Radiazioni - Scoperta e inizio degli studi
1895: Roentgen scopre i raggi X.
1896: Becquerel scopre i raggi prodotti dall uranio: prima osservazione
delle radiazioni naturali.
• 1898: Marie e Pierre Curie scoprono la radioattività
• 1899: Villard scopre i raggi gamma.
Rutherford definisce due forme diverse di radioattività che
chiama raggi alfa e beta.
1901: Roentgen vince il premio Nobel in fisica.
1903: Becquerel e i Curie vincono il premio Nobel per la fisica.
Primi del 900: prime evidenze che raggi X e radiazioni sono dannosi.
1912: scoperta dei raggi cosmici.
1926: Geiger riesce a rilevare e misurare l intensità delle radiazioni.
• 1927: Muller scopre che basse dosi di raggi X possono indurre
mutazioni in Drosophila melanogaster.
1
1932: Chadwick scopre i neutroni.
1938: Hahn riesce a dividere l atomo di uranio, aprendo la possibilità
di una reazione a catena.
1942: Fermi induce la prima reazione a catena controllata, in una pila
di uranio e grafite.
Poco dopo gli USA iniziano il progetto Manhattan" a Los Alamos.
La costruzione, Top Secret, della bomba atomica.
Viene costruito il primo reattore nucleare a Oak Ridge.
• 1945: viene fatta esplodere la prima bomba nucleare nel deserto in New Mexico.
Viene lanciata la seconda (Little boy) su Hiroshima.
Viene lanciata la terza (Fat Man) su Nagasaki.
1946: Hollaender forma la Biology Division of the Oak Ridge National
Laboratory per studiare gli effetti delle radiazioni.
I Russel iniziano i loro esperimenti sui topi per studiare gli effetti
genetici delle radiazioni.
Muller vince il premio Nobel per la Medicina.
2
• 1946: Iniziano i primi studi per determinare gli effetti a lungo termine
sui sopravvissuti alla bomba atomica.
1949: L Unione Sovietica esplode la sua prima bomba atomica.
• 1956: Il comitato della National Academy of Science asserisce che non
esiste una soglia per l esposizione alle radiazioni.
• 1960-90: Moltissime evidenze sul rischio dell insorgenza dei tumori in
seguito a irradiazione.
Pubblicazione di Cytogenetic effects of low dose internal and external radiations
che conclude che: qualsiasi esposizioni alle radiazioni ionizzanti, anche a basse dosi,
produce danni genetici e cromosomici e che questo danno è deleterio per l ospite.
3
I mutageni fisici
Una caratteristica comune di tutti i tipi di radiazione è il trasporto di energia nello spazio.
L assorbimento di energia, attraverso i processi fisici di eccitazione e ionizzazione delle
molecole dei tessuti viventi può interferire con i processi biologici e può pertanto danneggiare
un organismo.
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Radiazioni NON Ionizzanti
(NIR)
Il termine radiazioni non ionizzanti (NIR) viene usato in prevalenza
per indicare onde elettromagnetiche (e.m.) a bassa energia, che
non provocano la ionizzazione degli atomi attraversati.
Il parametro critico dell onda e.m., dal quale dipende l energia, è
la frequenza ν, ed è quindi questa a determinare il livello di
interazione fra la radiazione e la materia attraversata.
NIR
IR
Lo spettro può essere diviso
in due sezioni:
  NIR (Non Ionizing
Radiation) comprendono
le radiazioni fino alla
luce visibile,
  IR (Ionizing Radiations),
coprono la parte di
spettro che va dalla luce
UV ai raggi γ
5
Radiazioni NON Ionizzanti
I principali tipi di radiazione non ionizzante con i quali si può entrare in contatto sono:
- radiofrequenze RF (104 < ν < 109 Hz), tra cui gli ultrasuoni US (106 < ν < 107 Hz)
- microonde MW (109 < ν < 1012 Hz)
- raggi infrarossi IR (1012 < ν < 1014 Hz)
- raggi ultravioletti UV (1014 < ν < 1015 Hz)
L interazione delle radiazioni non ionizzanti con la materia è dovuto essenzialmente alla
polarizzazione delle molecole del mezzo, ed al loro successivo rilassamento.
La linea di soglia tra radiazione ionizzante e non ionizzante è l'energia fotonica di 12
eV (necessaria a ionizzare l'atomo di idrogeno).
La frequenza ν (ni) è il numero delle oscillazioni dell'onda in un secondo.
La sua unità di misura è l'Hertz (Hz).
L'Hertz è l'inverso del secondo Hz = 1/s
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perdita definitiva
di uno o più
elettroni, per cui
l atomo diventa
carico e si
definisce IONE.
transizione semplice e reversibile di un elettrone.
L elettrone viene spostato in un orbita a maggiore energia
dello stesso atomo senza conseguenze per la stabilità del
nucleo.
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Radiazioni ionizzanti
Raggi ad alta energia (>12,4 eV). Collidono con gli atomi e determinano il rilascio di elettroni, lasciando
radicali liberi o ioni carichi positivamente. Gli ioni, a loro volta, collidono con altre molecole e
determinano il rilascio di ulteriori elettroni.
Radiazioni di natura corpuscolare:
particelle α, β, elettroni, neutroni e protoni
Radiazioni di natura elettromagnetica:
raggi X raggi γ, raggi cosmici, caratterizzate da alte
frequenze e basse lunghezze d onda
La velocità di propagazione delle onde
elettromagnetiche nel vuoto è c= 3x108m/s
e in: 1. Radiazioni direttamente ionizzanti
2. Radiazioni indirettamente ionizzanti
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Radiazioni Ionizzanti
10
EFFETTO INDIRETTO: eccitazione o ionizzazione di atomi e/o molecole
che emettendo elettroni secondari possono determinare
ionizzazioni del DNA (raggi X, radiazioni γ)
EFFETTO DIRETTO: eccitazione o ionizzazione degli atomi che
costituiscono la molecola del DNA (radiazioni α e β)
fotone
ep+
HOo←H2O
Effetto indiretto
fotone
ep+
1nm
2nm
Effetto diretto
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RADIOLISI dell ACQUA
Porta alla formazione di RADICALI LIBERI
H2O + Radiazione ---> (H2O+) + (e-)
(e-) + H2O ---> (H2O -)
*****
(H2O+) ---> (H+) + OH° (ione ossidrile)
(H2O-) ---> H° + (OH-) (ione idrogeno)
Ossidanti = accettori di elettroni
Riducenti = donatori di elettroni
• 
Si ritiene che la formazione
dei RADICALI LIBERI,
soprattutto dello ione ossidrile
(OH°) nel contesto dei tessuti,
sia la causa più importante
delle lesioni causate dalle
radiazioni ionizzanti.
• 
La formazione dei RADICALI
LIBERI sembra essere di gran
lunga più importante rispetto
all azione diretta (es. sui
cromosomi) delle radiazioni
ionizzanti.
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Danno al DNA indotto da radiazioni ionizzanti
Raggi γ e β , raggi-X = basso LET
Ionizzazioni sparse nel materiale ereditario
Raggi α, protoni= alto LET
Characteristics of dose-effect relationships
Dense ionizzazioni, danno clusterizzato
following radiation of high or low LET
high LET
LET = Linear Energy Transfer (keV/µm)
Misura la quantità di energia che viene ceduta per ogni
micrometro percorso
Dicentrics or translocations
Misura che tiene conto esclusivamente delle caratteristiche fisiche della
radiazione e del tessuto.
low LET (acute)
low LET (chronic)
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Dose (Gy)
RBE (efficacia biologica relativa)
Le conseguenze biologiche delle radiazioni ionizzanti dipendono anche dalla
velocità di dispersione dell energia emanata e dalla natura delle strutture
su cui questa energia viene depositata.
Una dose di particelle alfa produce molto più danno della stessa dose
di protoni, che a loro volta producono molto più danni di una dose di raggi X.
La differenza sta nel diverso trasferimento lineare di energia (LET),
cioè l energia depositata per unità di lunghezza.
Più ionizzante è la particella,
maggiore è la concentrazione di molecole ionizzate o eccitate lungo il suo cammino,
e maggiore è il danno biologico locale.
RBE = Relative Biologic Effectiveness
*Efficacia Biologica di una dose di riferimento / Efficacia Biologica di una
dose testata
*(raggi X a 250 keV)
14
RBE = Relative Biologic Effectiveness
Efficacia Biologica di una dose di riferimento / Efficacia Biologica di
una dose testata
*(raggi X a 250 keV)
Fattore di Qualità FQ= misura dell efficacia
biologica relativa (RBE) della radiazione che
stiamo analizzando.
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Overkill
effect
particelle α
9
8
RBE
7
6
5
Raggi X
diagnostici
4
3
raggi γ
Neutroni
veloci
2
1
0
0.1
1
10
100
LET (keV/µm di tessuto)
1000
Rapporto tra LET e RBE:
Per valori bassi di LET  relazione
~
Prende in considerazione
l equivalente di dose fra differenti
tipi di radiazioni e permette di
confrontare l effetto biologico di
radiazioni di natura differente.
FQ = 3 significa che questo tipo di
radiazione è tre volte più efficace
dei raggi X di riferimento(*). Per
ottenere lo stesso danno biologico
della dose di riferimento sarà
necessaria una dose tre volte
inferiore a quella sotto analisi.
lineare
10keV/µm < LET < 100keV/µm  RBE aumento esponenziale
LET > 100keV/µm  Overkill effect
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Unità dosimetriche
Becquerel (Bq) = unità di attività radioattiva di un elemento. Corrisponde a una
disintegrazione di un radionuclide al secondo. Nelle unità del Sistema Internazionale (SI),
ha sostituito la vecchia unità di misura il Curie (Ci). 1 Bq = 2,7x10-11 Ci = 27pCi.
Kerma (kinetic energy released in matter): unità per radiazioni ad alta energia e per
radiazioni corpuscolari. Utilizzata per il calcolo della dose nei sopravvissuti di Hiroshima.
Gray (Gy) = Unità di dose assorbita (D) per ogni radiazione ionizzante.
1 Gy corrisponde a 1 Joule di energia assorbita per kg di massa biologica.
La vecchia unità era il RAD (Radiation Absorbed Dose 1Gy=100 RADs).
Sievert (Sv) = unità di dose equivalente al prodotto fra la dose assorbita espressa
in Gy ed un appropriato fattore di qualità (FQ), che dipende dal tipo di radiazione.
Sv  unità che riflette la risposta biologica e che può essere usata per confrontare
gli effetti di differenti radiazioni. La vecchia unità era il rem (1Sv=100 rem)
1Gy di raggi X = 1 Sv (QF = 1)
1Gy di particelle alfa = 20Sv (QF = 20)
16
Röntgen chiamò la radiazione "X", per indicare che era ancora di tipo
sconosciuto.
Il filamento riscalda il catodo, che inizia ad emettere elettroni per effetto termoionico; la nube
elettronica intorno ad esso viene accelerata dall'alta tensione, che proietta gli elettroni verso l'anodo
dove colpiscono il disco metallico: nell'impatto l'energia cinetica che avevano acquisito si trasforma in
calore (per il 99%) e in radiazione X (per l'1%). La generazione di raggi X avviene per Brehmsstrahlung
(radiazione di frenamento) e per radiazione caratteristica.
17
HERMANN MULLER (1890-1967)
1907 studente alla Columbia University, particolarmente
attratto dalla Genetica emergente in quegli anni.
1912-20 studente nel laboratorio di T.H. Morgan.
1920-32 University of Texas anni in cui fece tutti i sui
principali esperimenti sul potenziale mutageno dei raggi X.
1932 si trasfersce a Berlino.
1934 a causa della sua incompatibilità con la società
capitalista (periodo della Depression Americana),
si trasferisce in Unione Sovietica. Deluso dalla
posizione presa dallo stato Sovietico, contrario alla
Genetica, e sostenitore delle teorie Lamarkiane
sull evoluzione, cambia di nuovo paese.
1937 si trasferisce all Università di Edimburgo dove
continua il lavoro sui raggi X e su altri mutageni
(gas mostarda).
1940 a causa della II guerra mondiale, torna negli Stati
Uniti alla Indiana University.
1945 vince il premio Nobel.
1967 muore per problemi cardiaci.
18
ESPERIMENTO DI MULLER
19
Effetti dannosi dovuti alle esposizioni a basse dosi:
  vengono estrapolati da dati ottenuti dopo esposizione a radiazioni ad alte dosi utilizzando il modello
lineare senza dose soglia
Negli ultimi 20 anni sono stati accumulati molti dati che suggeriscono che gli organismi viventi rispondano
diversamente alle basse dosi rispetto alle alte dosi.
 Sono stati osservati specifici meccanismi cellulari ed effetti in seguito all irradiazione a basse dosi.
Rapporto BEIR VII della National Gallery of Sciences conclude affermando che:
  il MODELLO LINEARE SENZA SOGLIA (Linear No Threshold, LNT) è quello più ragionevole
da seguire in base ai dato attuali, affermando quindi che anche bassi livelli di radiazioni
possono avere un effetto nocivo. (Royal HD. Effects of low level radiation- what’s new?.
Semin Nucl Med. 38:392-402, 2008).
Paradigma Classico: tutti gli effetti su cellule, tessuti e organismi sono dovuti ad una azione
diretta delle radiazioni
Azioni indirette delle radiazioni:
• Instabilità genomica: il danno non viene osservato nelle cellule irradiate, ma nella progenie delle
cellule irradiate
• Effetto bystander: gli effetti si osservano in cellule non direttamente esposte alle radiazioni, ma
vicine alle cellule irradiate
• Risposta adattativa: cellule irradiate con basse dosi, rispondono con una minore quantità di danno
ad una successiva esposizione ad alte dosi
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Cristallografia a raggi X
L immagine prodotta dalla diffrazione dei raggi X
attraverso lo spazio del reticolo atomico di un
cristallo, viene registrata e quindi analizzata per
rivelare la natura del reticolo. In genere, questo
porta a determinare il materiale e la struttura
molecolare di una data sostanza.
Sono gli elettroni che circondano gli atomi,
piuttosto che i nuclei degli atomi stessi, le
particelle che interagiscono fisicamente con i
fotoni dei raggi x.
Rosalind Elsie Franklin
(25 July 1920 – 16 April 1958)
Effetti dannosi dovuti alle esposizioni a basse dosi:
 vengono estrapolati da dati ottenuti dopo esposizione a radiazioni ad alte dosi utilizzando il
modello lineare senza dose soglia
Negli ultimi 20 anni sono stati accumulati molti dati che suggeriscono che gli organismi viventi
rispondano diversamente alle basse dosi rispetto alle alte dosi.
 Sono stati osservati specifici meccanismi cellulari e specifici effetti in seguito all irradiazione a
basse dosi.
Rapporto BEIR VII della National Gallery of Sciences conclude affermando che:
BEIR: Biological Effects of Ionizing Radiations
  il MODELLO LINEARE SENZA SOGLIA (Linear No Threshold, LNT) è quello più
ragionevole da seguire in base ai dati attuali, affermando quindi che anche
bassi livelli di radiazioni possono avere un effetto nocivo.
(Royal HD. Effects of low level radiation- what’s new?. Semin Nucl Med. 38:392-402, 2008).
Paradigma Classico: tutti gli effetti su cellule, tessuti e organismi sono
dovuti ad una azione diretta delle radiazioni
Azioni indirette delle radiazioni:
•  Instabilità genomica: il danno non viene osservato nelle cellule irradiate, ma nella progenie delle cellule irradiate.
•  Effetto bystander: gli effetti si osservano in cellule non direttamente esposte alle radiazioni, ma vicine alle cellule
irradiate
•  Risposta adattativa: cellule irradiate con basse dosi rispondono con una minore quantità di danno ad una
successiva esposizione ad alte dosi
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Instabilità genomica
Permanenza e accumulo attraverso successive generazioni cellulari di modificazioni citogeneticamente rilevabili a livello
cromosomico (riordinamenti) e di mutazioni a livello genico,
come conseguenza dell esposizione acuta delle cellule parentali a dosi non letali di radiazioni.
L instaurarsi di uno stato di instabilità del genoma, che si trasmette e tende ad amplificarsi ad ogni ciclo di
replicazione cellulare, è generalmente attribuito all induzione,
da parte della radiazione, di alcune mutazioni critiche a livello dei geni i cui prodotti sono preposti al
controllo di passaggi critici durante la progressione del ciclo cellulare (geni del check point) e/o
intervengono nei meccanismi di riparazione del DNA sia in qualità di difensori che di effettori
Effetto bystander
Le radiazioni ionizzanti sono in grado di determinare effetti biologici rilevanti, (riduzione della sopravvivenza cellulare,
alterazioni citogeneticamente rilevabili, mutazioni geniche, induzione di apoptosi, alterazioni dell espressione genica
etc.), anche a livello di cellule che non sono direttamente attraversate dall energia radiante.
Il segnale dalle cellule irradiate a quelle non
irradiate può essere trasmesso
attraverso:
a) 
La comunicazione cellulare via gapjunctions
b) 
L interazione tra ligandi e recettori
specifici di membrana
c) 
L interazione tra fattori di secrezione
e i loro recettori specifici
d) 
Direttamente attraverso la membrana
plasmatica
23
Risposta adattativa
In alcuni casi le cellule mostrano una risposta adattativa alle radiazioni.
 
Piccole dosi di radiazioni possono stimolare una risposta protettiva, innescando i meccanismi di riparazione del DNA
ed eliminando le cellule seriamente danneggiate
Dimostrarono che il tasso di aberrazioni cromosomiche osservate dopo irradiazione con raggi X
era inferiore all atteso quando le cellule venivano marcate con timidina triziata.
La risposta adattativa è stata dimostrata
vari livelli
• 
• 
• 
• 
• 
Molecolare
Cellulare
Tessuti
Intero organismo
Cellule umane
…e rispetto a diversi cambiamenti biologici
• 
• 
• 
• 
• 
Danno cromosomico (Olivieri 1984)
Mutazioni (Sanderson et al. 1984)
Danno al DNA (Le et al. 1998)
Trasformazione cellulare (Redpath and Atoniono 24
1998)
Induzione genica (Yin 2003)
Risposta Adattativa
The next important area of study is to determine the influence of low doses of radiation on the response of cells and tissues to subsequent larger
radiation doses.
It has been demonstrates that a small dose of radiation results in an adaptive response that makes it more resistant
to the subsequent large radiation exposure.
  It is essential to determine the genes that are involved in production of this adaptive response and ultimately
  to determine if and how this adaptive response can alter the risk from low doses of radiation.
 
It has been suggested that the low doses of radiation produce a protective response that would reduce the
risk from radiation relative to that predicted from the linear-no-threshold model.
Senza irradiazione ci si aspetta un numero molto piccolo di aberrazioni cromosomiche.
Aberrazioni
 
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
osservate
attese
0
0.5 Dose cGy 150
0.5 + 150
Shadley and Wolff 1987
25
Risposta Adattativa
Aberrazioni
Con una piccola dose di radiazioni non ci si aspettano differenze nella formazione di
aberrazioni cromosomiche rispetto al normale.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
osservate
attese
0
0.5
150
Dose cGy
0.5 + 150
Shadley and Wolff 1987
26
Risposta Adattativa
Aberrazioni
Ci si aspetta un grande numero di aberrazioni cromosomiche quando viene somministrata
un’alta dose di radiazioni
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
osservate
attese
0
0.5
150
0.5 + 150
Dose cGy
27
Shadley and Wolff 1987
Risposta Adattativa
Aberrazioni
Quando una piccola dose di radiazioni viene somministrata prima di una dose piu’ forte, ci si aspetterebbe un
maggiore numero di aberrazioni cromosomiche rispetto ad una irradiazione solo con la dose alta. Invece
l’irradiazione con una piccola dose prima di una dose maggiore determina la formazione di meta’ delle
aberrazioni attese.
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
osservate
attese
0
0.5
150
Dose cGy
0.5 + 150
Shadley and Wolff 1987
28
I meccanismi molecolari che sono alla base della risposta adattativa in seguito a radiazioni a
basse dosi non sono ancora completamente compresi
Per l attivazione della risposta adattativa nei linfociti umani, è necessaria la trascrizione e traduzione
di geni che partecipano alla riparazione del DNA e alla regolazione del ciclo cellulare
L attivazione della poli (ADP-ribosio) polimerasi, una proteina fondamentale per il mantenimento della
stabilità genomica, è necessaria per l attivazione della risposta adattativa
L accumulo di p53, che avviene dopo irradiazione ad alte dosi, viene soppresso da una precedente
irradiazione a basse dosi. Questo suggerisce che la repressione delle risposte p53-dipendenti potrebbe
essere uno dei meccanismi coinvolti nella risposta adattativa. Inoltre, l apoptosi osservata dopo
esposizione ad alte dosi, è soppressa in cellule irradiate precedentemente con bassa dose
29
Joshi et al. Cytogenetic characterization of low-dose hyper-radiosensitivity inCobalt-60 irradiated human lymphoblastoid cells.
Mutation Research 770 (2014) 69–78. http://dx.doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2014.09.006
This study demonstrates an HRS (Hyper-RadioSensitivity) effect in G2-irradiated cells for micronuclei
and nucleoplasmic bridges at doses up to 20 cGyin four normal human lymphoblastoid cell lines.
Figure 1: Nuclear abnormalities detected by micronuclei test (arrows)
C
A) micronucleus;
B) nuclear bud;
C) nucleoplasmic bridge
The results also suggest that individuals may differ with respect to their radiosensitivities, which may
complicate estimation of individual risks of low-dose effects.
Our study indicates that HRS needs to be accounted for a thorough understanding of the risks involved
with low dose exposures.
These results suggest that the biological consequences of low-dose exposures could be underestimated
and may not provide accurate risk assessments following such exposures.
30