INGLESE

Il corso illustra i principali meccanismi che regolano l’azione biologica della radiazione ionizzante (RI) di interesse in radioprotezione ed in ambito clinico, con enfasi sulla qualità della radiazione, sui modelli radiobiofisici che sono stati elaborati nel tempo e sui concetti radiobiolologici che sono alla base della moderna radioterapia: particolare attenzione è poi data al razionale biofisico che motiva approcci terapeutici di precisione e particolarmente legati alla fisica quali l’uso terapeutico di fasci di particelle cariche (adroterapia), nonchè nuove frontiere come la radioimmunoterpia, la BNCT e la FLASH Radiotherapy

E. J. Hall & A.J. Giacca. Radiobiology for the radiologist. Eight Edition. Lippincott, Williams and Wilkins editors, 2018
J. Kiefer, Biological radiation effects, Springer-Verlag, 1990
M. Joiner & A. van der Kogle, Basic clinical radiobiology,Arnold ed., Sixth edition, 2025

il corso si propone di fornire al discente la capacità di:
- Comprendere i meccanismi che portano dalla
deposizione di energia su scala nano- e micrometrica
alla manifestazione di effetti cellulari ed organici
misurabili
- Correlare l’induzione da parte delle RI
del danno citogenetico sia con i processi fisici che ne
determinano la distribuzione spazio-temporale che
con quelli biologici che ne modulano le conseguenze
- Apprendere le diverse tecniche e metodiche con cui
gli effetti biologici delle RI sono quantificabili ed
utilizzati per modellizzarne l’azione
- Acquisire consapevolezza sugli effettivi rischi e
benefici dell’uso della RI alla luce di un approccio
basato rigorosamente sulle evidenze sperimentali

Conoscenza dei concetti di base di interazione radiazione materia e dei costituenti della materia vivente (cellula, sua struttura e funzioni).

Lezioni frontale.

Esame orale volto ad accertare il livello di comprensione delle tematiche trattate durante il corso.

File powerpoint degli argomenti illustrati a lezione ed altro materiale utile (note, articoli scientifici) sarano forniti a cura del docente.

1. Concetti di radiazione direttamente e indirettamente ionizzante e di azione indiretta ed indiretta sul DNA. Stadio
fisico. Deposizione di energia e densità di ionizzazione. Stopping power e Linear Energy Transfer (LET). Struttura di
traccia. Cenni di microdosimetria. Stadio chimico: produzione e ricombinazione di radicali liberi. Fonti di esposizione
alla radiazione naturale di fondo. Grandezze radioprotezionistiche. Il modello LNT (Linear No-Threshold).
2. Effetti molecolari della radiazione ionizzante. Principali tipi di danni al DNA. Siti con danni multipli (clustered
damage). DNA Damage Response (DDR). Aberrazioni cromosomiche: tecniche di rivelazione. Biodosimetria.
3.Effetti a livello cellulare dell’esposizione alla radiazione ionizzante. Morte cellulare: necrosi, apoptosi, morte
riproduttiva, catastrofe mitotica, senescenza cellulare prematura. Misura della sopravvivenza cellulare: test
clonogenico. Curve dose-risposta. Modelli radiobiofisici. Teoria del target e sue modificazioni. Modello lineare quadratico
4. Radiosensibilità cellulare: sua dipendenza dal ciclo cellulare, dal LET e dall’ossigeno. Concetto di danno subletale.
Effetti del rateo di dose e del frazionamento della dose. Effetti extra bersaglio: bystander effect ed effetti abscopai in
vitro ed in vivo, instabilità genomica, risposta adattativa
5.Effetti dell’esposizione alla radiazione ionizzante a livello di organismo: sindromi da radiazione. Carcinogenesi
radioindotta. Database dei sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki. Non-cancer effects: danno cardiovascolare
radioindotto.
6. Cenni di biologia tumorale. Risposta tumorale e del tessuto sano alla radiazione ionizzante (controllo locale del
tumore e probabilità di complicazioni del tessuto sano). Il rapporto alpha/beta come misura della radiorisposta clinica.
Il razionale radiobiologico della moderna radioterapia. Uso di fasci di ioni accelerati in radioterapia (adroterapia):
razionale fisico e radiobiologico. Nuove frontiere nel trattamento radioterapico basate su fenomeni radiobiologici e
progressi tecnologici. La radioimmunoterapia. Approcci binari come esempio di applicazioni biomediche di reazioni
nucleari: Proton-Boron Capture Therapy (PBCT). Effetti di ratei di dose (ultra) elevati: FLASH-Radiotherapy e laser-driven particle acceleration.

English

The course deals with the biological effects of the exposure to ionizing radiation, both at the molecular and cellular level, with a specific focus on radiation protection and clinical applications. An overview of the historical models by which the action of radiation has been described will be provided, together with the main radiobiological assays used to quantify the manifold effects of radiation exposure. Particular emphasis will be devoted to the radiobiological rationale underlying the currently adopted protocols in radiotherapy, with attention to the physical and radiobiological pillars on which modern precision radiooncology is based, that is the use of accelerated particle beams (hadrontherapy). An overview is also provided on most recent developments iin combined treatments exploiting nuclear physics reactions, such as Boron-Neutron Capture Therapy (BNCT) and Proton-Boron Capture Therapy (PBCT), novel temporal regimes (FLASH radiotherapy and laser-driven proton acceleration) and systemic responses (radioimmunotherapy).

E. J. Hall & A.J. Giacca. Radiobiology for the radiologist. Eight Edition. Lippincott, Williams and Wilkins editors, 2018
J. Kiefer, Biological radiation effects, Springer-Verlag, 1990
M. Joiner & A. van der Kogle, Basic clinical radiobiology,Arnold ed., Sixth edition, 2025

The course aims at l enabling the student to:
- Understand the mechanisms leading from the energy
deposition at the nano- and micrometric scale to the
manifestation of cellular and organismal measurable
effects
- Correlate the induction by IR of cytogenetic
damage with both the physical processes that
determine their spatio-temporal distribution and the
biological processes that modulate their outcome
- Familiarize with several techniques and procedures by
which IR-induced biological effects can be quantified
and used to model IR action
- Become aware of the actual risks and benefits
deriving from the use of IR thanks to a rigorously
evidence-based approach

Basic knowledge of the concepts of radiation-matter interaction and of the main constituents of living matter (cellular structure and functions)

Lectures in classroom.

Oral examination aiming at verifying the level of understanding of the topics dealt with during the course.

Powerpoint slides used to illustrate the content of the course during lectures and other material (notes, scientific papers) will be provided.

1.Directly and indirectly ionizing radiation, and notion of direct and indirect action of radiation on DNA. Physical stage.
Energy deposition and ionization density patterns. Stopping power and Linear Energy Transfer (LET). Track structure.
Fundamentals of microdosimetry. Chemical stage: free radical production and recombination. Sources of background
radiation exposure. Main entities in radiation protection. Linear-No Threshold (LNT) model.
2.Molecular effects of ionizing radiations. Main radiation-induced lesions. Multiply damaged sites (concept of
clustered damage). DNA Damage Response (DDR). Chromosome aberrations and main detection techniques.
Biodosimetry
3. Cellular effects of ionizing radiations. Cell death: necrosis, apoptosis, reproductive death, mitotic catastrophe,
premature cellular senescence. Quantification of radiation-induced cell death: the clonogenic assay. Dose-response
curves. Radiobiological models. Target theory and its modifications. Linear-quadratic model.
4. Cell radiosensitivity: its dependence on the cell cycle, LET and oxygen levels. Concept of sub-lethal damage. Dose
rate and dose fractionation effects. Non-targeted effects: bystander and abscopal responses in vitro and in vivo,
genomic instability, adaptive response
5. Effects of ionizing radiation exposure at the organism level: radiation syndromes. Radiation-induced carcinogenesis.
Hiroshima and Nagasaki survivors’ database. Non-cancer radiation effects: radiation-induced cardiovascular diseases.
6. Notions of tumour biology. Response of tumour and normal tissue (tumour local control and normal-tissue
complication probability curves): the alpha/beta ratio as a measure of clinical response. Radiobioogical rationale of
modern radiotherapy. The radiobiological and physical bases for the use of accelerated particle beams in radiotherapy
(hadrontherapy). New frontiers in cancer treatment by radiation: radioimmunotherapy, nuclear reaction-based binary
approaches (proton-boron capture therapy), effects of ultra-high dose rates (Flash-Radiotherapy and laser-driven
particle acceleration)