LE RADIAZIONI IONIZZANTI

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1 LE RADIAZIONI IONIZZANTI Roberto Moccaldi Coordinatore Medicina del Lavoro e Radioprotezione CNR Segretario Nazionale AIRM

2 LIVELLI DI ESPOSIZIONE

3 UNSCEAR 2000: Average radiation doses at year 2000 from natural and man-made sources of radiation expressed in millisievert (msv) per annum Source Worldwide average annual effective dose Natural background 2.4 Diagnostic medical examinations 0.4 Atmospheric nuclear testing Chernobyl accident Nuclear power production The UNSCEAR 2000 Report has ten annexes that are extensive scientific reviews and assessments

4 Sorgenti radioattive naturali ed artificiali: Contributo alla dose alla popolazione (UNSCEAR 2000) Naturali = 2,4 Interna 1,5 Esterna 0,9 Interne: Inalazione (principalmente.radon) = 1,2 Interne: Ingestione 0,3 Esterne Raggi cosmici 0.5 Naturali ed Artificiali = 2,8 Naturali 2,4 Naturale 2,4 Medica 0.4 Fallout Esterne Irradiazione terrestre (g) 0.4 Energia nucleare

5 UNSCEAR 2000: Radiation exposure from diagnostic medical x-ray examination Health care level I II III IV Worldwide average Population per physician < > Annual number of examination (x 1000 population) < 20 Average annual effective dose to population (msv) < The UNSCEAR 2000 Report has ten annexes that are extensive scientific reviews and assessments

6 Dose efficace (E) in msv al paziente per esami radiodiagnostici e medico-nucleari Scintigrafie E Esami Rx E Renale sequenziale 99 Tc 1,6 Torace 1 P 0,02* Tiroidea 99 Tc 1,8 Cranio 2 P 0,07* Epatobiliare 99 Tc 3,3 Diretta addome 1,0* Osteoarticolare 99 Tc 4,4 G.I. superiore (Pasto baritato) 1,5* PET 18 F-FDG 7,4 TC Cranio 2* Miocardica 99 Tc 8,3 Rachide lombare 2,2 Immunoscintigrafia 99 Tc 17 TC addome superiore 3,7 Surrenale 75 Se 18 Urografia 4,6 TC torace 6,9* TC addome inferiore 7,1 Clisma opaco 7* * ICRP Pubbl. 87

7 Typical doses in mgy during CT in adults (Shrimpton et al. 1991) Examination Eyes Thyroid Breast Uterus Ovaries Testes Head * * * Cervical spine * * * Thoracic spine * Chest * Abdomen * L. spine * Pelvis * * The symbol * indicates that dose is < mgy

8 UNSCEAR Esposizione professionale alle radiazioni Sorgenti/pratiche Sorgenti artificiali N.Lavoratori monitorati (in migliaia) Dose efficace media annuale (msv) Ciclo del combustibile nucleare Uso industriale delle radiazioni Uso medico Sorgenti naturali Viaggi aerei (equipaggio) Miniera (carbone) Altre miniere Luoghi di lavoro sotterranei

9 EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI

10 Rappresentazione sinottica degli effetti da radiazioni ionizzanti (da Quintiliani, modificata) Esposizione Ionizzazione Molecole transitoriamente alterate (R ) Molecole stabilmente alterate Lesioni biomolecolari Mutazioni Effetti tardivi Lesioni e morte cellulari Lesioni tissutali Malattie ereditarie Tumori Morte dell organismo

11 FATTORI CHE MODIFICANO LA RISPOSTA ALLE RI Fisici Dose Intensità Frazionamento Distribuzione LET Biologici Fase del ciclo cellulare Meccanismi di riparazione Radiosensibilità cell. (B&T) Fattori individuali (sesso, età, stato ormonale, stili di vita, ereditarietà..) Specie (cane più radiosens. del topo) Chimici Sensibilizzanti Effetto ossigeno Sensibilizzatori della cell.ipossica (nitroimidazoli) con mecc. ossigenomimetico Protettori Antiradicali (cisteina, MEG, AET, Glutatione, SOD)

12 EFFETTI PATOLOGICI Per comodità di esposizione, possono essere raggruppati in classi di differenti caratteristiche cliniche e di diverso significato sanitario generale EFFETTI SOMATICI manifesti nello stesso individuo irradiato EFFETTI EREDITARI colpiscono i discendenti dell individuo irradiato EFFETTI IMMEDIATI Sull individuo irradiato EFFETTI TARDIVI Sull individuo irradiato EFFETTI EREDITARI Sulla progenie dell individuo irradiato

13 EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI SOMATICI (Individuo irradiato) STOCASTICI probabilistici/casuali statistici/differiti NON STOCASTICI graduati/deterministici/ non casuali MUTAZIONI GENICHE STOCASTICI EREDITARI (Progenie) ABERRAZIONI CROMOSOMICHE

14 Classificazione dei effetti da radiazioni ionizzanti SOMATICI (individuo esposto) EREDITARI (progenie) Deterministici Stocastici Stocastici Infertilità Cataratta Sindrome acuta da irradiazione Altri Tumori solidi Leucemie Mutazioni geniche Aberrazioni cromosomiche

15 EFFETTI DETERMINISTICI

16 Esempio di danno cronico alla cute da irradiazione di circa 20 Gy per coronarografia e doppio intervento di angioplastica (ICRP Pubbl.85) 21 mesi dopo il primo trattamento, ulcera profonda che espone il processo spinoso

17 Radiodermite cronica in donna di 17 anni dopo trattamento radioterapico (ICRP Pubbl.85) Placca atrofica indurita Iper ed ipopigmentazione con telangectasia

18 Dosi in procedure interventistiche (ICRP pubbl.87) Effetti Threshold dose (Gy) Minuti fluoro a 0.02 Gy/min Minuti fluoro a 0.2 Gy/min Eritema transitorio Epilazione Desquamazione secca Necrosi dermica Telangiectasia Cataratta >5 >250 all occhio >25 all occhio Cancro cutaneo Non noto Non noto Non noto

19 Caratteristiche essenziali degli effetti deterministici si manifestano solo al superamento di un determinato valore-soglia di dose, che è caratteristico per ogni effetto; si manifestano, per lo più, entro qualche giorno o qualche settimana dopo l irradiazione (insorgenza precoce); colpiscono tutti o quasi tutti gli irradiati con dosi superiori alla soglia; mostrano in genere un aggravamento delle manifestazioni con il crescere della dose. sono reversibili (entro certi limiti)

20 EFFETTI DETERMINISTICI Relazione dose-effetto 100% 0% 50% Dose soglia dell effetto considerato DOSE a b c Variazione di sensibilità tra gli individui esposti DOSE Soglia clinico-strumentale di comparsa della condizione patologica

21 Soglie indicative di dose per alcuni danni deterministici nell adulto (ICRP 41/84 e 60/90) Tessuto ed effetto Testicoli - Sterilità temporanea - Sterilità permanente Ovaie Sterilità Cristallino - Opacità appena osservabili - Deficit visivo (cataratta) Midollo osseo -Depressione dell emopoiesi - Aplasia mortale Esposizione acuta (in Sy) 0,15 3,5-6,0 2,5 6,0 0,5 2,0 5,0 0,5 1,5 Esposizioni fortemente frazionate o protratte (in Sy) N.A. N.A. 6,0 5,0 > 8,0 N.A. N.A. Esposizioni fortemente frazionate o protratte per molti anni (in Sv/y) 0,4 2,0 > 0,2 > 0,1 > 0,15 > 0,4 > 1 (N.A. indica non applicabile in quanto la soglia dipende dall intensità di dose più che dalla dose totale)

22 IRRADIAZIONE ESTERNA GLOBALE SINDROME ACUTA DA RADIAZIONI Sindromi specifiche, dosi associate e relativa letalità Dose assorbita (corpo intero) in Gy 5 Causa di morte principale Sindrome emopoietica (danno midollare) (DL50/60) Tempo alla morte dopo esposizione (gg) Sindrome gastrointestinale > 15 Sindrome del SNC 1-5

23 Nomogramma di Andrews (andamento della linfopenia in funzione dell entità della irradiazione esterna globale acuta nei primi due giorni dopo irradiazione) Moderato (1 Gy) Grave (2 Gy) Molto grave (3-5 Gy) Letale (> 5 Gy) 2

24 Cataract in eye of interventionist after repeated use of over table x-ray tube (ICRP 85)

25 IRRADIAZIONE ESTERNA LOCALIZZATA Lesioni al cristallino Opacità del cristallino (Cataratta che influenza la visione) La latenza è in genere di alcuni anni, per dosi almeno pari a 0.15 Sv/anno per molti anni (ICRP 41-60) Cataratta normalmente attribuita alle radiazioni ionizzanti : Corticale subcapsulare posteriore NON PATOGNOMONICA!

26 IRRADIAZIONE ESTERNA LOCALIZZATA Lesioni al cristallino Corticale subcapsulare posteriore Può essere causata anche da molti altri fattori: FISICI radiazioni infrarosse radiofrequenze ultrasuoni sorgenti luminose di alta intensità elettrocuzione CHIMICI Dinitrofenolo Naftalene Cortisonici Le stesse caratteristiche anatomo-cliniche possono essere assunte dalla cataratta complicata che accompagna alcune malattie oculari (cheratite suppurativa, iridociclite, miopia elevata, glaucoma, retinite pigmentosa ecc) o che si associa a malattie extraoculari (sindrome di Marfan, ittiosi, psoriasi, diabete ecc.).

27 IRRADIAZIONE ESTERNA LOCALIZZATA Lesioni al cristallino Opacità puntiformi non progressive del cristallino Non disturbano la funzione visiva Localizzate nell area centrale o periferica del cristallino: Congenite, situate nel nucleo centrale del cristallino, Post-natali, localizzate alla sua periferia (localizzazione corticale periferica), ad elevata incidenza (25% nella popolazione nel suo insieme)

28 IRRADIAZIONE ESTERNA LOCALIZZATA Lesioni CUTANEE Tipi di lesioni Eritema (campo di 10 cm 2 ) 3-8 Gy X o g per esposizione acuta 30 Gy X o g per esposizione frazionata o protratta Epilazione Epidermite secca : 5 Gy Epidermite (epitelite) essudativa : Gy Temporanea: 3-5 Gy a basso LET per esposizione acuta 7 Gy per esposizione acuta Permanente: Gy frazionati in alcune settimane Ulcerazione cutanea : 18 Gy Necrosi. 25 Gy

29 EFFETTI STOCASTICI

30 Effetti STOCASTICI 1.Tumori (solidi e leucemie) 2.Effetti sulla progenie

31 Effetti STOCASTICI: popolazioni che sono state utilizzate per la determinazione del rischio cancerogeno da radiazioni ionizzanti Armi nucleari Radioterapia medica Diagnostica medica Esposizioni professionali Sopravvissuti della boma atomica (Hiroshima e Nagasaki) Esperimenti: abitanti delle Isole Marshall, altri fallout Tumori in varie sedi Spondilitici Altri processi non maligni (cuoio capelluto) Radioscopia Thorotrast (tossicità chimica) Pelvimetria (feto) Minatori dell uranio ed altri minatori Verniciatori di quadranti d orologio Radiologi Addetti all industria nucleare

32 Effetti STOCASTICI Caratteristiche degli effetti stocastici sono a carattere probabilistico; la probabilità di comparsa aumenta con l aumentare della dose; sono dimostrati dalla sperimentazione radiobiologica e dall'evidenza epidemiologica a dosi elevate (associazione causale statistica); sono distribuiti casualmente nella popolazione esposta; si manifestano dopo anni, talora decenni, dall'irradiazione; non mostrano gradualità di manifestazione con la dose ricevuta, ma sono del tipo "tutto o niente", quale che sia la dose; sono indistinguibili dai tumori indotti da altri cancerogeni. non richiedono il superamento di un valore-soglia di dose per la loro comparsa (ipotesi cautelativa ammessa per i soli gli scopi preventivi della radioprotezione);

33 Curva dose-effetto per induzione neoplastica (come aumento del RR) osservata a dosi elevate di RI RR Incidenza naturale della mortalità per tumore nella popolazione generale 1? Dose (Gy)

34 EFFETTI STOCASTICI Ipotesi della relazione dose-effetto alle basse dosi Correlazione lineare I = c + ad I = Incidenza dopo la dose D, c = incidenza del cancro nella popolazione di controllo, a = coefficiente di correlazione? Correlazione lineare-quadratica I = c + ad+bd 2 Correlazione quadratica I = c + bd 2 b = coefficiente di correlazione DOSE

35 Size of a cohort exposed to different radiation doses, which would be required to detect a significant increase in cancer mortality in that cohort, assuming lifetime follow-up

36 LIVELLI DI PROTEZIONE RIPARAZIONE (del danno oncogeno) Livello chimico Blocco dei radicali e delle loro reazioni (gruppo tiolico,cisteinico es: glutatione) Modulazione della radiosensibilità. Sistemi antiossidativi Livello biochimico Intervento dei sistemi riparativi (enzimi singoli, sistemi polienzimatici) Livello cellulare (Sistemico) Apoptosi e sistema linfocitario Livello Medico Chirugia, radioterapia, chemioterapia

37 Modello Lineare Senza Soglia (LNT) 1. Non esiste una dose, per quanto piccola, che non produca un danno (neoplasia) 2. Non esiste un incremento di dose, per quanto piccolo, cui non corrisponda un incremento di rischio di induzione neoplastica, secondo un rapporto di relazione lineare E stato costruito perché: Ha permesso di interpretare una serie di studi sperimentali Ha dato sostegno ad alcuni dati osservati sui giapponesi Ha permesso di sviluppare l attuale sistema di protezione radiologica (giustificazione, ottimizzazione, limitazione delle dosi) affinché le dosi siano mantenute ai livelli maggiormente ottenibili (ALARA) nell assunzione che i danni stocastici possano essere limitati ma mai prevenuti del tutto.

38 Indicazioni UNSCEAR ICRP elaborati in base ai dati relativi ai sopravvissuti giapponesi Sono osservabili neoplasie in eccesso (dati statisticamente significativi al 95%) solo per dosi > 200 msv

39 Indicazioni UNSCEAR ICRP elaborati in base ai dati relativi ai sopravvissuti giapponesi Coefficiente di probabilità di morte su tutta la durata della vita in una popolazione di tutte le età a causa di tumori mortali specifici 5 x 10-2 Sv -1 Significa che stimo di avere 5 casi di morte per neoplasia (dei diversi tipi) causata dalle radiazioni se irradio con 10 msv persone di tutte le età (delle quali sempre 3000 moriranno a causa di un tumore).

40 Siti di maggior interesse radioprotezionistico (sintesi UNSCEAR 2000 ICRP 1990) Midollo osseo (Leucemie esclusa la LLC) Rene Colon Mieloma Polmoni Osso Cute (con particolare riguardo al basalioma) Mammella Ovaio Vescica Tiroide Stomaco, esofago

41 EFFETTI SULLA PROGENIE DANNI GENETICI (stocastici) Dimostrati in animali e vegetali Non dimostrati sull uomo Rischio (estrapolato da animali) = 1.33 x 10-2 Sv -1 DANNI FETALI (deterministici) Pre-impianto (< 9 giorno) Morfogenesi (< 3 mese) Accrescimento (> 3 mese) - Soglia per malformazioni (estrapolato da animali)= 0.1Gy - Soglia per ritardo mentale = 0.1 Sv NEOPLASIE (stocastici) Dati da H. e N. negativi Altri studi aumento di leucemia con RR=1.4 o minore (esposizioni dell ordine di 0.1 Sv o meno)

42 Dosi medie (in msv) al feto per esami diagnostici eseguiti sulla madre nel Regno Unito ( ICRP n.84/2000). Dose media Addome 1,4 4,2 Torace <0,01 <0,01 Urografia 1,7 10 Tratto lombare 1,7 10 Pelvi 1,1 4 Cranio <0,01 <0,01 TC Addome 8,0 49 TC Torace 0,06 0,96 TC Testa <0,005 <0,005 TC Tratto lombare 2,4 8,6 TC Pelvi Dose massima