ESPOSIZIONE PROFESSIONALE A RADIAZIONI IONIZZANTI

1. ESPOSIZIONE PROFESSIONALE A RADIAZIONI IONIZZANTI

2. RADIAZIONI Definizione: fenomeno ondulatorio caratterizzato da un trasferimento di energia da un punto all’altro dello spazio senza che vi sia un movimento di corpi macroscopici e senza il supporto di un mezzo materiale.

3. RADIAZIONI CORPUSCOLATE ELETTROMAGNETICHE • Costituite da particelle atomiche o subatomiche che trasportano energia sotto forma di energia cinetica • Particelle dotate di massa • Alcune cariche altre prive di carica • Ionizzanti (direttamente) • Vengono distinte in: • Particelle α, nuclei di elio • Particelle β negative (elettroni) • Particelle β positive (positroni) • Neutroni • Forma di energia ondulatoria dovuta alla simultanea propagazione di un CAMPO ELETTRICOe di un CAMPO MAGNETICOtra loro perpendicolari e le cui intensità variano in modo regolare creando delle onde sinusoidali • Prive di carica e di massa • IONIZZANTI(indirettamente) e NON IONIZZANTI • Raggi X • Raggi gamma

4. RADIAZIONI ELETTROMAGNETICHE Lunghezza d’onda (λ) = distanza lungo l’asse (cui essa viaggia) dopo la quale la forma dell’onda comincia a ripetersi La frequenza (ν) = numero di oscillazioni dell’onda nell’unità di tempo λ= c/ν

5. Nello SE si collocano nella parte con λ crescenti e v progressivamente decrescente Nello SE si collocano nella parte con più alte frequenze ed elevati livelli energetici E = h v h = 6,62 10-34 J s RADIAZIONI NON IONIZZANTI RADIAZIONI IONIZZANTI

6. RADIAZIONI IONIZZANTI Radiazioni dotate di E>12 eV capaci di determinare lal’espulsione di uno o più e- periferici di un atomo (ionizzazione primaria). Se l’e- espulso ha energia > 12eV, può a sua volta provocare una ionizzazione (ionizzazione secondaria), e così via DIRETTAMENTE IONIZZANTI INDIRETTAMENTE IONIZZANTI

7. RADIAZIONI IONIZZANTI

8. Nel tubo da raggi X un insieme di elettroni emessi da un catodo vengono accelerati in linea retta da un d.d.p. incontrando sul loro tragitto l’anodo nel quale vengono frenati producendo per il 99% calore e per l’1% energia radiante RADIAZIONI IONIZZANTI • DECADIMENTO RADIOATTIVO • Il decadimento radioattivo è un processo nel quale i nuclei degli atomi di sostanze radioattive (radionuclide) si disintegrano rilasciando radiazioni seguendo una propria legge (legge del decadimento radioattivo). Ci sono tre tipi principali di decadimento che rilasciano tre tipi diversi di radioattività: • decadimento α • decadimento β • decadimento γ

9. RADIAZIONI IONIZZANTI Il DECADIMENTO α è un processo in cui un nucleo di 4He viene spontaneamente emesso da un nucleo pesante. I nuclei di He prodotti in questo modo sono detti particelle α. Il DECADIMENTO β è un processo in cui un neutrone interno ad un nucleo si trasforma spontaneamente in un protone emettendo un elettrone e- ed una particella senza massa e priva di carica detta neutrino. Gli elettroni prodotti in questo modo sono detti raggi β. Se il nuclide presenta,invece, un eccesso di protoni, subisce lo stesso processo di decadimento in cui un protone si trasforma in un neutrone emettendo un positrone e+e un neutrino. Il DECADIMENTO γnon comporta alcun cambiamento della massa atomica, né del numero atomico. Trattasi fotoni di piccola lunghezza d’onda emessi dal decadimento rapido di un nucleo radioattivo, che talvolta si accompagnano al decadimento β e α.

10. CAPACITÀ DI PENETRAZIONE Le radiazioni elettromagnetiche possiedono un potere di penetrazione in rapporto inverso con la λ. Ad es. i Raggi Y passano attraverso i tessuti a seconda della loro energia e richiedono schermature spesse, realizzate in materiali come ferro, piombo o calcestruzzo.

11. INTERAZIONI CON LA MATERIA CORPUSCOLATE ELETTROMAGNETICHE • Agiscono attraverso un’azione • diretta sugli elettroni atomici : • Forze elettrostatiche • - Radiazioni α • - Radiazioni β • Urti elastici • - Neutroni • Provocano una ionizzazione secondaria o indiretta, che si esprime attraverso tre diversi effetti in funzione dell’energia posseduta : • EFFETTO FOTOELETTRICO • EFFETTO COMPTON • PRODUZIONE DI COPPIE

12. EFFETTO FOTOELETTRICO (rad.di E < 1 MeV) Il fotone incidente cede, all’e- urtato tutta la sua energia: il fotone scompare e l’e- viene fuori dall’atomo con una certa energia cinetica. Circa l’80% degli effetti fotoelettrici ha luogo con gli e- dell’orbitale K. Un e- più esterno ne occupa il posto, liberando radiazioni (a loro volta ionizzanti). La probabilità che si verifichi un effetto fotoelettrico aumenta con l’aumentare del numero atomico e diminuisce con l’aumentare dell’energia fotonica.

13. EFFETTO COMPTON (rad.di E = 1 MeV) Il fotone incidente cede, all’elettrone urtato (delle orbite più esterne) una parte della sua energia: il fotone continua il suo cammino, deviato e con minore energia; l’ elettrone viene fuori dall’atomo con una certa energia cinetica. La probabilità che si verifichi un effetto Compton è indipendente dal numero atomico del mezzo attraversato ed aumenta all’aumentare dell’energia fotonica.

14. PRODUZIONE DI COPPIE (rad.di E > 1,02 MeV) Consiste nella “materializzazione” del fotone, nelle vicinanze del campo elettrico nucleare, in due particelle: un elettrone negativo ed uno positivo, alle quali viene impressa una certa energia cinetica.

15. ATTIVITÀ DOSE ASSORBITA EQUIVALENTE DI DOSE CURIE Ci RAD REM BECQUEREL Bq GRAY Gy SIEVERT Sv 1 Bq = 2,7027x10-11 Ci 1 Gy = 1J Kg-1 1 Gy = 100 Rad 1 Rad = 10-2 Gy 1 Sv = 1J Kg-1 1 Sv = 100 Rem 1 Rem = 10-2 Sv DOSI DI ESPOSIZIONE Quantità di energia ceduta all’unità di volume o di massa del tessuto

16. MISURA DELLE DOSI DI RI ATTIVITÀ (Bq) Rappresenta la radioattività di una sostanza nella quale avviene una disintegrazione naturale per secondo DOSE EQUIVALENTE (Sv) Rappresenta un indicatore della probabilità di osservare effetti biologici provocati da una dose di radiazione ionizzante. La dose equivalente è ottenuta moltiplicando la dose assorbita per un fattore di qualità denominato EBR (efficacia biologica relativa) DOSE ASSORBITA (Gy) E’ un’unità di tipo biologico e rappresenta la dose di radiazione che, assorbita in modo uniforme da una massa di 1Kg, trasferisce un’energia di 1J 1Gy=1J/Kg Rapporto tra la dose di una radiazione standard e la dose della radiazione in esame necessaria per ottenere lo stesso effetto biologico.

17. Il fattore principale, in grado di influire sull’EBR di una data radiazione, è costituito dalla distribuzione della ionizzazione e delle eccitazioni che essa produce nel suo percorso : Le radiazioni elettromagnetiche (raggi X e γ), veloci, sono a basso LET e-, part. α, protoni, neutroni, sono ad alto LET LET Linear energy transfer Quota di energia ceduta lungo il percorso di una particella ionizzante, espressa in keV per micrometro di percorso o MeV per centimetro Le particelle ad ALTO LET sono più dannose delle radiazioni a BASSO LET Il LET costituisce, quindi l’elemento di legame tra l’aspetto puramente fisico e quello radiobiologico dell’interazione delle RI con la materia.

18. FONTI DI ESPOSIZIONE ARTIFICIALI NATURALI

19. ARTIFICIALE Le persone esposte in Italia, per motivi professionali, ammontano a circa 2000, di cui solo la metà nel SETTORE SANITARIO, per attività di diagnostica strumentale e con isotopi marcati e per trattamenti di radioterapia. Le sorgenti di irradiazione artificiale interessano, comunque, solo una parte della popolazione con modalità e tempi diversi, aggiungendosi alle sorgenti naturali, che coinvolgono la popolazione generale in modo continuo nel tempo e che ammontano, mediamente, a circa 2 mSv/anno

20. NATURALE • LaRADIAZIONE PRIMORDIALEè dovuta a radionuclidi presenti sulla crosta terrestre, che hanno lunghi periodi di dimezzamento. Tra questi ricordiamo il RADON, • LaRADIAZIONE COSMICAproviene sia dagli spazi intergalattici che dal sole ed è costituita prevalentemente da protoni e da particelle αdi energia estremamente elevata, che colpiscono violentemente le molecole di aria dell’atmosfera e determinano una valanga di altre particelle costituenti la radiazione secondaria, in cui sono presenti anche neutroni. • LaRADIAZIONE COSMOGENICAè quella proveniente dai nuclidi divenuti radioattivi a seguito della cattura da parte dei loro nuclei dei neutroni presenti nella radiazione cosmica secondaria. Quelli che interessano l’esposizione dell’uomo sono per lo più radionuclidi leggeri quali il tritio e il carbonio 14 che, entrando nel ciclo biologico, vanno ad interessare il metabolismo umano dando luogo ad una contaminazione interna.

21. RADIAZIONI IONIZZANTI Gas radioattivo naturale, inodore, insapore e incolore, volatile e solubile in acqua. Ubiquitario, presente ovunque sulla crosta terrestre. Prodotto del decadimento radioattivo del RADIO, il quale, a sua volta, deriva dall'URANIO. I prodotti di decadimento sono radioattivi solidi ("FIGLI DEL RADON“) e costituiscono il pericolo maggiore per la salute: vengono inalati con la respirazione e si depositano nei polmoni dove, decadendo a loro volta, emettono radiazioni che danneggiano il tessuto polmonare. Unità di misura della concentrazione del radon è il Becquerel per m3 (Bq/m3). RADON SORGENTI: suolo, materiali da costruzione, acqua (fenomeno riguarda acque termali e quelle attinte direttamente da pozzi artesiani: l'acqua potabile, nei trattamenti e nel processo di trasporto, viene talmente rimescolata da favorire l'allontanamento del radon per scambio con l’aria) EFFETTO CAMINO responsabile del trasporto di radon dal suolo all’interno di un edificio: l’aria calda che sale nella casa provoca negli scantinati e nei piani inferiori una depressione appena percettibile, determinando un’aspirazione che può essere amplificata da ventilatori o caminetti. Nella stagione fredda, l’effetto aspirante negli scantinati è intensificato dai riscaldamenti accesi. Il problema investe dunque in modo particolare cantine e locali sotterranei o seminterrati. EFFETTI SULLA SALUTE: Una prolungata esposizione ad elevate concentrazioni di radon accresce il rischio di tumore polmonare. L' OMS ha classificato il radon come cancerogeno di gruppo 1

22. EFFETTI BIOLOGICI DELLE RI EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE EFFETTI A LIVELLO CELLULARE EFFETTI A LIVELLO TISSUTALE E D’ORGANO EFFETTI A LIVELLO DELL’ORGANISMO

23. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE H2O H+ + OH GLI EFFETTI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI A LIVELLO MOLECOLARE SONO DI 2 TIPI: EFFETTO INDIRETTO (spt. radiazioni X e γ a basso LET) dipendono dalle specieradicaliche che vengonoprodotte dalla interazione traradiazioni ionizzanti ed acquacellulare (RADIOLISIDELL’ACQUA) • EFFETTO DIRETTO • (spt. rad. corpuscolate ad alto LET) • si esplicano direttamente sulle molecole sensibili • PROTEINE → DENATURAZIONE • ACIDI NUCLEICI → ROTTURA DEI FILAMENTI

24. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE La radiazione colpisce direttamente la molecola biologica. PROTEINE: le proteine sottoposte agli effetti diretti delle radiazioni ionizzanti subiscono l’ossidazione dei gruppi sulfidrilici ed un riassestamento delle cariche elettriche, e quindi la denaturazione con perdita della loro attività se sono enzimi. ACIDI NUCLEICI: l’azione diretta delle radiazioni ionizzanti sul DNA può esplicarsi su un solo filamento o su entrambi i filamenti della doppia elica. la rottura di un singolo filamento può portare alla formazione di una estremità “attivata” capace di reagire con altre molecole di DNA (“cross-linking”), mentre la rottura di entrambi i filamenti porta alla frammentazione dei cromosomi. BERSAGLIO→ le molecole più grandi hanno più grande probabilità di essere colpite: 1. DNA, RNA, proteine, zuccheri, lipidi 2. Avviene con più probabilità con particelle: alfa, neutroni, etc. EFFETTI DIRETTI

25. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE EFFETTI INDIRETTI Sono conseguenti alla radiolisi dell’acqua Costituiscono la maggior causa di danni biologici dato che l’acqua è il componente principale: ha la maggior probabilità di essere colpita (per ogni molecola di DNA ci sono circa 1.2 X 107 molecole di H2O) RADIOLISI DELL’ACQUA porta alla formazione di specie radicaliche reattive attraverso una sequenza di reazioni note: H2O + RADIAZIONE → (H2O)+ + e- (H2O)+ + H2O → (H3O)+ + OH° il radicale ossidrile e’ un potentissimo ossidante di svariate sostanze organiche: OH° + S → OH- + S+ i radicali OH° possono anche reagire tra loro producendo acqua ossigenata che viene poi eliminata da catalasi e perossidasi H2O + RADIAZIONE → (H2O)+ + e- gli elettroni che si formano nella radiolisi possono reagire con gli ioni H+ presenti nell’acqua formando atomi di idrogeno altamente reattivi: H+ + e- → H° gli atomi di idrogeno reagiscono con l’ossigeno molecolare formando un altro radicale altamente reattivo, idroperossile: H° + O2 → HO°2 gli atomi di idrogeno possono anche comportarsi da riducenti nei confronti di varie sostanze organiche Oggi si ritiene che la formazione dei RADICALI LIBERI, soprattutto lo ione ossidrile (OH°) nel contesto dei tessuti, sia la causa più importante delle lesioni da radiazioni ionizzanti. Essa sarebbe di gran lunga più importante rispetto all’azione diretta (es. sui cromosomi) delle radiazioni ionizzanti.

26. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE EFFETTI INDIRETTI In assenza di O2 e di biomolecole ( es. irradiazione di acqua pura ), i radicali interagiranno tra loro secondo tutte le possibili combinazioni producendo “prodotti molecolari”: H2O, H2 e H2O2, questo ultimo fortemente ossidante. Se nel mezzo irradiato è presente, in sufficiente concentrazione, O2, questo, per l’elevata elettroaffinità, catturerà radicali dando luogo alla formazione del radicale RO2 (ad alto potere ossidante ): EFFETTO OSSIGENO e- 1. O2 2●O2- 2e- + 2H+ 2. 2●O2- 2H2O2 e- + H+ 3. H2O2 2●OH e- + H+ 4. 2●OH 2H2O2 O2- → 1O2 L’O2, di per sé, è in grado di sottrarre elettroni alle biomolecole ossidandole e di costituire con esse perossidi organici di elevata tossicità: • O2 + e-=> O2 • RH + OH => R + H2O • R + O2=> RO2 • Ciò spiega come nei substrati biologici l’effetto indotto a parità di radiazione, è circa 2-3 volte maggiore in presenza di O2 (EFFETTO OSSIGENO).

27. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MORTE CELLULARE • Radiazioni ionizzanti • Danno irreparabile del DNA - Danno della membrana cellulare • Morte cellulare: perdita della capacità proliferativa DNA molecola molto sensibile ai danni • Molti dei danni al DNA sono riparabili dai vari sistemi di riparo del DNA, purchè essi ne abbiano il tempo…… • Vari tipi di danno: alterazione di basi, rottura di un singolo filamento, rottura di ambedue i filamenti, crosslinking • LESIONI RADIOCHIMICHE DEL DNA • DIRETTEoINDIRETTE • particelle carichemolecole atomiche reattive (radicali liberi)

28. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE Rottura di un filamento da parte di una particella ad alta energia e- X-ray Danno al DNA da parte di un radicale libero H O OH. H e- X-ray MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MORTE CELLULARE AZIONE DIRETTA AZIONE INDIRETTA

29. EFFETTI A LIVELLO MOLECOLARE Il danno a un SINGOLO FILAMENTO è comune ed è RIPARABILE utilizzando la copia complementare intatta DANNO AD AMBEDUE I FILAMENTI: Il danno al secondo filamento avviene prima che il danno sia riparato (intensità della radiazione)NON È RIPARABILE e causa aberrazioni cromosomiche MECCANISMI FONDAMENTALI DELLA MORTE CELLULARE

30. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE EFFETTI DELLE LESIONI AL DNA A LIVELLO CELLULARE DANNO CROMOSOMICO si manifesta visivamente con: - aberrazioni numeriche (eteroploidia),- aberrazioni sequenziali (delezione, interscambi, inversioni pericentriche,....),- aberrazioni strutturali (frammenti, anelli, dicentrici,....). DANNO GENICO rappresentato da mutazioni nei singoli geni (quindi a un livello strutturale più basso del cromosoma), mutazioni che quasi sempre sono negative per il clone cellulare (o per le cellule germinali), RITARDO MITOTICO che consiste in una permanenza maggiore delle cellule labili nella fase G2 e ciò comporta una diminuzione dell'indice mitotico, almeno per un certo periodo di tempo dopo l'esposizione, DANNO LETALE che consiste nella scomparsa della capacità riproduttiva della cellula (la capacità di riprodursi da parte della cellula diminuisce all'aumentare della dose assorbita)

31. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE CONCETTO DI MORTE CELLULARE • MORTE IN INTERFASE: rapida interruzione del metabolismo cellulare e disintegrazione della cellula; consegue ad una irradiazione con alte dosi (decine di Gray) • MORTE RIPRODUTTIVA: perdita della capacità della cellula di riprodursi in modo illimitato (in pratica per almeno 5 volte). La cellula talvolta può apparire immodificata sia per la forma che per la funzione

32. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE EFFETTO LETALE SULLA CELLULA • Densità di ionizzazione = intensità di dose • Ossigeno intracellulare = > O2 >effetto killer • Farmaci radiosensibilizzanti RISPOSTA DELLE CELLULE ALLE RADIAZIONI E’ espressa dalla curva dose-risposta ( ovvero l’effetto letale in funzione della dose ): indica la percentuale di cellule sopravviventi a diverse dosi di radiazioni ionizzanti N.B.: valida sia per cellule normali che neoplastiche

33. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE EFFETTI SUGLI ORGANULI CELLULARI • RNA: l’RNA è radiosensibile, ma il danno che ne consegue è meno grave, poiché le molecole di RNA distrutte possono essere facilmente ricostruite • Membrana cellulare: in seguito ad irradiazione, la cellula si rigonfia di acqua a causa del danno alla membrana che regola gli interscambi tra l’interno e l’esterno della cellula • Lisosomi: la distruzione dei lisosomi provoca lo spandimento degli enzimi proteolitici in essi contenuti e la conseguente autodistruzione della cellula • Mitocondri: dosi moderate di radiazioni alterano la struttura e la funzione dei mitocondri

34. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE S G2 G1 M E’ più sensibile il nucleo o il citoplasma? Sicuramente il nucleo, data la complessità di struttura degli acidi nucleici e la difficoltà nella riparazione del danno radioindotto La rottura delle catene molecolari del DNA può portare alla perdita di interi “spezzoni”, oppure alla modificazione della sequenza del messaggio E’ il comportamento del DNA nelle diverse fasi del ciclo mitotico a condizionare le variazioni di radiosensibilità delle cellula

35. EFFETTI A LIVELLO CELLULARE RADIOSENSIBILITA’ CELLULARE DIRETTAMENTE PROPORZIONALE ALLA CAPACITÀ PROLIFERATIVA INVERSAMENTE PROPORZIONALE AL DIFFERENZIAMENTO CELLULARE LEGGE DI BERGONIÈ E TRIBONDEAU (1906) <<una cellula è tanto più radiosensibile quanto più è intensa la sua attività mitotica e minore la sua differenziazione>>. In accordo con questa legge è stata proposta una Scala di radiosensibilità cellulare di Ellinger: • cellule emopoietiche immature • cellule germinali • epitelio gastrointestinale • linfociti sono altamente sensibili al danno da radiazioni

36. EFFETTI A LIVELLO TISSUTALE E D’ORGANO Il tessuto emopoietico è uno dei più radiosensibili, la matrice del midollo emopoietico (in seguito ad irraggiamento con una idonea dose di radiazioni) viene distrutta nello spazio di poche ore. La diminuzione o scomparsa in circolo degli elementi corpuscolari del sangue avverrà solo dopo l’esaurimento delle cellule mature alla fine del ciclo vitale.

37. 10-12 Gy; forma gastroenterica SIA (lesioni precoci); epatite (lesioni tardive)

46. LOCALIZZATI• Cute• Occhio• Testicoli ed ovaie• Altri organi

47. CUTE • PATOGENESI: danno arteriolare con conseguenti turbe di permeabilità della parete, del tono, della contrattilità del vaso e della velocità di circolo. • ESPOSIZIONE ACUTA: • Eritema (semplice, bollosa, ulcerosa): 3-5Gy • Epidermite: 5-8Gy • Epidermite essudativa 12-20Gy • Necrosi cutanea: >20Gy

48. CUTE • Esposizione cronica a basse dosi (radiodermite cronica): • Retrazione del derma • Distrofia ungueale • Triade di Wolbach • Epitelioma spinocellulare

50. CUTE