EFFETTI
BIOLOGICI DELLE
RADIAZIONI
IONIZZANTI:
Reazioni tessutali
Effetti stocastici
Giuseppe De Luca
ISPRA
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare

Azione
diretta

Azione
indiretta
Le radiazioni ionizzanti, interagendo
con la materia vivente, possono
trasferire la loro energia direttamente
su macromolecole costituenti
essenziali delle strutture biologiche o
indirettamente su molecole di
acqua, provocando la formazione di
specie radicaliche molto reattive
I radicali, a loro volta, reagiscono in
tempi brevissimi con le molecole vicine
provocando la rottura di legami chimici
o l’ossidazione delle molecole
interessate
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare


Il bersaglio critico
dell’azione lesiva delle
radiazioni ionizzanti a
livello cellulare è la
molecola del DNA
nucleare
Anche una singola
traccia radiante
(fotone o particella) che
impatta sulla molecola
del DNA può
danneggiare uno o
entrambi i filamenti
della doppia elica
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare



SSB
DSB
Le radiazioni a basso LET (fotoni X, γ,
ecc.) tendono ad essere più penetranti,
ma il danno è prodotto pressoché
esclusivamente per azione indiretta ed
è più facilmente riparabile (es.: SSB)
Le radiazioni ad elevato LET (part. α,
frammenti di fissione, neutroni, ecc.)
meno penetranti, hanno maggiore
probabilità di produrre danno per via
diretta, più cospicuo e meno facilmente
riparabile (es.: DSB)
Un’elevata quota del danno indotto da
radiazioni al DNA è rappresentata da un
insieme complesso di alterazioni
chimiche derivante da una
combinazione di danni indotti dalle
tracce principali, da elettroni secondari e
da specie radicaliche secondarie reattive
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare




Le cellule hanno una grandissima
capacità di riparare il danno al DNA
L’efficienza dei processi riparativi è
tra i maggiori fattori determinanti gli
effetti cellulari legati all’irradiazione
Una volta che il danno è stato
localizzato, vengono reclutate specifiche
molecole di riparo del DNA (enzimi) che
vanno a legarsi presso il sito di lesione
I meccanismi di riparo sono vari: per i
danni alle basi prevalgono i meccanismi
di Excision Repair (Base Excision
Repair (BER); Nucleotide Excision
Repair (NER); Mismatch Repair (MMR))
ciascuno caratterizzato da uno specifico
corredo enzimatico
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare



Nel caso della rottura del singolo filamento
(SSB) o del doppio filamento del DNA
(DSB) per il ripristino si utilizza, come
stampo, il filamento complementare non
modificato di DNA, oppure il cromosoma
fratello
Nella quasi totalità dei casi il danno al DNA
indotto dalle radiazioni ionizzanti viene
perfettamente riparato (riparazione senza
errore) ad opera dei sistemi cellulari a ciò
deputati e la cellula colpita può quindi
continuare a funzionare e a riprodursi senza
problemi
In mancanza di un accesso all'informazione
dello stampo, la riparazione del DNA può
però essere soggetta ad errori
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare
A.
B.
C.
Il danno radioindotto può essere così
grave che la cellula non è più in grado di
sopravvivere (morte in interfase,
apoptosi)
In altri casi la cellula è danneggiata in
maniera importante ma è ancora in
grado di riprodursi; le cellule figlie
tuttavia potranno mancare di alcuni
sistemi fondamentali per la riproduzione e
la linea cellulare andrà incontro a morte
(morte riproduttiva)
Infine, la cellula irradiata può andare
incontro a trasformazioni del genoma
che, pur non conducendola a morte,
producono delle mutazioni che a loro
volta potranno essere trasferite nelle
successive generazioni cellulari
Effetti delle radiazioni
ionizzanti a livello cellulare
1. Riparazione senza errori
del danno cellulare
3. Morte riproduttiva
2. Morte cellulare
in interfase
4. Riparazione imperfetta
(con mutazioni) del danno
Effetti sanitari dannosi
delle radiazioni ionizzanti
La maggior parte degli effetti sanitari
dannosi conseguenti all’esposizione alle
radiazioni ionizzanti può essere
raggruppata in due categorie:
 Reazioni tessutali avverse (Effetti
deterministici)
 Effetti stocastici
 Altri effetti sanitari (patologie non
neoplastiche tra cui patologie
cardiache, ictus, disordini digestivi,
patologie respiratorie) associati
all’esposizione alle radiazioni ionizzanti
non sono ancora sufficientemente ben
compresi per poterli univocamente
assegnare all’una o all’altra delle due
categorie

REAZIONI
TESSUTALI
AVVERSE
(Effetti
deterministici )
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)


Si può affermare – anche se in
modo un po’ semplicistico – che
l’esposizione a dosi elevate di
radiazioni ionizzanti, al di sopra di
livelli noti, conosciuti come
“soglie”, provoca l’insorgenza di
reazioni tessutali avverse,
spesso ad insorgenza precoce e
con carattere di acuzie
A questi effetti era stato attribuito
il termine di “effetti
deterministici ” con il significato
di effetti determinati causalmente
da eventi precedenti (ICRP
Pubblicazione n. 60, 1991)
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)

I progressi nelle conoscenze
circa le modalità di reazione
dei vari tessuti ed organi
all’azione lesiva delle radiazioni
e sulla possibilità di
modificare l’andamento
della risposta tessutale
attraverso la somministrazione
di specifiche sostanze (fattori
modificatori della risposta
biologica), hanno indotto a
sostituire il termine di effetti
deterministici con quello di
“reazioni tessutali avverse”
precoci o tardive del tessuto e
dell’organo (ICRP
Pubblicazione n. 103,
2008)
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)

Morte cellulare
in interfase


Morte riproduttiva
Il meccanismo biologico elementare alla
base delle reazioni tessutali avverse
è rappresentato dalla morte di una
quantità significativa di cellule di
un determinato organo o tessuto,
sufficiente a dar luogo a reazioni
rilevabili
Perché l’effetto raggiunga la rilevabilità
clinica deve essere quindi eliminata o
danneggiata una frazione definita di
cellule del tessuto/organo: ciò determina
l’esistenza di una dose - soglia
caratteristica per lo specifico tipo di
danno
Superata la dose - soglia, via via che
la dose assorbita aumenta si accresce
la gravità degli effetti risultanti
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)
a.
Si distinguono:
Reazioni tessutali precoci (da alcune ore
ad alcune settimane): si può trattare di
reazioni infiammatorie (variazioni di
permeabilità cellulare con edema tessutale,
rilascio di istamina, ecc.) come ad es.
l’eritema, ovvero di reazioni conseguenti
alla perdita di cellule (es.: desquamazione
degli epiteli, depressione del sistema
emopoietico) per distruzione delle cellule
staminali e progenitrici nei tessuti colpiti con
conseguente riduzione transitoria o
permanente delle cellule mature.
Questo secondo meccanismo è tipico della
risposta alle radiazioni di sistemi di cellule in
fase di rapido rinnovamento (epidermide,
mucose, sistema emopoietico, cellule
germinative dell’apparato riproduttivo)
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)
b.
Reazioni tessutali tardive
(mesi, anni): sono definite
generiche se avvengono a
seguito di una lesione indotta
direttamente nel tessuto
bersaglio (es.: occlusioni
vascolari che provocano la
necrosi profonda di un
tessuto) o consequenziali
se avvengono come esiti di
reazioni immediate (es.:
necrosi cutanea conseguente
ad ulcerazione ed infezione;
occlusioni intestinali da
ulcerazioni mucose, ecc.)
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)


Dose soglia
Tra i tessuti più
radiosensibili ci sono le
gonadi (ovaio e testicoli),
il midollo osseo ed il
cristallino
In generale per questi
tessuti la relazione tra
dose assorbita e
incidenza dell’effetto
sarà sigmoidale, con la
frequenza (e la gravità)
dell’effetto che aumentano
al crescere della dose in
presenza di una soglia di
dose al di sotto della quale
l’effetto non si manifesta
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)
Frequenza
percentuale
dell’effetto
100
Dose in grado di produrre
l’effetto nel 100% degli
esposti
Dose in grado di produrre
l’effetto nel 50% degli
esposti
50
Dose Soglia: Dose in grado
di produrre l’effetto
nell’1% degli esposti
0
Dose assorbita
Reazioni tessutali
(Effetti deterministici)


Le soglie di dose per alcune
reazioni a carico dei tessuti e organi
maggiormente radiosensibili sono
ben conosciute in quanto ricavate
da esperienze in radioterapia ed in
occasione di esposizioni accidentali
alle radiazioni
Si ritiene che nessun tessuto possa
andare incontro ad una
compromissione funzionale rilevante
sotto il profilo clinico per
assorbimento di dosi comprese nel
range fino a circa 100 mGy (sia in
forma acuta che in forma protratta e
frazionata)
Tessuto ed
effetto
Soglia
Dose totale ricevuta
in una singola
esposizione acuta
(Gy)
Dose totale ricevuta
in esposizioni
fortemente frazionate
o protratte nel tempo
(Gy)
Rateo di dose annua se
ricevuta annualmente in
esposizioni fortemente
frazionate o croniche
per
molti anni (Gy/anno)
Sterilità temporanea
0,15
NA (non applicabile)
0,4
Sterilità permanente
3,5 - 6
NA
2
2,5 - 6
6
>0,2
0,5 – 2
5
>0,1
5
>8
>0,15
0,5
NA
>0,4
Testicoli
Ovaie
Sterilità
Cristallino
Opacità visibili
Riduzione del visus
(cataratta)
Depressione
dell’emopoiesi
Soglia nell’intervallo tra
2 –10 Sv nel caso di
irradiazione acuta
Reazioni tessutali
(Opacità del cristallino)


Nel corso degli ultimi anni sono stati
pubblicati numerosi studi che
suggeriscono come la lente possa
essere molto più radiosensibile di quanto
in precedenza stimato e che le opacità
possano quindi verificarsi per esposizione a
dosi molto inferiori alle soglie proposte
In particolare risultati suggestivi sono stati
ottenuti da studi su popolazioni esposte
a radiazioni per motivi sanitari
(diagnostici: CT scan o terapeutici:
radioterapia); per motivi professionali
(astronauti, piloti di aerei, “liquidatori” di
Chernobyl; tecnici di radiologia; cardiologi
interventisti) ovvero per motivi
“ambientali” (coorte dei sopravvissuti alle
esplosioni atomiche di Hiroshima e Nagasaki;
bambini di Chernobyl; individui residenti a
Taiwan in edifici costruiti con materiale di
costruzione contaminato da Co 60)
Reazioni tessutali
(Opacità del cristallino)

Prendendo atto dei risultati degli studi più
recenti, l’ICRP in una pubblicazione del
2012 (ICRP Statement on Tissue
Reactions and Early and Late Effects of
Radiation in Normal Tissues and Organs –
Threshold Doses for Tissue Reactions in a
Radiation Protection Context. ICRP
Publication 118) ha, tra l’altro, rivisto al
ribasso la soglia di dose (cumulativa)
proposta per l’induzione di cataratta
fissandola a 0,5 Gy ed ha inoltre
proposto la drastica riduzione da 150
mSv/anno a 20 mSv/anno del limite di
dose equivalente per il cristallino a
seguito di esposizione professionale
Tessuto ed
effetto
Soglia
Dose totale ricevuta
in una singola
esposizione acuta
(Gy)
Dose totale ricevuta
in esposizioni
fortemente frazionate
o protratte nel tempo
(Gy)
Rateo di dose annua se
ricevuta annualmente in
esposizioni fortemente
frazionate o croniche
per
molti anni (Gy/anno)
Sterilità temporanea
0,15
NA (non applicabile)
0,4
Sterilità permanente
3,5 - 6
NA
2
2,5 - 6
6
>0,2
~0,5
~0,5
~0,5
(divisi per gli anni
di esposizione)
0,5
NA
>0,4
Testicoli
Ovaie
Sterilità
Cristallino
Cataratta (riduzione
del visus)
Depressione
dell’emopoiesi
Reazioni tessutali
(Sindrome acuta da radiazioni)




In caso di esposizione omogenea di tutto il
corpo ad elevate dosi di radiazioni si può
giungere alle conseguenze più gravi, fino alla
morte dell’individuo per sindrome acuta da
radiazioni
La Sindrome Acuta da Radiazioni (SAR, nota
anche come Malattia da raggi) si manifesta negli
individui esposti ad alte dosi (> 1 Gy) di
radiazioni ionizzanti al corpo intero o a
parti estese del corpo con ratei di dose
relativamente elevati (esposizione acuta)
La morte è generalmente il risultato di una
grave deplezione cellulare o di una grave
disfunzione nei tessuti di uno o più organi vitali
del corpo a seguito dell’irradiazione
Per un essere umano adulto normale il valore
mediano di LD50/60, è di circa 4 Gy, ma in
letteratura ci sono stime che vanno da 3 Gy a 5
Gy. Cure mediche di sostegno possono
incrementare il valore di LD50/60 fino a circa 5
Gy e probabilmente fino a circa 6 Gy se
vengono impiegati anche i fattori di crescita
Reazioni tessutali
(Sindrome acuta da radiazioni)
Sindrome ematologica


Il tessuto emopoietico (il midollo
osseo e il timo, insieme con i tessuti
linfatici secondari (linfonodi) e terziari
(tonsille, milza, placche del Peyer, ecc.) è il
sistema più critico e più sensibile in
caso di esposizioni a dosi elevate di
radiazioni che portano allo sviluppo di
una SAR
Il danno principale è conseguente
all’arresto dell’emopoiesi: la
deplezione delle cellule progenitrici
conduce alla riduzione fino alla
scomparsa dei granulociti funzionali a
vita breve con aumentata suscettibilità alle
infezioni, e possibili emorragie
conseguenti alla piastrinopenia
Reazioni tessutali
(Sindrome acuta da radiazioni)


Sindrome gastrointestinale
A dosi superiori a circa 5 Gy, si
presentano effetti supplementari, compresi
gravi danni gastrointestinali (colpite in
particolare le cellule staminali delle cripte e
cellule endoteliali dei capillari) che uniti al
danno al midollo osseo emopoietico,
possono portare a morte in 1 –2
settimane.
Se una parte del midollo osseo e la
maggior parte dell'intestino sono stati
risparmiati (in caso ad es. di irradiazione
non uniforme), allora dosi acute
superiori ai 10 Gy ai polmoni, possono
provocare un’infiammazione acuta
(polmonite) potenzialmente letale. Nello
stesso intervallo di dosi, si presenta anche
il danno renale, se i reni sono stati
irradiati.
Reazioni tessutali
(Sindrome acuta da radiazioni)
Sindrome cerebrovascolare
 A dosi ancora più elevate,
superiori ai 15 - 20 Gy, si
verifica danno acuto nei sistemi
nervoso e cardiovascolare e la
vittima muore per shock dopo
pochi giorni
 Il danno vascolare e l’aumentata
permeabilità capillare provocano
un edema cerebrale
ingravescente con aumento della
pressione intracranica ed ulteriore
danno tessutale, il risultato finale è
il danno irreversibile a carico
del sistema nervoso centrale
con coma e morte nel giro di
poche ore / pochi giorni
EFFETTI STOCASTICI
Effetti stocastici

Mentre - come abbiamo finora
visto - l’esposizione a dosi
elevate di radiazioni
dell’intero organismo o di parti
di esso (organi, tessuti)
provoca l’insorgenza di
reazioni tessutali avverse
spesso di natura acuta, sia le
dosi elevate che le basse
dosi di radiazioni possono
provocare effetti stocastici
caratterizzati, a livello di
popolazione, da un aumento
dell’incidenza di neoplasie
o di effetti ereditari
Effetti stocastici


Riparazione imperfetta
(con mutazioni) del danno
A seguito dell’assorbimento di dosi
basse di radiazioni, la morte di una o
poche cellule non determinerà nella
maggior parte dei casi apprezzabili
conseguenze per i tessuti.
Per contro modificazioni genetiche
o trasformazioni in cellule
singole, conseguenza di danni al
DNA non riparati o di riparazioni con
errore, possono avere conseguenze
anche gravi a medio - lungo termine
(effetti stocastici)
Esiste una probabilità finita che gli
effetti stocastici si manifestino anche
a dosi molto piccole e pertanto non
si considera l’esistenza di alcuna
dose-soglia per la comparsa degli
stessi. Via via che la dose aumenta,
aumenta la frequenza degli eventi ma
non la loro gravità
Effetti stocastici


Gli studi epidemiologici e sperimentali
forniscono, anche se con alcune incertezze,
per gli effetti stocastici evidenze di rischio
(aumento dell’incidenza di neoplasie e/o di
effetti ereditari) connesso con l’esposizione a
radiazioni a livelli di dose ≥ 100 mSv
Pur non essendovi evidenze epidemiologiche
e sperimentali di un aumento del numero di
casi di neoplasie o di effetti ereditari indotti
dall’esposizione alle radiazioni nel range
corrispondente all’intervallo delle cosiddette
basse dosi (< 100 mSv), l’ICRP ritiene
tuttavia scientificamente plausibile
assumere che l’incidenza delle neoplasie
e degli effetti ereditari aumenti in
modo direttamente proporzionale con
l’aumento della dose assorbita negli
organi e tessuti interessati a partire da
qualsiasi dose diversa da zero
Cancer deaths /year/1M people
10000
1000
Dati ottenuti dagli studi sui
sopravvissuti di Hiroshima
e Nagasaki (LSS)* e da altri studi
epidemiologici
*Follow up 47 anni per mortalità; 41 anni per incidenza
100
natural cancer
mortality
additional cancer
deaths due to radiation
?
10
1
0.1
1
10
100
Dose (mGy)
1000
10000
Effetti stocastici


Il sistema pratico di
radioprotezione raccomandato
dall’ICRP e su cui è basato l’intero
corpus di norme e regolamenti
attualmente vigenti è fondato
sull’ipotesi che - anche per dosi
inferiori a circa 100 mSv - un
dato incremento della dose
produce un incremento
direttamente proporzionale
della probabilità di insorgenza
di una neoplasia o di effetti
ereditari attribuibili alle radiazioni.
Questo modello dose-risposta è
generalmente noto come
relazione “lineare senza soglia”
(modello o ipotesi LNT “Linear No
Threshold”)
LNT
Meccanismi dello sviluppo
tumorale da radiazione

a)
b)
c)
d)
Il complesso processo multistadio della cancerogenesi
può essere suddiviso nel modo seguente:
Iniziazione: Entrata di una cellula normale in un percorso cellulare
aberrante (stadio preneoplastico) che può condurre al cancro
Promozione: Potenziamento della crescita e sviluppo di un clone
prenoplastico di cellule iniziate
Conversione maligna: Cambiamento da uno stato preneoplastico ad uno in
cui lo sviluppo del cancro è probabile
Progressione: Fasi successive di sviluppo neoplastico in cui le cellule
acquisiscono proprietà che permettono uno sviluppo più rapido e
l’acquisizione di caratteristiche invasive
Meccanismi dello sviluppo
tumorale da radiazione


Dati ricavati da modelli animali forniscono
l’evidenza che il ruolo principale delle
radiazioni nel processo multistadio di
cancerogenesi si ha nella fase precoce
(iniziazione) del processo tumorale,
mentre le radiazioni sarebbero soltanto un
debole promotore nello sviluppo del tumore.
In linea di massima, l’elevato tasso spontaneo
di instabilità e di danno al genoma che spesso
caratterizza le fasi post-iniziazione tenderebbe
a rendere queste fasi successive meno
dipendenti dalle mutazioni indotte dalle
radiazioni
In generale sia i dati raccolti da popolazioni di
individui esposti alle radiazioni ionizzanti che i
risultati di studi sugli animali non
suggeriscono che il processo tumorale
radioindotto si sviluppi in modo insolito;
manca attualmente l’evidenza della presenza
di “firme mutazionali” specifiche da radiazione
Coefficienti nominali di
rischio per neoplasie


Sulla base dei risultati di studi
epidemiologici su popolazioni esposte,
sfruttando in particolar modo i dati di
incidenza per particolari sedi
oncologiche, sono stati calcolati i
coefficienti nominali di rischio
conseguenti all’esposizione a dosi
note di radiazioni per ogni sito di
interesse
I rischi specifici di tutte le sedi e quelli
totali sono calcolati facendo la media
sui sessi e sulle stime di rischio esteso
a tutta la vita dall’età dell’esposizione,
in popolazioni rappresentative
Effetti stocastici genetici




Con il termine “rischi genetici” si
descrive la probabilità che effetti
genetici dannosi si manifestino nella
discendenza di una popolazione
esposta a radiazioni
Gli effetti sono espressi come aumenti
delle frequenze di base di malattie
genetiche nella popolazione per unità
di dose
Le malattie genetiche d’interesse sono
sia quelle dovute a mutazione di singoli
geni (malattie mendeliane) che
quelle dovute a fattori multipli genetici
ed ambientali (malattie
multifattoriali)
Sono prese inoltre in considerazione le
malattie cromosomiche dovute ad
evidenti alterazioni numeriche o
strutturali dei cromosomi
Effetti stocastici genetici



Esiste la consolidata evidenza che la
classe predominante delle
mutazioni radioindotte sia
costituita da ampie delezioni
multiloci del genoma
E’ più probabile quindi che i
principali effetti genetici avversi
assumano la forma di anomalie a
sviluppo multisistemico piuttosto
che di malattie legate ad un singolo
gene (malattie mendeliane)
Soltanto una parte di tali eventi di
delezione sarà compatibile con lo
sviluppo embrionale/fetale e con la
vitalità del prodotto del
concepimento
Effetti stocastici genetici



Dai vari studi epidemiologici su
popolazioni umane esposte alle
radiazioni ionizzanti, non emerge
alcuna evidenza diretta che
l’esposizione dei genitori alle
radiazioni possa condurre ad un
eccesso di malattie ereditarie
nella progenie
Vi sono tuttavia prove certe che
l’irradiazione provoca effetti ereditari
in animali di laboratorio
Per questo motivo l’ICRP giudica
prudente continuare ad includere
il rischio di effetti ereditari nel
sistema di radioprotezione
Effetti stocastici genetici


La stima del rischio genetico da
radiazioni è stata rivista al
ribasso nella Pubblicazione ICRP n.
103, 2008 rispetto alle stime di
rischio delle precedenti
Raccomandazioni (Pubblicazione n.
60, 1991).
Si stima ora che il rischio di
effetti ereditari nell’intera
popolazione correlabili con la
dose alle gonadi sia intorno a 20
casi per 10000 persone per Sv,
rispetto ai circa 100 casi per 10000
persone per Sv indicati nelle
precedenti Raccomandazioni
Coefficienti nominali di rischio
per neoplasie radioindotte
In conclusione
Sulla base dei dati di incidenza delle neoplasie radioindotte,
la ICRP propone coefficienti nominali di rischio per
neoplasie pari a:
 5,5 x 10-2 Sv-1 per l’intera popolazione
 4,1 x 10-2 Sv-1 per i lavoratori adulti (18 – 64 anni)
Coefficienti nominali di rischio
per neoplasie radioindotte
Il rischio nominale per gli effetti ereditari è invece stimato
pari a :
 0,2 x 10-2 Sv-1 per l’intera popolazione
 0,1 x 10-2 Sv-1 per i lavoratori adulti (18 – 64 anni)
GRAZIE PER
L’ATTENZIONE!
[email protected]