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Radiazioni spaziali: approcci integrati per comprenderne gli effetti e sviluppare contromisure

DOI 10.12910/EAI2025-082

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di Simonetta Pazzaglia, Francesca Antonelli, Ilaria De Stefano, Emiliano Fratini, Daniela Giovannini, Simona Leonardi, Emanuela Pasquali, Mirella Tanori - Dipartimento Sostenibilità Circolarità e Adattamento al Cambiamento Climatico dei Sistemi Produttivi Territoriali – Divisione Biotecnologie, Laboratorio Biotecnologie RED - ENEA

Comprendere gli effetti biologici delle radiazioni e sviluppare strategie di protezione efficaci è cruciale non solo in medicina e radioprotezione ma anche per la pianificazione di missioni spaziali a lungo termine. Lo sviluppo di modelli biologici avanzati rappresenta oggi uno strumento chiave oltre che per comprendere i processi patologici indotti dalle radiazioni anche per individuare strategie di prevenzione e trattamento più efficaci

Lo spazio e le radiazioni cosmiche

L’esplorazione spaziale rappresenta da sempre uno dei grandi sogni dell’umanità, e oggi, grazie anche al crescente coinvolgimento delle aziende private, la possibilità di intraprendere missioni spaziali di lunga durata, per esplorare o forse un giorno colonizzare altri pianeti, appare sempre più concreta. Tuttavia, nonostante i grandi progressi tecnologici, rimangono ancora molte sfide irrisolte, soprattutto legate alla salute umana.

Tra le principali priorità dell’Agenzia Spaziale degli Stati Uniti d’America (NASA) per la tutela della salute umana nello spazio, rientra la comprensione e la mitigazione dei rischi che gli astronauti affrontano durante le missioni, soprattutto quelle di lunga durata. Lo Human Research Program della NASA ha identificato cinque principali rischi che gli astronauti devono affrontare durante le missioni spaziali. Tra questi rientrano le radiazioni cosmiche, potenzialmente responsabili di gravi effetti sulla salute umana a breve e a lungo termine.

Al di fuori della magnetosfera terrestre, infatti, gli equipaggi delle navicelle spaziali sono esposti in modo costante a un flusso diffuso di raggi cosmici galattici (GCR) a bassa intensità e, occasionalmente, a eventi di particelle solari (SPE) di maggiore intensità (Figura 1) [1]. In particolare, i GCR sono costituiti principalmente da protoni (90%), ioni elio (~9%) e da una piccola percentuale (~1%) di particelle pesanti ad alta energia (HZE). Queste ultime, pur costituendo una porzione minima della radiazione totale, sono in grado di attraversare le schermature delle navicelle e generare radiazioni secondarie ancora più pericolose dal punto di vista biologico. Oltre l’orbita terrestre, la protezione offerta dal campo magnetico scompare, aumentando l’esposizione a particelle altamente energetiche, in grado di indurre danni al DNA, difficilmente riparabili.

Modelli sperimentali avanzati per comprendere meccanismi patogenetici delle radiazioni ionizzanti:

Le radiazioni hanno da sempre una doppia natura: da un lato sono strumenti essenziali per la medicina e la ricerca, dall’altro possono rappresentare un rischio per la salute.  La risposta biologica alle radiazioni è tuttavia estremamente variabile e dipende da fattori genetici, metabolici e ambientali. Da oltre vent’anni, il laboratorio BIOTEC-RED di ENEA è un punto di riferimento nella ricerca europea sulla protezione dalle radiazioni, anche grazie a una partecipazione continuativa ai programmi finanziati da EURATOM. Questo impegno ha permesso al laboratorio di approfondire i meccanismi biologici e molecolari con cui l’organismo risponde anche a basse dosi di radiazioni, con importanti ricadute sulla salute e sulla valutazione del rischio. Inoltre, l’uso di modelli avanzati e tecnologie innovative come le omiche ha reso la nostra ricerca all’avanguardia, posizionandoci come punto di riferimento competitivo in Europa e in Italia.

I modelli sperimentali disponibili, ampiamente caratterizzati dal Laboratorio BIOTEC-RED nel contesto della ricerca in radioprotezione, coprono un vasto spettro di patologie oncologiche e non oncologiche. Tra i modelli oncologici figurano tumori cerebrali come il medulloblastoma, neoplasie cutanee quali basalioma e carcinoma a cellule squamose, oltre a leucemie. Sul versante non oncologico, il laboratorio dispone di modelli per lo studio di cataratta, neurogenesi ippocampale e aterosclerosi, nonché di sistemi inducibili dedicati all’analisi di malattie croniche intestinali e radioenterite. Questi modelli, che ricapitolano fedelmente le patologie umane, consentono di monitorare in modo controllato lo sviluppo e la progressione delle malattie, fornendo informazioni fondamentali sulla patogenesi dopo esposizione alle radiazioni ionizzanti.

Un filone di ricerca particolarmente rilevante riguarda lo studio dei modelli radiosensibili, fondamentali per capire gli effetti delle radiazioni ionizzanti e sviluppare strategie di protezione efficaci. Questi includono i modelli sperimentali geneticamente modificati con difetti nei sistemi di riparo del DNA (come Rad54, DNA-PK e Parp1) o alterazioni in vie di segnalazione chiave come Sonic Hedgehog, che conferisce una ipersensibilità alle radiazioni. Grazie a questi modelli, è possibile studiare in dettaglio i processi di danno e riparazione del DNA e, al tempo stesso, testare contromisure per ridurre gli effetti avversi delle radiazioni ionizzanti sull’organismo.

A tali approcci si affiancano piattaforme di xenotrapianto di cellule tumorali umane, organoidi e colture di sezioni organotipiche, che permettono di mantenere l’architettura tissutale e le interazioni con il microambiente in contesti tridimensionali più realistici rispetto ai modelli bidimensionali tradizionali. L’integrazione di modelli avanzati con analisi omiche (miRNoma, trascrittoma, proteoma), supportate da strumenti bioinformatici, ci consente di indagare i meccanismi molecolari della risposta biologica ai trattamenti, accelerando l’innovazione biotecnologica e la medicina personalizzata (Figura 2). Un recente studio condotto dal nostro gruppo rappresenta un esempio significativo: abbiamo confrontato i meccanismi molecolari e lo sviluppo di patologie oncologiche e non oncologiche cerebrali in seguito all’esposizione a fotoni o protoni, al fine di ottenere informazioni sugli effetti legati alla qualità delle radiazioni, un aspetto cruciale sia in ambito clinico che aerospaziale [2].

Infine, il laboratorio BIOTEC-RED coordina il progetto EU DISCOVER, finanziato dall’UE con oltre 1,3 milioni di euro, che punta a comprendere i meccanismi alla base dello sviluppo dei tumori indotti da radiazioni, attraverso modelli biologici avanzati e approcci innovativi per studiare come le interazioni tra cellule cerebrali e microambiente possano favorire la formazione del cancro per studiare i meccanismi che favoriscono i tumori indotti da radiazioni e sviluppare strategie di prevenzione e trattamento.

Biomedicina Aerospaziale: sfide e obiettivi

La biomedicina aerospaziale studia gli effetti dell’ambiente cosmico sul corpo umano, concentrandosi in particolare su radiazioni ionizzanti e microgravità. Sebbene il numero ancora limitato di astronauti renda complesso definire con precisione l’impatto biologico della permanenza nello spazio, il NASA Twins Study [3] ha evidenziato che i voli di lunga durata possono modificare l’espressione genica, il sistema immunitario e la struttura cerebrale. La maggior parte di tali alterazioni regredisce al ritorno sulla Terra, ma permane una certa instabilità genetica, sottolineando la necessità di indagare maggiormente gli effetti della permanenza nello spazio e sviluppare strategie di protezione più efficaci per le future missioni lunari e marziane.

Il cuore applicativo della disciplina risiede nello sviluppo di contromisure biologiche e fisiche, tra cui:

  • Molecole radioprotettive e antiossidanti naturali (vitamine, polifenoli, carotenoidi) in grado di ridurre lo stress ossidativo e i danni al DNA.
  • Integratori e farmaci mirati per modulare l’infiammazione, favorire la riparazione tissutale e l’adattamento metabolico.
  • Ibernazione o ipometabolismo controllato, strategia innovativa volta a ridurre il metabolismo cellulare, limitando la produzione di radicali liberi e ottimizzando il consumo energetico.
  • Materiali schermanti leggeri e multifunzionali, progettati per offrire protezione dalle radiazioni mantenendo comfort e flessibilità operativa.

I modelli sperimentali disponibili presso il laboratorio BIOTEC-RED, oltre a contribuire alla comprensione dei meccanismi di danno causati dalle radiazioni cosmiche, rappresentano uno strumento prezioso per lo sviluppo di strategie di protezione integrate. Un esempio concreto di impiego dei modelli radiosensibili per la valutazione di materiali schermanti è rappresentato dal progetto W-SHIELD ormai concluso, della Divisione TIMAS, finanziato dalla Regione Lazio nell’ambito dei programmi LAaerospaZIO. In questo studio sono stati impiegati i nostri modelli sperimentali per valutare l’efficacia dei materiali nel ridurre il danno indotto da raggi X, quantificando la morte cellulare (apoptosi) in tessuti sensibili [4](Figura 3).

I modelli sperimentali nel laboratorio sono anche centrali in un progetto finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). In Space-It-Up (2025–2028), vengono studiati gli effetti delle radiazioni sul sistema nervoso, con l’obiettivo di sviluppare contromisure radioprotettive e biomarcatori di esposizione, a supporto della sicurezza degli astronauti durante le missioni spaziali di lunga durata.

Oltre alla disponibilità di modelli radiobiologici avanzati integrati con tecnologie omiche, la possibilità di accedere a sorgenti di radiazioni di interesse spaziale — quali raggi gamma (Calliope, ENEA Casaccia), protoni (TOP-IMPLART, ENEA Frascati) e neutroni di fissione (Reattore Tapiro, ENEA Casaccia) — del Dipartimenti NUCLEARE di ENEA, rende il nostro contributo alla ricerca in biomedicina aerospaziale particolarmente rilevante nello scenario nazionale ed internazionale.

In sintesi, nel contesto della ricerca spaziale, i modelli biotecnologici avanzati rivestono un ruolo strategico poiché, quando esposti a condizioni che simulano la radiazione cosmica, permettono di analizzare i potenziali effetti a lungo termine, contribuendo allo sviluppo di contromisure biologiche in vista delle future missioni su Luna e Marte (Figura 4). La visione integrata, che unisce ricerca di base, applicazioni spaziali e clinica, rappresenta una frontiera emergente delle biotecnologie aerospaziali, in grado di coniugare l’esplorazione scientifica con la tutela della vita in ambienti estremi. Dal laboratorio terrestre allo spazio profondo, la biotecnologia diventa così un alleato fondamentale per la medicina del futuro.

L’immagine mostra le principali sorgenti di radiazione nello spazio e il loro effetto su Terra e astronauti. A sinistra ci sono le radiazioni primarie, provenienti da supernove e dal Sole. Le supernove emettono raggi cosmici galattici: elettroni, protoni e ioni ad alta energia. Il Sole produce vento solare costante e particelle energetiche durante brillamenti ed espulsioni di massa coronale. Queste particelle viaggiano nello spazio e incontrano il campo magnetico terrestre, che ne devia una parte. Una navicella spaziale, fuori dalla protezione del campo magnetico, è più esposta. Le radiazioni che colpiscono lo scafo generano radiazioni secondarie all’interno. Queste comprendono protoni, neutroni, elio e frammenti nucleari. L’immagine evidenzia l’importanza della schermatura spaziale per la sicurezza degli astronauti.+
Figura 1 - Campi di radiazione primari e secondari ai quali sono esposti gli astronauti durante una missione spaziale.
L’immagine mostra tre approcci complementari alla ricerca biomedica. È divisa in tre sezioni che formano un cerchio. La prima, Modelli 3D in vitro, rappresenta esperimenti su cellule e tessuti coltivati in laboratorio. Include colture cellulari, pipette, piastre Petri e modelli tridimensionali di organi. La seconda, Modelli in vivo, mostra esperimenti condotti su animali, in particolare topi. Raffigura un microscopio, una siringa e un topo con un tumore. La terza, Scienze omiche e bioinformatica, riguarda l’analisi dei dati genetici e molecolari. Mostra DNA, computer, strumenti di sequenziamento e grafici di dati biologici. Insieme, le tre sezioni rappresentano un sistema integrato di studio biologico. Nel complesso l’immagine rappresenta l’integrazione di modelli sperimentali avanzati e piattaforme biotecnologiche per l’analisi della risposta biologica alle radiazioni ionizzanti.+
Figura 2 - Integrazione di modelli sperimentali avanzati e piattaforme biotecnologiche per l’analisi della risposta biologica alle radiazioni ionizzanti.
L’immagine mostra un esperimento su topi di 2 giorni di età per valutare gli effetti dei raggi X sul cervello. Tre topi sono rappresentati: uno di controllo, uno irradiato e uno irradiato ma con uno schermo protettivo. Il simbolo della radioattività indica la fonte dei raggi X diretti verso la testa. Lo schermo blu protegge la testa, lasciando esposto solo il corpo. A destra, un grafico mostra la percentuale di cellule apoptotiche (cioè cellule che muoiono). Il gruppo di controllo (0 Gy) presenta valori quasi nulli. I topi irradiati con 1 Gy mostrano un aumento marcato della morte cellulare (circa 15%). Con lo schermo, l’apoptosi è ridotta a circa la metà. Tre asterischi indicano una differenza statisticamente significativa. In sintesi, lo schermo attenua ma non elimina gli effetti dannosi dei raggi X sul cervello fetale.+
Figura 3 - Applicazione di un modello radiobiologico per valutare contromisure radioprotettive: il cervelletto dei topi neonati è sensibile alle radiazioni. L’irraggiamento con 1 Gy di raggi X aumenta la morte cellulare nel cervelletto, mentre la presenza di un cilindro di un nuovo materiale schermante sulla testa protegge lo efficacemente.
L’immagine illustra come si studiano e sviluppano strategie per proteggere l’organismo dai danni causati dalle radiazioni ionizzanti nello spazio. Nella parte superiore sinistra c’è un astronauta circondato da etichette che indicano i diversi sistemi corporei colpiti dalle radiazioni e dalla microgravità:– sistema vestibolare (nausea e cinetosi), visivo (cataratte), circadiano (disturbi del sonno), cardiovascolare (ipotensione, aritmie), respiratorio (ridotta capacità polmonare), nervoso (danni neuronali), muscolare (atrofia), immunitario (maggiore rischio d’infezioni), osseo (perdita di densità), e organi sensibili alle radiazioni (tumori e mutazioni genetiche). Una freccia punta verso il basso, indicando che questi effetti vengono studiati in modelli murini (topi), rappresentati in una figura stilizzata con la scritta “Mouse models to test counter measurements”. A destra, sono illustrate quattro strategie di protezione: Molecole radioprotettive (vitamine, polifenoli, carotenoidi) – riducono lo stress ossidativo e limitano i danni al DNA; Farmaci mirati – modulano l’infiammazione e stimolano la riparazione dei tessuti; Materiali schermanti – leggeri, multifunzionali, capaci di proteggere dalle radiazioni cosmiche; Ibernazione – riduce il metabolismo, la produzione di radicali liberi e aumenta la resistenza alle radiazioni. In sintesi, i topi sono usati come modello sperimentale per testare contromisure biologiche, farmacologiche e fisiche contro gli effetti delle radiazioni spaziali.+
Figura 4 - Modelli radiobiologici per la valutazione di strategie di protezione dai danni da radiazioni ionizzanti.

Bibliografia

  1. Takahashi A., Ikeda H., Yoshida Y. (2018), “Role of high-linear energy transfer radiobiology in space radiation exposure risks”, J. Partic. Ther., 5(1):151-159. doi: 10.14338/IJPT-18-00013.1.
  2. Giovannini D, Antonelli F, Casciati A, De Angelis C, Denise Astorino M, Bazzano G, Fratini E, Ampollini A, Vadrucci M, Cisbani E, Nenzi P, Picardi L, Saran A, Marino C, Mancuso M, Ronsivalle C, Pazzaglia S. Comparing the effects of irradiation with protons or photons on neonatal mouse brain: Apoptosis, oncogenesis and hippocampal alterations. Radiother Oncol. 2024 Jun;195:110267. doi: 10.1016/j.radonc.2024.110267. Epub 2024 Apr 11. PMID: 38614282.
  3. Garrett-Bakelman FE, Darshi M, Green SJ, Gur RC, Lin L, Macias BR, McKenna MJ, Meydan C, Mishra T, Nasrini J, Piening BD, Rizzardi LF, Sharma K, Siamwala JH, Taylor L, Vitaterna MH, Afkarian M, Afshinnekoo E, Ahadi S, Ambati A, Arya M, Bezdan D, Callahan CM, Chen S, Choi AMK, Chlipala GE, Contrepois K, Covington M, Crucian BE, De Vivo I, Dinges DF, Ebert DJ, Feinberg JI, Gandara JA, George KA, Goutsias J, Grills GS, Hargens AR, Heer M, Hillary RP, Hoofnagle AN, Hook VYH, Jenkinson G, Jiang P, Keshavarzian A, Laurie SS, Lee-McMullen B, Lumpkins SB, MacKay M, Maienschein-Cline MG, Melnick AM, Moore TM, Nakahira K, Patel HH, Pietrzyk R, Rao V, Saito R, Salins DN, Schilling JM, Sears DD, Sheridan CK, Stenger MB, Tryggvadottir R, Urban AE, Vaisar T, Van Espen B, Zhang J, Ziegler MG, Zwart SR, Charles JB, Kundrot CE, Scott GBI, Bailey SM, Basner M, Feinberg AP, Lee SMC, Mason CE, Mignot E, Rana BK, Smith SM, Snyder MP, Turek FW. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science. 2019 Apr 12;364(6436):eaau8650. doi: 10.1126/science.aau8650. PMID: 30975860; PMCID: PMC7580864.
  4. Giuliani C, De Stefano I, Mancuso M, Fiaschini N, Hein LA, Mirabile Gattia D, Scatena E, Zenobi E, Del Gaudio C, Galante F, Felici G, Rinaldi A. (2024), “Advanced Electrospun Composites Based on Polycaprolactone Fibers Loaded with Micronized Tungsten Powders for Radiation Shielding”. Polymers (Basel), 13;16(18):2590. doi: 10.3390/polym16182590. PMID: 39339053; PMCID: PMC11435529.
  5. Vitali R, Palone F, De Stefano I, Fiorente C, Novelli F, Pasquali E, Fratini E, Tanori M, Leonardi S, Tanno B, Colantoni E, Soldi S, Galletti S, Grimaldi M, Morganti AG, Fuccio L, Pazzaglia S, Pioli C, Mancuso M, Vesci L. (2023), “Characterization of Early and Late Damage in a Mouse Model of Pelvic Radiation Disease”. Int J Mol Sci., 15;24(10):8800. doi: 10.3390/ijms24108800. PMID: 37240150; PMCID: PMC10218716.

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