Tritiated micrometric steel particles in an inhalation scenario: assessment of internalization by alveolar lung macrophages and computational dosimetric reconstruction based on in-vitro measurements

TITANS (Tritium Impact and Transfer in Advanced Nuclear reactorS) is a multidisciplinary European project built to address various aspects related to the management of an increasing amount of tritium on Earth, foreseen in the next future because of a growing nuclear energy employment. One of the project’s goal is therefore to better establish the impact on environment and human health of various tritiated products, including tritiated stainless steel and cement particles of micrometric size. Such particles are worth of attention because tritium can permeate in nuclear reactor machinery building materials and, during decommissioning of old facilities, particles can be dispersed as aerosol, leading to human exposure via inhalation. Previous in-vitro and computational studies have already addressed the effect of such particles on the lung epithelial cell line BEAS-2B. In TITANS, one of the project task is now focused on their impact on human macrophages (obtained by differentiation of the THP-1 cell line), as these are expected to be able to internalize micrometric particles: particle internalization, considering the short-range of electrons emitted in tritium β decays, translates into a potentially much higher radiation dose to cell nuclei and associated genotoxicity. This thesis work presents the results of flow-cytometry measurements performed to assess internalization of micrometric steel particles, and of a computational study using the Monte Carlo radiation transport code MCNP, to evaluate the dose absorbed by THP-1 cell nuclei, depending on the distribution of the tritiated particles at the sub-cellular level. To build the software model for the dosimetric reconstruction, confocal microscopy images were used to obtain morphological information on the cells. Results from flow-cytometry indicate that the percentage of cells which internalize steel particles increases with the particle concentration tested in the different experiments, up to a maximum of ~30% for the highest tested concentration (100 μg/ml). Results from the dosimetric reconstruction indicate that the dose to the cell nucleus per tritium decay (S-value) strongly depends on the tritium distribution in the particle (only at its surface or in the particle whole volume), and on the radial distance between the cell nucleus and the particle in case of internalization. Above a distance of ~2 μm, if tritium is distributed only on the particle surface, the S-value goes to zero. However, a certain fraction of tritium activity (~60%) is lost from the particle to the cell culture medium, which results in a homogenous exposure of all cells though to very low doses. All these results need to be integrated and these considerations are necessary to assess a possible exposure level for in-vitro experiments and to reconstruct dose-effect relationship for biological effects measured in the framework of the project, thus informing, in perspective, dose-risk correlations in the scenario of exposure via inhalation of particle of this kind.

TITANS (Tritium Impact and Transfer in Advanced Nuclear reactorS) è un progetto europeo multidisciplinare istituito per affrontare vari aspetti legati alla gestione del sempre maggior quantitativo di trizio sulla Terra, previsto nel prossimo futuro per via del crescente utilizzo dell'energia nucleare. Uno degli scopi del progetto è quindi quello di meglio determinare l'impatto del trizio sull'ambiente e sulla salute umana da parte di vari prodotti triziati, incluse particelle micrometriche d'acciaio inossidabile e cemento. Queste particelle sono degne di attenzione in quanto il trizio è in grado di permeare nei materiali da costruzione dei reattori nucleari e, durante lo smantellamento delle vecchie industrie, le particelle possono essere disperse in aerosol, portando gli esseri umani ad un'esposizione per inalazione. Precedenti studi in vitro e computazionali hanno già affrontato l’effetto di tali particelle sulla linea cellulare epiteliale polmonare BEAS-2B. Una delle task del progetto TITANS è di focalizzarsi adesso sull'impatto di tali particelle su macrofagi umani (ottenuti dalla differenziazione della linea cellulare THP-1), in quanto ci si aspetta che questi possano internalizzare particelle micrometriche: l'internalizzazione delle particelle, considerando il corto range degli elettroni emessi a seguito del decadimento β del trizio, si traduce in una dose di radiazioni potenzialmente molto più elevata nei nuclei cellulari ed a una genotossicità associata. In questo lavoro di tesi sono presentati i risultati delle misure ottenute con la citometria a flusso eseguite per valutare l'internalizzazione delle particelle micrometriche d'acciaio e uno studio computazionale, usando il codice di trasporto MCNP, per valutare la dose assorbita nei nuclei delle THP-1, in funzione della distribuzione di particelle triziate a livello sub-cellulare. Immagini dal microscopio confocale sono state usate per ottenere informazioni morfologiche sulle cellule, per poter costruire il modello software per l'indagine dosimetrica. I risultati, ottenuti dalle misure con la citometria a flusso, indicano che la percentuale di cellule che internalizzano le particelle d'acciaio aumenta con la concentrazione di particelle, testate in diversi esperimenti, fino ad un massimo del ~30% per la concentrazione più alta testata (100 μg/ml). I risultati ottanuti dalle valutazioni dosimetriche indicano che la dose nel nucleo cellulare per decadimento del trizio (S-value) dipende fortemente dalla distribuzione del trizio nella particella (solo sulla superficie o nell'intero volume) e dalla distanza radiale tra il nucleo cellulare e la particella: oltre ~2 μm, se il trizio è distribuito sulla superficie della particella, l'S-value tende a zero. Ad ogni modo, una certa frazione dell'attività del trizio (~60%) viene dispersa dalle particelle nel liquido della cultura cellulare, con il risultato di una esposizione omogenea di tutte le cellule anche se a dosi molto basse. Tutti questi risultati devono essere integrati e queste considerazioni sono necessarie per quantificare il livello di una possibile esposizione per gli esperimenti in-vitro e per ricostruire la relazione dose-effetto per effetti biologici nel contesto del progetto TITANS, informando così sulle correlazioni dose-rischio nello scenario di esposizione per inalazione da particelle di questo tipo.