Danni Biologici da radiazioni ionizzanti

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1 Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione Danni Biologici da radiazioni ionizzanti Qualità delle radiazioni Dose Danno biologico Limiti di legge Confronto fra esposizioni

2 Gli ioni nei legami chimici Le radiazioni ionizzanti sono chiamate così per la loro capacità di ionizzare gli atomi della materia con cui interagiscono. elettrone protone + neutrone + - Ione Il comportamento chimico di uno ione è diverso rispetto a quello di un atomo neutro e questo altera il materiale di cui l atomo ionizzato fa parte. 2

3 Danni biologici da radiazione 1 Il danno biologico, provocato dalle radiazioni, deriva dalla ionizzazione degli atomi che compongono le strutture molecolari alla base delle cellule negli organismi viventi. Un atomo ionizzato tenderà a produrre nuovi legami chimici all interno della molecola alla quale appartiene. Le funzioni vitali della cellula possono essere compromesse se la molecola danneggiata ha una importanza critica all interno della cellula. CELLULA 3

4 Danni biologici da radiazione 2 Il danno biologico: Molecolare Cellulare Organico Un danno cellulare o organico è sempre prodotto da un danno molecolare. L esposizione a radiazioni ionizzanti di un corpo vivente ne può alterare il bilanciamento chimico compromettendo la funzionalità delle cellule. Se il numero delle cellule compromesse è elevato, allora la funzionalità dell intero corpo potrebbe essere inibita. 4

5 Danni biologici da radiazione 3 Le radiazioni ionizzanti che interagiscono con le cellule producono ionizzazioni ed eccitazioni sia nelle macromolecole vitali (DNA) che nell acqua contenuta all interno delle cellule. Nel primo caso viene generato un danno direttamente sulle macromolecole, nel secondo caso vengono prodotti i radicali liberi che indirettamente causano danni alle molecole. Azione diretta Azione indiretta Ionizzazioni prodotte direttamente negli atomi delle molecole di DNA. Effetti dovuti alla produzione di radicali liberi a causa della idrolisi dell acqua. Possono produrre inattività o alterazione della funzionalità delle molecole Possono produrre la distruzione delle macromolecole con conseguente morte della cellula 5

6 Effetti chimici e biologici Gli effetti chimici e biologici, nel tessuto umano, dipendono dalla dose assorbita : (dose assorbita = energia assorbita / massa); Maggiore è l energia assorbita maggiore è il numero di ionizzazioni ed eccitazioni prodotte; A parità di dose assorbita, il danno biologico può variare, in quanto dipende: dalle ionizzazioni subite per unità di cammino percorso (LET); reazione biologica (RBE); dalla presenza di ossigeno nei tessuti (OER). 6

7 Qualità della radiazione Radiazioni elettromagnetiche (Raggi X, γ) Particelle cariche (α, β, protoni ecc.) Particelle neutre (neutroni) Raggi X e γ Particella α Elettrone (β) Neutrone Le radiazioni sono diverse per massa, carica e energia e questo determina diversi modi di cedere energia al tessuto biologico 7

8 Trasferimento Lineare di Energia (LET) Le radiazioni ionizzanti quando interagiscono con la materia depositano l energia lungo il cammino percorso. Il LET (Linear Energy Transfer) è l energia media depositata per unità di cammino percorso. L de = dl de = energia ceduta localmente per collisioni da una particella carica lungo un segmento dl 8

9 Trasferimento Lineare di Energia (LET) Le radiazioni possono essere classificate in funzione della loro capacità di trasferire energia durante il percorso nel materiale attraversato. Radiazioni basso LET Raggi X, γ Radiazioni alto LET Particelle α, protoni e neutroni Formazione di radicali liberi Produzione di ioni Danni riparabili al DNA Azione indiretta Azione diretta 9

10 Efficacia Biologica Relativa (RBE) La RBE tiene conto del fatto che dosi identiche di radiazioni con LET diversi producono effetti biologici diversi. RBE = DoseX DoseT DoseX= dose assorbita dovuta ad una radiazioni di riferimento (convenzionalmente raggi X) necessaria a produrre un certo effetto biologico in un dato tessuto. DoseT = dose assorbita di una radiazione T necessaria a produrre lo stessa reazione biologica nello stesso tipo di tessuto. 10

11 Effetto ossigeno (OER) Il danno biologico viene amplificato in presenza di Ossigeno. L effetto ossigeno (Oxygen Enhancement Ratio) viene espresso in termini di rapporto di accrescimento: Dose in condizioni anossiche per produrre un effetto OER = Dose in condizioni ossigenate per produrre lo stesso effetto 11

12 Dose assorbita È la quantità di energia assorbita da una massa unitaria di materiale attraversato: D = de dm Questa quantità non tiene conto: degli effetti biologici indotti da radiazioni di diversa qualità; dalla risposta dei diversi tessuti biologici; dall effetto di accrescimento dovuto alla eventuale presenza di Ossigeno. 12

13 Dose Equivalente È definita mediante un fattore di ponderazione w R che tiene conto del LET della radiazione e in qualche modo anche della RBE H = w D R T, R R T 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 Valori di w R Fotoni di tutte le energie 1 Elettroni e muoni di tutte le energie 1 Neutroni, energia < 10 kev 5 tra 10 kev e 100 kev 10 tra 100 kev e 2 MeV 20 tra 2 MeV e 20 MeV 10 > 20 MeV 5 Protoni tranne quelli di rinculo, energia > 2 MeV 5 Particelle alfa, frammenti di fissione, nuclei pesanti 20

14 Dose Efficace Nella Dose Efficace si tiene conto degli effetti biologici probabilistici in funzione dell organo o tessuto irradiato mediante il fattore di ponderazione w T E = w H T T w T = fattore di ponderazione per l organo o tessuto T H T = dose equivalene nel tessuto o organo T T Valori di w T Gonadi 0,20 Midollo osseo (rosso) 0,12 Colon 0,12 Polmone 0,12 Stomaco 0,12 Vescica 0,05 Mammella 0,05 Fegato 0,05 Esofago 0,05 Tiroide 0,05 Cute 0,01 Superfici ossee 0,01 Altri tessuti 0,05

15 Unità di misura D = de dm Dose assorbita ( ) Gray( Gy) = 1 Joule kg w R D T H =, R R Dose equivalente ( ) Sievert ( Sv) = [ Gy] Dose efficace ( E = w T H T ) T Sievert ( Sv) = [ Gy] Quando si parla di Sievert, vuol dire che si sta tenendo conto del tipo di radiazione incidente 15

16 Azione diretta e indiretta Azione diretta: la radiazione crea ionizzazione negli atomi che costituiscono le macromolecole vitali (DNA), quindi la cellula viene danneggiata direttamente dalla radiazione. Azione indiretta: il danno è prodotto dai radicali liberi dovuti dalla ionizzazione delle molecole d acqua che costituiscono circa il 80% del corpo umano. 16

17 I Radicali Liberi Sono dovuti alla radiòlisi delle molecole d acqua presenti nelle cellule: H O H HOH + e - + H 2 O OH H + OH + OH H2 O 2 HOH - OH - H Perossido d Idrogeno Idroperossido H + O 2 HO 2 Sono atomi neutri o molecole che hanno un elettrone spaiato nell orbitale esterno. Molto instabili dal punto di vista chimico e molto reattivi, producono reazioni chimiche indesiderate oppure possono determinare la rottura dei legami chimici preesistenti. Si stima che almeno 2/3 di tutti i danni da radiazione sono dovuti ai radicali liberi che possono viaggiare attraverso le cellule e causare danni a grandi distanze dalla loro zona di origine. L effetto dei R.L. viene amplificato dalla presenza di ossigeno.

18 Effetti biologici delle radiazioni I danni biologici dovuti alle radiazioni ionizzanti sono a carico della cellula Rottura della membrana nucleare Rottura di un complesso DNA-membrana Rottura della guaina proteica Rottura di un doppio filamento di DNA Rottura della membrana mitocondriale Rottura di un singolo filamento di DNA 18

19 Danno al DNA Il danno più grave alla cellula è a carico del materiale genetico nucleare (DNA). Alterazioni del DNA possono causare: Morte istantanea della cellula con conseguente detrimento dell organo di appartenenza. Morte riproduttiva, la cellula non è più in grado di riprodursi. Apoptosi, cioè morte programmata della cellula Induzione di processo neoplastico. 19

20 Processi di riparazione Se il danno al DNA è su uno solo dei filamenti di zuccheri e ortofosfati che lo costituiscono, allora il danno è riparabile. 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. 20

21 Radiosensibilità Cellule e tessuti Le cellule più radiosensibili sono quelle non specializzate, indifferenziate. Tali cellule si trovano in rapida riproduzione. 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 21

22 Cellule somatiche e cellule germinali Il danno prodotto alle cellule ha una implicazione profondamente diversa a seconda che le cellule siano somatiche oppure germinali. Il danno alle cellule germinali (ovociti e spermatozoi) 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. 22

23 Effetti delle radiazioni Gli effetti delle radiazioni sul corpo umano possono essere riassunti in due grandi tipologie di effetti: Effetti deterministici Sono effetti biologici somatici che possono essere posti direttamente in relazione con la dose ricevuta. Effetti stocastici Sono effetti probabilistici la cui frequenza nella popolazione è legata alla dose totale ricevuta dall intera popolazione. Es. eritema da radiazione Es. tumori 23

24 Danni somatici deterministici sono effetti a soglia, al di sotto della quale non si verifica il danno la gravità varia con la dose, maggiore è la dose maggiore è il danno Il periodo di latenza è solitamente breve, quindi gli effetti sono riscontrabili poco tempo dopo l irraggiamento (minuti, ore o settimane) Se viene rimossa la sorgente di radiazione gli effetti si possono ridurre fino a scomparire, si può avere autoriparazione da parte del corpo 24

25 Esempi di effetti acuti Probabili variazioni nel conteggio del particolato del sangue. Sicure variazioni nel conteggio del particolato del sangue. Sindrome emopoietica (guaribile) Ablazione reversibile del midollo osseo rosso (guaribile) 0,140 0,500 2,000 4,000 Completa e irreversibile distruzione del midollo osseo rosso (mortale) Sindrome gastrointestinale (mortale) Sindrome del sistema nervoso centrale (mortale) 7,000 10,000 20,000 Dose (Gy) 25

26 Confronto fra dosi Dose annua massima, derivante dalla normale attività di ricerca in un laboratorio dell Università di Cagliari: Dose impartita in un breve intervallo di tempo (secondi, minuti), per la quale si verificano i primi sintomi di effetti acuti: 0.5 msv 140 msv 26

27 Danni somatici stocastici Non esiste una dose soglia, quindi sono riscontrabili anche a dosi bassissime 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 Anche rimuovendo la sorgente di radiazione gli effetti non scompaiono 27

28 Danni genetici stocastici Sono danni alle cellule germinali (ovociti e spermatozoi). Se la cellula muore ne deriva un danno all organo di appartenenza, se la cellula sopravvive ma subisce una mutazione, la mutazione può essere trasmessa alla progenie degli individui irraggiati. Non esistono danni genetici deterministici. 28

29 LIMITI DI LEGGE Categorie Lavoratori esposti Lavoratori non esposti e persone del pubblico Dose Efficace (E) 20 msv / anno 1 msv / anno Dose Equivalente (H) 150 msv per il cristallino 500 msv per la pelle 500 msv per mani e piedi 15 msv per il cristallino 50 msv per la pelle 29

30 CONFRONTO TRA DOSI DI VARIA ORIGINE Radiazione di fondo in Italia (APAT) Radiaz. di fondo nel mondo (UNSCEAR) Radiografia intraorale Radiografia colonna vertebrale Radiografia toracica TAC addominale TAC colon Viaggio in aereo intercontinentale 3,4 msv/anno 2.4 msv/anno 0.9 msv/lastra msv/lastra 0.06 msv/lastra 10 msv 5 msv 0,007 msv/ora 30