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Volume XI n.3 Periodico della Società Italiana per le Ricerche sulle Radiazioni Dicembre 2008 IPERTEMIA REGIONALE PROFONDA: PRINCIPI FISICI E PIANIFICAZIONE TRAMITE HYPERPLAN IPERTEMIA ONCOLOGICA: METODI, INDICAZIONI CLINICHE E LIVELLI DI EVIDENZA RUOLO DEI POLIMORFISMI GENETICI DI XRCC1 E XRCC3 NELLA RADIOSENSIBILITÀ INDIVIDUALE: ANALISI DEL DANNO AL DNA INDOTTO DALLE RADIAZIONI IONIZZANTI Poste Italiane S.p.A. - Sped. in Abb. Postale - D.L. 353/2003 (Conv. in L. 27/02/2004 n. 46) art. 1 com. 2 - DCB - Roma

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Volume XI n.3

Periodico della Società Italiana per le Ricerche sulle Radiazioni

Dicembre 2008

IPERTEMIA REGIONALE PROFONDA:PRINCIPI FISICI E PIANIFICAZIONETRAMITE HYPERPLAN

IPERTEMIA ONCOLOGICA:METODI, INDICAZIONI CLINICHE E LIVELLIDI EVIDENZA

RUOLO DEI POLIMORFISMI GENETICIDI XRCC1 E XRCC3 NELLA RADIOSENSIBILITÀINDIVIDUALE: ANALISI DEL DANNO AL DNAINDOTTO DALLE RADIAZIONI IONIZZANTI

PosteItalianeS.p.A.-Sped.inAbb.Postale-D.L.353/2003(Conv.inL.27/02/2004n.46)art.1com.2

-DCB-Roma

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RADIAZIONI Ricerca e Applicazioni Anno XI n. 3/2008

SOMMARIORadiazioni Ricerca e ApplicazioniPeriodico della Società Italianaper le Ricerche sulle RadiazioniPubblicazione PeriodicaQuadrimestraleDicembre 2008 - Vol. XI n. 3

Direttore ResponsabileFrancesca BallariniDipartimento di Fisica )ucleare e TeoricaUniversità di Paviae-mail: [email protected]

Direttore EditorialeRaffaele De VitaSezione Tossicologia e Scienze BiomedicheE)EA Centro Ricerche Casaccia, Romae-mail: [email protected]

Capo RedattoreLorenzo MantiDipartimento di FisicaUniversità Federico II, )apolie-mail: [email protected]

Comitato di RedazioneFrancesca AntonelliDipartimento Tecnologia e SaluteIstituto Superiore di Sanità, Romae-mail:[email protected]

Mauro BonardiUniversità degli Studi di Milanoe-mail: [email protected]

Martino GrandolfoDipartimento Tecnologie e SaluteIstituto Superiore di Sanità, Romae-mail: [email protected]

Cristiana VidaliS.C. di RadioterapiaAgenzia Ospedaliera-Universitaria diTriestee-mail: [email protected]

Per Informazioni e CorrispondenzaFrancesca BallariniTel. 0382 987949e-mail: [email protected]

Editrice: Società Italianaper le Ricerche sulle Radiazioni

Registrazione del Tribunale di Roman. 406 del 6 Agosto 1998

Grafica: Renato Cafieri

Stampa:

Pubblicità:

IPERTEMIA REGIONALE PROFONDA:PRINCIPI FISICI E PIANIFICAZIONETRAMITE HYPERPLAN 3Pasetto S., Dall’Oglio S., Grandinetti A., Maluta S.

IPERTEMIA ONCOLOGICA:METODI, INDICAZIONI CLINICHE E LIVELLIDI EVIDENZA 6Maluta S., Dall’Oglio S., D’Amico A., Pioli F., Pasetto S.

RUOLO DEI POLIMORFISMI GENETICI DIXRCC1 E XRCC3 NELLA RADIOSENSIBILITÀINDIVIDUALE: ANALISI DEL DANNOAL DNAINDOTTO DALLE RADIAZIONI IONIZZANTI 12Poggioli T., Palma S., Cornetta T., Sterpone S., Novelli F.,Tirindelli D., Cozzi R., Testa A.

Redazione EditorialeSocietà Italiana per le Ricerche sulle RadiazioniSezione Tossicologia e Scienze BiomedicheENEA Centro Ricerche Casaccia, s.p. 016Via Anguillarese, 301 - 00123 ROMA�� 06/30484671 Fax 06/30484891e-mail: [email protected]://www.sirr.unina.it

In copertina: Esempio di distribuzione di temperatura ottimizzata tramiteHyperPlan. Immagine dall’articolo di: Pasetto S., Dall’Oglio S., Grandinetti A.,Maluta S. Radioterapia Oncologica, Ospedale Civile Maggiore - Verona.

Segreteria S.I.R.R.Sezione Tossicologia e Scienze BiomedicheENEA Centro Ricerche Casaccia, s.p. 016Via Anguillarese, 301 - 00123 Roma�� 06/30484442 Fax 06/30486559e-mail: [email protected]

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RADIAZIONI Ricerca e ApplicazioniAnno XI n. 3/2008

IPERTEMIA REGIONALE PROFONDA:PRINCIPI FISICI E PIANIFICAZIONE

TRAMITE HYPERPLANPasetto S., Dall’Oglio S., Grandinetti A., Maluta S.

Radioterapia Oncologica, Ospedale Civile Maggiore - Verona e-mail: [email protected]

L’ipertermia è una modalità terapeutica in ambito onco-logico, che prevede una somministrazione di calore, ilpiù possibile selettiva, a un tessuto tumorale, al fine diraggiungere in esso una temperatura compresa tra 42 e45 °C. Esistono vari modi per generare ipertermia all’internodell’organismo, che dipendono dalla forma di energiautilizzata. In particolare possiamo distinguere tra:1) Ultrasuoni, onde meccaniche con frequenze compre-

se tra 0.3 e 3 MHz;2) Microonde, radiazioni elettromagnetiche di frequen-

za compresa tra 300 e 2450 MHz;3) Radiofrequenze, radiazioni elettromagnetiche di fre-

quenza inferiore ai 300 MHz.Gli ultrasuoni permettono di focalizzare l’energia su pic-coli volumi anche a notevole profondità ma subisconopesantemente il fenomeno della riflessione all’interfac-cia tra tessuti con impedenze acustiche diverse. Accantoa ciò si presenta frequentemente dolore, dovuto all’as-sorbimento vibrazionale a livello osseo dell’onda. Da un punto di vista clinico risulta più funzionalel’utilizzo delle radiazioni elettromagnetiche; nel casodell’applicazione in ipertermia si tratta di radiazioninon ionizzanti, dette anche )IR ()on Ionizing Radia-tion). La penetrazione è di pochi centimetri nel casodelle microonde, mentre si raggiungono profondità chesuperano la decina di centimetri con tecniche a radio-frequenza. La profondità di penetrazione, infatti,aumenta al diminuire della frequenza [2]. Per questomotivo le microonde vengono utilizzate nei trattamentisuperficiali, mentre le radiofrequenze nei trattamentiprofondi.

Interazione tra campo elettromagnetico e materialibiologiciLe interazioni tra un campo elettromagnetico e unmezzo materiale si esplicano attraverso le forze eserci-tate dal campo elettrico e dal campo magnetico sulle

cariche elettriche presenti nel materiale. In realtà imateriali biologici, avendo permittività magnetica rela-tiva circa uguale a uno, sono sostanzialmente inerti dalpunto di vista puramente magnetico [2]. Relativamenteall’interazione con il campo elettrico, invece, si posso-no distinguere:1) cariche che, sotto l’azione di campi elettrici, possono

muoversi liberamente dando luogo a correnti elettri-che;

2) cariche che, soggette all’azione di campi elettrici,non sono libere di muoversi in quanto legate allastruttura molecolare o atomica del materiale.

)el primo caso, il parametro di interesse è la conduci-bilità elettrica σ.)el secondo caso, invece, le cariche possono contribui-re a costituire dipoli elettrici, i quali, in presenza dicampo elettrico, tendono a disporsi parallelamente adesso. Il maggior contributo dipolare proviene dallemolecole d’acqua. Il parametro che caratterizza il mate-riale sotto il profilo della polarizzazione è il vettorepolarizzazione elettrica , il quale è proporzionale alcampo elettrico secondo la formula ,dove ε0 è la permittività elettrica del vuoto e εr la per-mittività elettrica relativa del materiale [3]. Si tratta diuna costante adimensionale che quantifica la presenzadi cariche libere di polarizzazione; essa assume valore1 nel vuoto e maggiore di 1 in un mezzo (Tab. 1).

Tabella 1: Valori di conducibilità e permittività elettrica dialcuni tessuti a 100 MHz [6].

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Quando il campo elettromagnetico oscilla con una certafrequenza, le cariche libere si muovono dando luogo acorrenti variabili con la stessa frequenza del campo; idipoli a loro volta si orientano nel campo, dando luogoa una polarizzazione che oscilla anch’essa con la mede-sima frequenza. I due parametri quindi che caratterizza-no il mezzo in relazione all’interazione con i campielettromagnetici sono la conducibilità elettrica σ(ν) e lapermittività elettrica εr(ν), dipendenti entrambi dallafrequenza ν della radiazione incidente.A seguito di tale interazione, tra gli altri effetti, si veri-fica un trasferimento di energia dal campo alle caricheelettriche e ai dipoli presenti nel materiale, con succes-siva trasformazione in energia termica del reticolo:l’energia del campo si riduce e, conseguentemente,aumenta l’energia termica del materiale. L’ipertermiasfrutta l’innalzamento locale di temperatura determina-to dal processo appena descritto.Un obiettivo importante, quindi, nell’analisi dell’intera-zione tra campi elettromagnetici e materiali biologici èla determinazione dell’energia elettromagnetica assor-bita da questi ultimi. )el range di frequenze tipico del-l’ipertermia, la grandezza che meglio si addice a descri-vere tale fenomeno è il SAR (Specific Absorption Rate),ovvero la potenza assorbita per unità di massa [W/Kg].Il SAR locale, relativo a ciascun punto all’interno delcorpo, è così definito [4]:

dove ρ è la densità di massa del mezzo.L’organismo reagisce all’immissione di calore cercandodi eliminarlo sia tramite la vasodilatazione, con conse-guente incremento nella perfusione sanguigna, che tra-mite trasferimento del calore verso la superficie delcorpo.

Sistema BSD 2000Alla luce di quanto visto nel precedente paragrafo,l’obiettivo clinico che si deve perseguire è quello diottenere una distribuzione del SAR, all’interno dell’or-ganismo, che preveda il suo valore massimo in corri-spondenza della massa tumorale da trattare. Il sistemaBSD 2000 per ipertermia regionale profonda rappre-senta la tecnologia d’avanguardia in tale direzione. Ilprincipio che viene sfruttato è il fenomeno dell’interfe-renza tra onde elettromagnetiche: la situazione idealevorrebbe interferenza costruttiva nella zona tumorale einterferenza distruttiva altrove. )ella pratica, evidente-mente, come spesso accade in radioterapia, si cerca ilmiglior compromesso possibile tra i due obiettivi, pri-vilegiando la corretta e completa copertura del target.Per ottenere ciò si utilizza un sistema di antenne aradiofrequenza posizionate su un applicatore: il più

interessante è il Sigma-Eye (figura 1), costituito da 12antenne a radiofrequenza (RF), distribuite su tre anelli atre diverse profondità nella direzione dell’asse dell’ap-plicatore. Durante il trattamento, tra il paziente el’applicatore si interpone un bolus contenente acquadeionizzata, che ha il ruolo di accoppiamento tra anten-ne e paziente, allo scopo di evitare il fenomeno dellariflessione dell’onda da parte dell’aria.

Figura 1: Applicatore Sigma-Eye per BSD 2000

Tutti i canali emettono alla stessa frequenza, fissata a100 MHz. Sono invece variabili la potenza e la fase:facendo opportunamente variare questi due parametri,relativamente a ciascun canale, è infatti possibile otte-nere quella situazione di interferenza costruttiva nellazona del tumore cui abbiamo accennato in precedenza.)ella pratica clinica, generalmente, si fanno variaresolo le fasi, mentre le potenze vengono impostate ugua-li per tutti i canali, ponendo come vincolo solo la poten-za massima totale. Il software del sistema include unalgoritmo per la determinazione della fase di ciascuncanale, in base alla posizione del target impostata dal-l’operatore. Si tratta però di un algoritmo basato susimulazioni su fantocci, appositamente creati perl’ipertermia, ma ben lontani dal riprodurre fedelmenteciò che avviene nell’organismo [5]. Ad esempio non siconsidera il fenomeno della riflessione all’interfacciatra tessuti diversi (come tra grasso e muscolo). Inoltre cisi limita a considerazioni che riguardano il SAR, manon la temperatura. Allo scopo di rendere più rigorosala procedura di pianificazione di un trattamento di iper-termia tramite BSD 2000, si può ricorrere all’ausilio diHyperPlan.

HyperPlanIl sistema di pianificazione HyperPlan è stato sviluppa-to allo Zuse Institute Berlin (ZIB) in cooperazione conil Charite Berlin, Campus Virchow Klinikum [6].L’obiettivo finale di HyperPlan consiste nel determina-re le distribuzioni di temperatura, oltre che del campoelettrico, in modo da ottimizzare i parametri di potenza

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e fase di ciascun canale, nota la posizione del tumore.Le operazioni preliminari della pianificazione prevedo-no, nell’ordine: acquisizione di una scansione CT oMRI del paziente, segmentazione delle immagini(occorre distinguere grasso, muscolo e osso) con con-tornamento del target, e creazione di un modello 3D diun’ipotetica sfera contenente il paziente, il bolusd’acqua e l’aria immediatamente circostante, tramiteripetizione nello spazio di diverse migliaia di tetraedri.Tali tetraedri costituiscono le unità elementari su cui sibasa la successiva fase di calcolo.Il primo fenomeno da simulare è la propagazione delleonde elettromagnetiche all’interno del corpo. Per cia-scun punto è necessario conoscere la permittività e laconducibilità elettrica, i cui valori, per i vari tessuti,sono già implementati nel software. In tal modo è pos-sibile risolvere le equazioni di Maxwell per il campoelettrico tramite sistemi numerici predittivi, quali il FE(Finite Element) e il FDTD (Finite-Difference Time-Domain). A questo punto è possibile ottenere la distri-buzione del campo elettrico, da cui si risale facilmenteanche alla distribuzione del SAR. In HyperPlan il con-tributo di ciascun canale dell’applicatore RF vienesimulato separatamente: questo fa sì che il campo elet-trico risultante da qualsiasi set di potenze e fasi, si possaottenere per semplice sovrapposizione lineare.Dal punto di vista terapeutico, tuttavia, il parametro piùsignificativo non è il SAR, bensì la temperatura. Il pas-saggio successivo è quindi la simulazione del campotermico generato da un determinato pattern di potenza.Sfortunatamente, per la temperatura non esiste un ana-logo delle equazioni di Maxwell per il campo elettrico.HyperPlan utilizza allora un modello semplificato, lacosiddetta equazione di Pennes, o del biocalore [7]:

dove ρ è la densità del tessuto considerato (il pedice s èrelativo al sangue), c il calore specifico, k la conducibi-lità termica, w la perfusione del sangue, Qm il caloregenerato dall’attività metabolica e Tc la temperaturainterna del corpo umano.Questa equazione non tiene conto dei vasi sanguigni,ma assume che lo scambio di calore tra tessuti e sangueavvenga solo a livello dei capillari. Pertanto, l’effettotermico della perfusione sanguigna è descritto permezzo di un termine isotropico.Tutti i parametri che compaiono nell’equazione del bio-calore sono implementati in HyperPlan come valorimedi per ciascun tipo di tessuto. L’equazione di Pennesviene risolta, per ciascun tetraedro del modello, tramiteun particolare metodo numerico alle differenze finite(FE): si ottiene così una approssimazione del pattern ditemperatura.

L’ultimo passo consiste nell’ottimizzazione della tem-peratura (fig. 2): nota la posizione del target, un apposi-to algoritmo determina i parametri ottimali di potenza efase per ciascun canale RF, in modo da garantire il mas-simo riscaldamento in corrispondenza del target.

Figura 2: Esempio di distribuzione di temperatura ottimizza-ta tramite HyperPlan.

I parametri così ottenuti possono infine essere trasferitial sistema BSD 2000 per l’avvio del trattamento.

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treatment volume. The volume that can be heateddepends on the physical characteristics of the energysource and on the type of applicator (array) [2]. Meth-ods to apply hyperthermia externally can be dividedinto superficial and deep techniques (energy directedfrom around the part of the body in which the targetvolume is located). The energy distribution within thetissues is strongly dependent on tissue characteristicsand thereby is inhomogeneous. The temperature vari-ance is not simply a result of the energy distribution,but also depends on thermal tissue characteristics andblood flow (Figure 1).

I metodi e le indicazioni cliniche della moderna iper-termia oncologica prendono il via dalla ConsensusConference tenutasi ad Osaka nel Giugno 2004, doveerano presenti rappresentanti della European Societyfor Hyperthermic Oncology (ESHO), della AsianSociety of Hyperthermic Oncology (ASHO) e dellaSociety for Thermal Medicine (STM) che riuniscevari gruppi nordamericani.Il testo di seguito riportato è frutto del lavoro di ungruppo di specialisti scelti tra quelli presenti al mee-ting, coordinati da J. van der Zee, Z. Vujaskovic, M.Kondo and T. Sugahara: J.M.C. Bull, Y. Harima, ).G.Huilgol, M.D. Hurwitz, C.K. Lee, S. Maluta, S. Osin-sky, V.V. Ostapenko, H. Sahinbas, H. Terashima, R. U,H. Ueda (clinical group consensus).

IntroductionHyperthermia is the elevation of temperature above thephysiological level with the objective to achieve thera-peutic gain. Hyperthermia is generally defined as amodest elevation of temperature to a range of 39-45 oC. The use of elevated temperatures in the treatment ofcancer has been well documented for centuries [1]. Clinical hyperthermia is achieved by exposing tissuesto conductive heat sources, or non-ionizing radiation(e.g. electromagnetic or ultrasonic fields). Althoughthese modalities deposit energy in tissue by differentphysical mechanisms, they have general similarities.Hyperthermia can be administered either invasively, ornon invasively using externally applied power. It canbe delivered locally, regionally or as a whole bodyhyperthermia.

Local hyperthermiaLocal hyperthermia can be applied by external, intralu-minal or interstitial methods. Electromagnetic or ultrasound energy is directed at the

IPERTEMIA ONCOLOGICA:METODI, INDICAZIONI CLINICHE

E LIVELLI DI EVIDENZAMaluta S., Dall’Oglio S., D’Amico A., Pioli F., Pasetto S.

U.O. di Radioterapia Oncologica, Azienda Integrata Ospedale - Università di Veronae-mail: [email protected]

Figure.1. Blood flow in normal and tumoral tissue duringhyperthermia.

Regional hyperthermiaRegional hyperthermia is applied by perfusion of alimb, organ, or body cavity with heated fluids [3,4].When regional hyperthermia is applied to limbs, andwithout a cytotoxic agent, the temperature can be

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increased to about 43°C for a duration of two hours.When used in combination with cytostatic drugs, thetemperature must be lower to avoid unacceptable toxi-city.

Whole-body hyperthermiaFor whole-body hyperthermia, several methods havebeen used. A common characteristic is the introductionof energy into the body, while at the same time energylosses are minimised. The temperature increase is usu-ally limited in order to reach 41.8-42°C. Recent expe-rience with radiant heat methods, for which thepatients need only sedation during the treatment, hasshown that this procedure is well tolerated [5,6]. Anewer approach is to increase the temperature to about40°C for a longer duration, which, in combination withcytokines and cytotoxic drugs is expected to lead to agreater therapeutic index than whole-body hyperther-mia at the maximum tolerated level [7].

Clinical studiesStrong proof of effectiveness comes from studies inwhich hyperthermia was used alone. A review on 14 ofthese studies including a total of 343 patients, report-ed complete response rates varying from 0 to 40%(overall 13%) and partial response rates from 0 to 56%,with an overall objective response rate of 51% [8].Three additional studies report complete responserates of 11, 16 and 18% [9-11]. Only small and super-ficially located tumours can be heated to an adequatelevel over the whole volume and the response durationis short with a median of only 6 weeks. The use ofhyperthermia alone is therefore not recommended.Relatively strong evidence comes from several studieson “matched lesions”: multiple lesions within the samepatient are treated with radiotherapy, with or withouthyperthermia. A summation of the data from thesestudies (total 713 lesions) shows an increase in com-plete response rate from 31% to 67% [12].

Level I evidenceLevel I evidence is summarized in Table 1 [13-32]. Themajority of this evidence concerns the addition of localhyperthermia to radiotherapy. Tumour types in whichsignificant improvements were observed include headand neck tumours, melanoma, breast cancer, glioblas-toma multiforme, rectum, bladder and cervix cancer,esophageal cancer and various superficial tumours.One study shows better results when local hyperther-mia is added to chemotherapy, for patients with vulvaand vagina malignancies. Two studies have shown thatlocal hyperthermia in addition to radio plus chemother-apy improved the results in esophageal carcinoma.

Level II evidenceA few non-randomized studies have led to the accept-ance of hyperthermia as part of standard care in the)etherlands and Germany. In patients with thoracicwall invasion of malignant mesothelioma, addition ofhyperthermia to radiotherapy resulted in considerablyhigher response and palliation rates, and much lowertumour regrowth and pain recurrence rates [33]. Inchildren with a first relapse of germ cell tumours, addi-tion of hyperthermia to chemotherapy resulted in muchbetter disease free and overall survival [34,35].

Level III evidenceTwo studies have led to the acceptance in the )ether-lands of combined hyperthermia and cisplatin inpatients with locoregional recurrences of cervix fol-lowing radiotherapy.Simultaneous combination of cisplatin and hyperther-mia resulted in 50% response [36,37], compared to a15% (maximum expected) with cisplatin alone. In sixof 49 patients, the combination resulted in long-termdisease free survival [Rietbroek, de Wit].The results of the first two randomised studies per-fomed in the United States were disappointing, as thesefailed to show a beneficial effect of adding hyperther-mia to radiotherapy. Retrospectively, these negativeresults have been explained by the use of hyperthermiatreatment techniques that were inadequate for thepatients included in these studies [38-40]. In the stud-ies by Perez et al. [38,39] the more easily heatedlesions (smaller than 3 cm in diameter) showed a dif-ference in complete response rate (52% vs. 39%),while the larger lesions did not (25% vs. 27%). A studyon recurrent breast cancer showed that the completeresponse rate in tumours larger than 3 cm increasedfrom 31% to 65% with the use of a better heating tech-nique in addition to reirradiation [41]. Thermometry procedures differs between institutesand may, within the same institute, change over time.For example, within the five combined randomised tri-als on breast cancer [16], the studies showing a largeimprovement from adding hyperthermia to radiothera-py had no higher thermal dose parameters. A bettermeasure for adequacy appears to be the use of specificabsorption rate (SAR) coverage of the treatment vol-ume. Lee et al. [42] found that when the tumour vol-ume was covered by 25% SAR, a higher completeresponse rate resulted than when SAR fell below 25%.

ToxicityExperimental studies have shown that most normal tis-sues are not damaged when the temperature over 1hour treatment does not exceed 44°C [43]. The toxici-

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ty from superficial hyperthermia is usually a skin burnin about 25% of the patients with recurrent breast can-cer [16,41,42], healing with conservative treatment.Subcutaneous fat burns were seen in 3-12% of thepatients treated with deep hyperthermia. The risk todevelop skin burns appears higher following treatmentwith a radiofrequency capacitive heating technique (5-16%) than with a radiative heating technique (0-3%)[18,44-46]. Toxicity from whole body hyperthermia besides tem-perature depends on: the patient’s general condition,condition of organ systems, and the physiological con-ditions during the treatment [7]. Serious toxicity fromregional hyperthermic perfusion with modern technol-ogy and proper choice of perfusate composition, flowrate and pressure, blood gas values, drug doses, tem-perature dose and scheduling, is limited [47].

Conclusions Both whole body and regional hyperthermia are time-consuming procedures requiring appropriate equip-ment and skilled personal. )evertheless, thanks to thelarge therapeutic gain achieved, the cost-effectivenessof hyperthermia appears acceptable. Within the Dutchrandomised trial on intrapelvic tumours, the cost-per-life-year-gained for cervical cancer was less than Euro3000 [48]. Since the number of indications for the use of hyper-thermia is limited, institutes are hesitant to invest inequipment and staff.Additional techniques should expand the number oftumour locations that can be treated adequately. Fur-ther research should aim at improvement of existingtechniques [49-51]. More attention should be given tothe development and verification of hyperthermia

8 Table 1. Level I evidence from randomized trials showing significant better results following combination of radiotherapy (RT),chemotherapy (CT), or RT plus CT with hyperthermia (HT), compared to the same treatment without HT. LHT=local HT,RHT=regional HT, WBHT=whole body HT. CR=complete response

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treatment planning systems [52-54] and to that of non-invasive thermometry, requiring large technical effortsin combining MRI systems with heating equipment,and programming for data analysis [55,56].

AddendumAi lavori randomizzati di fase III prima citati vannoaggiunti un lavoro di Jones sui tumori superficialidove viene dimostrata una remissione completa del66% nei pazienti trattati con radioterapia e ipertermia edel 42% nei pazienti sottoposti a sola irradiazione.Questo beneficio aumenta nei pazienti precedentemen-te irradiati [57]. Più recentemente Issels ha presentato i dati relativi aduno studio randomizzato sui sarcomi ad alto rischiodelle parti molli trattati con chemioterapia neoadiu-vante con o senza ipertermia, dove ha dimostrato unadifferenza statisticamente significativa nella DFS a 6mesi tra pazienti sottoposti a chemioterapia e iperter-mia (87.7%) verso i pazienti trattati con sola chemiote-rapia ( 73.8%) [58].

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X INTERNATIONAL CONFERENCE ON ENVIRONMENTAL MUTAGENS

The Renaissance of Environmental Mutagenesis

Palazzo dei Congressi Firenze, 20-25 Agosto 2009

Per informazioniconsultare il sito: www.icem2009.org

Segreteria Congressuale: OIC srl, e-mail:[email protected]

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IntroduzioneLa risposta biologica alle radiazioni ionizzanti presen-ta un’ampia variabilità inter-individuale: essa puòessere determinata sia da differenze qualitative e quan-titative dell’esposizione che dal background geneticodi ciascun individuo. Le radiazioni ionizzanti interagi-scono con le cellule provocando diverse conseguenzedi cui il danno al D)A risulta essere il più importante.Tale danno richiede il coinvolgimento di un grandenumero di proteine implicate nei meccanismi di ripara-zione e deputate al mantenimento dell’integrità struttu-rale [1]. È stato stimato che, all’interno di una popola-zione generale, una buona percentuale (10-15%) diindividui sani mostri un fenotipo con ridotta capacità(68-80%) di riparazione del D)A [2].Esistono diversi meccanismi necessari per la riparazio-ne delle differenti tipologie di danno al D)A: le rottu-re a singolo filamento (SSBs) vengono riparate princi-palmente attraverso il )ucleotide Excision Repair()ER) e il Base Excision Repair (BER), mentre i mec-canismi attivi nella riparazione delle rotture a doppiofilamento (DSBs) sono l’Homologous Recombination(HR) e il )on-Homologous End Joining ()HEJ).I polimorfismi genetici presenti in un grande numerodi geni della riparazione del danno al D)A sono statiproposti come fondamentali determinanti della variabi-lità individuale nella radiosensibilità. In particolare, iSingle )ucleotide Polymorphysms (S)Ps) continuanoad essere oggetto di numerosi studi sulla risposta cel-lulare alle radiazioni.L’attenzione del nostro studio si è concentrata su duespecifiche varianti di due geni della riparazione: lavariante polimorfica Arg399Gln di XRCC1 che impli-ca una transizione G>A e la variante polimorficaThr241Met di XRCC3, legata ad una transizione C>T.

La proteina XRCC1 partecipa al meccanismo di ripa-razione del BER tramite un’attività di proteinascaffold, necessaria per convogliare sul sito di rottura idiversi complessi con cui interagisce (ligasi 3α,PARP1-2, APE1, P)K, OGG1) [3]. XRCC3 è, invece,una proteina RAD51-simile che interviene nel mecca-nismo di riparazione dell’Homologous Recombination[4]. In letteratura esistono diversi lavori che indicanoun’associazione, sia positiva che negativa, delle duevarianti polimorfiche con un diverso grado di radio-sensibilità ed una diversa suscettibilità allo sviluppo dialcune forme di cancro [5,6]. Il nostro obiettivo è stato valutare una possibile corre-lazione tra la presenza di questi polimorfismi ed unadifferente modulazione del danno al D)A indotto daradiazioni ionizzanti. L’approccio sperimentale diquesto lavoro è avvenuto attraverso l’applicazione delG2 phase radiosensitivity assay, considerato da molticome il gold-standard della radiosensibilità cromoso-mica [7,8]. Il G2 assay è un saggio citogenetico chepermette di valutare la presenza di danno al D)A ditipo cromatidico indotto nella fase post-replicativa delciclo cellulare in linfociti di sangue periferico (PBL)[9]. Come è stato recentemente confermato, questo testpermette di valutare chiaramente eventuali differenzenella radiosensibilità inter-individuale [10]. Il proto-collo standard implica il trattamento di linfociti di san-gue periferico con una dose di 0,4 Gy di raggi X e lasuccessiva analisi delle aberrazioni cromatidiche rile-vate dopo due ore dal trattamento.

RisultatiIl G2 radiosensitivity assay è stato applicato ad un tota-le di 41 soggetti sani di entrambi i sessi, selezionatiall’interno di una popolazione totale di 150 individui in

RUOLO DEI POLIMORFISMI GENETICIDI XRCC1 E XRCC3 NELLA

RADIOSENSIBILITÀ INDIVIDUALE: ANALISI DEL DANNO AL DNA INDOTTO

DALLE RADIAZIONI IONIZZANTIPoggioli T.1, Palma S.1, Cornetta T.2, Sterpone S.2, Novelli F.2,

Tirindelli D.1, Cozzi R.2, Testa A.11Sezione di Tossicologia e Scienze Biomediche E)EA C.R. Casaccia - Roma

2Dipartimento di Biologia, “Università degli Studi Roma Tre”e-mail: [email protected]

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base al genotipo relativo ai polimorfismi dei geniXRCC1 (Arg399Gln) e XRCC3 (Thr241Met). Taleselezione ha permesso di ottenere una buona rappre-sentazione di tutte le classi genotipiche per i due geniin esame.Il parametro di danno utilizzato per il confronto tra idiversi soggetti è il G2 phase index, che indica il valo-re netto del danno indotto. Questo si ottiene sottraendoil valore del danno basale presente nel campione dicontrollo al valore delle aberrazioni cromatidicheindotte da esposizione a raggi X.Stratificando questi valori per i genotipi di XRCC1 eXRCC3, i risultati indicano la presenza di una minorfrequenza di aberrazioni cromatidiche nei soggetti cheportano la variante polimorfica di XRCC1 rispetto aisoggetti wild-type (p<0,05) (Figura 1; Tabella 1). Que-sto dato viene confermato anche combinando i genoti-pi di XRCC1 e XRCC3. Si riscontra infatti una diffe-renza statisticamente significativa (p<0,05) nel con-fronto tra i campioni che portano la variante di XRCC1(omozigoti + eterozigoti) e quelli wild-type (Tabella2). Al contrario, non è stata riscontrata alcuna differen-za a carico del gene XRCC3.

DiscussioneI dati ottenuti sembrano indicare interessanti conclu-sioni che da un lato confermano alcune evidenze pre-senti in letteratura, mentre da un altro ne divergono. Lenostre aspettative erano in parte rivolte verso una mag-giore differenza a carico del gene XRCC3, vista la suadocumentata partecipazione ai meccanismi di ripara-

zione delle rotture a doppio filamento [11]. Questa spe-cifica qualità di danno è esattamente quella rilevata tra-mite l’applicazione del G2 radiosensitivity assay. Dal nostro studio è possibile indicare che XRCC1interviene nella modulazione della riparazione deldanno al D)A indotto da raggi X, e che esiste una dif-ferenza nella capacità riparativa tra la forma wild-typee la forma polimorfica Arg399Gln del gene. Tuttavia,sulla base dei nostri risultati, non ci è possibile affer-mare se questa modulazione corrisponda effettivamen-te con una maggiore efficienza nella riparazione.La differenza nel danno al D)A osservata tra la formawild-type e la forma polimorfica potrebbe dipendereda un’alterazione del dominio BRCTI della proteinadeterminata dalla presenza del polimorfismo. BRCTI èun dominio altamente conservato che permettel’interazione tra XRCC1 e alcune proteine coinvoltenel BER (PARP1-2, APE, Pol β). I risultati ottenuti, sembrano indicare una possibile par-tecipazione di XRCC1 nella riparazione delle rotture adoppio filamento. Questo dato viene supportato daalcuni lavori riportati in letteratura [12, 13, 14]. In que-sto meccanismo, XRCC1 interverrebbe nel posiziona-mento della ligasi necessaria per la fase terminale dellariparazione delle rotture a doppio filamento.Ulteriori test di danno al D)A e un’analisi della vita-lità cellulare e del livello di induzione apoptotica nellecellule dopo irraggiamento saranno utili per conferma-re i risultati da noi ottenuti.

Figura 1.Valori medi delle frequenze del G2 phase index. I dati sono divisi per genotipo relativo ad XRCC1 e XRCC3. *p≤0.05differenza significativa calcolata con unpaired Student t-test.

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CtA (ν) = frequenza aberrazioni cromatidiche; wt= allele wild type; var= omozigote + eterozigote*P ≤ 0,05 differenza significativa confrontando il wt/wt con il var/wt calcolata con unpaired Student t-test.**P ≤ 0,05 differenza significativa confrontando il wt/wt con il var/var calcolata con unpaired Student t-test.

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Tabella 1. Valori medi delle frequenze del G2 phase index raggruppati per genotipo.

*P < 0,0001 differenza significativa con il non trattato calcolata con paired Student t-test**P ≤ 0,05 differenza significativa confrontando i soggetti wt con i soggetti hom per XRCC1 calcolata con un pai -red Student t-test.***P ≤ 0,05 differenza significativa confrontando i soggetti wt con i soggetti var per XRCC1 calcolata con unpai-red Student t-test.

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WORKSHOP INTERDISCIPLINARE FIRR

Radiazioni: Biologia, Clinica, Ambiente e Protezione

ENEA - Centro Ricerche Casaccia - Roma, 14 maggio 2009Informazioni generali

Il Workshop, a numero chiuso e senza quota d’iscrizione, è aperto ai Soci delle Società Federate FIRR

Crediti E.C.M. per Medico, Biologo, Fisico, Farmacista e Chimico.

Segreteria Organizzativa FIRRSezione Tossicologia e Scienze Biomediche ENEA - Centro Ricerche Casaccia s.p. 016

Via Anguillarese 301 - 00123 Roma Tel.: 06 30484671 – Fax: 06 30484891e-mail: [email protected] - http://biotec.casaccia.enea.it/firr/

FEDERAZIONE ITALIANA RICERCHE SULLE RADIAZIONI

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