Modellizzazione radiobiologica tessuto-specifica per la valutazione del rischio da radiazioni spaziali - Tissue-Specific Radiobiological Modeling for Space Radiation Risk Assessment

Space radiation represents a critical constraint in space exploration; thus, investigating its impact on human tissues is essential for implementing shielding solutions and minimizing astronaut exposure. Indeed, as future space missions are expected to comprise increasingly diverse astronaut populations, including a growing number of female crew members, assessing gender specific health risks is of primary importance. A major frontier in radiation protection research involves evaluating radiation effects across distinct cell types, and within this framework, this thesis contributes by determining the biophysical parameters for two cell lines, HaCaT (keratinocyte) and MCF10A (mammary epithelial cell line), and refining them for fibroblasts (HSF) under ion irradiation at different Linear Energy Transfer (LET) values. This collection of parameters constitutes the radiobiological database developed in this work. Experimental cell survival data were analyzed using the BIANCA biophysical model to calibrate the model itself and generate the database. Since the HaCaT and MCF10A cell lines are representative of skin and breast tissues, respectively, this work focuses on these two targets. This is highly advantageous as the skin is the primary organ exposed to space radiation, while the breast is a highly radiosensitive tissue of critical relevance for female astronauts. The radiation source chosen is the August 1972 Solar Particle Event (SPE), selected for its extreme severity. To evaluate its biological effects, an interface between the FLUKA Monte Carlo radiation transport code and the BIANCA biophysical model was exploited, incorporating both the existing and the newly developed databases. The investigated configurations included male and female phantoms inside spherical and cylindrical spacescraft of various shielding thicknesses, assessing both absorbed dose and Relative Biological Effectiveness (RBE)-weighted absorbed dose. Results showed that the new HaCaT and MCF10A datasets exhibit greater radioresistance than the HSF database. Regarding spacecraft geometry, absorbed doses were systematically higher under spherical shielding than cylindrical configurations. Furthermore, for the August 1972 SPE, the new database yielded higher RBE-weighted doses at low shielding thicknesses, showing a relative difference of approximately 10% compared to the HSF baseline. Conversely, for larger shielding thicknesses, the HSF database becomes more conservative, exceeding the new values by about 10%. Since SPEs typically unfold over several hours, evaluating the effects of a protracted dose is crucial. This time-dependent consideration was found to have a significantly higher impact under light shielding conditions, in more superficial organs, and when employing the fibroblast database. For instance, for the skin at 0.3 g/cm^2 using the HSF database, the relative difference between an acute exposure and a 16-hour protracted irradiation is approximately 35%. Overall, this work provides the first BIANCA radiobiological databases for HaCaT and MCF10A cells and demonstrates that tissue-specific radiobiological characterization significantly improves radiation risk assessment for space applications.

Le radiazioni spaziali rappresentano un vincolo critico per l'esplorazione spaziale e studiare il loro impatto sui tessuti umani risulta essenziale per implementare soluzioni di schermatura adeguate e minimizzare l'esposizione degli equipaggi. Inoltre, poiché si prevede che le future missioni spaziali includeranno equipaggi sempre più diversificati, con un numero crescente di astronaute, valutare i rischi per la salute specifici di genere riveste un'importanza primaria. Una delle principali frontiere nella ricerca in radioprotezione riguarda la valutazione degli effetti delle radiazioni in diversi tipi di cellule. Questa tesi contribuisce a tale scopo determinando i parametri biofisici per due linee cellulari, HaCaT (keratinociti) e MCF10A (linea cellulare epiteliale mammaria), e perfezionando quelli per i fibroblasti (HSF) sotto irradiazione da ioni a diversi valori di Linear Energy Transfer (LET). Questo set di parametri costituisce il database radiobiologico, generato calibrando il modello biofisico BIANCA su dati sperimentali di sopravvivenza cellulare. Il lavoro si concentra su pelle e seno, rappresentati rispettivamente dalle linee HaCaT e MCF10A e ciò risulta estremamente vantaggioso in quanto la pelle è il principale organo esposto alle radiazioni, mentre il seno è un tessuto altamente radiosensibile e critico per le astronaute. Come sorgente è stato scelto l'Evento di Particelle Solari (SPE) dell'agosto 1972, selezionato per la sua estrema intensità. Per valutarne gli effetti biologici, è stata utilizzata un'interfaccia tra il codice di trasporto Monte Carlo FLUKA e il modello biofisico BIANCA, incorporando sia il database preesistente sia quelli sviluppati nella tesi. Si sono simulati fantocci maschili e femminili all'interno di veicoli spaziali con forma sferica e cilindrica di vari spessori di schermatura, valutando sia la dose assorbita, sia la dose assorbita pesata sull'Effetto Biologico Relativo (RBE). I risultati hanno mostrato che i dataset per HaCaT e MCF10A presentano una maggiore radioresistenza rispetto a HSF; per quanto riguarda la geometria dei veicoli spaziali, le dosi assorbite sono risultate sistematicamente superiori nella configurazione sferica rispetto a quella cilindrica. Inoltre, per l'SPE dell'agosto 1972, a bassi spessori di schermatura, il nuovo database HaCaT-MCF10A ha fornito dosi pesate sull'RBE superiori di circa il 10% rispetto a HSF; al contrario, a spessori maggiori, il database HSF è risultato più conservativo di circa il 10%. Poiché gli SPE tipicamente si sviluppano nell'arco di diverse ore, valutare gli effetti di una dose protratta nel tempo è cruciale. La valutazione temporale è risultata avere un impatto maggiore in condizioni di schermatura leggera, negli organi più superficiali e usando il database HSF. Per esempio, per la pelle a uno spessore di 0.3 g/cm^2 con il database HSF, la differenza relativa tra un'esposizione acuta e un'irradiazione protratta di 16 ore è circa il 35%. In conclusione, questo lavoro fornisce i primi database radiobiologici BIANCA per le cellule HaCaT e MCF10A e dimostra che la caratterizzazione radiobiologica tessuto-specifica migliora significativamente la valutazione del rischio da radiazioni per le applicazioni spaziali.