Introduzione. 1 E nat 130 V/m a livello del suolo; B nat μt

Transcript

1 Introduzione È oggi sempre più diffusa la consapevolezza che l'utilizzazione delle nuove tecnologie e lo sviluppo produttivo che da essa trae origine devono avvenire in forma controllata, tenendo conto in modo prioritario delle esigenze di salvaguardia dell'ambiente e di protezione sanitaria dell'uomo. L'enorme sviluppo di sistemi, impianti ed apparati che generano ed immettono campi elettromagnetici nell'ambiente, quali i sistemi di telecomunicazione, teleradiodiffusione, radar e telerilevamento, concorre a determinare livelli di campo elettromagnetico di vari ordini di grandezza superiori a quelli del fondo naturale 1. I parametri che caratterizzano la nocività di tale diffusione sono essenzialmente il livello, la durata e la banda di frequenza dei campi elettromagnetici. Quest'ultimo parametro ha interesse specifico, in quanto le modalità e gli effetti delle interazioni dei campi elettromagnetici con i componenti dell'ecosistema (uomo, animali, vegetazione) dipendono fortemente dalla frequenza dei campi in gioco. Allo stato attuale, la problematica relativa alle interazioni bioelettromagnetiche e, quindi, all accoppiamento del campo con il corpo esposto riguardano praticamente tutto lo spettro compreso dalle decine di Hz fino alle centinaia di GHz. Particolare attenzione, sia per le tecnologie associate, sia per la non chiarezza dei meccanismi di interazione, va riservata alla banda di frequenza in uso per i sistemi di telefonia mobile che va da MHz (per i sistemi di prima e seconda generazione) a GHz (per i sistemi di terza generazione). A quest ultimo intervallo di frequenze è stata rivolta l attenzione di questo lavoro di tesi, rivolgendo l interesse a un particolare valore di frequenza (f = 1.95 GHz) associato alla trasmissione del segnale dall utente al sistema radio-base per il sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). In particolare, tale lavoro è inserito in una linea di ricerca più ampia denominata progetto WITHER (WIreless Technology HEalth Risks) che ha come finalità lo studio di possibili effetti citogenetici indotti da segnali UMTS generati da un 1 E nat 130 V/m a livello del suolo; B nat μt 1

2 dispositivo compatto e semplice da usare, caratterizzato in tutti i suoi parametri dosimetrici, realizzato nell ambito del progetto stesso. Tale sistema di esposizione è stato utilizzato anche in questo lavoro di tesi, al fine di investigare sui possibili effetti citogenetici indotti da MW, utilizzando il test delle aberrazioni cromosomiche. Nello specifico, sono stati valutati sia gli effetti diretti di tale campo, sia gli effetti sinergici indotti su campioni di linfociti umani. Per le particolari caratteristiche biologiche che presentano, i linfociti di sangue periferico umano sono infatti considerati buoni campioni da sottoporre ad esposizioni di diversa natura. Nel nostro caso, i campioni di linfociti, opportunamente preparati, sono stati esposti a differenti valori di SAR medio (0.5 e 2 W/kg) e alcuni di essi ad una dose di raggi X pari a 4 Gy. Parte dei campioni preparati è servita come controllo per i campioni esposti. Nel primo e secondo capitolo si propone una discussione dei parametri dosimetrici e delle caratteristiche dielettriche dei sistemi biologici e una panoramica, tenuto conto della vastità dell argomento trattato, dei meccanismi di interazione e di accoppiamento del campo con il corpo esposto e dei possibili tipi di effetti indotti da esposizioni a campi di diversa frequenza (effetti termici e non termici). Si esporrà, ancora, una rassegna dei diversi studi finora condotti al fine di evidenziare modelli interpretativi di tali effetti. Lo stato dell arte proposto nel capitolo 2 evidenzia come, in special modo per i campi a MW e RF, non vi siano ancora risultati conclusivi e concordi circa i possibili effetti biologici e danni alla salute imputabili a tali campi. Il capitolo 3 presenta le aberrazioni cromosomiche, sottolineandone l importanza in termini di biomarcatori del danno riportato a livello del DNA; è presentata, inoltre, una discussione sui meccanismi di riparazione di tale danno e l impiego della tecnica FISH per la relativa analisi. Nel capitolo 4, infine, si descrive l intera fase sperimentale, le caratteristiche dosimetriche dell apparato utilizzato e i risultati ottenuti. 2

3 Capitolo 1 I campi elettromagnetici 1.1 Emissioni e frequenze dei CEM Ogni corpo, a temperatura diversa dallo zero assoluto (-273 C), contribuisce a creare campi elettromagnetici (CEM) nell ambiente, influendo sulla formazione di un fondo elettromagnetico naturale. A questo naturale livello di fondo si sono aggiunti, al passo con l evoluzione tecnologica, i campi elettromagnetici generati dalle sorgenti legate alle attività dell uomo, portando ad un costante aumento dell esposizione a campi elettromagnetici di origine artificiale. Tra le più note sorgenti di origine naturale di campi elettromagnetici ritroviamo le stelle, la terra, la ionosfera terrestre (che emette le cosiddette onde di Schumann di 7.8 Hz, legate ai fenomeni atmosferici) e lo stesso corpo umano. Di più vasta natura e gamma sono, sicuramente, i campi elettromagnetici di origine artificiale, che per semplicità possono essere suddivisi in due categorie: i campi a frequenze fino a 10 4 Hz (campi elettrici statici, magnetici statici e a bassa frequenza), le cui sorgenti più comuni comprendono gli elettrodotti, gli elettrodomestici ed i computer, e i campi elettromagnetici ad alta frequenza (da unità di MHz a decine di GHz), le cui sorgenti principali sono i radar, gli impianti di telecomunicazione e di diffusione radiotelevisiva, i telefoni mobili e le loro stazioni radio base, i riscaldatori ad induzione ed i sistemi antitaccheggio. Fig. 1.1: Spettro elettromagnetico

4 Capitolo 1 I campi a radiofrequenza appartengono ad una precisa regione dello spettro elettromagnetico compresa tra 3 khz e 300 GHz e rappresentano una particolare classe di radiazioni non ionizzanti. La loro presenza non è percepita dall uomo, sia perché il nostro corpo non è provvisto di recettori o organi di senso specifici per le Radiofrequenze (RF) e le Microonde (MO), sia perché, solitamente, l intensità di queste radiazioni nell ambiente è inferiore ai valori corrispondenti alla soglia di stimolazione delle strutture elettricamente eccitabili del corpo umano (decine di ev) o a quelle corrispondenti alla soglia di percezione del calore indotto dalla radiazione. Tab. 1.1.: Nomenclatura in uso per le onde a radiofrequenza Sigla Denominazione Frequenza f ELF frequenze estremamente basse (extremely low frequency) Lunghezza d'onda λ < 3 khz > 100 km VLF frequenze bassissime (very low frequency) 3 30 khz km ONDE RADIO MICROONDE LF MF HF VHF UHF SHF EHF frequenze basse o onde lunghe (low frequency) frequenze basse o onde medie (medium frequency) alte frequenze o onde corte (high frequency) frequenze altissime o onde metriche (very high frequency) onde decimetriche (ultra high frequency) onde centimetriche (super high frequency) onde millimetriche (extremely high frequency) khz 10 1 km 300 khz 3 MHz 1 km 100 m 3 30 MHz m MHz 10 m 1 m 300 MHz 3 GHz 1 m 10 cm 3 GHz 30 GHz 10 1 cm GHz 1 cm 1 mm La Tab. 1.1 riporta la nomenclatura in uso per le onde a radiofrequenza, suddivise in onde radio e microonde. 4

5 I campi elettromagnetici Oltre alla nomenclatura riportata in tabella, esistono altri termini di uso comune. Ad esempio, l insieme delle VHF e parte delle UHF (solitamente fino ad 1 GHz) è indicato comunemente con il nome onde ultracorte. Le frequenze di interesse per gli argomenti trattati in questa tesi sono quelle relative alle microonde. In particolare, la frequenza di lavoro scelta (1.95 GHz) è un valore tipicamente in uso nei sistemi di telefonia mobile di terza generazione. 1.2 Radiazioni ionizzanti e non ionizzanti Le modalità di interazione dei campi elettromagnetici con la materia dipendono dalla quantità di energia associata alla radiazione. In generale, è possibile classificare le radiazione, secondo tale energia, in radiazioni ionizzanti (IR Ionizing Radiation) e non ionizzanti (NIR Non Ionizing Radiation). Alla prima categoria appartengono quelle radiazioni che si collocano nella parte superiore dello spettro e che possiedono un energia sufficientemente elevata da ionizzare atomi e molecole. Se l energia E i associata al singolo quanto della radiazione è maggiore di quella necessaria a tenere legati gli elettroni negli orbitali atomici si ha ionizzazione. In particolare, l energia necessaria per estrarre un elettrone dalla orbita più esterna dell atomo, deve essere uguale o maggiore a 12 ev (per l acqua l energia di prima ionizzazione è di 12.6 ev). Tenendo conto della complessità delle biomolecole, l energia necessaria a produrre una ionizzazione in una biomolecola è pari a 34 ev (tenendo conto anche delle eccitazioni associate). La radiazione ionizzante è particolarmente pericolosa perché in grado, ad esempio, di indurre mutazioni a livello cromosomico e causare cancro. La grandezza fisica che quantifica l'energia assorbita dalla materia è la dose D, definita come il rapporto tra il valore medio dell'energia assorbita e la massa del volume di materia considerato: (1.1) D = deass L'unità di misura per la dose è il gray (Gy), che equivale ad 1 J/kg. Alcuni effetti biologici dipendono, oltre che dalla dose di radiazione, anche dalla durata dell'esposizione. In tal caso si fa riferimento ad un altro parametro fisico, rateo di dose, definito come il rapporto tra la dose assorbita ed il tempo di irraggiamento: dm 5

6 Capitolo 1 (1.2) dd Rateo di dose = dt e misurato generalmente in Gy/min. Le radiazioni caratterizzate da energie troppo deboli da indurre ionizzazione negli atomi che le assorbono sono dette non ionizzanti (convenzionalmente si fissa a GHz la soglia al di sotto della quale le onde elettromagnetiche si considerano non ionizzanti). Le NIR si suddividono, a loro volta, in una sezione ottica (comprensiva delle radiazioni ultraviolette, della luce visibile e delle radiazioni infrarosse) e in una non ottica (che comprende le radiofrequenze e i campi elettrici e magnetici a bassa frequenza). In questa seconda sezione possono essere compresi anche i campi elettrici e magnetici statici, che per quanto non siano proprio radiazioni, possono, comunque, essere inclusi, per scopi operativi, tra le radiazioni non ionizzanti dello spettro elettromagnetico. La seguente tabella esplicita ulteriormente il legame tra campi, relative frequenze ed energia associata. Tipo di radiazione Tab. 1.2: Energia e frequenza associate a diverse radiazioni Frequenza (Hz) Lunghezza d'onda (m) Energia di un quanto di radiazione (ev) UHF TACS, GSM Microonde, UMTS, radar Onde millimetriche Luce visibile UV ionizzante Raggi-X Raggi-X penetranti Con riferimento alla Tab. 1.2 osserviamo che l energia associata al quanto delle onde UHF, delle microonde e delle onde millimetriche è bassa, decisamente inferiore ai 34 ev necessari per la ionizzazione delle biomolecole. Aumentando ulteriormente le frequenze, l energia associata al quanto cresce di conseguenza. 6

7 I campi elettromagnetici 1.3 Interazione bioelettromagnetica L interazione tra un campo elettromagnetico e un sistema biologico può essere schematizzato nel modo illustrato in Fig La sorgente e il canale trasmissivo rappresentano, rispettivamente, l'apparato di emissione elettromagnetica e l'ambiente (terreno, pareti, aria ecc.), mentre il ricevitore rappresenta la struttura irradiata (animale, uomo e sue parti o altri campioni biologici). Fig.1.2: Schematizzazione dell interazione tra campo elettromagnetico e sistema biologico Lo studio degli effetti prodotti dai campi elettromagnetici sui materiali biologici può essere affrontato caratterizzando il campo incidente e valutando, attraverso misure dosimetriche, la quantità di campo che penetra nel corpo, essendo note le proprietà dielettriche dei sistemi biologici Caratterizzazione del campo incidente La caratterizzazione del campo può essere affrontata riferendosi ai seguenti punti: campo lontano; campo vicino; polarizzazione del campo; presenza di ostacoli o ambiente di esposizione. Per realizzare un appropriata caratterizzazione elettromagnetica della sorgente e individuarne i principali parametri di emissione è opportuno riferire la distanza dalla sorgente alla lunghezza d onda associata al campo. Per i campi elettromagnetici ad alta frequenza (oltre le centinaia di khz), la caratterizzazione viene, infatti, generalmente condotta nella regione di campo lontano (Fig. 1.3), dove la distanza dalla sorgente è superiore a 2D 2 /λ (con D massima dimensione della sorgente e λ lunghezza d onda nell aria). In questa regione non vi è dipendenza né accoppiamento tra la sorgente e l oggetto esposto. 7

8 Capitolo 1 Il campo lontano è descritto da un onda piana che incide sulla superficie di separazione tra due semipiani riempiti da materiali diversi (ad esempio, aria e tessuto biologico con relative caratteristiche dielettriche). Fig. 1.3: Caratterizzazione del campo in relazione alla distanza dalla sorgente Dell onda elettromagnetica che incide sull'interfaccia fra i due mezzi materiali una parte viene riflessa e l'altra è trasmessa al mezzo successivo (Fig. 1.4) [Arthur R., 1952]; se poi quest'ultimo è un materiale con perdite, l'onda, mentre si propaga, cede una parte della sua energia al mezzo materiale e il modulo della densità di potenza si attenua esponenzialmente secondo la legge: (1.3) S( z) = z 2 δ S0e in cui So rappresenta la densità di potenza iniziale (cioè, alla coordinata z = 0) dell'onda che penetra nel mezzo materiale e δ è detta profondità di penetrazione e indica la distanza alla quale il campo elettrico si è ridotto al 37% e la densità di potenza almeno del 14% rispetto ai valori all'interfaccia. Fig. 1.4: Propagazione di un'onda elettromagnetica in un mezzo con perdite 8

9 I campi elettromagnetici La profondità di penetrazione è data in termini di σ (conducibilità elettrica), ε (costante dielelettrica) e ω (pulsazione legata alla frequenza di lavoro f dalla relazione ω = 2πf) ed è espressa dalla relazione seguente: (1.4) c δ = 2 ε σ ω ωε 0ε r Nel caso dei buoni conduttori, per i quali σ >> ωε o ε r, questa formula si semplifica notevolmente e si può scrivere: (1.5) δ 1 π f μσ 0 In questa approssimazione, δ è molto piccola ed è detta spessore di pelle (effetto pelle). I materiali biologici, però, non permettono questa semplificazione (infatti σ è dello stesso ordine di grandezza di ωε 0 ε r ) e risultano più assimilabili a dielettrici con elevate perdite piuttosto che a buoni conduttori [Cole K.S., Cole R.H., 1987; Schwan H.P, 1957]. Dalla relazione 1.5 si deduce che la profondità di penetrazione è inversamente proporzionale alla frequenza: più alta è la frequenza meno profondamente la radiazione penetra nel corpo, depositando tutta l energia negli strati superficiali. In Fig 1.5 è riportato l'andamento di δ per frequenze comprese tra 100 MHz e 10 GHz per sangue, muscolo e tessuto adiposo [Foster K.R., Schwan H.P, 1989]. Fig. 1.5: Profondità di penetrazione per tre tipi di tessuti biologici 9

10 Capitolo 1 Escludendo le altissime frequenze (f > 10 GHz), per le quali la penetrazione è scarsissima (δ < 1 cm), nelle situazioni reali l onda, penetrando nel mezzo materiale, ad esempio il corpo umano, arriva alla superficie di separazione fra tessuti di natura diversa e viene riflessa con maggiore o minore intensità. Si manifestano, così, variazioni di intensità ad ogni superficie di separazione ed eventuali fenomeni di interferenza accompagnati da assorbimenti concentrati in prossimità di alcune superfici di separazione (formazione di hot spot o punti caldi). Situazioni molto più complesse si possono verificare quando l approssimazione di onda piana o, comunque, di campo lontano non è applicabile. Questo si verifica, ad esempio, per la caratterizzazione dei campi elettromagnetici a bassa frequenza (in genere fino a non più di khz). Essi, infatti, hanno interesse solo a distanze che corrispondono alla cosiddetta regione di campo vicino (Fig. 1.3), cioè a distanze dalle sorgenti inferiori a 2D 2 /λ. Nell'esposizione in campo vicino, l'assorbimento di energia può risultare ancora più disomogeneo di quanto precedentemente illustrato in rapporto alla potenza irradiata, alla frequenza dei campi, alla struttura spaziale dei campi irradiati ed alla configurazione antenna radiante - sistema assorbente. In questo caso, una semplificazione comunemente impiegata è la cosiddetta approssimazione quasistatica, che consiste nello sfruttare le piccole dimensioni dell'oggetto esposto rispetto alla lunghezza d'onda. I problemi di accoppiamento al campo elettrico ed al campo magnetico possono essere impostati e risolti indipendentemente. Fig. 1.6: Fattori che possono influenzare il legame tra emissione, esposizione e dose 10

11 I campi elettromagnetici Il limite superiore di frequenza per l'applicabilità di questo approccio discende dalla necessità che siano soddisfatte le due seguenti condizioni: (1) i tessuti devono poter essere considerati buoni conduttori e (2) le dimensioni e le distanze coinvolte devono essere piccole rispetto alla lunghezza d'onda interna o - equivalentemente - rispetto alla profondità di penetrazione del campo elettromagnetico nei tessuti. Per caratterizzare completamente il campo è necessario stabilire, inoltre, la polarizzazione dell'onda incidente, cioè come varia il vettore campo elettrico e campo magnetico nel tempo per un fissato punto dello spazio e l eventuale presenza di ostacoli (ambiente di esposizione) i cui effetti di riflessioni e diffrazione possono influenzare il legame tra emissione, esposizione e dose di radiazione assorbita (Fig. 1.6). 1.4 Propagazione e assorbimento dei campi elettromagnetici nei tessuti: proprietà dielettriche Il meccanismo di accoppiamento costituisce la prima fase dell'interazione del campo elettromagnetico con un sistema biologico, a seguito della quale correnti e cariche vengono indotte nei tessuti dell'oggetto esposto. I parametri che influenzano tale meccanismo sono principalmente le caratteristiche dielettriche dei tessuti e la frequenza del campo [Chiabrera A. et al, 1990; Pething R., 1984]. Da un punto di vista elettrico, i tessuti biologici si comportano, a seconda della frequenza e del tipo di tessuto, come dielettrici con più o meno perdite o come conduttori più o meno buoni; il loro comportamento è descritto da due grandezze fondamentali: la conducibilità elettrica σ e la costante dielettrica assoluta ε. I tessuti biologici non possiedono [Stuchly M.A., Stuchly S.S., 1990], invece, proprietà ferromagnetiche (sono pressoché "trasparenti" al campo magnetico), essendo la loro permeabilità magnetica praticamente uguale a quella dell aria (μ 0 = 4π 10-7 H/m). Le caratteristiche dielettriche di tutti i tessuti sono sintetizzate nel valore della costante dielettrica relativa complessa ε c, valutata alla frequenza di lavoro. Tale costante può essere ricavata dall equazione di Debye che, nel dominio delle frequenze, è separabile in parte reale e parte immaginaria: 11

12 Capitolo 1 (1.6) con (1.7) (1.8) e (1.9) dove J è la densità di corrente di cariche libere e D la densità di flusso elettrico. La parte reale ε, detta costante dielettrica, misura la polarizzabilità del mezzo, mentre la parte immaginaria ε è detta fattore di perdita ed è legata alla perdita di energia del campo nel mezzo per effetto delle correnti di conduzione e della polarizzazione. Un materiale si comporta tanto più da buon conduttore quanto più alta è la sua tangente di perdita, definita da: ε (1.10) σ tanα = = ε ωε L assorbimento dell energia associata al campo dipende, quindi, strettamente dalla frequenza di lavoro del campo stesso. Nel corpo umano, ad esempio, è possibile distinguere varie modalità di assorbimento rispetto a quattro intervalli di frequenze: Subrisonanza: ω < 30 MHz. Si ha un assorbimento superficiale lungo il tronco che aumenta all aumentare della frequenza con una dipendenza di tipo quadratico. Risonanza: ω 30 MHz MHZ. Sono possibili assorbimenti per corpo intero e per parti di esso; nella zona di risonanza si ha il massimo assorbimento. Zona dei punti caldi: ω 400 MHz 2 GHz. Si ha un assorbimento localizzato per densità di 100 W/m 2 ; l'assorbimento diminuisce all aumentare della frequenza con una dipendenza del tipo 1/f 2. Anche le dimensioni dei punti caldi, il cui ordine di grandezza è quello dei centimetri, diminuiscono all aumentare della frequenza. Zona di assorbimento superficiale: ω > 2 GHz. Si ha assorbimento con incrementi di temperatura solo superficiali. 12

13 I campi elettromagnetici Per la valutazione quantitativa della potenza assorbita da un materiale ci si avvale di un semplice modello equivalente (Fig. 1.7), costituito da un condensatore ad armature piane e parallele, sede di un campo elettrico e riempito da un dielettrico. Fig. 1.7: Modello equivalente di un materiale Nell ipotesi di sollecitazioni sinusoidali, l ammettenza del condensatore può essere scritta nel modo seguente: (1.11) = ω = Yc j C j S ωε c d dove con S e d si sono indicate, rispettivamente, la superficie e la distanza tra le armature del condensatore. Sostituendo la 1.6 nella precedente relazione si ottiene: (1.12) S S Yc = jωε + ωε d d nella quale è evidente che l ammettenza è costituita da una parte reale di tipo resistivo e da una parte immaginaria di tipo capacitivo. La Fig. 1.8 mostra il circuito RC equivalente del dielettrico con perdite, dove la capacità C e la resistenza R sono quindi: (1.13) (1.14) C = ε S d 1 R = ωε Sd 13

14 Capitolo 1 Fig. 1.8: Circuito equivalente di un dielettrico con perdite La potenza dissipata, a seguito della non idealità del dielettrico, imputabile alla sola parte reale, risulta essere: (1.15) V S = = ωε = ωε V R d P V E dove E rappresenta il campo elettrico presente tra le armature del condensatore, nella regione del dielettrico. La misura della distribuzione di potenza depositata in un sistema biologico, presenta, comunque, grosse difficoltà. I metodi analitici, infatti, non sono in grado di analizzare appieno il problema dell interazione tra campo elettromagnetico e sistema biologico, come, ad esempio l assorbimento in corrispondenza dei diversi arti ed organi che costituiscono il corpo umano. 1.5 Dosimetria dei campi elettromagnetici La quantificazione dell interazione tra campo elettromagnetico e corpo biologico ad esso esposto prende il nome di dosimetria [Silvestri A., 1999; Vecchia P., 1999; Petraglia G., 2003]. Per campi non ionizzanti, la dosimetria fornisce anche indicazioni sulla distribuzione della potenza assorbita nell organismo esposto. Nella gamma di frequenze di interesse di questa tesi, così come per tutte le frequenze comprese tra 100 khz e 300 GHz, gli effetti biologici prodotti dall esposizione al campo elettromagnetico possono essere valutati a partire dalla potenza assorbita P oppure, in modo del tutto equivalente, dalla densità di corrente J= (2σPP2 ) 1/2 o dal campo interno E= (2P/σ) 1/2. 14