Spettro elettromagnetico

1. SPETTRO ELETTROMAGNETICO c =  E =  E = c/  = lunghezza d’onda (m)  = frequenza (sec-1) E = energia (joule) c = velocità della luce (2.988 x 108 m/s)  = costante di Planck's (6.625 x 10-34 Js) Energia di legame per gli elettroni= ~ 10eV > 10eV= radiazioni ionizzanti; 2-10eV=UV, radiazioni non-ioniozzanti; < 2eV=visible, infrarosso, onde elettriche Spettro elettromagnetico

2. Le onde elettromagnetiche onde non ionizzanti E = h ·   12,4 [eV] onde ionizzanti E = h ·  > 12,4 [eV] onde (raggi) UV microonde raggi Laser onde alta frequenza (HF) onde bassa frequenza (LF) onde a frequenza industriale onde (raggi)Röntgen onde (raggi)  E = energia [eV] h = costante di Planck = 6,626 · 10-34 [J · s]  = frequenza [Hz]

3. L’assorbimento di energia da parte della materia può condurre a: • Ionizzazione: Si verifica quando una radiazione ha energia sufficiente per allontanare uno o più elettroni dagli orbitali atomici, determinando la ionizzazione del’atomo. • Eccitazione: Uno o più elettroni vengono spostati verso gli orbitali atomici più esterni senza che vi sia l’espulsione.

4. Dose di radiazione La dose della radiazione si misura in termini di quantità di energia(joules) assorbita per unità di massa (kg) e si esprime in grays (1 J/kg). Tuttavia, non rappresenta tutta la quantità di energia assorbita capace di determinare gli effetti biologici della radiazione. Una pan-irradiazione pari a 8 Gy induce la morte (dovuta ad insufficienza midollare). L’entità e la sede di azione di una radiazione condizionano il tipo di danno biologico

5. Unità di misura

6. N0 N0/2 Range medio <r> distanza percorsa dal 50% delle particelle x <r> Range o Penetrazione Range = distanza media percorsa dalla radiazione incidente nella materia In generale, indica la capacità di penetrare a fondo nella materia. E’ ovviamente tanto più alto quanto maggiore è l’energia (una particella si ferma quando esaurisce la propria energia). Per un fascio di particelle cariche di data energia, si verifica sperimentalmente che il numero di particelle trasmesse rimane pressoché costante fino a un certo spessore, dopo il quale crolla bruscamente.

7. Penetrazione (range) Range R (E) = distanza media percorsa nella materia Radiazioni a,b,g in diversi materiali...

8. Schermi protettivi

9. LET Trasferimento Lineare di Energia Rapporto tra l’energia totale T trasferita alla materia lungo un cammino e la lunghezza R del cammino percorso LET = T/R (misurato inkeV/mm, MeV/mm) Alto LET  altadensitàdi ionizzazione  alta probabilità di colpire e danneggiare un sito biologico Grande variabilità: elettroni: pochi keV/mm a: diverse centinaia di keV/mm

10. Le radiazioni ionizzanti sono quelle radiazioni dotate di sufficiente energia da poter ionizzare gli atomi (o le molecole) con i quali vengono a contatto, E  10 eV • Da sempre l'uomo è soggetto all'azione di radiazioni ionizzanti naturali, alle quali si da il nome di fondo radioattivo naturale • radiazione terrestre (radiazione prodotta da nuclidi primordiali o da nuclidi cosmogenici) • extraterrestre (la radiazione cosmica). • Per la loro presenza l'uomo riceve mediamente una dose di 2.4 mSv/a, valore varabile in rapporto al luogo. • In Italia la dose media valutata per la popolazione è di 3.4 mSv/a, valore di riferimento per valutazioni di rischio radioprotezionistico. • La caratteristica di una radiazione di poter ionizzare un atomo, o di penetrare più o meno in profondità all'interno della materia, dipende oltre che dalla sua energia anche dal tipo di radiazione e dal materiale con il quale avviene l'interazione. • Le radiazioni ionizzanti si dividono in due categorie principali: • quelle che producono ioni in modo diretto (le particelle cariche α , β− e β+;) • quelle che producono ioni in modo indiretto (neutroni, raggi γ o fotoni e raggi X ). • Le radiazioni ionizzanti possono essere prodotte con vari meccanismi. i più comuni sono : • decadimento radioattivo, • fissione nucleare e fusione nucleare, • emissione da corpi estremamente caldi (radiazione di corpo nero) • emissione da cariche accelerate (bremsstrahlung, o radiazione di sincrotrone). • Le particelle cariche α , β− e β+ possono derivare dai decadimenti nucleari: • decadimento alfa per le particelle alfa • beta per gli elettroni e i positroni. • Il potere di penetrazione di queste radiazioni è limitato: • le particelle alfa (ionizzanti) non possono superare strati di materia superiori ad un foglio di carta, • le particelle beta possono essere schermate da un sottile strato di alluminio • Fotoni e i neutroni, pur non essendo carichi, se dotati di sufficiente energia possono ionizzare la materia • (fotoni con frequenza pari o superiore ai raggi ultravioletti sono ritenuti ionizzanti per l'uomo). • Queste particelle sono meno ionizzanti delle precedenti, ma possono penetrare molto a fondo nella materia

11. Radiazioni ionizzanti Ogni radiazione, interagendo con la materia, cede energia alla struttura atomica/molecolare del materiale attraversato. Se l’energia ceduta è sufficiente (radiazioni ionizzanti: E  10eV), • Radiazioni ionizzanti: • elettromagnetiche (m=0, E=hn) raggi X e g • corpuscolari (m>0, E=½mv2) particelle a, b, p, n,... Particelle cariche: a, b±, p  ionizzazione diretta degli atomi del mezzo Particelle neutre: n, X, g  ionizzazione indiretta tramite produzione di particelle cariche secondarie

12. Interazione di particelle cariche Tutte le particelle cariche (α , β− e β+) interagiscono principalmente a causa delle interazioni coulombiane con gli elettroni del mezzo attraversato, perdendo rapidamente la loro energia cinetica. La perdita di energia della particella carica appare principalmente sotto forma di ionizzazione ed eccitazione del mezzo attraversato. L’energia cinetica ceduta dalla particella è praticamente tutta assorbita dal mezzo a una distanza caratteristica, che dipende dalle caratteristiche della particella incidente e del mezzo attraversato.

13. Interazione di particelle neutre Al contrario delle particelle cariche, neutroni e fotoni possono essere assorbiti completamente in un’unica collisione (il neutrone da un nucleo, il fotone da un elettrone atomico o da un nucleo). Al contrario delle particelle cariche, non esistono distanze che fotoni o neutroni non possano attraversare. L’assorbimento di neutroni e fotoni nella materia – e quindi l’attenuazione di un fascio - ha un comportamento probabilistico. • Neutroni: • Cattura neutronica • Urti elastici • Urti anelastici • Fotoni: • Effetto fotoelettrico • Effetto Compton • Produzione di coppie

14. Neutroni Classificazione delle interazioni secondo l’energia dei neutroni: freddi (E~meV), termici (E≤0.01 eV), epitermici (E≤100 keV), veloci (E~MeV) • Cattura neutronica: n + AZX  A+1ZX • spesso seguita da decadimento g( reazioni n.g o di cattura radiativa) • spesso con nucleo finale radioattivo • più probabile a bassa energia (~ 1/E2) I materiali sottoposti a bombardamento neutronico diventano radioattivi! Es. n+147N  146C + p +0.63 MeV  rilascio energia nel corpo umano n+105B  73Li + a +2.79 MeV  Boron Neutron Cancer Therapy • Urti con nucleoni: • cessione di energia a protoni • eccitazione dei nuclei con successiva emissione di raggi g In tutti i processi l’effetto è la ionizzazione secondaria

15. Interazioni dei fotoni con la materia Le particelle indirettamente ionizzanti, raggi X e fotoni interagendo con la materia, mettono in moto particelle cariche secondarie, a loro volta responsabili della cessione di energia alla materia. Gli effetti quindi di questo tipo di radiazioni sono gli effetti dei secondari carichi prodotti. I principali processi di interazione della radiazione elettromagnetica con la materia si possono dividere in: processi diassorbimento e processi didiffusione.

16. Interazioni dei fotoni con la materia

17. Effetto fotoelettrico Effetto Compton produzione di coppie e+e- Interazione radiazione gamma (fotoni) Effetto fotoelettrico: Interazione con elettroni atomici interni Effetto Compton: Interazione con elettroni atomici esterni Produzione di coppie: Interazione con campo coulombiano del nucleo

18. - + Come la radiazione causa danni biologici ? • Queste modifiche sono in grado di danneggiare le funzioni cellulari e e di distruggere le cellule stesse. • la radiazione di alta energia rompe i legami chimici. • si creano radicali liberi, come quelli prodotti o da altri agenti nocivi o nel corso dei normali processi cellulari all’interno dell’organismo. • I radicali liberi possono modificare gli elementi chimici.

19. Ionizzazione dell’acqua • Le cellule sono costituite per circa il 70% da acqua che rappresenta la specie molecolare più importante per gli effetti della ionizzazione. • La ionizzazione dell’acqua da parte delle radiazioni ionizanti induce la formazione di radicali e di eletttroni. • H2O -----> H2O+ + e- • H20+ reagisce con altre molecole di acqua e forma lo ione idronioeilradicale idrossile: • H2O+ + H2O -------> H3O+ + OH. • L’elettrone libero in presenza di acqua porta alla formazione del cosiddetto elettrone acquoso: • e- + [H2O ]n-------> e-aq • L’elettrone acquoso e-aq reagendo con altre molecole di acqua porta alla formazione di radicale idrogeno: • e-aq+ H2O ---------.> OH- +H.

20. Effetti dell’esposizione a radiazioni ionizzanti

21. Effetti deterministici dell’esposizione a radiazioni

22. Effetti stocastici dose-dipendenti

23. Effetti stocastici dose-indipendenti

25. Espressione genica Un gene può “rispondere” alla radiazione modificando il segnale per la produzione di proteine, la cui funzione può essere o di tipo protettivo o di danneggiamento. Instabiltà genomica A volte il danno al DNA produce modifiche posteriori che possono contribuire alla formazione di cancro. Distruzione delle cellule Il DNA danneggiato può innescare apoptosi, ovvero una morte cellulare programmata. Se ciò coinvolge solo poche cellule, ciò impedisce la riproduzione del DNA danneggiato e quindi protegge il tessuto. Mutazioni geniche A volte un gene specifico è modificato in maniera tale di divenire incapace di produrre le proteine corrispondenti in maniera appropriata. Aberrazioni Cromosomiche A volte il danno interessa l’intero cromosoma, producendo la sua rottura o ricombinazione in maniera anomala. A volte l’effetto è la combinazione di due cromosomi differenti. La più importante struttura molecolare che può subire modificazione da parte della radiazione è il DNA! Effetti dei danni al DNA

26. In che modo questo danno prodotto dalla radiazione ionizzante influenza il nostro organismo? Sufficienti alterazioni genetiche Sufficiente distruzione cellulare Patologie da radiazione Cancro

29. DANNO AL DNA

30. RADIAZIONI IONIZZANTI Diagnostica a raggi X m Hz Radioisotopi 10-7 3 x 1015 Sterilizzazione UV Laser FREQUENZE OTTICHE Vis 10-6 3 x 1014 Lampade Radiazione infrarossa Sorgentitermiche Telecomandi 10-3 3 x 1011 Impiantiradar Radarterapia Microonde Telefonia cellulare RADIAZIONI NON IONIZZANTI Lunghezza d’onda Forni a microonde Frequenza Ponti radio 100 3 x 108 Radiofrequenze Emissioniradiotelevisive Marconiterapia Radioamatori FREQUENZENONOTTICHE Saldatura e incollaggio Riscaldamento a induzione 104 3 x 104 Metaldetector Basse frequenze Videoterminali Magnetoterapia Elettrodomestici Lineeelettriche 107 3 x 101 Lineetelefoniche CAMPI STATICI RMN  0 Elettrolisi

31. SPETTRO DELLE RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE NON IONIZZANTI Fonte: P. Bevitori, L’inquinamento elettromagnetico

32. Radiazioni ultraviolette • UVB(290-320 nm) sono responsabili più degli UVA (400-320 nm) nell’indurre eritema solare. • Tuttavia, gli UVA penetrano più profondamente nella cute. • UVB sono implicati nell’insorgenza del melanoma e di altri tipi di tumori cutanei. • UVA causano danni cutanei responsabili dell’insorgenza di lesioni pre-cancerose e causano un invecchiamento prematuro della cute.

33. Meccanismo di azione delle radiazioni ultraviolette Induzione di mutatzioni dovute al diretto assorbimento degli UV a livello del DNA con formazioine di transizioni C--->T. Doppie mutazioni CC---->TT sono caratteristiche del danno da UV Il legame covalente fra due residui adiacenti di pirimidine porta alla formazione di un anello ciclobutanico che lega due residui pirimidinici

34. Fotoprodotto pirimidina-pirimidina Il fotoprodotto timina-timina siproduce per legame fra la posizione C6 di una timina e la posizione C-4 della timina adiacente

35. Dose-risposta della formazione di dimeri in rapporto alla dose di UV

36. Gli UV inducono immunosoppressione • Tumori indotti nel topo mediante irradiazione non si accrescono se impiantati in animali singenici ma attecchiscono in topolini immunodeficienti. • Questo indica che sono altamente antigenici. Tuttavia, per quale motivo sono in grado di accrescersi nell’ospite primario? • È stato osservato che l’esposizione dei topolini alle radiazioni UV li rende incapaci di rigettare il tumore antigenico. Lo stesso effetto si può ottenere trasferendo linfociti T provenienti da animali irradiati con UV. • Gli UV inducono la comparsa di linfociti T soppressori che inibiscono il rigetto del tumore. Questo effetto è specifico per tumori indotti dagli UV.

37. Gli UV inducono modificazioni della risposta immunitaria • In corso di irradiazione con UV vengono modificate altre risposte immunitarie comprese le reazioni di ipersensibilità ritardata e di ipersensibilità da contatto. • Alcuni studi hanno dimostrato che le radiazioni UV alterano la funzione delle cellule cutanee presentanti l’antigene [le cellule di Langerhans], modificandoin tal modo il tipo di risposta immunitaria. • Inoltre gli UV possono attivare la trascrizione dei geni per varie citochine, quali citochine immunosoppressive. • Durante l’irradiazione con UV si formano linfociti T soppressori rappresentati da linfociti T helper di Tipo 2 che producono citochine quali IL-10 con effetto inibitorio della funzione dei linfociti T helper di Tipo 1.

39. ELF (extremely low frequency) RF (radiofrequenze) onde elettromagnetiche ad alta frequenza (tra 300 Hz e 300 GHz) generate, ad esempio, dai ripetitori radio-Tv e dai sistemi di telefonia cellulare onde elettromagnetiche a frequenze estremamente basse (50-60 Hz) prodotte dagli impianti per la produzione, trasmissione, distribuzione ed utilizzo dell’energia elettrica(elettrodotti, elettrodomestici)

43. Meccanismi di riparazione del DNA

44. Modalità dei processi di riparazione del danno indotto al DNAdalle radiazioni ionizzanti e dagli UV

45. Patologie umane associate a difetti di riparazione del DNA

46. Marie Curie e sua figlia sono morte per leucemia come conseguenza dell’esposizione a radiazioni ricevute durante gli espereimenti condotti sulla radioattività

47. Rischio dell’insorgenza di tumori idotti da radiazioniFonti di informazioni (i) Studi in vitro su colture cellulari (ii) Studi in vivo su animali da esperimeto (iii) Studi epidemiologici nell’uomo: sopravvissuti alla bomba atomica esposizione iatrogena esposizione occupazionale

48. Sensibilità relativa di vari organi all’insorgenza di tumori indotti da radiazioni in topolini femmina * *12.000 topoline sono state irradiate per 10 settimane e quindi seguite nel corso deltempo per la durata della loro vita. La sensibilità alta, moderata e bassa è stata definita come la comparsa di un numero di tumori significativamente maggiore rispetto ai controlli per dosi rispettivamente pari a 0.25, 0.5-1.5, o maggiori di 1.5 Gy.

49. Incidenza dei tumori nei sopravvissuti alla bomba atomica Incidenza dei tumori nei sopravvissuti alla bommba atomica

50. Studi epidemiologici sull’effetto cancerogenetico della radioterapia