Interazione della radiazione ottica con le strutture biologiche ed effetti sulla salute

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1 Interazione della radiazione ottica con le strutture biologiche ed effetti sulla salute Gianni F. Mariutti Dipartimento Tecnologie e Salute Fondazione Sicurezza in Sanità ISS - Roma SIMLII, Sezione Apulo-Lucana Aggiornamento in tema di Radiazioni Ottiche e Stress Lavoro - correlato Bari, 8 ottobre 2010

2 Spettro elettromagnetico: Radiazione Ottica

3 Effetti fotochimici ed effetti termici della radiazione ottica Lo spettro della radiazione ottica è suddiviso, in ordine decrescente di lunghezza d onda e crescente di energia fotonica, in 7 intervalli spettrali. Nella ragione spettrale della radiazione infrarossa gli effetti prodotti sono di natura termica, mentre nella banda della radiazione ultravioletta sono di gran lunga prevalenti quelli di natura fotochimica. La regione spettrale del visibile rappresenta la banda di transizione dove coesistono e si sovrappongono sia gli effetti termici di natura deterministica sia quelli di natura fotochimica.

4 Gli effetti fotochimici dipendono dall esposizione radiante efficace o dose, cioè il prodotto dell irradianza efficace o intensità di dose per il tempo di esposizione. Quando un effetto dipende dalla dose e può essere ottenuto, in alternativa, o mediante una intensità bassa per un tempo lungo o una intensità elevata per un tempo breve, purché resti costante il prodotto dei due, esso soddisfa il principio di reciprocità Gli effetti di natura termica non seguono il principio di reciprocità e quindi a parità del prodotto dell irradianza per il tempo di esposizione possono corrispondere risposte molto differenti; da nessun effetto a un danno grave. Un piccolo aumento di temperatura (0,1 C) che si protragga anche per un tempo molto lungo di norma non produce alcun effetto rilevante. Viceversa, un esposizione di breve durata accompagnata da un aumento di temperatura di alcuni gradi può provocare danni significativi, alle volte irreversibili

5 Dall assorbimento del fotone alla risposta tissutale

6 Effetti molecolari dell assorbimento di radiazione ultravioletta L assorbimento di fotoni UV da parte di macromolecole come il DNA, l RNA, le proteine e i lipidi può provocare: danni diretti, dovuti a modificazioni chimiche indotte dall assorbimento dei fotoni in dette molecole; danni indiretti, prodotti attraverso la generazione fotoindotta di specie ossidanti altamente reattive.

7 Danni molecolari diretti e indiretti Danni diretti Rottura della singola e della doppia elica del DNA; Produzione di dimeri di pirimidine, in particolare dimeri di timina; Produzione di fotoaddotti, in particolare il pirimidin 6-4 piramidone. Alterazioni prodotte in larga misura dall assorbimento di UV-C e UV-B e potenzialmente mutageniche (mutazioni di vari oncogeni e/o di geni oncosoppressori, il P53). Danni indiretti I principali bersagli degli ossidanti prodotti dalla RUV, in particolare UV-B e UV-A, sono i lipidi, il DNA, le proteine, le melanine. Bersagli di elezione sono le membrane cellulari (lipoperossidazione) e i mitocondri (inibizione della respirazione mitocondriale).

8 Spettro d azione L efficacia della radiazione nel produrre numerosi effetti fotochimici e biologici non è uguale all interno della regione spettrale della RUV, ma varia in misura notevole con la lunghezza d onda. Si definisce spettro d azione un concetto fotofisico che stabilisce la relazione fra un determinato effetto prodotto, nella fattispecie, dalla RUV e l efficacia relativa delle differenti lunghezze d onda nel produrlo. L impiego dello spettro d azione presuppone che gli effetti prodotti dalla RUV di differenti lunghezze d onda siano additivi. Lo spettro d azione fornisce elementi importanti per stabilire se il danno molecolare è di tipo diretto o indiretto. Lo spettro d azione non è lo spettro di assorbimento di un cromoforo o di una struttura biologica.

9 La prima legge della fotobiologia Per stabilire se un determinato effetto è direttamente prodotto dalla radiazione ottica è conveniente fare riferimento alla prima legge della fotobiologia, detta anche legge di Grottuss- Draper. Affinché un determinato effetto fotochimico abbia luogo, è necessario che il fotone sia assorbito dalla molecola (cromoforo). Ad esempio,non ci si può aspettare alcun effetto diretto sulla retina se la radiazione non può raggiungerla perché assorbita dalle strutture anteriori dell occhio.

10 Riparazione dei danni e disattivazione delle specie aggressive 1- Ai danni diretti e indiretti provocati dall esposizione alla RUV nella pelle irradiata si contrappongono vari fattori e meccanismi endogeni di riparazione. Due sono i percorsi che la cellula segue per rimuovere il danno o le sue conseguenze. Il primo consiste nella riparazione della molecola del DNA nel punto dove si è formato, ad esempio, un dimero di timina, il secondo, invece, consiste nella morte cellulare programmata o apoptosi.

11 Riparazione dei danni e disattivazione delle specie aggressive 2- Nella cute è presente inoltre un complesso sistema antiossidante composto da enzimi e antiossidanti chimici. Antiossidanti enzimatici: Superossido dismutasi (SOD); Catalasi; Glutatione perossidasi; Tioredossina perossidasi. Antiossidanti chimici: Alfa-tocoferolo (vitamina E); Acido ascorbico (vitamina C); Beta-carotene (precursore della vitamina A); Ubichinoni; Glutatione; Zinco-proteine.

12 Spettri di assorbimento nell ultravioletto

13 Effetti della RUV sull occhio e sulla pelle Gli effetti più importanti sull occhio e sulla pelle che si manifestano a seguito dell esposizione alla radiazione UV sono: fotocheratocongiuntivite ( nm); i danni al cristallino che possono accelerare l insorgenza della cataratta ( nm); il danno retinico di natura fotochimica negli individui afachici ( nm). la fotoelastosi, effetto associato con il fotoinvecchiamento della pelle ( nm); la fotocancerogenesi cutanea ( nm); l eritema ( nm); la pigmentazione adattativa ( nm); effetti sul sistema immunitario ( nm); le reazioni fototossiche e fotoallergiche ( nm).

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16 Spettri d azione: eritemigeno e pigmentazione fotoindotta

17 Decorso temporale dell eritema, della pigmentazione adattativa e dell iperplasia cutanea

18 Spettro eritemigeno normalizzato o standard

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22 AUMENTARE LA CONOSCENZA: ASSORBIMENTO DELLA RADIAZIONE UV NELLE STRUTTURE OCULARI

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24 Effetti della RUV sul sistema immunitario Sono diversi, complessi e oggetto di attiva ricerca. Varie evidenze sperimentali suggeriscono sia effetti sfavorevoli sulla salute umana, sia utili applicazioni nel trattamento di particolari patologie (trattamenti fotodermatologici). E dimostrato che la UV-B provoca immunosoppressione locale e sistemica, cellulo-mediata, ma anche il rilascio di citochine che modificano la risposta immunitaria e infiammatoria. Implicazioni possibili: - aumentato rischio di tumori cutanei - Maggiore suscettibilità a virus e batteri (riattivazione Herpes Simplex)

25 Valutazione e controllo del rischio La RUV può provocare effetti deterministici e stocastici. Per limitare il rischio da esposizione professionale ci si ispira ai tre principi basilari della protezione dalle radiazioni ionizzanti. L esposizione causata da una determinata applicazione o attività è giustificata soltanto a fronte di un chiaro beneficio. Quest ultimo, evidentemente, non è identificabile con il profitto; L esposizione deve essere mantenuta al livello più basso possibile in base ad una seria analisi costo-beneficio che consideri anche il costo complessivo delle misure di protezione; Debbono essere definiti dei limiti di esposizione coerenti, allo scopo di controllare ed armonizzare il livello di protezione offerto a tutti i lavoratori esposti.

26 Limiti di emissione e limiti di esposizione Nella protezione dalla RUV ci si avvale di varie norme che prevedono, fra l altro, dei limiti. Esistono due tipi di limiti: i limiti di emissione e i limiti di esposizione. I limiti di emissione riguardano la sorgente e sono, ad esempio, quelli contenuti nella norma tecnica armonizzata CEI EN relativa alle apparecchiature per l abbronzatura della pelle. I limiti di esposizione si applicano al soggetto esposto e sono quelli, ad esempio, elaborati dall ICNIRP e fatti propri dalla Direttiva Europea per la protezione dei lavoratori dalla radiazione ottica.

27 Radiazione infrarossa e visibile L energia dei fotoni nella regione spettrale del visibile produce sia effetti fotochimici sia moti molecolari dissipativi che si traducono in uno sviluppo di calore e aumento della temperatura delle strutture assorbenti. La radiazione infrarossa tipicamente innesca nelle molecole moti vibrazionali, rotazionali e traslazionali che complessivamente determinano un innalzamento della temperatura. L aumento di temperatura prodotto dalla radiazione infrarossa può influire sulle reazioni fotochimiche indotte dalla radiazione UV (visibile) e può aumentare gli effetti dannosi della radiazione UV sulla pelle.

28 Effetti della radiazione infrarossa e visibile I vari tipi di danno da radiazione IR e VIS e le regioni spettrali in cui essi si manifestano sono: 1. il danno retinico di natura termica ( nm); 2. il danno retinico di natura fotochimica nell occhio fachico ( nm); 3. il danno di carattere termico sul cristallino da esposizione alla radiazione IR-A e IR-B ( nm); 4. il danno termico sulla cornea (1400 nm 1 mm); 5. le ustioni da effetto termico sulla pelle (380 nm 1 mm); 6. le reazioni cutanee da fotosensibilizzazione che, in qualche caso, sono prodotte anche dalla radiazione visibile ( nm).

29 Strutture a rischio nell esposizione alla radiazione infrarossa Le strutture a rischio di effetti negativi da esposizione alla radiazione infrarossa sono la pelle e l occhio.

30 Interazione della radiazione IR con la pelle

31 L eritema ab igne E prodotto dall esposizione cronica o ripetuta a radiazione IR di notevole intensità. Tale dermatosi è caratterizzata da: Iperpigmentazione cutanea reticolare Teleangectasie Atrofia epidermica Vasodilatazione Accumuli di melanina e emosiderina nel derma Se croniche, dette lesioni evolvono e presentano caratteristiche analoghe alle cheratosi e ipercheratosi prodotte dalla RUV. Esse aumentano il rischio di tumori cutanei invasivi, in particolare il carcinoma squamoso.

32 Possibili effetti dannosi della radiazione IR e Visibile sull occhio Diversi sono i possibili effetti dannosi della radiazione infrarossa e visibile sull occhio. Le strutture maggiormente interessate sono la cornea, il cristallino e soprattutto la retina. Detti effetti, in ragione della loro natura, possono essere classificati in due distinte categorie: Effetti di natura fotochimica Effetti di natura termica Gli effetti di natura fotochimica, ivi includendo anche quelli benefici come la visione, sono prodotti quasi esclusivamente dalla radiazione visibile, mentre gli effetti di natura termica, ovvero correlati all aumento della temperatura nelle strutture irradiate, sono prodotti sia dalla radiazione visibile sia dalla radiazione infrarossa. E necessario tuttavia considerare che l effetto termico prodotto dalla radiazione visibile si sovrappone sempre allo stimolo visivo. Quest ultimo, viceversa, non si verifica nell esposizione alla sola radiazione infrarossa (non visibile).

33 Fattori che influiscono sul danno oculare da esposizione alla radiazione infrarossa e visibile I fattori che maggiormente influiscono nel determinare la natura e l entità del danno, nonché la sua localizzazione, sono: La lunghezza d onda della radiazione Il valore dell irradianza Il tempo di esposizione Il diametro della pupilla Le caratteristiche del fascio della radiazione incidente La collimazione della radiazione etc.

34 Spettro d azione del danno retinico da luce blu (ICNIRP - ACGIH)

35 Conclusioni Il notevole impiego di sorgenti di radiazione ottica nelle attività produttive, la larga e crescente diffusione di processi che, a causa delle alte temperature in gioco, emettono contemporaneamente radiazione IR, VIS e UV di elevata intensità ed il rilevante numero di lavoratori che operano in ambiente aperto e sono esposti alla radiazione solare, mostrano quanto sia importante considerare con la dovuta attenzione i problemi di protezione dalle citate radiazioni nell ambiente di lavoro e di vita. I dati scientifici attualmente noti riguardanti l esposizione umana alla RUV permettono di affermare che l esposizione, in rapporto a: valore efficace, profilo temporale, fattori individuali di fotosensibilità etc., può produrre vari effetti acuti di natura deterministica e aumentare il rischio di danni a lungo termine, alcuni dei quali manifestano un prevalente carattere stocastico. La rilevanza sanitaria dei danni da esposizione alla RUV, anche quando essi non sono adeguatamente quantificati è un fatto innegabile.