Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti - Dipartimento di Fisica

Effetti biologici delle
radiazioni ionizzanti
Viviana Fanti
viviana.fanti@ca.infn.it
Università degli Studi di Cagliari
Servizio di Radioprotezione e Fisica Sanitaria

Effetti delle radiazioni ionizzanti
sulle persone
n Indesiderati: radioattività naturale, esposizioni
lavorative e medico-diagnostiche
Radioprotezione
n Desiderati: radioterapia
Piani di trattamento: controllo
tumore, risparmio tessuti sani
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Radiazioni ionizzanti (RI)
Sono in grado di produrre ionizzazione di atomi e/o molecole nella
materia attraversata.
Tipi principali:
n Radiazioni elettromagnetiche (raggi X , γ)
n Particelle cariche leggere (e - , e + )
n Particelle cariche pesanti (α, protoni, ioni leggeri)
n Particelle neutre pesanti (neutroni)
Raggi X e γ
Particella α Elettrone (β) Neutrone
+
+
-
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Dose assorbita
n È la quantità di energia impartita dalla radiazione ad
una massa unitaria di materiale attraversato
D =
dE
dm
Il concetto di dose non è sufficiente per valutare l'effetto
biologico. Questa quantità infatti non ci consente di tener
conto delle radiazioni di diversa qualità, né della diversa
radiosensibilità dei tessuti.
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Unità di misura nel Sistema
Internazionale
n Dose assorbita
Gray ( Gy)
= 1
Joule
kg
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Qualità della radiazione
n È l'insieme delle caratteristiche della radiazione che
determinano la distribuzione spaziale dei depositi
energetici e quindi l'efficacia biologica.
n Energia, carica elettrica, massa delle RI determinano
le modalità di interazione con la materia e quindi la
distribuzione spaziale dell'energia rilasciata.
n Un indicatore della qualità della radiazione è il LET:
Linear Energy Transfer, trasferimento lineare di
energia.
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LET: Trasferimento Lineare di
Energia
n Il LET è definito come il rapporto tra l'energia ΔE
depositata in un percorso molto breve e la lunghezza
del percorso Δx
"
L = $
ΔE
# Δx
%
'
&
L'unità di misura di solito utilizzata è keV/µm
1keV = 10 3 eV, 1 µm = 10 -6 m
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Alto e basso LET
Il LET di una particella determina la densità di ionizzazione
lungo la traccia
Radiazioni basso LET
Es. raggi X, γ
Radiazioni alto LET
Es. particelle α, protoni
Ionizzano più raramente
Il LET non varia nel
percorso
Producono ionizzazioni
ravvicinate
Il LET è maggiore alla fine
del percorso

Efficacia biologica relativa (RBE)
La RBE tiene conto del fatto che la stessa dose assorbita,
dovuta a radiazioni con diverso LET non produce gli
stessi effetti biologici.
RBE =
DoseX
DoseT
DoseX= dose assorbita dovuta ad una radiazioni di riferimento
(convenzionalmente raggi X 250 kVp) necessaria a produrre un certo effetto
biologico in un dato tessuto.
DoseT = dose assorbita di una radiazione T necessaria a produrre lo stesso
effetto biologico nello stesso tessuto.
Es.: 2 Gy di una radiazione producono la stessa reazione biologica prodotta da 10 Gy di
raggi X da 250 kVp. In questo caso la radiazione ha RBE pari a 5.
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Dose equivalente
n È definita mediante un fattore di ponderazione w R che
tiene conto dell'efficacia biologica della radiazione
=∑ w ×
H D
T R T , R
R
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

Unità di misura
n Dose assorbita
n Dose equivalente
Gray ( Gy)
= 1
Sievert ( Sv)
=
Joule
kg
[ Gy]
Quando si parla di Sievert, vuol dire che si sta tenendo conto del tipo di
radiazione incidente
Gli effetti sono gli stessi per tutti i tessuti biologici?
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Legge di Bergonié e Tribondeau
(1906)
Stabilisce che la radiosensibilità delle cellule è direttamente
proporzionale alla loro attività riproduttiva e inversamente
proporzionale al loro grado di differenziazione
• Le cellule staminali sono quelle più radiosensibili
• Più una cellula è matura più è radioresistente
• Più un tessuto o un organo sono giovani più sono radiosensibili
• La radiosensibilità è tanto maggiore quanto maggiore è l’attività
metabolica e quanto maggiore è la velocità di proliferazione
cellulare e di crescita dei tessuti
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Radiosensibilità
Cellule e tessuti
n Le cellule più radiosensibili sono quelle
non specializzate, indifferenziate.
n Tali cellule si trovano in rapida
riproduzione.
n 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
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Dose efficace
n Nella Dose Efficace si tiene conto della radiosensibilità dei diversi
organi o tessuti irradiati, mediante il fattore di ponderazione w T
E = ∑w
× H T
T
T
w T = fattore di ponderazione per l’organo o tessuto T
H T = dose equivalente nel tessuto o organo T

Unità di misura
n Dose assorbita
n Dose equivalente
Gray ( Gy)
= 1
Sievert ( Sv)
=
Joule
kg
[ Gy]
n Dose efficace
Sievert ( Sv)
=
[ Gy]
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Vecchie unità di misura
(ancora in uso in USA)
n Dose assorbita
rad : 1 rad = 0,01 Gy;
1Gy
= 100
rad
n Dose equivalente, dose efficace:
rem : 1 rem = 0,01 Sv;
1 Sv = 100
rem
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Danno biologico
n Il danno biologico, dovuto alle
radiazioni, deriva dalla ionizzazione
degli atomi che formano le molecole
che a loro volta formano le cellule
degli organismi viventi.
n Un atomo ionizzato tenderà a
produrre nuovi legami chimici
all’interno della molecola alla quale
appartiene.
n Se la molecola in questione ha una
importanza critica per le funzioni
della cellula, allora la cellula stessa può
risultare danneggiata.
CELLULA
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Gli effetti biologici dovuti alle radiazioni
ionizzanti sono a carico di diverse parti della
cellula
Rottura di un complesso
DNA-membrana
Rottura della
membrana nucleare
Rottura della guaina
proteica
Rottura di un doppio
filamento di DNA
Rottura della membrana
mitocondriale
Rottura di un singolo
filamento di DNA
Il bersaglio principale, in quanto molecola
fondamentale per il funzionamento della cellula e
presente in una sola copia, è il DNA
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Danno diretto e indiretto
n DANNI DIRETTI la radiazione
crea ionizzazione nella
macromolecola di DNA che viene
danneggiato direttamente dalla
radiazione.
n DANNI INDIRETTI il danno è
prodotto dai radicali liberi dovuti
alla ionizzazione delle molecole
d’acqua che costituiscono circa
l’80% del corpo umano.
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Radiolisi dell'acqua
Ionizzazione
H
H
2
2
O + ri → HOH
O + e
−
+
→ HOH
−
+ e
−
Dissociazione
HOH
HOH
+
−
+
→ H + OH
−
→ OH + H
∗
∗
n Molecole d’acqua sono scomposte in radicali liberi che
presentano una notevole reattività chimica: H*, OH*.
n I radicali liberi possono rompere i legami del DNA; hanno
vita molto breve ma sufficiente a raggiungere il nucleo e a
danneggiare le molecole di DNA.
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n Sono atomi neutri o molecole che hanno un elettrone
spaiato.
H
Radicali liberi
OH
n Sono particolarmente instabili dal punto di vista chimico e
molto reattivi.
n Possono produrre reazioni chimiche indesiderate e trasferire
la loro energia in eccesso ad altre molecole determinando la
rottura dei legami chimici.
n In presenza di ossigeno i radicali liberi possono combinarsi
e formare perossido di idrogeno, H 2 O 2 , tossico per la
cellula.
Formazione di perossido di idrogeno
OH
H
∗
HO
∗
+ O
∗
2
+ OH
2
∗
→ HO
+ HO
→ H
∗
2
∗
2
2
O
→ H
2
2
O
2
+ O
2
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Radicali liberi
n I radicali liberi possono essere prodotti anche a partire da
molecole organiche
RH + ri → RH
R
∗
n Possono viaggiare attraverso la cellula e causare danni a
grandi distanze dalla loro zona di origine.
n L'ossigeno aumenta l'effetto dovuto ai radicali liberi.
n Le cellule presenti all’interno di tessuti dotati di scarsa
irrorazione sono più resistenti alle radiazioni perché
hanno un minore apporto di ossigeno.
Es.: alcuni tumori sono radioresistenti perché contengono cellule
scarsamente ossigenate.
∗
∗
+ O 2
→ RO 2
→
H
∗
+ R
∗
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Effetto ossigeno
L'effetto di aumento del danno biologico in presenza di
Ossigeno è ben conosciuto nel campo dei danni da
radiazioni.
La capacità dell’Ossigeno di potenziare la risposta della
radiazione è chiamato effetto Ossigeno e viene espresso in
termini di rapporto di accrescimento dell’Ossigeno OER
(Oxygen Enhancement Ratio):
OER = Dose necessaria per produrre un effetto biologico senza O 2
Dose necessaria per produrre lo stesso effetto con O 2
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Danno al DNA
n Se il danno al DNA è su uno solo dei filamenti che lo
costituiscono, allora il danno è riparabile.
n 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 o a malattie ereditarie.
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LET e danno al DNA
n Le radiazioni ad alto LET
producono ionizzazioni
ravvicinate
n Sono in grado di danneggiare la
molecola di DNA interagendo
direttamente con essa
n Le radiazioni a basso LET
producono danni maggiormente
per effetto indiretto attraverso
la radiolisi dell'acqua.
n L'effetto ossigeno non è
importante per radiazioni ad
alto LET
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Curve di sopravvivenza cellulare
Rappresentano la frazione di cellule che sopravvivono in funzione della dose.
Si ottengono da esperimenti di irraggiamento di campioni cellulari
Ø Più alto è il LET più pendente è la
curva.
Ø La gran parte delle linee cellulari,
esposte a radiazioni di basso LET,
mostrano una spalla iniziale sulla
curva di sopravvivenza, che indica
l’intervento di meccanismi di
riparazione del danno da
radiazione
Ø In seguito a esposizione a radiazioni
ad alto LET la capacità di recupero del
danno è bassa o assente: curve di
sopravvivenza con andamento lineare
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Effetti biologici sull’organismo
Diverse classificazioni:
" Effetti somatici
" Effetti ereditari
" Effetti immediati
" Effetti tardivi
" Effetti deterministici (reazioni tissutali)
" Effetti stocastici
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Effetti somatici – Effetti ereditari
n Il danno prodotto alle cellule ha una implicazione
profondamente diversa a seconda che le cellule siano
somatiche oppure germinali.
n Il danno alle cellule germinali 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.
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Danni deterministici
(sterilità, cataratta, alterazione emopoiesi, eritema, ...)
Dovuti al danneggiamento di molte cellule in organi o tessuti
n In genere evidenziabili in seguito ad esposizioni acute
n Dose soglia (necessità di danno in un numero sufficiente di cellule e
possibilità di recupero)
n Soglia dipendente dalla definizione di condizione patologica e dalla
variabilità individuale
n Tessuti/organi più radiosensibili: ovaie e testicoli, midollo osseo,
cristallino
n Il periodo di latenza è solitamente breve, quindi gli effetti sono
riscontrabili poco tempo dopo l’irraggiamento (minuti, ore o
settimane)
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Sindromi acute da irradiazione
Insorgono a seguito di irradiazioni a corpo intero con dosi e ratei di dose elevati.
Si manifestano con tre forme cliniche di progressiva gravità.
Ematologica (D>3 Gy)
Aplasia dei tessuti emopoietici che conduce a infezioni ed
emorragie (per riduzione delle piastrine).
In genere letale con dosi > 4 Gy in mancanza di trattamenti.
Gastoeintestinale (D>10 Gy)
Sintomi: nausea intrattabile, vomito e diarrea,
necrosi tissutale per progressiva atrofia della mucosa,
setticemia, emorragia e perforazione intestinale.
Generalmente fatale nell'arco di 1-3 settimane.
Neurologica o cerebrovascolare (D>30 Gy)
Sintomi: periodo prodromico di nausea e vomito, seguito da
tremori, convulsioni, atassia.
È sempre fatale. Edema cerebrale e morte
entro poche decine di ore o pochi giorni
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Danni stocastici
(induzione di tumori e leucemie, danni ereditari)
• Possono insorgere a seguito del danneggiamento di una o poche
cellule
• Evidenziabili anche in esposizione protratte a basso rateo di dose
(effetti dominanti per esposizioni occupazionali)
• Non evidenziabile l'esistenza di dosi soglia
• 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
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Radiazioni e vita
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