MODIFICAZIONI CHIMICHE DA RADIAZIONI IONIZZANTI

MODIFICAZIONI CHIMICHE DA RADIAZIONI IONIZZANTI Radiazioni direttamente ionizzanti (elettroni, protoni, particelle α ) Radiazioni indirettamente ionizzanti (raggi x, raggi γ, neutroni) IR IR (H 2 O H + OH ) Molecola biologica bersaglio Diffusione dei radicali liberi entro la molecola biologica Molecola biologica bersaglio

MODIFICAZIONI CHIMICHE DA RADIAZIONI IONIZZANTI SCE, MN, ROS, trasformazione etc. IL-8, TNF, ROS, NO etc. IR SCE, MN, ROS, trasformazione etc. SCE, MN, ROS, trasformazione etc. SCE, MN, ROS, trasformazione etc. Rappresentazione semplificata dei possibili meccanismi d azione alla base dell effetto BYSTANDER

EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI Deposizione di energia (processo casuale) In un volume critico all interno di una cellula Sufficiente per produrre alterazioni cellulari o addirittura la sua morte. Deterministici determinato causalmente da eventi precedenti L'uccisione di una o di poche cellule, nella maggior parte dei casi, non avrà alcuna conseguenza per i tessuti. A dosi più elevate l uccisione di una determinata quantità di cellule (e le relative conseguenze stromali) saranno sufficienti per dar luogo a reazioni riscontrabili dei tessuti = soglia (clinica) specifica Stocastici Le modifiche in cellule singole, come modificazioni genetiche o trasformazioni che esitano in malignità, possono avere gravi conseguenze Esiste la probabilità finita che gli eventi stocastici si verifichino anche a dosi molto piccole e pertanto, a meno che tutti questi eventi siano riparati fino a un qualche livello di dose, non vi sarà nessuna soglia 5

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Ora si riconosce che le reazioni tissutali (precoci e tardive) non sono necessariamente predeterminate, ed esse possono essere modificate dopo l'irradiazione dall'intervento di diversi modificatori della risposta biologica. Quindi si considera più appropriato fare riferimento a questi effetti come reazioni (precoci o tardive) del tessuto o dell'organo. Reazioni TISSUTALI (alternativo ad Effetti DETERMINISTICI) 8

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Reazioni tissutali (effetti deterministici) Precoci (da alcune ore ad alcune settimane) - reazioni conseguenti alla perdita di cellule (es. mucositi, desquamazione nei tessuti epiteliali, depressione sistema emopoietico ecc) - reazioni di tipo infiammatorio (variazioni della permeabilità delle cellule e di rilascio di istamina, es. l eritema) Tardive (mesi o anni) - generiche (a seguito di una lesione indotta direttamente nel tessuto bersaglio, per esempio, occlusioni vascolari che provocano la necrosi profonda di un tessuto a seguito di un irradiazione cronica; - consequenziali se avvengono come esiti di reazioni precoci, es. la necrosi cutanea a seguito di grave ulcerazione della cute e di infezione cronica, oppure occlusioni intestinali causate da ulcerazione grave della mucosa. 10

- Nel rene e nel polmone, le subunità funzionali del tessuto (FSU - nefroni ed alveoli) sono sistemate in parallelo e quindi un deficit funzionale sarà evidente solo quando si raggiungerà un numero critico di FSU inattivate. 11

I gruppo (lieve) 105 persone: solo lievi modificazioni ematologiche dose stimata: 0,8-1 Gy II gruppo (moderato) III gruppo (grave) 53 persone: nausea e vomito iniziali, modificazioni ematologiche non gravi, modesti segni intestino tenue dose stimata: 2-4 Gy 23 persone: forma ematologica grave, evidenti sintomi intestinali, ustioni da fall-out, 7 decessi (14-50 giorno) dose stimata: 4-6 Gy IV gruppo (gravissimo) 22 persone : gravi ed estese lesioni da fall-out, forma ematologica grave, tipica sindrome intestinale (7 giorno) 19 decessi (4-50 giorno), dose stimata: oltre 6 Gy e fino a 16 Gy 12

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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

Eritema (campo di 10 cm 2 ) 3-8 Gy X o γ per esposizione acuta 30 Gy X o γ per esposizione frazionata o protratta Epilazione Epidermite secca : 5 Gy Epidermite (epitelite) essudativa : 12-20 Gy Temporanea: 3-5 Gy a basso LET per esposizione acuta 7 Gy per esposizione acuta Permanente: 50-60 Gy frazionati in alcune settimane Ulcerazione cutanea : 18 Gy Necrosi. 25 Gy

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INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROTECTION ICRP ref 4825-3093-1464 Statement on Tissue Reactions Approved by the Commission on April 21, 2011 (2) The Commission has now reviewed recent epidemiological evidence suggesting that there are some tissue reaction effects, particularly those with very late manifestation, where threshold doses are or might be lower than previously considered. For the lens of the eye, the threshold in absorbed dose is now considered to be 0.5 Gy. (3) For occupational exposure in planned exposure situations the Commission now recommends an equivalent dose limit for the lens of the eye of 20 msv in a year, averaged over defined periods of 5 years, with no single year exceeding 50 msv. 21

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1) RADIOBIOLOGIA 2) RADIOEPIDEMIOLOGIA

1) RADIOBIOLOGIA

Il danno al DNA da specie reattive dell ossigeno (ROS) indotte localmente è il più importante meccanismo d azione attribuito alle r.i; è possibile osservare lesioni al DNA indotta dalle r.i. (alto LET> basso LET) riassumibili in: 1) Danno alle basi nucleotidiche: svolgono un ruolo minore nella mutagenesi da radiazioni 2) Rotture a singolo o a doppio filamento (SSB o DSB): le doppie rotture (DSB) sono ritenute quelle di maggior importanza nella induzione di tutti i tipi di lesioni al patrimonio genetico provocate dalle radiazioni ionizzanti 3) Legami crociati DNA-DNA e DNA-proteine

1 Gy produce all incirca: >1000 danni alle basi azotate ~1000 rotture singole ~40 rotture doppie L insieme è definito clustered damage insieme complesso di alterazioni chimiche localizzate Il danno complesso in forma di cluster può costituire tra il 60% ed il 90% del danno totale al DNA dopo irradiazione rispettivamente a basso ed alto LET. Da: G.G. Gordon

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$.. / Sono oggi noti 130 geni umani coinvolti nel meccanismo del riparo del danno al DNA, almeno 13 dei quali intervengono nel danno provocato da radiazioni ionizzanti (di cui 5 certamente coinvolti nel solo riparo delle DSB) I meccanismi di riparo (ed i geni associati) sono schematicamente riassumibili in: Mismatch repair (MMR) Base excision repair (BER) Nucleotide excision repair (NER) Double-strand breaks (DSB) repair

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. (# ( - # - 1 IR Aberrazioni cromatidiche Aberrazioni cromosomiche -aberrazioni di scambio - delezioni terminali Rotture cromosomiche

9, ( -.3 -: " ; < =! =' Numero di dicentrici in funzione della dose per varie qualità ed intensità di radiazioni

ore giorni settimane mesi anni 0 1 4 24 2 3 4 1 1 1 limiti: Tempi di esecuzione 0.2Gy DNAssb 35 min 1 DNAbase 90 min 1-22 h 1 Parametri ematologici 0.25 Espressione del gene ras 10 h 0.2 citogenetica (PCC) 8 h 0.25 Citogenetica (dicentrici) 3 d 0.3 Citogenetica (traslocazioni) 3 d 0.2 Citogenetica (micronuclei) 2 d 0.2 2 ESR (invasiva) Test biochimici 1-33 h 2-88 d

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2) RADIOEPIDEMIOLOGIA

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ERR D D D Exp D D 2 ( ) = α (1 + β ) ( γ δ ) ICRP 99 36

Curva dose-effetto per induzione neoplastica (come aumento del RR) osservata a dosi medio-alte di RI RR 1 Incidenza naturale della mortalità per tumore nella popolazione generale 0 1 2 3 Dose (Gy)

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Curva dose-effetto per induzione neoplastica (come aumento del RR) osservata a dosi medio-alte di RI RR 1? Incidenza naturale della mortalità per tumore nella popolazione generale 0 1 2 3 Dose (Gy)

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Sebbene persista la situazione che nessuno studio umano fornisca la prova diretta di un eccesso di malattia ereditaria associato alle radiazioni, i dati derivati dagli animali da laboratorio forniscono una inoppugnabile ragione all ICRP per continuare ad utilizzare al meglio gli sviluppi della genetica per migliorare la propria stima di questi rischi. 45

##!La maggior parte delle mutazioni radioindotte sono delezioni incompatibili con la vita o comunque con la riproduzione e non singole mutazioni geniche (malattie mendeliane) 2) Il valore di equilibrio (nel quale le mutazioni radioindotte verrebbero eliminate dalla selezione naturale) non può quindi più essere proiettato su centinaia di anni (ICRP 60) 3) La validità scientifica del valore di equilibrio è quindi stimata nelle sole due prime generazioni Il risultato è che questo rischio risulta di 2 casi per 1000 persone/sv Sv,, invece di circa 10 casi per 1000/Sv (ICRP 60) 46

. Calcolo del Detrimento Applicando ai coefficienti nominali di rischio alcuni fattori di correzione che tengano conto di: mortalità anni di vita perduti riduzione di qualità della vita effetti ereditari 47

1+ 2* 3 1 0$44! 5 Popolazione esposta Cancro Effetti ereditari Totale Stima attuale Pub. 60 Stima attuale Pub. 60 Stima attuale Pub. 60 Intera 5,5 6,0 0,2 1,3 5,7 7,3 popolazione Adulti 4,1 4,8 0,1 0,8 4,2 5,6 I valori di rischio sono chiamati nominali in quanto riferiti ad una popolazione nominale cioè teorica e non reale, di femmine e maschi con distribuzione tipica dell età e quindi ottenuti mediando su gruppi di età e su entrambi i sessi. 48

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Tessuto Lavoratori Coef.Nom. Frazione Rischio Vita rela- Detri- Detririschio letalità nominale tiva mento mento Casi per k corretto persa relativo 10-4 Sv -1 R l Esofago 16 0,93 16 0,91 14,2 0,034 Stomaco 60 0,83 58 0,89 51,8 0,123 Colon 50 0,48 38 1,13 43,0 0,102 Fegato 21 0,95 21 0,93 19,7 0,047 Polmone 127 0,89 126 0,96 120,7 0,286 Osso 5 0,45 3 1,00 3,4 0,008 Pelle 670 0,002 3 1,00 2,7 0,006 Mammella 49 0,29 27 1,20 32,6 0,077 Ovaio 7 0,57 6 1,16 6,6 0,016 Vescica 42 0,29 23 0,85 19,3 0,046 Tiroide 9 0,07 3 1,19 3,4 0,008 Midollo osseo 23 0,67 20 1,17 23,9 0,057 Altri Solidi 88 0,49 67 0,97 65,4 0,155 Gonadi (Ereditari) 12 0,80 12 1,32 15,3 0,036 Totale 1179 423 422 1,000

#$6 ". 7 +7+-77 7 870707 & +71* +71* +7+9 +7+- +7+: +7*+ $737 0 37 +7+1+7+1 $19$7 3 7!7 $777 $7 $777$7 47 73$ 17++ +71*+7+- (Il cervello neli CRP 60 era compreso tra altri, tra i quali ora compare la prostata con altre variazioni es: ghiandole salivari ; in parentesi valori dell ICRP 60) (Due grossi salti: mammella e gonadi) Commission enphasizes that w T is solely a radiation protection quantity and is not intended for other purposes, 51

44 -*%>! 505 0*;+<=- Giustificazione Ottimizzazione Il principio di applicazione dei limiti di dose: La dose totale ad ogni individuo da sorgenti regolamentate in situazioni di esposizione programmata, all'infuori dell'esposizione medica di pazienti, non dovrebbe superare gli appropriati limiti raccomandati dalla Commissione (.. Questi limiti hanno lo scopo di garantire che nessun individuo sia esposto a rischi radiologici che siano giudicati inaccettabili, in relazione a tali pratiche in condizioni normali.)

ACCETTABILITA DEL RISCHIO limitare il rischio individuale al di sotto della possibilità di comparsa di effetti deterministici, ma ricondurre nel contempo entro valori di TOLLERABILITA (accettabilità) il rischio stocastico Il riferimento principalmente, ma non esclusivo, è ad inchieste demoscopiche effettuate dalla British Royal Society, dalla Food and Drug Administration degli USA e dalla stessa ICRP per valutare il livello di rischio tollerabile per l introduzione nella società di un rischio di mortalità legato a nuove tecnologie. Questo valore è risultato di 10-3 a -1 e di 10-4 a -1 rispettivamente per i lavoratori e per la popolazione

Lavoratori = rischio accettabile 1x10-3 /anno Popolazione = rischio accettabile 1x10-4 /anno Valore calcolato sui coefficienti nominali di rischio ICRP 60/90

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; Nel periodo del preimpianto gli effetti letali delle RI a dosi di alcune decine di mgy risultano molto rari, ed i dati esaminati forniscono sufficienti elementi per credere che non ci saranno rischi significativi per la salute che si manifesteranno dopo la nascita. Per quanto riguarda l'induzione di malformazioni, i dati animali rafforzano l opinione che c è una dipendenza dall età gestazionale per quanto riguarda la radiosensibilità dell esposizione in utero, con il massimo di sensibilità durante il periodo dell'organogenesi principale. Sulla base di questi dati animali si ritiene che ci sia una soglia di dose di circa 100 mgy per l'induzione di malformazioni L'esame dei dati umani sull'induzione del ritardo mentale grave dopo l'irradiazione nel periodo prenatale più sensibile (8 15 settimane dopo il concepimento) ora avvalora più chiaramente la presenza di una soglia di dose di almeno 300 mgy per quest'effetto e dunque l'assenza di rischio a basse dosi. I dati associati alla perdita del QI, stimate in circa 25 punti per Gy, sono più difficili da interpretare ed il loro significato è poco chiaro. Sebbene non possa essere esclusa una risposta senza una soglia di dose, qualsiasi effetto sul QI a seguito di dosi in utero di alcune decine di mgy, non avrebbe alcuna importanza pratica per la maggior parte degli individui. 58

EFFETTI SULLA PROGENIE NEOPLASIE (stocastici) -Dati da H. e N. negativi )* +,--./ 0& & && 0& %!( % 01 )2 3((!" 4+44 5 5 4+67 0*! %!(!(!!% & & && % ' % & % &$!! # ' & %

Dosi medie (in msv) al feto per esami diagnostici eseguiti sulla madre nel Regno Unito ( ICRP n.84/2000). Dose media Dose massima 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 25 79

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INDUZIONE DI EFFETTI DIVERSI DAL CANCRO (MORBILITÀ-MORTALITÀ) Associazione con la dose, a dosi dell'ordine del 1 Sv, dal LSS (Preston et al, 2003) per: patologia cardiaca ictus disordini digestivi patologia respiratoria. - Incertezze sul modello dose-risposta alle basse dosi. I dati del LSS sono coerenti sia con l assenza di una soglia di dose che con una soglia di circa 0,5 Sv. - Non è chiaro quali tipi di meccanismi cellulari/tissutali potrebbero essere alla base di tale differenti disturbi - E possibile qualche associazione con l'infiammazione subclinica. 62

Gli studi su pazienti trattati per linfoma di Hodgkin e per cancro del seno (Early Breast Cancer Trialists Collaborative Group 2000) hanno mostrato un incremento dei rischi di mortalità per malattia cardiovascolare connessi con dosi di diverse decine di Gy. La situazione a dosi più basse è meno chiara. Un esame dei dati epidemiologici pubblicati su gruppi con esposizioni mediche o professionali che ha paragonato i tassi di malattia vascolare negli individui irradiati e non irradiati appartenenti alla stessa popolazione, ha concluso che non c'era chiara prova di un aumento di rischio nella maggior parte di studi nell intervallo di dose 0 4 Sv (McGale e Darby 2005). L'interpretazione di molti studi, tuttavia, è stata complicata dai dati dose-risposta disponibili molto limitati e dalla mancanza di informazioni sugli eventuali fattori di confondimento, come il fumo. Sebbene riconosca l'importanza potenziale di queste osservazioni circa le malattie diverse dal cancro, la Commissione valuta che i dati disponibili non permettono la loro inclusione nella valutazione del detrimento a seguito di dosi di radiazioni nell intervallo fino a circa 100 msv. Ciò è in accordo con la conclusione di UNSCEAR (2008), che ha trovato una limitata evidenza per qualsiasi eccesso rischio al di sotto di 0,5 Sv. 63

INTERNATIONAL COMMISSION ON RADIOLOGICAL PROTECTION ICRP ref 4825-3093-1464 Statement on Tissue Reactions Approved by the Commission on April 21, 2011 (4) Although uncertainty remains, medical practitioners should be made aware that the absorbed dose threshold for circulatory disease may be as low as 0.5 Gy to the heart or brain. Doses to patients of this magnitude could be reached during some complex interventional procedures, and therefore particular emphasis should be placed on optimisation in these circumstances. 64

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