Study of the effects of cosmic radiation and solar UV radiation on the earth's biosphere

Abstract

This doctoral thesis investigates the biological effects of combined exposure to ionizing and non-ionizing radiation, with particular emphasis on secondary cosmic radiation (protons and γ-rays) and solar ultraviolet B (UVB) radiation, within the context of the Earth’s biosphere. Under conditions of ozone depletion and enhanced cosmic radiation flux, living organisms are exposed to complex radiation fields whose biological impact cannot be adequately described by single-radiation studies. The primary aim of this work is to elucidate the mechanisms of DNA damage induction and repair, and to assess the genotoxic synergy arising from combined UVB and ionizing radiation exposure. Non-malignant human cell lines (fibroblasts, keratinocytes, monocytes) and human peripheral blood (whole blood and isolated PBMCs) were employed as in vitro and ex vivo experimental models. Samples were exposed to well-defined doses of protons, γ-rays, and UVB radiation, applied individually and in combination. DNA damage induction and repair kinetics were evaluated using established molecular and cytogenetic biomarkers, including γ-H2AX immunofluorescence, γ-H2AX/53BP1 co-localization, transmission electron microscopy (TEM) immunogold analysis, and chromosomal aberration assays. The results demonstrate a pronounced synergistic increase in DNA damage and chromosomal instability following combined exposures, characterized by persistent residual damage and delayed repair. Furthermore, the findings highlight the protective role of the whole-blood microenvironment, likely mediated by plasma antioxidants and erythrocyte-associated redox buffering systems. A major original contribution of this thesis is the design, implementation, and biological validation of the first controlled proton irradiation setup for biological samples in Greece. The experimental platform, based on Rutherford scattering through metallic foils and supported by detailed Geant4 dosimetric simulations, enabled uniform and well-characterized low-energy proton irradiation, relevant to secondary cosmic radiation exposure scenarios. Overall, this thesis advances the understanding of biological responses to mixed radiation fields and underscores the necessity of considering combined exposure scenarios in radiation protection, environmental risk assessment, and space biology.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τις βιολογικές επιδράσεις της συνδυασμένης έκθεσης σε ιονίζουσα και μη ιονίζουσα ακτινοβολία, με έμφαση στις δευτερογενείς κοσμικές ακτίνες (πρωτόνια και γ-ακτινοβολία) και στην ηλιακή υπεριώδη ακτινοβολία UVB, στο πλαίσιο της Γήινης βιόσφαιρας. Υπό συνθήκες ατμοσφαιρικής αραίωσης του όζοντος και αυξημένης κοσμικής ακτινοβολίας, οι βιολογικοί οργανισμοί εκτίθενται σε σύνθετα πεδία ακτινοβολίας, των οποίων οι συνδυασμένες επιδράσεις δεν μπορούν να περιγραφούν επαρκώς από μελέτες μεμονωμένων παραγόντων. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών επαγωγής και επιδιόρθωσης βλαβών του DNA, καθώς και η αξιολόγηση της γενωτοξικής συνέργειας που προκύπτει από τη συνδυασμένη δράση UVB και ιονίζουσας ακτινοβολίας. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκαν ανθρώπινες μη κακοήθεις κυτταρικές σειρές (ινοβλάστες, κερατινοκύτταρα, μονοκύτταρα) και ανθρώπινο περιφερικό αίμα (ολικό αίμα και απομονωμένα PBMCs), ως in vitro και ex vivo μοντέλα. Τα δείγματα εκτέθηκαν σε καλά καθορισμένες δόσεις πρωτονίων, γ-ακτινοβολίας και UVB, μεμονωμένα και σε συνδυασμό. Η επαγόμενη βλάβη του DNA και η κινητική επιδιόρθωσης αξιολογήθηκαν με καθιερωμένους μοριακούς και κυτταρογενετικούς δείκτες, όπως η ανοσοφθορίζουσα ανίχνευση της γ-H2AX, η συνεστίαση με 53BP1, η ανοσοηλεκτρονική μικροσκοπία (TEM) και η ανάλυση χρωμοσωμικών ανωμαλιών. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφή συνεργιστική αύξηση των βλαβών του DNA και της χρωμοσωμικής αστάθειας μετά από συνδυασμένη έκθεση, με επιμονή υπολειμματικής βλάβης και καθυστέρηση της επιδιόρθωσης. Επιπλέον, αναδεικνύεται ο προστατευτικός ρόλος του μικροπεριβάλλοντος του ολικού αίματος, πιθανώς λόγω αντιοξειδωτικών μηχανισμών του πλάσματος και των ερυθροκυττάρων. Σημαντική πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός, η υλοποίηση και η βιολογική αξιολόγηση της πρώτης ελεγχόμενης διάταξης ακτινοβόλησης βιολογικών δειγμάτων με πρωτόνια στην Ελλάδα. Η πειραματική διάταξη, βασισμένη σε σκέδαση Rutherford μέσω μεταλλικού φύλλου και υποστηριζόμενη από προσομοιώσεις Geant4, επέτρεψε την ομοιόμορφη και αξιόπιστη ακτινοβόληση κυττάρων με πρωτόνια χαμηλής ενέργειας, σχετικών με τα σενάρια δευτερογενούς κοσμικής ακτινοβολίας. Η διατριβή συμβάλλει ουσιαστικά στην κατανόηση των βιολογικών επιπτώσεων σύνθετων πεδίων ακτινοβολίας και υπογραμμίζει τη σημασία της συνεκτίμησης σεναρίων συνδυασμένης έκθεσης για την ακτινοπροστασία, την περιβαλλοντική υγεία και τη διαστημική βιολογία.