Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione Danni ... · liberi che possono viaggiare attraverso...

Università degli Studi di Cagliari Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione

Danni Biologici da radiazioni ionizzantiQualità delle radiazioniDoseDanno biologicoLimiti di leggeConfronto fra esposizioni

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Gli ioni nei legami chimiciLe radiazioni ionizzanti sono chiamate così per la loro capacità di ionizzare gli atomi della materia con cui interagiscono.

Il comportamento chimicodi uno ione è diverso rispetto a quello di un atomo neutro e questo altera il materiale di cui l’atomo ionizzato fa parte.

neutrone

elettrone

+protone

-+

IoneDott.Alessandra Bernardini – [email protected]

Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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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 chimiciall’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

Dott.Alessandra Bernardini – [email protected] di Fisica Sanitaria e Radioprotezione – Università di Cagliari

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Danni biologici da radiazione 2Il danno biologico:

MolecolareCellulareOrganico

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.


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Danni biologici da radiazione 3Le 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 indirettaIonizzazioni 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


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Effetti chimici e biologici

Gli effetti chimici e biologici, nel tessuto umano, dipendono dalla dose assorbita : 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).


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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


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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 .

∆∆

=dldEL dE = energia ceduta localmente per collisioni da una

particella carica lungo un segmento dl


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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 alto LETRadiazioni basso LET

Raggi X, γ Particelle α, protoni e neutroni

Produzione di ioniFormazione di radicali liberi

Danni riparabili al DNA Azione direttaAzione indiretta


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Efficacia Biologica Relativa (RBE)

La RBE tiene conto del fatto che dosi identichedi radiazioni con LET diversi producono effetti biologici diversi.

DoseTDoseXRBE =

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 lostessa reazione biologica nello stesso tipo di tessuto.


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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:

OER = ----------------------------------------------Dose in condizioni anossiche per produrre un effetto

Dose in condizioni ossigenate per produrre lo stesso effetto


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Dose assorbitaÈ la quantità di energia assorbita da una massa unitaria di materiale attraversato:

dmdED =

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.


Dose Equivalente


È definita mediante un fattore di ponderazione wR che tiene conto del LET della radiazione e in qualche modo anche della RBE

∑ ×=R

RTR DwH ,

wR = fattore di ponderazione per la radiazione R

DT,R = dose assorbita mediata sull’organo o tessuto T a causa della radiazione 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 5Protoni tranne quelli di

rinculo, energia > 2 MeV 5Particelle alfa, frammenti

di fissione, nuclei pesanti 20

Valori di wR

T

Dose EfficaceNella Dose Efficace si tiene conto degli effetti biologici probabilistici in funzione dell’organo o tessuto irradiato mediante il fattore di ponderazione wT

TT

T HwE ×= ∑wT = fattore di ponderazione per l’organo o tessuto T

HT = dose equivalene nel tessuto o organo T

Gonadi 0,20Midollo osseo (rosso) 0,12Colon 0,12Polmone 0,12Stomaco 0,12Vescica 0,05Mammella 0,05Fegato 0,05Esofago 0,05Tiroide 0,05Cute 0,01Superfici ossee 0,01Altri tessuti 0,05

Valori di wT


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Unità di misura

kgJouleGyGray 1)( =Dose assorbita ( )

Dose equivalente ( )

Dose efficace ( )

dED =

∑ ×= RTR DwH ,

TT HwE ×= ∑

dm

[ ]GySvSievert =)(R

[ ]GySvSievert =)(T

Quando si parla di Sievert, vuol dire che si sta tenendo conto del tipo di radiazione incidente


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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.


I Radicali LiberiSono dovuti alla radiòlisi delle molecole d’acqua presenti nelle cellule:

OH H

HOH+OH•

HOH-

H•

OH-

OH• + OH• H2O2Perossido d’Idrogeno

H• + O2 HO2•

IdroperossidoH+

e- + H2O

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.


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Effetti biologici delle radiazioniI danni biologici dovuti alle radiazioni ionizzanti sono a carico della cellula

Rottura della membrana mitocondriale

Rottura di un complesso DNA-membrana

Rottura della membrana nucleare

Rottura di un singolo filamento di DNA

Rottura di un doppio filamento di DNA

Rottura della guaina proteica


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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 conseguentedetrimento dell’organo di appartenenza.Morte riproduttiva, la cellula non è più in grado di riprodursi.Apoptosi, cioè morte programmata della cellulaInduzione di processo neoplastico.


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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.


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Radiosensibilità

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

Cellule e tessuti


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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.


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Effetti delle radiazioni

Gli effetti delle radiazioni sul corpo umano possono essere riassunti in due grandi tipologie di effetti:

Effetti deterministici Effetti stocastici

Sono effetti probabilistici la cui frequenza nella popolazione è legata alla dose totale ricevuta dall’intera popolazione.

Es. tumori

Sono effetti biologici somatici che possono essere posti direttamente in relazione con la dose ricevuta.

Es. eritema da radiazione


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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


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Esempi di effetti acuti

Ablazione reversibile del midollo osseo rosso (guaribile)

Sicure variazioni nel conteggio del particolato del sangue.

Probabili variazioni nel conteggio del particolato del sangue.

Sindrome emopoietica (guaribile)

2,000 4,0000,140 0,500

Completa e irreversibile distruzione del midollo osseo rosso (mortale)

Sindrome del sistema nervoso centrale (mortale)

Sindrome gastrointestinale (mortale)

Dose (Gy)20,0007,000 10,000Dott.Alessandra Bernardini – [email protected]

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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:

140 mSv0.5 mSv


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Danni somatici stocasticiNon 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


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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.


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LIMITI DI LEGGE

15 mSv per il cristallino50 mSv per la pelle

1 mSv / annoLavoratori non esposti e persone del pubblico

150 mSv per il cristallino500 mSv per la pelle500 mSv per mani e piedi

20 mSv / annoLavoratori esposti

Dose Equivalente(H)

Dose Efficace (E)Categorie


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CONFRONTO TRA DOSI DI VARIA ORIGINE

0.06 mSv/lastraRadiografia toracica

10 mSvTAC addominale

5 mSvTAC colon

2.4 mSv/annoRadiaz. di fondo nel mondo (UNSCEAR)

1.7 – 3.2 mSv/lastraRadiografia colonna vertebrale

0,007 mSv/oraViaggio in aereo intercontinentale

0.9 mSv/lastraRadiografia intraorale

3,4 mSv/annoRadiazione di fondo in Italia (APAT)


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