Interazione della risposta alle radiazioni nel fibrosarcoma: effetti sulla risposta immunitaria e sull'attivazione del complemento

Cancers now represent a crucial scientific challenge due to their biological complexity. Although conventional radiotherapy is used in around half of all cancer patients, the limitations imposed by radiation resistance and proximity to at-risk organs have, since the 1990s, driven the clinical integration of charged particle therapy. In this context, carbon ion (C-ion) therapy stands out for its physical and biological characteristics, including a high Linear Energy Transfer (LET), capable of inducing direct and complex DNA damage, thereby making the treatment more effective. At the same time, whilst the synergy between immunotherapy and conventional radiotherapy is now well established, the use of carbon ions represents an emerging frontier. Evidence suggests that the unique biophysical properties of these particles may enhance immunogenic cell death (ICD), promoting the conversion of ‘cold’ tumours into ‘hot’ ones and thus improving systemic control of the disease. This PhD thesis aims to investigate the interaction between the response to radiotherapy and the dynamics of the tumour microenvironment in a fibrosarcoma model, a mesenchymal tumour characterised by high clinical aggressiveness, marked resistance to radiotherapy, and often hypoxic and located near organs at risk. These characteristics make it an excellent candidate for the precision and high biological efficacy of carbon ion therapy. A central element of the study is the role of the complement system, traditionally associated with innate immunity and the first line of defence against pathogens but recently recognised as a critical regulator of the tumour microenvironment, with dual effects that depend strictly on the tumour in question. We initially radiobiological characterisation the MN/MCA1 cell line, assessing the advantages of C ions over X-rays in terms of clonogenic survival and migratory capacity. Subsequently, the investigation focused on the modulation of the immune response, analysing the induction of immunogenic cell death through the release of damage-associated molecular patterns (DAMPs) and the production of pro-inflammatory cytokines. Specific attention was paid to the irradiation-induced modulation of complement components. Furthermore, the study investigated how hypoxia might influence these dynamics. The results obtained highlight that, in MN/MCA1 cells, carbon ions possess superior cytotoxic and anti-migratory efficacy compared to X-rays. Both modes of radiation can trigger ICD signals, albeit with different kinetics. Complement activation appears to be driven primarily by systemic factors present in the tumour microenvironment rather than by mechanisms originating from the tumour cells themselves. Furthermore, complement modulation is confirmed to be tumour-specific, influenced by the specific radiosensitivity of the cell line and the basal expression of complement factors. In line with the hypoxic nature of sarcomas, our results demonstrate that hypoxia significantly influences the response to radiation, with prolonged exposure potentially leading to cellular adaptation and the selection of more resistant clones. Overall, these findings provide new insights into the interaction between carbon-ion radiotherapy, hypoxia and complement regulation in sarcoma, with potential implications for the development of personalised and more effective combined therapeutic strategies.

Le neoplasie rappresentano oggi una sfida scientifica cruciale a causa della loro complessità biologica. Sebbene la radioterapia convenzionale interessi circa la metà dei pazienti oncologici, i limiti imposti da radioresistenza e vicinanza con organi a rischio hanno spinto, sin dagli anni '90, verso l’integrazione clinica della terapia con particelle cariche. In questo scenario, la terapia con ioni carbonio (C-ion) si distingue per caratteristiche fisiche e biologiche, tra cui un elevato Linear Energy Transfer (LET), capace di indurre danni diretti e complessi al DNA, rendendo il trattamento più efficacie. Parallelamente, se il sinergismo tra immunoterapia e radioterapia convenzionale è ormai consolidato, l'impiego degli ioni carbonio rappresenta una frontiera emergente. Le evidenze suggeriscono che le proprietà biofisiche uniche di queste particelle possano potenziare la morte cellulare immunogenica (ICD), favorendo la conversione di tumori "freddi" in "caldi" e migliorando così il controllo sistemico della malattia. La presente tesi di dottorato si pone l’obiettivo di indagare l'interazione tra la risposta radioterapica e le dinamiche del microambiente tumorale in un modello di fibrosarcoma, una neoplasia di origine mesenchimale caratterizzata da un'elevata aggressività clinica, una spiccata radioresistenza, e spesso ipossico e localizzato in prossimità di organi a rischio. Queste caratteristiche lo rendo un ottimo candidato per la precisione e l’elevata efficacia biologica della terapia con ioni carbonio. Un elemento centrale dello studio è il ruolo del sistema del complemento, tradizionalmente associato all’immunità innata e prima linea di difesa contro patogeni ma recentemente riconosciuto come un regolatore critico del microambiente tumorale, con effetti duali che dipendono strettamente dal tumore considerato. Il lavoro ha previsto, in una prima fase, la caratterizzazione radiobiologica della linea cellulare MN/MCA1, valutando i vantaggi degli ioni carbonio rispetto ai raggi X in termini di sopravvivenza clonogenica e capacità migratoria. Successivamente, l’indagine si è focalizzata sulla modulazione della risposta immunitaria, analizzando l'induzione della morte cellulare immunogenica attraverso il rilascio di pattern molecolari associati al danno (DAMPs), e la produzione di citochine pro infiammatorie. Un focus specifico è stato dedicato alla modulazione dei componenti del complemento indotta dall'irraggiamento. In più è stato studiato come l'ipossia possa influenzare tali dinamiche. I risultati ottenuti evidenziano che, nelle cellule MN/MCA1, gli ioni carbonio possiedono una superiore efficacia citotossica e anti-migratoria rispetto ai raggi X. Entrambe le modalità di radiazione sono in grado di innescare segnali di ICD, sebbene con cinetiche differenti. L'attivazione del complemento sembra essere determinata principalmente da fattori sistemici presenti nel microambiente tumorale piuttosto che da meccanismi derivanti dalle cellule tumorali. Inoltre, la modulazione del complemento si conferma essere tumore specifica, influenzata dalla radiosensibilità specifica della linea cellulare e dall'espressione basale di fattori del complemento. In linea con la natura ipossica dei sarcomi, i nostri risultati dimostrano che l'ipossia influisce in modo significativo sulla risposta alle radiazioni, con un'esposizione prolungata che può portare all'adattamento cellulare e alla selezione di cloni più resistenti. Nel complesso, questi risultati forniscono nuove informazioni sull'interazione tra radioterapia con ioni di carbonio, ipossia e regolazione del complemento nel sarcoma, con potenziali implicazioni per lo sviluppo di strategie terapeutiche combinate personalizzate e più efficaci.