ABSTRACT. Con l’introduzione di nuovi farmaci (PARP-i e anti angiogenetici) e la necessità di mantenere un lungo intervallo libero da platino, il ruolo della radioterapia nel tumore ovarico oligometastatico è drasticamente cambiato, passando da uno scopo palliativo ad un trattamento radicale. Sebbene il trattamento ipofrazionato con fotoni (XRT) si sia dimostrato efficace, la radioterapia con ioni carbonio (CIRT) ha evidenziato rate di risposta oggettiva (ORR) superiori. Per comprendere meglio la risposta delle neoplasie ovariche a radiazioni a basso e alto LET, abbiamo valutato in vitro gli effetti di XRT, protoni (PRT) e CIRT su linee cellulari di carcinoma ovarico con profili molecolari diversi. Le linee cellulari OVSAHO (BRCA2 e p53 mutato), OVCAR8 (metilazione del promotore di BRCA1 e mutazioni p53, KRAS ed ERBB2) e OVCAR3 (BRCA wild type e mutato p53) sono state irraggiate con 0,5 Gy, 1 Gy, 2 Gy, 3 Gy, 4 Gy e 5 Gy di XRT, PRT o CIRT. La sopravvivenza delle cellule è stata valutata con il test clonogenico e i dati sono stati analizzati utilizzando il modello lineare quadratico (LQ). È stata osservata una minore sopravvivenza clonogenica dopo il trattamento con CIRT per tutte le linee cellulari. La OVCAR3 si è dimostrata più radioresistente a XRT e PRT, ma radiosensibile a CIRT mantenendo, i valori α e β più alti. OVSAHO ha evidenziato il maggior profilo di radiosensibilità. L’irraggiamento con PRT non risultava significativamente differente rispetto a XRT in termini di sopravvivenza delle cellule OVCAR3, OVSAHO e OVCAR8. CIRT risulta più efficace nel ridurre la sopravvivenza clongenica di tutte le linee ovariche analizzate. PRT non aggiunge un vantaggio significativo rispetto a XRT. Nella linea con maggior profilo di radioresistenza (OVCAR 3, valori superiori di α e β), l’effetto di CIRT è stato più marcato. Questi dati potrebbero guidare una personalizzazione del trattamento radiante nelle pazienti affette da neoplasia ovarica oligometastatica.

ABSTRACT. The prediction of radiation-induced DNA damage, knowing the characteristics of the radiation field, is a challenging task that necessitates an understanding of the complexities presented at both microscopic and nanoscopic scales. After the release of Geant4-DNA, Geant4 appears as an optimal tool for implementing multiscale studies. While Geant4 can explore particle-matter interactions at the microscopic scale, Geant4-DNA can reach the nanoscopic one. We propose a post-processing tool to be integrated within a Geant4 application to bridge the gap between the micro and the nanoscopic scale simulations. The process begins with two Geant4 simulations providing a microscopic view of proton interactions with matter: one to retrieve data on Linear Energy Transfer (LET) vs. depth within a water phantom, and the other to retrieve the LET inside an ellipsoid with the same volume as the Escherichia Coli (E. Coli) cell nucleus. In the second step, we pass from the microscopic to the nanoscopic scale through simulations based on the Geant4-DNA example ”moleculardna”, producing a dataset of early single-strand breaks (SSBs) and double-strand breaks (DSBs) in the DNA within an E. Coli cell nucleus, generated by proton irradiation at different energy levels. At last, a Neural Network-based regression system is employed to correlate the microscopic LET data with the nanoscopic occurrences of SSBs and DSBs. The early testing model consists of three layers: an input layer, a ReLU middle layer, and a final layer without activation, suitable for regression tasks. The choice of the regression system and the optimization of its parameters has been realized through the evaluation of the interpolation and extrapolation capabilities. The outcome of this regression system is to estimate SSB and DSB occurrences against depth, thus bridging the microscopic and nanoscopic scenarios of radiation interaction with matter.

ABSTRACT. The development of detectors for high energy photons, protons and heavy particles is a long-lasting research topic not only for fundamental science but also, more significantly, for medical applications in radio and hadron therapy. There is an increasing demand for sensors able to provide, ideally in-situ and in real-time, an accurate recording and mapping of the dose delivered during a treatment plan, as the technology currently available still fails to address the requirements of large-area, conformability and portability, lightweight and low power operation.

Organic small molecules and perovskites are promising active layers for advanced dosimetry purposes, as their mechanical features allow the development of devices able to adapt to complex contoured surfaces, with outstanding portability (low power operation) and lightweight [1,2]. Such functional materials can be processed from solution and deposited at low temperature (<150 °C), leading to the possibility to realize 2D matrices of pixels onto flexible and large-area substrates. They also provide the unique possibility to develop human-tissue-equivalent detectors, thanks to their density and composition, which makes them ideal candidates for medical dosimetry applications.

The performance of large area thin film dosimeters based on organic semiconductors and perovskite thin films under exposure to intense photons and MeV protons radiation fields will be presented and critically compared [3,4,5]. A new kinetic model has been developed to describe the detector response mechanism, able to precisely reproduce the dynamic response of the device under photon/proton irradiation and to provide further insight into the physical processes controlling its response.

ABSTRACT. Gli effetti dannosi delle alte dosi di RI sono noti, mentre è argomento di dibattito e campo di ricerca, l’impatto delle basse dosi (inferiori a 100 mGy) e/o dei bassi ratei di dose (inferiori a 0.1 mGy/min), per la presenza di risposte biologiche più complesse e non lineari, che mettono in discussione il modello LNT. In tale ambito, importanti sono gli studi radiobiologici condotti nei Deep Underground Laboratories, dove il fondo naturale di radiazione è fortemente ridotto, grazie alla schermatura dei raggi cosmici. In questo lavoro vengono presentati i dati preliminari del progetto DISCOVER22, dell’INFN, relativi all’obiettivo di indagare se un basso fondo di radiazione ambientale possa influenzare la capacità di cellule immature del sistema immunitario a differenziarsi. L’attività di ricerca è stata svolta presso i LNGS, dove cellule HL60 sono state cresciute in parallelo nel laboratorio esterno e in quello underground, per 15-30-60 giorni. Al termine di ciascun tempo, le cellule, trasportate all’Istituto Superiore di Sanità, sono state indotte, una parte, al differenziamento in vitro in macrofagi e neutrofili, e una parte è stata mantenuta proliferante. Per valutare la modulazione al differenziamento nei due diversi scenari di esposizione, è stata analizzata, in funzione del tempo di differenziamento, l’espressione dei seguenti CD 9, 11c, 13, 14, 33, 95, mediante citofluorimetria a flusso. I primi risultati mostrano, per alcuni CD, una diversa espressione in funzione del tempo di adattamento e dello scenario di esposizione, facendo ipotizzare che un ridotto fondo naturale di radiazioni possa influenzare il differenziamento e indurre meccanismi che ne modifichino la capacità. La ricerca radiobiologica underground può quindi contribuire a migliorare le conoscenze sui meccanismi di base associati all’esposizione a basse dosi e/o bassi ratei di dose, la cui comprensione potrà garantire una migliore protezione della salute pubblica e dei lavoratori.

ABSTRACT. The DISCOVER22 experiment at the Gran Sasso National Laboratory (LNGS) was established to investigate how the low dose ionizing radiation (IR) modulates the immune system response in a human keratinocyte in vitro model. For this purpose, Deep Underground Laboratories (DULs), such as LNGS, are ideal facilities to understand how natural low dose environmental background radiation has shaped biological processes, including the immune response. It is well-established that the cGAS-STING pathway is one of the most important routes connecting IR-induced DNA damage and innate immunity. Specifically, cGAS, a sensor of free cytosolic DNA that recognizes DNA fragments and micronuclei (MNi) following IR exposure, thereby activating type I interferons (IFNs). In this study, HaCaT keratinocytes were cultured simultaneously in either a Reference Radiation Environment (RRE) or a Low Radiation Environment (LRE) for 20, 40, and 60 days. Initially, cell growth and cell cycle modulation were evaluated by comparing cells grown in both conditions, and no significant variations were observed. Subsequently, RRE and LRE cells were challenged with 1 Gy X-ray irradiation, and total and cGAS-positive MNi were evaluated within the first 120 hours post-irradiation. Interestingly, no difference in total MNi was observed between RRE and LRE cell cultures, whereas a significant delay in the increase of cGAS-positive MNi was found in LRE samples. To explain this delay, we investigated the export of cGAS from the nucleus to the cytosol in both culture conditions (RRE and LRE) at 60 days. In LRE samples, IR-induced cGAS export into the cytosol exhibited a 48-hour delay compared to RRE samples, suggesting that underground samples slowly respond to IR in the activation of the cGAS pathway. Experiments are ongoing to characterize this differential response by evaluating the expression and protein levels of cGAS, IFNs, and downstream proteins such as ISG15 following IR exposure.

ABSTRACT. Space research is an object of renewed interest, also considering that human missions to the Moon, and possibly Mars, are being planned. Astronauts’ exposure to space radiation is one of the highest-priority problems. In the framework of the ARES project funded by INFN, we developed and applied the BIANCA biophysical model to calculate absorbed, equivalent and effective doses following astronauts’ exposure to Galactic Cosmic Rays (GCR) and Solar Particle Events (SPE) under different shielding conditions. More specifically, BIANCA allowed calculating the relative biological effectiveness (RBE) both for cell killing, which is related to non-cancer effects, and for chromosome aberrations, which are related to the induction of stochastic effects including cancer. In particular, in this work, by exploiting the interface between the BIANCA biophysical model and the FLUKA Monte Carlo radiation transport code, we implemented a male and a female voxel phantom and we calculated absorbed doses and Gy-Eq doses in the various tissues/organs, as well as effective doses, following exposure to the August 1972 SPE, the most intense event of the modern era. A detailed comparison between male and female doses was then carried out, also considering that the Artemis II crew will include a woman. The results showed that female doses tend to be higher than male doses, especially with light shielding. This should be taken into account in mission design, also considering that, in a typical lunar mission, up to 15% of time may be spent in extra-vehicular activities, and thus with light shielding. More generally, this work outlines the importance of performing separate calculations for male and female astronauts when dealing with radiation doses and effects.

ABSTRACT. The efficacy of radiation therapy (RT) is influenced by the type of tumor and the level of radioresistance, whether intrinsic or acquired, exhibited by the tumor cells against ionizing radiation (IR). Enhancing radiosensitivity is a promising strategy to increase the effectiveness of RT by making tumor cells more susceptible to IR, thereby improving treatment outcomes [1]. Natural compounds, particularly those derived from plants, are a rich source of potential radiosensitizers and radioprotectors and have been extensively researched for their role in RT [2]. In our study, we investigated the in vitro effects of six different plant extracts on MDA-MB-231 (triple-negative breast cancer) cells, examining their impact when combined with varying doses of X-ray IR, from 1 to 5 Gy. The plant extracts tested were obtained from Althea Officinalis, Adenophora Lilifolia, Dianthus Superbus, Cistus Monspeliensis, Cistus Laurifolius, and Allium Lusitanicum. The assessment of the radiosensitizing potential of these extracts was conducted using clonogenic assays to generate dose-response curves. Our findings revealed that among the six extracts, Dianthus Superbus and Cistus Monspeliensis were able to induce radiosensitization in MDA-MB-231 cells. Conversely, the other extracts exhibited radioprotective effects. Notably, Althea Officinalis and Allium Lusitanicum showed significant radioprotection, while Cistus Laurifolius provided a lesser degree of radioprotective effect. Adenophora Lilifolia, however, did not show any significant impact, as the survival fractions were similar for both IR alone and combined treatments across all doses. Ongoing research aims to quantify the levels of reactive oxygen species (ROS) generated following IR alone or in combination with these plant extracts, to better understand their roles as pro-oxidants or antioxidants.

ABSTRACT. New treatment opportunities come from a novel technique, defined as “ultra-high dose rate Radiotherapy (RT)”, consisting in delivering the prescribed dose at very high dose-rates, at least 100 times greater than those used in conventional regimes. This RT treatment produces the so-called "FLASH effect", consisting of limited or absent radiation-induced toxicity on healthy tissue, while maintaining the tumour control, thus allowing for a consequent widening of the therapeutic treatment window. However, the relation between the dose/dose rate delivery, the type of beam and target tissue and its oxygenation levels for achieving the FLASH effect still need to be elucidated. In this study, the induced radiation toxicity was evaluated on zebrafish embryo models subjected to irradiation under conventional (0,25 Gy/sec) and FLASH (270 Gy/sec) dose rates using the Trento Proton Beam Line Facility. In detail, 24 hours post fertilization (hpf) zebrafish embryos were irradiated under normoxia and hypoxia (2% O2) conditions, with 10 and 30 Gy administered with both conventional (conv) and FLASH dose rates, in order to evaluate the impact of oxygen concentration and high dose rate in the healthy tissue sparing effect on developing zebrafish embryos. Immediately after irradiation, the embryos were re-oxygenated and optical images were daily acquired until 120 hpf to search for typical radiation induced embryos malformations, such as spinal curve (SC), pericardial edema (PE), microphthalmia (MO), micrognathia (MC) and yolk malabsorption (YM). Preliminary results confirm the sparing of FLASH vs conv irradiation and suggest a stronger effect when using 30 Gy with respect to 10 Gy. The sparing is also more evident under hypoxia conditions.

ABSTRACT. Il glioblastoma è un tumore cerebrale associato a una prognosi sfavorevole e ad una sopravvivenza mediana di 15 mesi; lo standard terapeutico è la combinazione di chemio e radioterapia dopo resezione chirurgica. La scarsa efficacia dei trattamenti convenzionali richiede lo studio di approcci complementari per aumentare l’efficacia terapeutica. Le nanobacchette d’oro (AuNRs) stanno suscitando grande interesse in campo biomedico, grazie alle loro peculiari proprietà chimico-fisiche e alla possibilità di funzionalizzarne chimicamente la superficie. Possono quindi offrire un importante contributo nel campo della Medicina Nucleare, consentendo il trasporto di radiofarmaci per la diagnosi, il trattamento e il follow-up di malattie, inclusi i tumori. Questo studio si è concentrato sulla caratterizzazione del profilo metabolico di cellule tumorali di glioblastoma (T98G) mediante Spettroscopia di Risonanza Magnetica (1H MRS), per identificare i principali markers ed osservarne le variazioni in seguito a trattamento con radiazioni ionizzanti (raggi gamma,137Cs) e AuNRs. La MRS può infatti fornire informazioni sul metabolismo delle cellule tumorali in coltura, consentendo di approfondire la conoscenza della risposta cellulare ai trattamenti. Gli spettri 1H MR di T98G intatte sono stati acquisiti a diversi tempi dopo l'incubazione con AuNRs e successivo irraggiamento a dose acuta; sono state individuate variazioni dei segnali del metabolismo lipidico, energetico e del glutatione che suggeriscono un possibile effetto sinergico dei due trattamenti.

ABSTRACT. L’adroterapia si sta consolidando come un trattamento radioterapico alternativo a quello con fotoni/elettroni per varie tipologie tumorali grazie al profilo inverso dose-profondità delle particelle cariche. Al giorno d’oggi l’adroterapia fa uso di protoni (p) e ioni carbonio (12C), questi ultimi utili contro tumori radioresistenti per la loro maggiore efficacia biologica relativa (RBE) [1]. Tuttavia, gli ioni 12C sono soggetti a processi di frammentazione [2], oltre a presentare incertezze radiobiologiche a carico dei tessuti sani. C'è quindi una crescente attenzione per le future applicazioni cliniche di fasci di elio (4He), che presentano proprietà fisiche e radiobiologiche intermedie tra p e ioni 12C [3]. Essi mostrano infatti una diffusione laterale minore e un RBE leggermente superiore rispetto ai protoni, senza il problema della frammentazione a fine range degli ioni 12C [4], proprietà particolarmente utili per esempio in tumori con elevata incidenza in età pediatrica e relativamente radioresistenti quali l’osteosarcoma. All’interno della collaborazione BIOHOT (BIOphysical characterization of Helium and Oxygen ion beams for hadronTherapy), sono stati pertanto condotti studi radiobiologici preliminari su linee cellulari tumorali di osteosarcoma, U2OS e SAOS-2, irraggiate con il fascio clinico di 4He disponibile presso il centro Heidelberg Ion-beam Therapy (HIT) in Germania. In particolare, le cellule sono state esposte in tre posizioni del SOBP, quantificandone la morte clonogenica e apoptotica, l’eventuale ritardo nel ciclo cellulare radioindotto e l'efficienza di riparo del DNA, attraverso lo studio della colocalizzazione di γ-H2AX e 53BP1 (foci assay). Il confronto con irraggiamenti effettuati con fotoni presso l’Istituto Tumori Pascale di Napoli sembra confermare l’utilità clinica degli ioni 4He, in termini di morte cellulare ed induzione di danno irreparabile.

ABSTRACT. Prostate cancer is the second most commonly diagnosed cancer in men, with an estimated 1.1 million diagnoses worldwide in 2012, accounting for 15% of all cancers diagnosed. Radiation therapy (RT) is a standard treatment in all stages of non-metastatic prostate cancer, and several studies have shown a significant correlation between the delivered tumor dose and patient outcomes. However, dose-escalation is also associated with increased side effects in healthy tissues, particularly with an increased incidence and severity of radiation-induced proctitis. This condition is characterized by tenesmus, fecal incontinence, and rectal bleeding, and can significantly worsen patients' (QoL) of life. Unlike other RT side effects, proctitis can be easily assessed (by rectoscopy). Furthermore, a rectoscopy evaluation one year after treatment significantly predicts the risk of late symptomatic rectal complications. Hypothermia has been recently proposed as a strategy to increase biological radioprotection1. Studies conducted in pre-clinical models have shown specific cellular adaptations and molecular pathways that could mediate such a protective effect2. In this communication, we will report the preliminary observations from a study designed to test the potentially radioprotective effect of hypothermia in the human setting of RT treatment of prostate cancer, an ideal model for in vivo evaluation of this methodology.

1. Cerri M et al., Life Sci Space Res (Amst). 2016;11:1-9.. 2. Cerri M et al., Int J Mol Sci. 2019;20(2):352.

ABSTRACT. Il Progetto "Optimization PROcess in RAdiotherapy (OPRORA)" (2018-2023) è stato finanziato dal Ministero della Salute per implementare un modello di riferimento per gli audit clinici (CA) e dosimetrici (DA) in due tecniche avanzate di Radioterapia: la Radioterapia a Intensità Modulata (IMRT) e la Radioterapia a Modulazione di Intensità con tecnica Volumetrica ad Arco (VMAT) per i tumori della prostata e del distretto testa-collo. I CA contribuiscono ad armonizzare e a ridurre i costi del SSN. Audit periodici permettono di operare in condizioni di Miglioramento Continuo di Qualità. L’implementazione di audit clinici è attualmente richiesta dalla Direttiva EURATOM 13/59, recepita nella legislazione italiana come D.Lgs 101/2020. Il modello di CA è stato progettato da un Comitato Interdisciplinare (CI) e applicato a 13 Centri di Radioterapia (CRT), distribuiti omogeneamente in Italia. Il CI includeva Radioterapisti Oncologi e Fisici Medici partner del Progetto. Nella formulazione degli indicatori il CI ha preso in considerazione criticità inerenti la protezione del paziente dalle radiazioni e componenti chiave del sistema di qualità complessivo; sono stati identificati indicatori retrospettivi e prospettici, di struttura, processo e esito (12 per la prostata e 15 per il distretto testa-collo) relativi alle aree da migliorare. Il CA si è svolto in tre fasi: i) fase pilota: gli indicatori sono stati somministrati ai quattro Centri di Radioterapia partner del Progetto; i dati raccolti dalla fase pilota sono stati utilizzati per migliorare il primo modello; ii) fase di validazione: la versione migliorata degli indicatori è stata quindi somministrata ad altri quattro Centri di Radioterapia, non coinvolti nel progetto, per un processo di validazione cieca; iii) fase di audit: la versione finale (ulteriormente migliorata) degli indicatori è stata poi inviata ai CRT reclutati.

ABSTRACT. Le grandezze microdosimetriche sono impiegate da tempo per stimare la qualità dei campi di radiazione adroterapici. Sono grandezze stocastiche le cui distribuzioni dipendono dalle fluttuazioni della deposizione di energia in strutture di dimensioni comparabili a quelle cellulari e sub-cellulari. Sarà presentata una sintetica panoramica dei rivelatori principalmente utilizzati nella misura della qualità dei campi adroterapici (protoni e ioni), basandosi sull’esperienza dell’autore. Saranno anche discussi i risultati di misure effettuate presso il CNAO e i Laboratori Nazionali del Sud (LNS) dell’INFN.

ABSTRACT. While the harmful effects of intermediate and high doses of ionizing radiation on human health are well established, the impact of low-dose radiation (LDR) remains debated, particularly regarding its potential to modulate immune responses. LDR can stimulate adaptive immune processes, though the mechanisms remain unclear and require further study. Research on LDR is complicated by hidden variables related to radiation quality. In this context, microdosimetry provides detailed measurements of radiation interactions at the microscopic level detecting temporal and spatial variations typically overlooked but possibly influencing significantly biological outcomes. The Gran Sasso Laboratories of the INFN provide an ideal environment to study LDR effects due to the extremely low background radiation levels. Underground, the contribution from cosmic rays is negligible, and the neutron flux is reduced by a factor of 1000 compared to the Earth's surface. The gamma dose rate is about 20-25 nGy/h, resulting in a weekly dose of approximately 4 μGy. At these levels, radiation interaction is highly stochastic, making the absorbed dose alone insufficient to characterize the biological effects of the radiation field. To comprehensively study them, continuous monitoring of both the absorbed dose and the linear energy transfer (LET) distribution is planned through microdosimetric measurements. A large spherical tissue-equivalent proportional counter (TEPC) of 5 cm in diameter, designed at the Legnaro National Laboratories of INFN, will be used for this purpose. It is filled with propane gas at a specific density to simulate 1 or 2 μm of biological tissue. At gamma dose levels of about 20 nGy/h, the number of detected events per hour is expected to be approximately 1250, totaling 30000 events per day allowing for the acquisition of a statistically significant microdosimetric spectrum daily. The initial results of this study in various environments will be presented and discussed.

ABSTRACT. Il monitoraggio del campo di radiazione in BNCT (Boron Neutron Capture Therapy) è particolarmente complesso, data la presenza di diverse componenti (fotoni, neutroni termici ed epitermici, e loro secondari carichi) di efficacia biologica estremamente variabile [1]. Una tecnica basata su grandezze fisiche che si è dimostrata adatta a tale scopo è la microdosimetria, cioè la misura delle fluttuazioni stocastiche dell’energia impartita alla scala del micrometro [2]. Nell’ambito dello spoke 4.9 del progetto PNRR_PNC ANTHEM, che ha come obiettivo la costruzione di un centro pre-clinico di BNCT a Caserta, i Laboratori Nazionali di Legnaro hanno costruito nuovi microdosimetri a gas miniaturizzati specificamente progettati per l’applicazione in un campo neutronico ad alti flussi per BNCT. Si tratta di due contatori proporzionali a gas tessuto-equivalenti miniaturizzati (mini-TEPC), uno dei quali ha il catodo dopato con 100 ppm di 10B per riprodurre la situazione terapeutica di una cellula cancerosa drogata con boro. Tali rivelatori sono stati testati in vari campi di radiazione di riferimento (fotoni da sorgente di 137Cs, neutroni veloci, fascio di protoni) per verificarne l’uniformità della risposta in assenza di neutroni termici, e alcuni test preliminari in campo termico sono stati effettuati al reattore TRIGA MARK II del Laboratorio per l’Energia Nucleare Applicata (LENA) di Pavia. Questo lavoro discute i test sperimentali dei due nuovi rivelatori e le corrispondenti simulazioni Monte Carlo. Vengono inoltre discusse le tecniche microdosimetriche per la separazione delle diverse componenti di dose (gamma, neutronica/protonica e BNC) e la stima dell’RBE microdosimetrico come grandezza fisica utile per comparare l’efficacia biologica di campi neutronici per BNCT in centri diversi.

ABSTRACT. Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia and is characterized by the accumulation of β-Amyloid and tau proteins in the brain. To date there are no therapies able to cure it therefore several researches are underway, some of which focused on studying the potential radiation role. In 2008 Bistolfi, after observing the positive effects on a similar pathology (tracheo-bronchial amyloidosis), proposed the idea of investigating a possible extension of conventional external beam radiotherapy to AD. In-vitro and in-vivo experiments were performed in order to study the photons efficacy in depolymerising β-Amyloid aggregates characteristic of Alzheimer's disease. These studies led to encouraging results especially in the case of AD mice model irradiation showing a conspicuous reduction of the protein aggregates in absence of side effects. The described scenario led to the idea developed in the NECTAR (NEutron Capture-enhanced Treatment of neurotoxic Amyloid aggRegates) project: the study of the effects of a more selective therapy, neutron capture therapy (NCT), exploiting the synergistic effect of the 10B and 157Gd neutron capture reactions products. In particular, (i) the charged secondaries, characterised by a range similar to the protein aggregates size, could depolymerize them; (ii) gamma radiation instead, acting over longer distances, could activate the glial compartment promoting an inflammatory response that would allow protein aggregates phagocytosis. These concepts want to be proved at different scales, from in-vitro samples, to in-vivo on AD transgenic mouse models up to the planning of a brain pan-irradiation treatment for human patients at low dose and low dose-rates, studying the efficacy of the capture-enhanced neutron irradiation and its possible toxicity. This talk aims to present the state of art of the NECTAR project and the results obtained in-vitro and in-vivo on the experimental and computational fronts.

ABSTRACT. Nella BNCT, il calcolo della dose assorbita nel tumore è tipicamente effettuato in approssimazione di KERMA, assumendo una distribuzione omogenea del boro. Tuttavia, si dimostra sperimentalmente che la distribuzione del boro è eterogenea sia a livello tissutale che all'interno delle cellule tumorali. Per poter confrontare l’efficacia di una certa distribuzione di dose con la radioterapia convenzionale, si traduce la dose BNCT in unità fotone equivalenti usando il Photon Isoeffective Dose model[1]. Questo studio incorpora aspetti microdosimetrici connessi alla distribuzione subcellulare del boro nel modello per il Glioblastoma Multiforme(GBM). Un formalismo analitico che descrive la distribuzione stocastica della dose da distribuzioni non uniformi di boro in siti microscopici è stato introdotto in[2]. Questo lavoro proponeva la determinazione di un fattore di correzione della dose macroscopica: eta. Per il GBM, abbiamo calcolato il fattore-eta per una microdistribuzione di boro bivalente, in cui il tasso di reazioni differisce all'interno e all'esterno del nucleo cellulare. Utilizzando il codice PHITS, lo spettro di deposizione dell'energia nel nucleo è stato calcolato in base alla concentrazione di boro prevista in una cellula. I risultati della simulazione sono stati normalizzati utilizzando la microdistribuzione del boro misurata nella linea cellulare umana GBM con la tecnica dell'autoradiografia neutronica. Per la misura abbiamo utilizzato la tecnica descritta in[3], che consiste nell’esporre un rivelatore passivo di policarbonato su cui sono state fatte crescere le cellule a radiazione UV-C. Questo genera una impronta del materiale biologico. In seguito, l’irraggiamento neutronico produce tracce nucleari che vengono visualizzate contemporaneamente alla struttura cellulare. Il fattore-eta così determinato è stato usato per la correzione della dose e il nuovo formalismo è stato applicato al treatment planning di un paziente rappresentativo per la BNCT.

ABSTRACT. L'Istituto Nazionale di Metrologia delle Radiazioni Ionizzanti (ENEA-INMRI) ha organizzato un Programma nazionale per la promozione dell’affidabilità delle misure di radiazioni ionizzanti basato su Confronti InterLaboratorio (ILC), finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico (MiSE). In questo lavoro saranno mostrati i risultati dell’ILC4 relativo alla dose assorbita in acqua in fasci di fotoni per radioterapia con campi piccoli. I Centri di Radioterapia partecipanti al Programma hanno ricevuto un sistema dosimetrico composto da un rilevatore microDiamond (PTW60019) ed elettrometro (PTW ROMEO). Il sistema dosimetrico è stato tarato presso l'ENEA-INMRI in termini di dose assorbita in acqua Dw in un fascio di 60Co con riferibilità al Campione Nazionale di Dw. Nell' interconfronto, è stato richiesto di irraggiare il rivelatore in un fantoccio ad acqua a SSD=90 cm e profondità d=10 cm per diverse dimensioni di campo: 5 cm×5 cm, 3 cm×3 cm, 2 cm×2 cm e 12 cm×2 cm. Per ciascun setup è stato richiesto di erogare 2 Gy. Al termine delle misure, i partecipanti hanno compilato un form inserendo la carica raccolta dal microdiamante nelle varie configurazioni e l'incertezza della dose erogata. ENEA-INMRI ha gestito i dati raccolti: le misure sono state convertite in dose assorbita in acqua utilizzando il fattore di calibrazione e la correzione per l'energia. L’interconfronto è stato valutato in termini di En-score: l’esito è positivo se |En|≤1 e negativo se |En|>1. I Centri di Radioterapia italiani hanno mostrato grande interesse per l'interconfronto, come dimostrato da 23 adesioni. Tutti gli interconfronti sono risultati positivi. I risultati dell'interconfronto sono stati raccolti in un report in forma anonima assegnando ad ogni partecipante un codice. Alcuni centri hanno eseguito l'interconfronto per confrontare diversi TPS. Alcuni partecipanti hanno suggerito di includere altri fasci, come 10 MV.

ABSTRACT. Over the past decade, the FLASH effect has gained increasing importance. One promising approach to achieve FLASH conditions involves laser-driven beams, which are characterised by short pulse duration (ps-ns), high intensity (up to 6×1013 protons per pulse), and high dose rate (up to 109 Gy/min). However, their dosimetric characterisation is challenging and requires the development of innovative protocols, complementary to those used in conventional radiotherapy. In this context, we will present the work done within the PRAGUE (Proton Range Measurement Using Silicon Carbide) project, funded by the H2020 and Fyzikální ústav AV ČR v.v.i. under the MSCA-IF IV framework, and by the INFN through a young researcher grant. The main goal of PRAGUE was the realisation and characterisation of a SiC (Silicon Carbide) multilayer detector able to measure online the Percentage Depth-Dose (PDD) distribution of 30-150 MeV proton beams with both conventional (107 pps) and high (1014 pps) intensity. A new generation of 80 SiC devices (10 μm active layer, 15x15 mm2 sensitive area) was adopted and characterised using X-ray and alpha particle sources. A detector prototype was also realised and tested with 30 MeV and 70 MeV conventional proton beams. The TERA08 chip is the core of the electronic chain, developed to provide an accurate reconstruction of the PDD distribution with high-intensity, short-pulse signals. The results indicate that SiC devices suit relative dosimetry with charged particles. SiC detectors show a stable and reproducible response and exceptional behaviour in terms of linearity with absorbed dose, dose rate, and LET (Linear Energy Transfer). PRAGUE represents the first real-time solid-state detector capable of measuring the PDD distribution of proton beams with high spatial resolution (≈30 μm WET) and radiation hardness while maintaining an independent response of the radiation's LET and dose rate.

ABSTRACT. Currently, various methods for producing 47Sc are under investigation using both nuclear reactors and particle accelerators. However, an optimal method for producing 47Sc with sufficient yield and purity for medical applications has yet to be established [1-3]. We propose a novel method [4] optimised for irradiating a target with a proton beam up to 35 MeV. The target comprises a bilayer of materials: a natV layer and an enriched 50Ti layer. Utilising a dual-material target for 47Sc production offers several clear advantages:

1. Optimised Yield: Different materials possess varying cross-sections for nuclear reactions producing 47Sc. Selecting materials with high cross-sections can maximise yield. 2. Purity Control: Minimising impurities like 46Sc and 48Sc is feasible. Each material is chosen to produce fewer unwanted radionuclides, enhancing 47Sc purity. 3. Material Availability: Using two materials can mitigate the scarcity or cost issues of a single material, making the process more feasible and economical. 4. Tailored Production: Adjusting the proportion and type of target materials allows tailoring for specific applications, such as medical use, to meet 47Sc specifications. 5. Industrial Application: This approach promotes the industrial development of specialised targets and automated modules for extraction and purification, leading to advancements in medical technology and treatment options.

These advantages contribute to a more effective and practical method for producing medical-grade 47Sc, used in radiopharmaceuticals for diagnostic, therapeutic, and theranostic purposes. This communication discusses the nuclear data issues and reaction simulations that led to this patented innovation [4].

ABSTRACT. Terbium radionuclides are gaining attention in theranostics, a field of nuclear precision medicine that integrates imaging and therapy [1]. For precise therapeutic delivery, high-quality imaging is crucial. 155Tb is a promising SPECT imaging agent due to its gamma emissions (87 keV (32%), 105 keV (25%)) and long half-life (T1/2 = 5.32 days), allowing tracking of biodistribution over several days. However, an efficient cyclotron production route for 155Tb remains to be established. This study investigates the 155Gd(p,n)155Tb reaction, aiming to minimise the co-production of 156Tb (T1/2 = 5.35 days), which degrades image quality and increases patient absorbed dose due to its high-energy gamma emissions [2]. Production cross sections were simulated using the TALYS code [3] and compared with experimental data [4,5]. Thick-target yields and radionuclidic purity (RNP) were determined. Dosimetric evaluations were conducted with the OLINDA software [6], considering an injection of 155Tb-cm09, and the dose increase (DI) was calculated by combining yields of all produced terbium radioisotopes with dosimetric outcomes. Given that higher 156Gd impurity in the enriched 155Gd target results in greater 156Tb contamination, we compared targets with different isotopic compositions: 91.9%, 98%, 99%, and 100% enrichment. The RNP and DI assessments indicate that a 2% 156Gd content is the maximum permissible limit for safe clinical applications. Furthermore, imaging quality of 155Tb was evaluated via the Compton-to-peak ratio. Comparing 155Tb with 111In (used in clinics) showed similar SPECT image quality. In conclusion, this study proposes a hospital-cyclotron method for producing high-purity 155Tb, based on adequately enriched 155Gd targets. The minimum enrichment level required for clinical use was identified, offering an alternative to post-production mass-spectrometric purification methods previously suggested in literature.