I risultati della radioterapia modellati in microscala
Negli ultimi anni, la radioterapia clinica per il cancro ha visto grandi miglioramenti, resi possibili dagli sviluppi delle tecniche di imaging e di somministrazione. Gli strumenti di pianificazione della radioterapia, tuttavia, si concentrano esclusivamente sulla dose, senza prendere in considerazione la risposta fisica e biologica al trattamento. Per affrontare questi aspetti, gli scienziati del progetto RADRESPRO, finanziato dall’UE, hanno proposto di sviluppare una struttura di modello multi-scala che colmi il divario esistente tra l’attuale pianificazione macroscopica della radioterapia e la conoscenza approfondita dei suoi effetti in microscala. Alla base vi è l’esigenza di supportare futuri approcci alla radioterapia personalizzati in base alle esigenze e alla radiosensibilità dei singoli pazienti. I ricercatori hanno creato una struttura computazionale per modellare le risposte alla radiazione a livello di singola cellula. Il modello ha previsto la resa delle mutazioni, le aberrazioni cromosomiche e la sopravvivenza cellulare per una gamma di condizioni di esposizione alle radiazioni e di tipi di radiazioni ionizzanti. Particolare attenzione è stata riservata alla caratterizzazione delle risposte cellulari fondamentali, come la riparazione del DNA, il ciclo cellulare e la morte cellulare dopo l’esposizione alle radiazioni ionizzanti. La convalida eseguita su varie centinaia di linee cellulari e di condizioni sperimentali diverse ha dimostrato una buona capacità predittiva basata sulle caratteristiche cellulari, genetiche e fenotipiche. Semplicemente sulla base delle specie di origine e dei geni associati al ciclo cellulare e ai difetti di riparazione del DNA, il modello ha spiegato in modo accurato fino all’80 % della variazione di sensibilità tra le diverse linee cellulari. Il modello è quindi stato ampliato al fine di descrivere l’impatto dei diversi tipi di radiazione (raggi X, protoni e ioni di carbonio), integrando modelli fisici di deposizione di energia in scala subcellulare. In tal modo, gli scienziati hanno potuto caratterizzare la maggiore efficacia biologica delle radiazioni più densamente ionizzanti. L’integrazione nel modello di un componente temporale, inoltre, ha permesso di valutare esposizioni frazionate o protratte alle radiazioni, con particolare attenzione allo stress e alla sopravvivenza cellulare. Nel complesso, il modello ha dimostrato una capacità predittiva ampiamente applicabile e la possibilità di integrazione in un workflow di pianificazione clinica. La possibilità di misurare la sensibilità e la relativa efficacia biologica delle radiazioni a livello di singolo paziente è destinata a migliorare notevolmente i risultati del trattamento.
Parole chiave
Radioterapia, RADRESPRO, struttura computazionale, ciclo cellulare, riparazione del DNA
