Corso Integrato di Biologia e Radiobiologia:

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1 Dipartimento di Morfologia, Chirurgia e Medicina Sperimentale Corso di Studio in TECNICHE DI RADIOLOGIA MEDICA, PER IMMAGINI E RADIOTERAPIA (Anno Accademico ) Corso Integrato di Biologia e Radiobiologia: Diagnostica per Immagini e Radioterapia Corrado Cittanti Sezione di Diagnostica per Immagini Università degli Studi di Ferrara

2 Concetti generali

3 Che cos è? La Radiobiologia è la disciplina che studia gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti.

4 Perchè studiarla? Lo studio della radiobiologia è mirato: alla ricerca di base; a settori applicativi quali la Radioprotezione e la Radioterapia. Questi ultimi due settori differiscono in maniera sostanziale: effetti indesiderati: cosa fare per evitarli (Radioprotezione); effetti desiderati: cosa fare per ottenerli (Radioterapia).

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6 Effetti biologici Stimolare significa apportare o sottrarre energia. Se si stimola un sistema biologico questo si modifica. Cosa cerca di fare un sistema biologico stimolato? cerca di mantenere lo stato in cui si trova; tenta di utilizzare l energia somministrata per scopi propri.

7 Risposta del sistema biologico (I) In cosa consiste la risposta biologica? E un processo di tipo dinamico! entità risposta biologica stimolo tempo

8 Risposta del sistema biologico (II) La risposta biologica è l insieme di tutte le modificazioni del sistema osservabili nel tempo necessario a seguire la comparsa e la scomparsa degli effetti della stimolazione. La risposta biologica è rappresentata dall integrale della curva. Se il sistema torna alla linea di base la modificazione è stata completamente reversibile. Tuttavia...

9 Risposta del sistema biologico (III) La risposta può essere parzialmente irreversibile entità risposta biologica stimolo tempo

10 Risposta del sistema biologico (IV) Se ho poi una stimolazione ancora maggiore posso avere la necrosi (o morte ) del sistema. La risposta può essere, quindi, totalmente irreversibile entità risposta biologica stimolo tempo

11 Atomi e radiazioni

12 L atomo (I) L atomo è la parte piu piccola di un elemento che conserva immutate le proprie caratteristiche attraverso qualunque reazione chimica: tutta la materia e costituita da atomi. Esso è costituito da un nucleo centrale formato da un certo numero di protoni (particelle con carica positiva) e di neutroni (particelle elettricamente neutre), e recante quindi una carica positiva, attorno a cui ruotano tanti elettroni (particelle con carica negativa di valore uguale a quella del protone) quanti sono i protoni del nucleo, in modo che il sistema sia elettricamente neutro.

13 L atomo (II) Il nucleo è elettricamente positivo, presenta densità molto elevata e, pur occupando solo la centomillesima parte circa del volume dell'atomo, costituisce la quasi totalità della sua massa. E' composto da particelle, chiamate nucleoni, che si suddividono in protoni e neutroni. Il Numero di Massa (A), è dato dalla somma del numero dei neutroni (N) e del numero di protoni (Z). A = Z + N

14 L atomo (III) Il protone possiede una massa circa 1835 volte maggiore di quella dell'elettrone e carica elettrica positiva unitaria, uguale a quella di un elettrone ma di segno opposto. Il numero di protoni, detto Numero Atomico o Z, determina il numero di elettroni orbitali dell'atomo elettricamente neutro e l'elemento chimico. Quindi ogni atomo che contenga un solo protone, indipendentemente dal numero di neutroni o di elettroni, è idrogeno, come ogni atomo con 43 protoni è un atomo di tecnezio.

15 I legami intra-atomici (I) Il neutrone possiede massa circa 1837 volte maggiore di quella dell'elettrone e non è dotato di carica elettrica. La forza che mantiene unite le particelle nucleari è la forza nucleare (o forte), agisce all interno del nucleo e prevale sulla forza elettrica che altrimenti provocherebbe la repulsione tra i protoni positivi. Con l'aumentare della massa atomica i protoni iniziano a sentire l'effetto della repulsione elettrostatica pertanto, aumentando il numero di massa A, per la stabilita nucleare è necessaria una prevalenza di neutroni rispetto ai protoni.

16 I legami intra-atomici (II) L'energia di legame necessaria alla coesione dei nucleoni proviene dalla trasformazione di parte della massa di questi ultimi e corrisponde alla differenza fra la massa che hanno quando sono legati tra loro e la somma delle masse che avrebbero se non fossero legati. Tale massa mancante viene trasformata in energia di legame secondo la nota relazione di equivalenza massa<->energia, scoperta da Einstein: E = m c 2

17 I legami intra-atomici (III) Gli elettroni sono particelle extranucleari che orbitano ad alta velocita attorno al nucleo, possiedono massa molto piu piccola delle particelle nucleari ed una carica elettrica negativa unitaria. Nella configurazione energetica piu stabile gli elettroni orbitano attorno al nucleo occupando le orbite più interne che sono a più bassa energia. L'energia che lega gli elettroni al nucleo è maggiore per quelli che occupano le orbite più vicine rispetto a quelli più periferici; inoltre, a parità di orbita, è maggiore per gli elementi con alto Z, i quali hanno una carica nucleare positiva maggiore.

18 I legami intra-atomici (IV) Tale energia di legame è uguale all'energia necessaria per rimuovere completamente l'elettrone dall'atomo. Gli elettroni possono spostarsi verso orbite piu periferiche o anche abbandonare l'atomo se viene loro ceduta energia. Quando ciò accade l'equilibrio energetico perturbato viene ripristinato per mezzo dello spostamento degli elettroni da orbite a più alto contenuto di energia verso orbite a più basso contenuto energetico con liberazione dell'energia in eccesso sotto forma di radiazione X "caratteristica" o con l'emissione di un elettrone di Auger.