Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti

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1 Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti Viviana Fanti Università degli Studi di Cagliari Servizio di Radioprotezione e Fisica Sanitaria

2 Effetti delle radiazioni ionizzanti sulle persone n Indesiderati: radioattività naturale, esposizioni lavorative e medico-diagnostiche Radioprotezione n Desiderati: radioterapia Piani di trattamento: controllo tumore, risparmio tessuti sani 2

3 Radiazioni ionizzanti (RI) Sono in grado di produrre ionizzazione di atomi e/o molecole nella materia attraversata. Tipi principali: n Radiazioni elettromagnetiche (raggi X, γ) n Particelle cariche leggere (e -, e + ) n Particelle cariche pesanti (α, protoni, ioni leggeri) n Particelle neutre pesanti (neutroni) Raggi X e γ Particella α Elettrone (β) Neutrone

4 Dose assorbita n È la quantità di energia impartita dalla radiazione ad una massa unitaria di materiale attraversato D = de dm Il concetto di dose non è sufficiente per valutare l'effetto biologico. Questa quantità infatti non ci consente di tener conto delle radiazioni di diversa qualità, né della diversa radiosensibilità dei tessuti. 4

5 Unità di misura nel Sistema Internazionale n Dose assorbita Gray ( Gy) = 1 Joule kg 5

6 Qualità della radiazione n È l'insieme delle caratteristiche della radiazione che determinano la distribuzione spaziale dei depositi energetici e quindi l'efficacia biologica. n Energia, carica elettrica, massa delle RI determinano le modalità di interazione con la materia e quindi la distribuzione spaziale dell'energia rilasciata. n Un indicatore della qualità della radiazione è il LET: Linear Energy Transfer, trasferimento lineare di energia. 6

7 LET: Trasferimento Lineare di Energia n Il LET è definito come il rapporto tra l'energia ΔE depositata in un percorso molto breve e la lunghezza del percorso Δx " L = $ ΔE # Δx % ' & L'unità di misura di solito utilizzata è kev/µm 1keV = 10 3 ev, 1 µm = 10-6 m 7

8 Alto e basso LET Il LET di una particella determina la densità di ionizzazione lungo la traccia Radiazioni basso LET Es. raggi X, γ Radiazioni alto LET Es. particelle α, protoni Ionizzano più raramente Il LET non varia nel percorso Producono ionizzazioni ravvicinate Il LET è maggiore alla fine del percorso

9 Efficacia biologica relativa (RBE) La RBE tiene conto del fatto che la stessa dose assorbita, dovuta a radiazioni con diverso LET non produce gli stessi effetti biologici. RBE = DoseX DoseT DoseX= dose assorbita dovuta ad una radiazioni di riferimento (convenzionalmente raggi X 250 kvp) necessaria a produrre un certo effetto biologico in un dato tessuto. DoseT = dose assorbita di una radiazione T necessaria a produrre lo stesso effetto biologico nello stesso tessuto. Es.: 2 Gy di una radiazione producono la stessa reazione biologica prodotta da 10 Gy di raggi X da 250 kvp. In questo caso la radiazione ha RBE pari a 5. 9

10 Dose equivalente n È definita mediante un fattore di ponderazione w R che tiene conto dell'efficacia biologica della radiazione = w H D T R T, R R w R = fattore di ponderazione per la radiazione R D T,R = dose assorbita mediata sull organo o tessuto T a causa della radiazione R

11 Unità di misura n Dose assorbita n Dose equivalente Gray ( Gy) = 1 Sievert ( Sv) = Joule kg [ Gy] Quando si parla di Sievert, vuol dire che si sta tenendo conto del tipo di radiazione incidente Gli effetti sono gli stessi per tutti i tessuti biologici? 11

12 Legge di Bergonié e Tribondeau (1906) Stabilisce che la radiosensibilità delle cellule è direttamente proporzionale alla loro attività riproduttiva e inversamente proporzionale al loro grado di differenziazione Le cellule staminali sono quelle più radiosensibili Più una cellula è matura più è radioresistente Più un tessuto o un organo sono giovani più sono radiosensibili La radiosensibilità è tanto maggiore quanto maggiore è l attività metabolica e quanto maggiore è la velocità di proliferazione cellulare e di crescita dei tessuti 12

13 Radiosensibilità Cellule e tessuti n Le cellule più radiosensibili sono quelle non specializzate, indifferenziate. n Tali cellule si trovano in rapida riproduzione. n In fase di mitosi (suddivisione della cellula madre in due cellule figlie) la doppia elica del DNA si divide per potersi duplicare nelle cellule figlie, pertanto è sufficiente danneggiare un solo filamento per produrre gli stessi effetti della doppia rottura. radiosensibili Cellule basali della pelle Tessuto emopoietico Epitelio intestinale radioresistenti Cervello Fegato Reni Muscoli Ossa Cartilagini 13

14 Dose efficace n Nella Dose Efficace si tiene conto della radiosensibilità dei diversi organi o tessuti irradiati, mediante il fattore di ponderazione w T E = w H T T T w T = fattore di ponderazione per l organo o tessuto T H T = dose equivalente nel tessuto o organo T

15 Unità di misura n Dose assorbita n Dose equivalente Gray ( Gy) = 1 Sievert ( Sv) = Joule kg [ Gy] n Dose efficace Sievert ( Sv) = [ Gy] 15

16 Vecchie unità di misura (ancora in uso in USA) n Dose assorbita rad : 1 rad = 0,01 Gy; 1Gy = 100 rad n Dose equivalente, dose efficace: rem : 1 rem = 0,01 Sv; 1 Sv = 100 rem 16

17 Danno biologico n Il danno biologico, dovuto alle radiazioni, deriva dalla ionizzazione degli atomi che formano le molecole che a loro volta formano le cellule degli organismi viventi. n Un atomo ionizzato tenderà a produrre nuovi legami chimici all interno della molecola alla quale appartiene. n Se la molecola in questione ha una importanza critica per le funzioni della cellula, allora la cellula stessa può risultare danneggiata. CELLULA 17

18 Gli effetti biologici dovuti alle radiazioni ionizzanti sono a carico di diverse parti della cellula Rottura di un complesso DNA-membrana Rottura della membrana nucleare Rottura della guaina proteica Rottura di un doppio filamento di DNA Rottura della membrana mitocondriale Rottura di un singolo filamento di DNA Il bersaglio principale, in quanto molecola fondamentale per il funzionamento della cellula e presente in una sola copia, è il DNA 18

19 Danno diretto e indiretto n DANNI DIRETTI la radiazione crea ionizzazione nella macromolecola di DNA che viene danneggiato direttamente dalla radiazione. n DANNI INDIRETTI il danno è prodotto dai radicali liberi dovuti alla ionizzazione delle molecole d acqua che costituiscono circa l 80% del corpo umano. 19

20 Radiolisi dell'acqua Ionizzazione H H 2 2 O + ri HOH O + e + HOH + e Dissociazione HOH HOH + + H + OH OH + H n Molecole d acqua sono scomposte in radicali liberi che presentano una notevole reattività chimica: H*, OH*. n I radicali liberi possono rompere i legami del DNA; hanno vita molto breve ma sufficiente a raggiungere il nucleo e a danneggiare le molecole di DNA. 20

21 n Sono atomi neutri o molecole che hanno un elettrone spaiato. H Radicali liberi OH n Sono particolarmente instabili dal punto di vista chimico e molto reattivi. n Possono produrre reazioni chimiche indesiderate e trasferire la loro energia in eccesso ad altre molecole determinando la rottura dei legami chimici. n In presenza di ossigeno i radicali liberi possono combinarsi e formare perossido di idrogeno, H 2 O 2, tossico per la cellula. Formazione di perossido di idrogeno OH H HO + O 2 + OH 2 HO + HO H O H 2 2 O 2 + O 2 21

22 Radicali liberi n I radicali liberi possono essere prodotti anche a partire da molecole organiche RH + ri RH R n Possono viaggiare attraverso la cellula e causare danni a grandi distanze dalla loro zona di origine. n L'ossigeno aumenta l'effetto dovuto ai radicali liberi. n Le cellule presenti all interno di tessuti dotati di scarsa irrorazione sono più resistenti alle radiazioni perché hanno un minore apporto di ossigeno. Es.: alcuni tumori sono radioresistenti perché contengono cellule scarsamente ossigenate. + O 2 RO 2 H + R 22

23 Effetto ossigeno L'effetto di aumento del danno biologico in presenza di Ossigeno è ben conosciuto nel campo dei danni da radiazioni. La capacità dell Ossigeno di potenziare la risposta della radiazione è chiamato effetto Ossigeno e viene espresso in termini di rapporto di accrescimento dell Ossigeno OER (Oxygen Enhancement Ratio): OER = Dose necessaria per produrre un effetto biologico senza O 2 Dose necessaria per produrre lo stesso effetto con O 2 23

24 Danno al DNA n Se il danno al DNA è su uno solo dei filamenti che lo costituiscono, allora il danno è riparabile. n Se il danno al DNA è su entrambi i filamenti, allora si possono avere due situazioni: 1 la cellula muore (subito o quando tenta di riprodursi) 2 la cellula non muore ma la perdita di informazione si traduce in una mutazione che potrebbe dare inizio ad un processo neoplastico o a malattie ereditarie. 24

25 LET e danno al DNA n Le radiazioni ad alto LET producono ionizzazioni ravvicinate n Sono in grado di danneggiare la molecola di DNA interagendo direttamente con essa n Le radiazioni a basso LET producono danni maggiormente per effetto indiretto attraverso la radiolisi dell'acqua. n L'effetto ossigeno non è importante per radiazioni ad alto LET 25

26 Curve di sopravvivenza cellulare Rappresentano la frazione di cellule che sopravvivono in funzione della dose. Si ottengono da esperimenti di irraggiamento di campioni cellulari Ø Più alto è il LET più pendente è la curva. Ø La gran parte delle linee cellulari, esposte a radiazioni di basso LET, mostrano una spalla iniziale sulla curva di sopravvivenza, che indica l intervento di meccanismi di riparazione del danno da radiazione Ø In seguito a esposizione a radiazioni ad alto LET la capacità di recupero del danno è bassa o assente: curve di sopravvivenza con andamento lineare 26

27 Effetti biologici sull organismo Diverse classificazioni: " Effetti somatici " Effetti ereditari " Effetti immediati " Effetti tardivi " Effetti deterministici (reazioni tissutali) " Effetti stocastici 27

28 Effetti somatici Effetti ereditari n Il danno prodotto alle cellule ha una implicazione profondamente diversa a seconda che le cellule siano somatiche oppure germinali. n Il danno alle cellule germinali potrebbe introdurre una mutazione genetica che potrebbe essere trasmessa all individuo figlio, mentre il danno alle cellule somatiche rimane a carico del corpo di cui queste fanno parte. 28

29 Danni deterministici (sterilità, cataratta, alterazione emopoiesi, eritema,...) Dovuti al danneggiamento di molte cellule in organi o tessuti n In genere evidenziabili in seguito ad esposizioni acute n Dose soglia (necessità di danno in un numero sufficiente di cellule e possibilità di recupero) n Soglia dipendente dalla definizione di condizione patologica e dalla variabilità individuale n Tessuti/organi più radiosensibili: ovaie e testicoli, midollo osseo, cristallino n Il periodo di latenza è solitamente breve, quindi gli effetti sono riscontrabili poco tempo dopo l irraggiamento (minuti, ore o settimane) 29

30 Sindromi acute da irradiazione Insorgono a seguito di irradiazioni a corpo intero con dosi e ratei di dose elevati. Si manifestano con tre forme cliniche di progressiva gravità. Ematologica (D>3 Gy) Aplasia dei tessuti emopoietici che conduce a infezioni ed emorragie (per riduzione delle piastrine). In genere letale con dosi > 4 Gy in mancanza di trattamenti. Gastoeintestinale (D>10 Gy) Sintomi: nausea intrattabile, vomito e diarrea, necrosi tissutale per progressiva atrofia della mucosa, setticemia, emorragia e perforazione intestinale. Generalmente fatale nell'arco di 1-3 settimane. Neurologica o cerebrovascolare (D>30 Gy) Sintomi: periodo prodromico di nausea e vomito, seguito da tremori, convulsioni, atassia. È sempre fatale. Edema cerebrale e morte entro poche decine di ore o pochi giorni 30

31 Danni stocastici (induzione di tumori e leucemie, danni ereditari) Possono insorgere a seguito del danneggiamento di una o poche cellule Evidenziabili anche in esposizione protratte a basso rateo di dose (effetti dominanti per esposizioni occupazionali) Non evidenziabile l'esistenza di dosi soglia Sono di tipo probabilistico, quindi non su tutti gli individui hanno lo stesso effetto La frequenza della loro comparsa aumenta con la dose Hanno lunghi periodi di latenza prima che si verifichino (mesi o anni) La gravità non dipende dalla dose ricevuta 31

32 Radiazioni e vita 32