose al midollo rosso, considerato l’organo a rischio in questa metodica. Dalla raccolta di urine viene derivata la curva cumulativa di escrezione dell’attività, rappresentativa – per complementarietà – dell’attività trattenuta all’interno del corpo, nonché utile per valutare la dose alla vescica. Campioni biologici da prelievi ematici (eseguiti a partire da 1 min fino a 48 ore post iniziazione) e campioni di urine (raccolta effettuata per 3 giorni post iniezione) sono stati analizzati con un contatore gamma dedicato.
Infine, per i restanti organi sani, e per la mammella operata, il calcolo della dose si basa sulle immagini di biodistribuzione. La dosimetria tradizionale prevede l’acquisizione di una serie di immagini planari (Figura 2). Da queste è possibile derivare una stima della dose media agli organi captanti, e della dose alla mammela operata. Con l’utilizzo delle sole immagini planari può essere difficile discriminare il tessuto tumorale dal tessuto sano, e quindi calcolare le dosi. In questi casi può risultare particolarmente utile acquisire uno studio SPECT ed effettuare un calcolo di dose tridimensionale. È stata quindi acquisita una serie di cinque immagini planari whole body, a partire da 1 ora dopo l’iniezione fino a circa 48 ore dalla stessa, per documentare l’evoluzione nel tempo
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della distribuzione del radiofarmaco. Parallelamente, per avere una rappresentazione tridimensionale dell’attività nella regione bersaglio, viene acquisita una SPECT a circa 15 ore dall’iniezione.
Sia le misure con gamma camera che le misure sui campioni biologici sono state effettuate con finestre energetiche del 20% centrate sui due picchi di emissione dell’111In (173 keV e 247 keV). La misura di concentrazione di attività per l’111In è stata quindi convertita in 90Y con appostiti fattori di conversione tra i due radioisotopi, per tener conto della diversa attività iniziale iniettata e della diversa dose erogata dai due radioisotopi [15].
Localizzazione anatomica
Per una valutazione accurata della dose erogata è necessario identificare in maniera adeguata la regione bersaglio. Pertanto risulta di fondamentale importanza fondere le immagini SPECT con immagini morfologiche, tipicamente CT, per un’adeguata collocazione della distribuzione di attività sulla base di riferimenti anatomici.
Nel caso della IART la regione bersaglio della terapia è rappresentata dal letto tumorale e dai tessuti ad esso immediatamente adiacenti. Questa regione non può essere identificata in maniera univoca sulle immagini CT in quanto non esistono riferimenti anatomici che la distinguono dal tessuto mammario circostante. Inoltre, poiché l’avidina, prima di essere raggiunta dalla biotina marcata, diffonde parzialmente al di fuori della regione in cui è stata iniettata, le immagini SPECT mostrano una regione più ampia di quella corrispondente al bersaglio della terapia.
L’utilizzo combinato di immagini SPECT e CT risulta quindi necessario ai fini dosimetrici. La soluzione ottimale si ottiene acquisendo immagini con uno scanner ibrido SPECT/CT, in modo tale che i due dataset SPECT e CT sono già coregistrati.
In assenza di uno scanner ibrido SPECT/CT, si possono acquisire separatamente le immagini SPECT e CT posizionando sulla paziente 3 marker radio-opachi, visibili con entrambe le metodiche, e procedere successivamente alla coregistrazione [14]. Si suggerisce di posizionare due marker in corrispondenza delle scapole, ed il terzo in posizione centrale sul torace o sull’addome, in modo da delimitare una regione che comprenda interamente la mammella. La soluzione ideale sarebbe quella di posizionare, in sede di intervento, clip metalliche ai margini della regione che si intende irradiare, ossia quella in cui viene iniettata l’avidina. In questo modo, la coregistrazione delle immagini SPECT e CT consente di identificare sull’immagine CT – e conseguentemente sulla SPECT – la regione target.
L’analisi visiva delle immagini SPECT ha mostrato una regione di captazione più intensa, delimitata dalla soglia di isoconteggio del 50%, con attività progressivamente decrescente all’esterno. Tale regione è stata identificata come regione target, in cui effettuare valutazioni dosimetriche da confrontare con la prescrizione di dose. [14].
Dosimetria
Il calcolo della dose nella regione target può essere effettuato con diverse metodiche.
In prima approssimazione, si può ipotizzare che la regione target, di volume irregolare, sia rappresentata da una sfera di pari volume, e che la distribuzione di attività al suo interno sia uniforme.
Alternativamente, è possibile calcolare la distribuzione di dose utilizzando le immagini SPECT ed i fattori di conversione attività-dose a livello di voxel (fattori S per “voxel dosimetry”[18]). Questa metodica non è affetta da approssimazioni sulla forma della regione target e sulla distribuzione di attività al suo interno, anche se permane il limite intrinseco dovuto alla bassa risoluzione spaziale della SPECT. Tale approccio si basa sull’assunzione che tutti i voxel abbiamo la stessa cinetica, valutata sulle immagini planari e che la distribuzione di attività nella regione mammaria non vari nel tempo. Questa ipotesi trova giustificazione nelle immagini di biodistribuzione, che hanno mostrato una distribuzione del farmaco nella zona target pressoché invariante durante il corso della terapia [14].
6 Risultati dosimetrici
I dati raccolti su un gruppo eterogeneo di pazienti, con tumori di diversa natura in diverse localizzazioni, hanno evidenziato che con questa tecnica si ottiene un rapido accumulo dell’attività nella lesione, un elevato rapporto di concentrazione fra il tumore e gli organi sani [17] e, di conseguenza, un elevato indice terapeutico.
In particolare, dopo circa 15 ore dall’iniezione la percentuale di attività nel sangue è inferiore al 5%
dell’attività somministrata. Entro 16 ore, circa l’85% dell’attività totale iniettata (±10%) viene eliminata per via urinaria. La captazione nella mammella operata è già evidente a pochi minuti dalla somministrazione e cresce per raggiungere un plateau in poche ore persistendo per diversi giorni . La dose al midollo dovuta all’attività di radiofarmaco circolante nel sangue è ben al di sotto dei limiti di tolleranza. Le dosi agli altri organi sani sono da considerarsi trascurabili. La vescica e i reni ricevono le dosi più elevate, tuttavia molto contenute, con un range di 0.6-2.05 Gy/ GBq per i reni e 1.2 -1.5 Gy/GBq per la vescica
Viceversa, le dosi alla zona target sono comprese fra 4.2 e 7.3 Gy/GBq garantendo l’obiettivo di una dose superiore a 20 Gy per 3.7 -5.5 GBq di 90Y biotina somministrata.
Terapia combinata: IART e RT fasci esterni
L’utilizzo combinato della tecnica IART associata a un trattamento radioterapico con fasci esterni richiede una stima della dose complessiva erogata al paziente. Per effettuare tale stima è necessario tenere in considerazione non solo la diversa modalità di somministrazione della dose (sorgente interna o esterna al paziente), ma anche la diversa efficacia biologica delle radiazioni (fotoni o elettroni, diverso rateo di dose,….), la diversa geometria di trattamento e le eventuali modificazioni anatomico/funzionali del paziente. È quindi necessario tradurre la dose espressa in Gy per entrambi i trattamenti in dose espressa in BED (biologically-effective dose), in modo tale da poter combinare le dosi erogate dai due trattamenti in un unico valore di dose complessivo [19-20].
Inoltre mentre per le tecniche di RT esterna, sono stati sviluppati metodi accurati di valutazione della dose sia tridimensionali che basati sull’istogramma dose volume (DVH), per quanto riguarda la radioterapia metabolica tali metodi risultano ad oggi ancora in fase di studio. È quindi necessario migliorare le metodiche di valutazione della dose 3D, riducendo le possibili fonti di incertezza, e calcolare i DVH della lesione tumorale e degli organi sani circostanti. Le distribuzioni di dose 3D e i DVH calcolati per entrambe le metodiche (RT esterna e IART) vanno poi convertiti in istogrammi BED-volume (BED-VH) e opportunamente combinati tra loro. Pertanto, è importante sviluppare strumenti semplici da utilizzare e al contempo robusti rispetto ai diversi parametri in gioco, in grado di supportare il clinico nell’ottimizzazione globale del trattamento combinato IART e RT a fasci esterni.
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a) b)
Figura 1. Fasi in cui viene effettuato il trattamento di lesioni mammarie con tecnica IART (Intra- operative Avidination for Radionuclide Treatment). a) step 1: creazione nella sede tumorale di una serie di recettori artificiali mediante l’iniezione in fase intra-operatoria di 100 mg di Avidina . b) step 2 e 3: a 24 ore dall’intervento chirurgico, iniezione di 50 mg di Albumina umana biotinilata (HSA- biot) e successivamente a 10 min co-iniziezione per 30 minuti di 185 MBq di 111In-biotina-DOTA (4 GBq/mg, ST 2210) e di 3.7 GBq di 90Y- Biotina (4 GBq/mg).
Figura 2. Localizzazione anatomica della regione di captazione post-somministrazione del radiofarmaco. Le immagini planari SPECT whole body sono state acquisite a 1 ora, 3 ore, 15 ore e 24 ore dalla somministrazione del radiofarmaco. Una freccia indica la regione di massima captazione, corrispondente alla lesione mammaria.
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CHROMOSOME ABERRATIONS AND OTHER BIOMARKERS Francesca Ballarini1,2
1University of Pavia, Physics Department, via Bassi 6, I-27100 Pavia, Italy
2INFN-Sezione di Pavia, via Bassi 6, I-27100 Pavia, Italy
email: francesca.ballarini@unipv.it
Introduction
“Any measurement reflecting an interaction between a biological system and an environmental agent, which may be chemical, physical or biological” is the definition of biomarker provided by WHO [1].
According to Brooks [2], biomarkers can be divided into the following main categories: 1) biomarkers of exposure, i.e. those for which a dose-response can be established («biodosimeters»), like chromosome aberrations; 2) biomarkers of sensitivity and risk, which are associated to increased individual susceptibility to radiation, such as the well-known Ataxia Telangiectasia Mutation; 3) biomarkers of disease, i.e. biological events that can be used to anticipate a clinical diagnosis, like the Brca mutation for breast-ovarian cancer. Some of the biomarkers included in the first two categories are also called “retrospective biomarkers” if they persist for a certain amount of time after irradiation, thus helping to estimate dose and/or risk even years after exposure.As reported in [3], the characteristics of an ideal biomarker include its sensitivity, specificity, reproducibility and known variability in the general population. In case of large scale molecular epidemiological studies, an additional desisrable characteristic is the possibility of using non-invasive procedures for collecting the biological samples.
10 Possible biomarkers
Many different biological events can be considered as potential biomarkers, and each of them has advantages and drawbacks. Among cytogenetic biomarkers, dicentric chromosomes (i.e.
chromosomes with two centromeres resulting from incorrect rejoining of chromosome fragments involving two different chromosomes) scored in peripheral blood lymphocytes (PBL) have many advantages: they are almost exclusively induced by ionizing radiation; they allow assessing individual whole-body exposures to doses as low as 0.1 Gy for low-LET radiation, thanks to their low background levels (about 0.001 dicentrics per cell); they are characterized by a close correspondence between in vitro and in vivo aberrations. In addition to acute, whole-body exposure, dose estimation by dicentrics in PBL can also be achieved for protracted and/or partial body exposure. One of the major drawbacks is that the frequency of dicentrics decreases following the turnover of lymphocytes, which have a half-life in the order of months/years. As a consequence, the scoring should be performed within a few weeks of irradiation, although lymphocyte half-time estimates can be applied if the scoring is performed later.
In contrast to dicentrics, reciprocal translocations persist in PBL for years, and thus they can be used as biomarkers of past exposures. However, the large inter-individual variation in the number of translocations among non-exposed subjects can confound very low-dose estimations. Furthermore, the fact that translocations can only be scored by FISH (Fluorescence In Situ Hybridization), which detects aberrations involving specific chromosome pairs, requires analyzing a larger number of cells with respect to Giemsa-stained dicentrics. While dicentrics and translocations allow estimating doses up to 4-5 Gy, much higher doses, up to 20 Gy (acute, low LET), can be estimated by Premature Chromosome Condensation (PCC), which induces chromosome condensation following fusion with mitotic cells or chemical treatment. While in quiescent cells the number of excess PCC fragments is scored, in cycling cells it is also possible to score ring chromosomes and dicentrics, as well as translocations if PCC is combined with FISH. If PCC fragments are scored, delays in sampling and lymphocyte isolation should be avoided, otherwise one has to take into account the repair kinetics.
An example of application of this technique is provided below.
Other cytogenetic biomarkers are micronuclei, which form when intact chromosomes or chromosome fragments remain in the cytoplasm after cell division, instead of being properly segregated into daughter cell nuclei during anaphase. Micronuclei, which can be visualized as small spherical objects, are easier to score with respect to most other cytogenetic techniques. However, due to variable base levels in different individuals, the standard CBMN (cytokinesis-blocked micronucleus) assay cannot detect acute whole-body doses below 0.2-0.3 Gy for low-LET radiation. Furthermore, many agents other than ionizing radiation can induce micronuclei, and confounding factors include age and gender.
Like dicentrics, also micronuclei are affected by lymphocyte turnover.
In addition to cytogenetic biomarkers, biomarkers related to different types of DNA damage have also been proposed. In particular it is worth mentioning DNA strand breaks, which can be measured either directly, or via surrogate endpoints such as γ-H2AX foci. Most of these biomarkers are not specific to ionizing radiation, and various confounding factors - including age and smoking - have to be taken into account. Among the so-called biophysical markers, it is worth mentioning the measurement of free-radical concentration in biological materials such as bones, tooth enamel, nails and hair. These measurements can be performed by electron paramagnetic resonance (EPR, or alternatively ESR) spectroscopy, which is based on the correlation between signal intensity and absorbed dose. A detailed discussion on many non-cytogenetic biomarkers can be found in [3], whereas the main characteristics of the biomarkers discussed in the present paper are reported in Table 1.
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Table 1: sensitivity and time window for the biomarkers discussed in this work.
Biomarker Dose-range (Sv) Post-exposure duration Dicentrics (Giemsa) 0.1-5 half-time: 2-3 years Translocations (FISH) 0.3-5 half-time: 6-12 years Micronuclei 0.3-5 half-time: 1 year γ-H2AX 0.01-8 minutes/days
ESR 0.1-10 several years
Examples of applications
Biodosimetry in radiotherapy patients
During radiotherapy, blood is unavoidably exposed, since lymphocytes circulate in the blood vessels and are distributed throughout the body. As a consequence, damage to the haematopoietic tissue is a major limiting factor with respect to the total dose that can be delivered in a radiotherapy treatment, due to both acute morbidity and the risk of developing secondary cancers [4].
In this framework, Durante et al. [5] monitored the induction of chromosomal aberrations in PBL of cancer patients treated with 10 MV X-rays or Carbon ions (290 or 350 MeV/u Spread-Out Bragg Peak) at NIRS in Chiba. The fraction of aberrant PBL was found to increase with the number of delivered dose fractions, reaching a plateau at high doses. Interestingly, while Carbon ions were found to be more effective than X-rays at inducing chromosomal aberrations in vitro, for the patients considered in this study the fraction of aberrant PBL was lower after Carbon-ion treatments than after X-ray treatments. This outcome was interpreted as a proof of the improved dose distribution achieved with Carbon ions. Furthermore, the fraction of aberrant PBL was found to be well correlated with the lymphocyte loss during the treatment, suggesting that the reduced yield of Carbon-induced aberrations in patients’ lymphocytes implies a lower risk of acute bone marrow toxicity with respect to X-rays, as well as a lower risk of secondary cancers.
Biodosimetry in astronauts
Chromosome aberrations in PBL are also used for biodosimetry evaluations in astronauts, who are exposed to a mixed radiation field consisting of high-energy protons, He-ions and heavier ions including Iron. Pre-flight calibration curves are generally obtained exposing astronauts’ blood samples to gamma rays in vitro. For each astronaut, the calibration curve is then used to convert the post-flight aberration yield into equivalent dose. This estimate is usually compared to physical dosimetry, typically based on measurements of skin dose by TLDs (Thermo Luminescence Dosimeters) and LET spectra by TEPCs (Tissue Equivalent Proportional Chambers). Many studies are available in the literature showing that, despite the uncertainties in both biological and physical measurements, biodosimetry estimates based on chromosome aberrations lie within the range expected from physical dosimetry. Reviews on this topic can be found in [6,7].
A particularly interesting study is due to Durante et al. [8], who measured aberrations in PBL from 33 crew members involved in long-term missions (more than 3 months) on the Mir station or the
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International Space Station (ISS), as well as short-term “taxi flights” (less than 3 months), spanning about ten years (from 1992 to 2003). Some cosmonauts were involved in multiple spaceflights, with a maximum total time in space of 748 days, corresponding to a cumulative dose of 289 mGy. The average absorbed dose for long-term missions was about 78 mGy. While for short-term missions the post-flight dicentric yields were not significantly higher than the pre-flight levels, for long-term missions the dicentric yields after the first flight showed a highly significant increase, consistent with the calculations from physical dosimetry. The maximum dicentric yield (0.0075 0.0028 dicentrics/cell) was observed for an astronaut who made a flight of 189 days, receiving 81 mGy. The comparison of post-flight dicentrics with calibration curves showed that the observed increase in dicentrics after long-term missions would correspond to an equivalent dose of 0.2 Sv. This corresponds to a Low-Earth-Orbit quality factor of about 2.5, consistent with the 2.4 value calculated by Badhwar et al. [9]. Interestingly, for cosmonauts involved in multiple flights the frequencies of dicentrics and translocations decreased rapidly between two subsequent flights, and the yields of stable translocations at the end of the last mission were generally in the same order as the background aberration frequencies measured before the first mission. This suggests that the effects of multiple space missions are not simply additive for chromosome aberrations, that might be explained taking into account changes in the immune system - and thus in lymphocyte survival and repopulation - under microgravity conditions and/or other phenomena including adaptive response to space radiation.
Biodosimetry in accidents
An example of the use of chromosome aberrations for biological dosimetry after accidental exposure is described in [10], reporting on cytogenetical dose estimation for three severely exposed workers (worker A, B and C) involved in the criticality accident that occurred in Tokai-mura (Japan) in 1999.
In a plant for Uranium enrichment, worker B was pouring a solution of enriched uranium (235U) into a precipitation tank directly, bypassing a dissolution tank and buffer column to be used to avoid criticality; worker A was standing behind the tank, whereas C was supervising in the next room. The amount of uranium was several times more than the limit, and a criticality chain reaction started; the workers were not wearing dosimeters. After seeing a light flash and hearing the alarm siren they immediately left the area; in a few minutes A developed nausea, vomiting and loss of consciousness, followed by diarrhea and fever. B developed nausea and vomiting within one hour, whereas C became nauseated after a few hours but did not vomit. Worker A died after 83 days, worker B after 211 days.
After the accident, all three were taken to the National Institute of Radiological Sciences (NIRS), and blood for aberration biodosimetry was taken at 9, 23 and 48 hours after the accident. Since PBL numbers were already very low and it was difficult to obtain enough mitotic cells, chromosome preparations were made according to a high-yield preparation method [11] and a phosphate-inhibitor- induced prematurely condensed ring (PCC-ring) method [12], which allowed estimating approximate doses for all three victims with one hour of work at the microscope. For all workers, there was no statistically-significant difference in aberration frequencies between the samples obtained at three different times. The dose estimation obtained using the samples obtained at 9 h by PCC-rings were in good agreement with those using dicentrics or dicentrics plus rings, and provided >20 GyEq for A, 7.4 Gy-Eq for B and 2.3 Gy-Eq for C. These values were consistent with physical estimates based on sodium activation and neutron flux calculations, which for the three workers were, respectively, 17-24 GyEq, 8.7-13 GyEq and 2.5-3.6 GyEq, assuming that the neutron RBE is 1.5-2.0 [13].
Conclusions
After introducing the concept of biomarker, the main characteristics of different biomarker types, with focus on cytogenetic biomarkers, were described and discussed, and a few examples of applications were provided. This analysis, together with other, much more extensive, works available in the literature, outlines that the scoring of chromosome aberrations in peripheral blood lymphocytes is one of the most specific and sensitive techniques of biological dosimetry [e.g. 14].
13 References
1. WHO, Biomarkers and risk assessment: concepts and principles. EHC 155, 1993
2. A.L. Brooks (1999), Biomarkers of exposure, sensitivity and disease. Int. J. Radiat. Biol. 75, 1481-1503
3. E. Pernot, J. Hall, S. Baatout et al. (2012), Ionizing radiation biomarkers for potential use in epidemiological studies. Mutat. Res. 751, 258-286
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6. M. Durante (2002), Radiation protection in space. Riv. Nuovo Cimento 25, 1-70
7. I. Testard, Ricoul M, Hoffschir F, Flury-Herard A, Dutrillaux B, Fedorenko B, Gerasimenko V, Sabatier L. (1996), Radiation-induced chromosome damage in astronauts' lymphocytes.
Int. J. Radiat. Biol. 70, 403-411.
8. M. Durante, Snigiryova G, Akaeva E, Bogomazova A, Druzhinin S, Fedorenko B, Greco O, Novitskaya N, Rubanovich A, Shevchenko V, Von Recklinghausen U, Obe G. (2003), Chromosome aberration dosimetry in cosmonauts after single or multiple space flights.
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9. G.D. Badhwar, Atwell W, Reitz G, Beaujean R, Heinrich W (2002), Radiation measurements on the Mir Orbital Station. Radiat. Meas. 35(5), 393-422.
10. I Hayata, R Kanda, M Minamihisamatsu, A Furukawa and M.S. Sasaki (2001), Cytogenerical dose estimation for 3 severely exposed patients in the JCO criticality accident in Tokai-mura.
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11. I Hayata, H Tabuchi, A Furukawa et al. (1992), Robot system for preparing lymphocyte chromosomes. J. Radiat. Res. 33, S231-S241
12. R. Kanda, I Hayata, DC Lloyd (1999), Easy biodosimetry for high-dose radiation exposure using drug-induced, prematurely condensed chromosomes. Int. J. Radiat. Biol. 75, 441-446.
13. N. Ishigure, A Endo, Y Yamaguchi, K Kawachi (2001), Calculation of the absorbed dose for the overexposed patients at the JCO criticality accident in Tokai-mura. J. Radiat. Res. 42, S137-S148
14. Cytogenetic analysis for radiation dose assessment: a manual. International Atomic Energy Agency (IAEA), Technical report 405, Vienna, 2001.
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COMPLETE ANALYSIS OF RADON AND THORON ALPHA SPECTRA AND APPLICATION TO TIME-SERIES RECORDED IN THE PHLEGREAN FIELDS AREA
F. Ambrosino(1,*), M. Pugliese(2,3), V. Roca(2,3), C. Sabbarese(1,3)
(1) Dipartimento di Matematica e Fisica, Università degli Studi della Campania “L.Vanvitelli”, Caserta, Italy
(2)Dipartimento di Fisica “E. Pancini”, Università degli Studi di Napoli “Federico II”, Napoli, Italy
(3) Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Napoli, Italy
(*) email: fabrizio.ambrosino@unicampania.it
Abstract
A new software for analyzing spectra from the 222Rn and 220Rn alpha progenies has been performed.
It identifies the alpha peaks, performs appropriate fits and the deconvolution of the 218Po and 212Bi overlapped peaks, and calculates the net area and its uncertainty. The software is applied on many spectra obtained in the continuous monitoring of Radon and Thoron specific activity in soil gas, recorded in the Phlegrean Fields area. Moreover, three analytical procedures to separate the local from the remote components in the time-series signals have been implemented and applied with the aim of identifying possible anomalous signals related to tectonic activities.
Introduction
When the measurements of the 222Rn (Radon) and 220Rn (Thoron) specific activity in air are performed by the RaMonA system [1], a complete spectrum of the alpha particles emitted by all their daughters deposed on a silicon detector surface is obtained. This system is based on electrostatic collection of the ionized descendants of the two gases and furnishes an alpha spectra that has the six emission peaks of 210Po (5.31 MeV), 218Po (6.02 MeV), 212Bi (6.09 MeV), 216Po (6.77 MeV), 214Po (7.68 MeV), 212Po (8.77 MeV) and the coincidence peak. In presence of two gases, the manual analysis of this spectrum does not allow a correct separation of the 218Po peak from that of 212Bi, being close energies, and therefore the activity of the 222Rn is well obtained from the peak of 214Po but with minor time resolution. In addition, despite the fact that the background is the only tail in front of the peak, the contribution is significant when the counts become significant. For these reasons, and to speed up the analysis phase, a specific software (FORTAS) is developed for alpha spectrum analysis, in an interactive Matlab operating environment [2]. The software is tested and automated on many different spectra, and also used to analyze the continuous monitoring of Radon in the area of Phlegrean Fields, an interesting seismic-volcanic area. The analysis of the time-series of Radon specific activity in soil gas is useful for searching anomalies coming out from stress changes associated with earthquakes during crustal and superficial processes. Since Radon emission is influenced by meteorological parameters such as rainfall, temperature, pressure and humidity with different seasonal effects that produce seasonal and periodic trends, a detailed study to distinguish the anomalous components, that could be masked, has been carried out. Three different procedures and respective algorithms are implemented, tested and used to investigate some Radon time-series recorded in two sites of the Phlegrean Fields area (Italy) [3].
15 Models and methods
FORTAS software
The FORTAS (Fit Of Radon-Thoron Alpha Spectra) software makes the best fit of the complete alpha-spectra coming from all progenies of 222Rn and 220Rn and the calculation of the fitting area of each peak considering the background of the entire spectrum. The software procedure identifies the position in channels of the peaks through the searching of local maxima and, then, associates the corresponding energy values at all peaks of the spectrum. The analysis in the case with overlapping peaks (218Po and 212Bi) is done dividing the peak in two parts separated from the position of the maximum value of counts; on these two parts the previous analytical algorithms are again implemented in order to identify the possible presence of the below covered peak. Then, each alpha peak is fitted by two functions: a Gaussian for the right side anda sum of two Gaussians for the left tail. The Levenberg-Marquardt fit method is used taking into account the background due to all other peaks; the calculation of net area of a peak, according to best fit, is made using the pair of Gauss- Kronrod adaptive quadrature formulas. The output of the software is the net area value of each peak and the associate uncertainty. Particular procedures have been also implemented in the software to analyze the spectra obtained in several conditions (partial presence of the six peaks, few counts on some peaks and accidental background noise) [2].
Signal decomposition
To analyze the Radon time-series signal, three spectral decomposition techniques are used; each of them has different powerful characteristics. The methods used, by homemade algorithms, are: the Empirical Mode Decomposition (EMD), the Multiple Linear Regression (MLR) and the Remote Radon Estimation (RRE). The EMD allows to distinguish different oscillation trends with different aims in the signal: smoothing, periodic and seasonal components, noise, residue, anomalies (original signal minus different combinations of reconstructed signal) [3]. The MLR is a statistic method for modeling the relationship between Radon specific activity in soil gas and the meteorological parameters: temperature, relative humidity, pressure and rainfall. To identify possible Radon anomalies, the predicted standardized values and residuals are used [4]. The RRE allows to estimate the remote 222Rn fraction connected to the dynamic phenomena in the Earth’s crust, by using the
220Rn trend in order to eliminate the local Radon fraction [3].
Applications, results and discussion
The accuracy of the FORTAS fitting method has been tested on hundreds real spectra produced by the RaMonA system, showing better results compared to those of manual analysis. Moreover, a specific study is carried out about the deconvolution of the overlapped peaks of 218Po and 212Bi isotopes, to determine the sensitivity of the discrimination, estimated as percentage difference between the areas ratios of overlapped peaks [2]. In addition, a comparative application on samples of 222Rn and 220Rn mixed atmosphere is done, showing a much better stability of collection efficiencies of Radon progenies compared with those obtained from a manual analysis [2]. The software has been also utilized to analyze the spectra in the continuous monitoring on a 5-years time series; then, the effectiveness of the three signal decomposition methods for searching the anomalies are tested. Thanks to the EMD method, some peaks hidden in the original signal have been found [3].
Moreover, also the MLR and RRE methods have identified possible Radon anomalies not associable with local and superficial effects [4]. The results of the three procedures are almost consistent. A comparison between obtained anomalies and earthquakes recorded in the monitoring area was done and has shown that an anomalous peak does not directly bind to an earthquake because of the variability of the time interval between the two events especially when many tectonic events occur;
however, many anomalous components have been individuated from all three methods.
16 References
1. V. Roca, A. Boiano, A.M. Esposito, S. Guardato, M. Pugliese, C. Sabbarese, G. Venoso (2004), A monitor for continuous and remote control of Radon level and environmental parameters. IEEE Nucl.
Sci. Symp. Conf. Rec. 3, 1563-1566.
2. C. Sabbarese, F. Ambrosino, R. Buompane, M. Pugliese, V. Roca (2017), Analysis of alpha particles spectra of the Radon and Thoron progenies generated by an electrostatic collection detector using new software. Appl. Radiat. Isot. 122, 180-185.
3. C. Sabbarese, F. Ambrosino, F. De Cicco, M. Pugliese, M. Quarto, V. Roca (2017), Signal decomposition and analysis for the identification of periodic and anomalous phenomena in Radon time-series. Radiat. Prot. Dosim., in press.
4. F. De Cicco, M. Pugliese, M. Quarto, V. Roca, C. Sabbarese, F. Savino, I. Aquino, W. De Cesare (2017), Multi-parametric approach to the analysis of soil radon gas for its validation as geoindicator in two sites of the Phlegrean Fields caldera (Italy). Environ. Earth. Sci. 76, 317.
COMBINED EFFECT OF DIFFERENT X-RAY DOSES AND LIGHT QUALITY ON SOYBEAN SEEDLINGS
Amitrano Chiara1*, De Micco Veronica2, Vitale Ermenegilda1, Pugliese Mariagabriella3, Arena Carmen1
1Department of Biology, University of Naples Federico II, Naples, Italy
2Department of Agricultural Sciences, University of Naples Federico II, Portici, Naples, Italy
3Department of Physics, University of Naples Federico II, Naples, Italy
*email: ch.amitrano@studenti.unina.it
In Space exploration, plants will play a crucial role, not only for resource regeneration, but also as a food resource. Currently, all the resources needed for short-term missions in Space come from Earth, with extremely high costs and logistical barriers. As so, the opportunity of growing plants in Space, operating at the same manner as on Earth, could represent an optimal tool to regenerate air through the photosynthetic CO2 absorption and O2 emission, to recover purified water through the transpiration, and to recycle waste products by the mineral nutrition, while providing fresh food to integrate the crew diet [1]. Furthermore, besides this role in regenerating resources, they could also be important as a psychological support for the crew, especially in the view of future long-term manned missions [2,3].The main objectives in the study of plants on board are summarized into two goals, such as the realization of artificial ecosystems, in which to create environmental conditions similar to Earth allowing plant growth, in order to sustain human life; and understand the effect of Space factors, such as radiation and microgravity, on plants growth and metabolism to assess the mechanisms of plant adaption. Ionizing radiation represents a key constraint for plant growth and photosynthesis in space interacting with many developmental processes. At very low doses, however, ionizing radiation may induce some positive effects related not only on plant physiological and morphological traits but also on the quality/quantity of the radiation. Among studies focused on the effect of ionizing radiation on plants, the challenge to improve conditions for plant growth in order to induce specific nutritional properties still remains. This study is aimed at analysing the effects of four doses of X rays (0, 0.3, 10 and 20 Gy) on soybean seedlings growing in a climatic chamber under
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three different light quality regimes: White (W), Red (R) and Red-Blue (RB) light. X-rays were chosen as reference radiation because in Space, a large fraction of ionizing radiation (about 87%) is delivered by protons, which are low-LET particles similar to X-rays for the effectiveness. The target species, Glycine max (L.) Merr. ‘PR91M10’ was selected on the basis of its interest in the agri-food sector and for its large utilization in human diet. Eligible traits are also the high nutritional values, the suitability for hydroponic growth and the fast growth. The aim of the study is to assess if specific light quality treatments, during plant growth may reduce and/or enhance the production, in irradiated plants, of metabolites useful in human diet. At this purpose, irradiated and control seedlings were analyzed in terms of growth (measuring stem, root elongation and fresh weight) and phytochemicals production (chlorophylls, carotenoids polyphenols and anthocyanins). In particular, we focused the attention on the role of ionizing radiation in promoting the production of carotenoids, pholyphenols and anthocyanins, as natural sources of antioxidants for astronauts. Our results showed that R-light induces a significant stem elongation in control and X-ray irradiated seedlings compared to W and RB. At the highest dose of X-rays, 20 Gy, conversely to W and RB, the R seedlings maintain higher values of fresh biomass. The RB-light treatment induced higher content of chlorophylls and carotenoids than W and R treatments. The R and RB light treatments determined in irradiated seedlings a significant increase in polyphenols and a significant decrease in anthocyanins compared to W and not-irradiated samples. The overall results indicated that there is significant interaction between the two factors, suggesting that it is possible to induce specific traits in irradiated plants by opportunely manipulating light quality during plant growth.
Irradiation procedure of soybean germinated
seeds using an X-ray generator (Siemens, Forchheim, Germany)
Growth chamber with three different light qualities treatments: White (W), Red (R) and Red-Blue (RB) light.
18 References
1. C. Arena, V. De Micco, A. Virzo De Santo (2012), Biorigenerative Life Support Systems in the Space (BLSS): Effects of radiation on plants. Ann kin, 3, 87-98.
2. R.M. Wheeler, C.L. Mackowiak, G.W. Stutte, J.C. Sager, N.C. Yorio, L.M. Ruffe, R.E. Fortson , T.W. Dreschel, W.M. Knott, K.A. Corey (1996), NASA’s biomass production chamber: a testbed for bioregenerative life support studies. Adv. Space Res, 18, 215–224
3. V. De Micco, G. Aronne, G. Colla, R. Fortezza, S. De Pascale (2009), Agro-biology for bioregenerative Life Support Systems in long-term Space missions: General constraints and the Italian efforts. J plant interact, 4, 241-252
APPLICAZIONE DELLA FLUORESCENZA A RAGGI X ALLO STUDIO DI PIGMENTI DI AFFRESCHI
Jessica Brocchieri(*), Elvira Scialla, Carlo Sabbarese
Dipartimento di Matematica e Fisica, Università degli studi della Campania “L. Vanvitelli”, Caserta, e CIRCE, Center for Isotopic Research on the Cultural and Environmental heritage, San
Nicola La Strada (Ce)
(*)email: jessica.brocchieri@unicampania.it
Abstract
Lo scopo di questa ricerca è l’analisi della natura dei pigmenti di frammenti di affresco provenienti dal sito archeologico Romano di Cuma con l’uso della tecnica ED-XRF. I risultati delle misure eseguite hanno consentito di ottenere la composizione elementale dei pigmenti e di identificare i colori senza distruggere e alterare in alcun modo i campioni.
Introduzione
Un nuovo settore di ricerca basato sulla tecnica della fluorescenza a raggi X in dispersione di energia (ED-XRF) è stato recentemente avviato all’interno del centro CIRCE per studi nel campo dei Beni Culturali. Tale tecnica analitica, non distruttiva e non invasiva, consente una veloce e precisa rivelazione e identificazione degli elementi inorganici che compongono lo strato superficiale del campione analizzato. Lo spessore dello strato indagato in una misura dipende dall’energia della radiazione incidente, dalla composizione del campione e dall’energia dei raggi X caratteristici secondari emessi dal campione stesso. I campioni analizzati sono d’interesse storico e artistico e sono stati sottoposti già ad altri tipi di analisi per lo studio della composizione delle malte e dei pigmenti[1]. L’applicazione della tecnica di fluorescenza è servita a confermare ed integrare alcune informazioni.
19 Campioni
I campioni provengono da due zone dell’area archeologica situate nella parte bassa della città di Cuma: una nicchia del Tempio con Portico e una stanza di una domus nella zona ovest dello stesso Tempio con Portico. I campioni sono stati prelevati direttamente dalla nicchia e dal pavimento della domus[1] dopo che erano rimasti esposti alle intemperie per secoli.
Sono stati analizzati 18 campioni: 7 campioni riportanti le diverse tonalità di rosso, 2 viola, 2 azzurro, 2 giallo, 4 nero, 1 verde. In Figura 1 sono riportate alcune foto dei diversi colori.
Nero Azzurro Rosso Acceso Viola Giallo Verde
Figura 1. Foto di alcuni frammenti di affresco riportanti i diversi colori analizzati.
Strumentazione e analisi
Le analisi ED-XRF sono state condotte tramite uno spettrometro portatile (XSORT XHH03, della ditta SPECTRO). Esso è dotato di: una sorgente a raggi X con anodo al Rodio (50kV-125µA-2.5W);
un rilevatore SDD, raffreddato elettricamente con una cella Peltier, con area attiva di 10 mm2 e risoluzione energetica < 160 eV alla riga Kα del Mn (5.9 keV); un sistema di acquisizione e tre software di elaborazione dei dati. Il metodo utilizzato permette l’identificazione sia degli elementi metallici sia di quelli non metallici con un’unica misura della durata di 60 s. Lo strumento consente di cambiare la corrente del tubo a raggi X in modo da rivelare tutti gli elementi da Z=11 (Na) a Z=92 (U). I software forniscono direttamente gli elementi che compongono il campione, le loro concentrazioni percentuali e i relativi spettri. Per l’analisi quantitativa utilizza il metodo dei parametri fondamentali. Tuttavia, data la natura dei campioni in oggetto e, in particolare, la loro inomogeneità e la presenza di strati di diversa natura (Pigmento, Intonachina, Malta), non è possibile fare un’analisi quantitativa. Dove è stato possibile sono stati analizzati separatamente i diversi strati. Da ogni misura si ottiene lo spettro delle fotoemissioni derivanti dagli elementi presenti nel campione e, grazie ad esse, si risale agli elementi maggioritari ed a quelli in tracce. La natura del pigmento e l’identificazione del colore sono stati ottenuti dai dati riportati in letteratura[2,3,4].
Risultati e discussione
Tutti i campioni analizzati sono caratterizzati dalla presenza di Calcio e di Stronzio. Infatti, il Calcio è un costituente principale e caratterizzante delle malte; lo Stronzio non caratterizza alcun pigmento antico ma è presente in tutti gli spettri poiché è fortemente legato al Calcio. In qualche caso è presente il Rubidio, che è un’impurezza associata ad alcuni inerti degli intonaci[5].
I pigmenti analizzati sono stati classificati per cromia come riportato in Tabella 1, dove sono riportati gli elementi caratteristici (cosiddetti maggioritari) e quelli in tracce. I colori rossi sono stati identificati come rosso ocra o rosso cinabro. I colori viola presentano lo stesso spettro del pigmento rosso ocra, con l’aggiunta del Rame che lo rende più scuro. Infatti, il Rame viene usato per scurire le tonalità del colore e piccole quantità di esso si trovano nelle tonalità scure di quasi tutti i colori. I colori gialli sono giallo ocra; il verde è terra verde ed infine l’azzurro è blu egizio. Dal pigmento nero non è stato possibile ottenere informazioni significative in quanto esso è di natura organica e lo strumento usato non può rivelare gli elementi con Z< 11.
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Pigmento Elementi Maggioritari Elementi in traccia Cromia
GRIGIO Ca, Fe Sr, K Non identificabile
ROSSO Fe, Ca Sr Rosso Ocra
ROSSO ACCESO Hg, Ca Fe, Sr Rosso Cinabro
VIOLA Fe, Ca, Cu Sr Rosso Ocra
NERO Ca Sr, Fe Non identificabile
AZZURRO Cu, Ca, Fe Pb, Sr Blu Egizio
ROSA Fe, Ca Sr, K Rosso Ocra
ROSSO SCURO Fe, Ca Sr Rosso Ocra
ROSSO CHIARO Fe, Ca Sr, Rb, K Rosso Ocra
VERDE Ca, Fe, Sr, K, Al Terra Verde
GIALLO Ca ,Fe Sr, Rb, As, K Giallo Ocra
Tabella 1: Elementi caratteristici ed in tracce rivelati nei pigmenti analizzati, e colore ricavato.
Conclusioni
Con tale metodologia d’indagine è stato possibile stabilire con chiarezza i pigmenti utilizzati per realizzare gli affreschi e confermare la loro appartenenza al periodo storico assegnato. Gli elementi trovati sono completamente compatibili con i composti molecolari ottenuti dalla spettroscopia Raman applicata ai medesimi campioni[1]. In più, la fluorescenza evidenzia anche degli elementi presenti in piccole quantità che, in taluni casi, caratterizzano la natura del pigmento in maniera più completa; ad esempio, il pigmento verde presenta tracce di Potassio (K) e Alluminio (Al) che hanno consentito di individuarlo come terra verde, risultato dubbio per la tecnica Raman.
Referenze
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2. R. L. Feller (1986), Artists’ Pigments: A Handbook of Their History and Characteristics, Cambridge University Press, 1, 141-168.
3. A. Roy (2012), Artists’ Pigments: A Handbook of Their History and Characteristics, C.U.P, 2, 159-180.
4. E. West FitzHugh (1997), Artists’ Pigments: A Handbook of Their History and Characteristics, C.U.P, 3, 23-40.
5. C. Seccaroni, P. Mioli (2004), Fluorescenza X Prontuario per l’analisi XRF portatile applicata a superfici policrome, Nardini Editore, 112-117-118.
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STUDIO DELLE PROPRIETÀ RADIOPROTETTRICI E RADIOSENSIBILIZZANTI DI ESTRATTI VEGETALI DI CILIEGIA CAMPANA IN CELLULE UMANE NORMALI E
TUMORALI ESPOSTE A RAGGI X
Ester Del Prete1, Severina Pacifico2, Simona Piccolella2, Daniela Scognamiglio1, Lorenzo Manti1
1Dipartimento di Fisica “E. Pancini”, Università degli Studi di Napoli Federico II
2Dipartimento di Scienze e Tecnologie Ambientali, Biologiche e Farmaceutiche, Università degli Studi della Campania Luigi Vanvitelli
email: ester.delprete@studenti.unina.it
Estratti vegetali di ciliegia e loro proprietà radiomodulanti
Recenti studi hanno mostrato come estratti di ciliegia (Prunus avium), ricchi in polifenoli, e provenienti da coltivazioni autoctone della Campania abbiano effetti antiossidanti a bassa concentrazione e proprietà pro-ossidanti a concentrazioni elevate [1].
Ciò ha suggerito la possibilità che queste sostanze possano modulare la radiorisposta cellulare, che è fortemente influenzata dalla produzione di specie reattive dell’ossigeno. La prospettiva di poter utilizzare un unico composto con proprietà radioprotettrici o radiosensibilizzanti a seconda della concentrazione è interessante perché permetterebbe, in linea di principio, la protezione delle cellule normali del tessuto, al contempo radiosensibilizzando quelle tumorali, specialmente nel caso di neoplasie radioresistenti. Esperimenti preliminari condotti presso il Laboratorio di Biofisica delle Radiazioni del Dipartimento di Fisica “E. Pancini”, Università di Napoli Federico II, in collaborazione con il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Ambientali, Biologiche e Farmaceutiche dell’Università della Campania “L. Vanvitelli”, che ha isolato e caratterizzato dal punto di vista biochimico questi estratti, hanno confermato le apparenti proprietà radiomodulanti di questi estratti vegetali in cellule di neuroblastoma [2].
I risultati di seguito riportati, invece, riguardano due linee cellulari, una di cellule normali dell’epitelio mammario (MCF-10) ed una di tumore della mammella (MCF-7), le quali sono state esposte a dosi crescenti di raggi X (0, 0.25, 0.5, 2, 4 Gy) in presenza di soluzioni a diversa concentrazione dell’estratto, il quale è stato lasciato agire per almeno 48h prima dell’irraggiamento.
Al fine di quantificarne l’azione radioprotettrice, è stata misurata l’induzione di danno genetico mediante la tecnica del micronucleo (Cytochalasin B-induced cytokinesis-block micronucleus assay) [3] nelle cellule MCF-10 processate con basse concentrazioni di estratto (25-50 µg/ml) rispetto al campione non trattato.
L’azione radiosensibilizzante delle alte concentrazioni di estratto (400-500 µg/ml) è stata studiata misurando il potenziale proliferativo delle cellule MCF-7 mediante il clonogenic assay (test clonogenico) [4].
Risultati sperimentali
I risultati mostrano una sensibile riduzione di danno citogenetico nelle cellule normali, già evidente a basse dosi di radiazione, tipicamente assorbite dal tessuto sano in pazienti sottoposti a radioterapia.
La soluzione a concentrazione 50 µg/ml è risultata essere lievemente più efficace della soluzione a 25 µg/ml nella riduzione del danno radioindotto. Inoltre, basse concentrazioni di estratto non sembrano avere effetti genotossici in assenza di radiazione, contrariamente a quanto osservato per le
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cellule di neuroblastoma nelle quali, in tali condizioni, si è registrato un aumento della frequenza di micronuclei.
Al contempo, i dati sembrano confermare che a concentrazioni maggiori (400-500 µg/ml) l’estratto aumenti la mortalità cellulare radioindotta nelle cellule tumorali esposte alle tipiche dosi del frazionamento terapeutico. Inoltre, dai controlli non irraggiati ma sottoposti alle alte concentrazioni di estratto, si può comunque osservare un effetto citotossico, dimostrando che le loro proprietà radiosensibilizzanti si manifestano anche in assenza di radiazione. Nonostante le conclusioni a cui si è pervenuti confermino, anche se in modesta quantità, le proprietà radiosensibilizzanti degli estratti vegetali su cellule di carcinoma mammario, i risultati ottenuti precedentemente con cellule di neuroblastoma appaiono maggiormente significativi. Un’ulteriore differenza da notare è che alla tipica dose erogata per frazione in una singola seduta di trattamento radioterapico, mentre per le cellule di tumore cerebrale si è rivelata maggiormente letale, e quindi più efficace, la concentrazione superiore (500 µg/ml) per la linea cellulare di carcinoma mammario, invece, è quella inferiore (400 µg/ml) a produrre i risultati migliori.
Conclusioni
Dal confronto dei risultati sperimentali, quindi, emerge che gli effetti radiomodulanti dei composti investigati risultano dipendere dalla linea cellulare utilizzata. Ulteriori studi sono in programma per meglio caratterizzare il duplice ruolo radioprotettore e radiosensibilizzante degli estratti di ciliegia (Prunus avium), usando altre linee cellullari e metodiche di indagine. Di notevole interesse è anche lo studio delle proprietà radiomodulanti di altre sostanze di origine vegetale che hanno mostrato lo stesso comportamento antiossidante e pro-ossidante [5].
Referenze
1. S. Pacifico et al. (2014), Chemical composition, nutritional value and antioxidant properties of autochthonous Prunus avium cultivars from Campania Region. Food Research International 64, 188-199.
2. S. Pacifico, V. Capozzi, I. Delfino, M. Lasalvia, M. Lepore, G. Perna, F. M. Perozziello, S.
Piccolella, V. Ricciardi and L. Manti (2016), Radiomodulating activity of cherry polyphenol- enriched extracts. Poster. 42nd Annual Meeting of the European Radiation Research Society (ERRS).
3. Fenech, Michael (2000), The in vitro micronucleus technique. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 455.1, 81-95.
4. Puck, T. T., & Marcus, P. I. (1956), Action of x-rays on mammalian cells. The Journal of experimental medicine. 103(5), 653-666.
5. S. Pacifico et al. (2016), A polyphenol complex from Thymus vulgaris L. plants cultivated in the Campania Region (Italy): New perspectives against neuroblastoma. Journal of Functional Foods 20, 253-266.
