EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI
ELETTROMAGNETICHE
Spettro elettromagnetico
Radiazioni termiche:
microonde
infrarossi
Radiazioni ionizzanti:
ultravioletti
raggi X
raggi gamma
RADIAZIONI IONIZZANTI
Ionizzare un atomo =
togliergli uno o più elettroni rendendolo ione.
Si distrugge così la struttura chimica del materiale.
Per togliere (=allontanare) elettroni
bisogna compiere un lavoro, cioè fornire energia.
Energia minima di ionizzazione: E = 13.6 eV
(potenziale di ionizzazione dell’atomo idrogeno)
.
All’aumentare dell’energia, gli elettroni estratti ricevono energia
cinetica e possono ionizzare “a catena” altri atomi.
Sono radiazioni ionizzanti: ultravioletti, raggi X, raggi gamma
(solo UVC)
GLI ULTRAVIOLETTI
Produzione naturale: Sole
Produzione artificiale: lampade UV
Assorbimento UV
in alta atmosfera:
Si distinguono in:
UVA: λ = 400-315 nm
UVB: λ = 315-280 nm
UVC: λ = 280-100 nm
(ionizzanti)
Effetti chimico-biologici:
ozono (O3) – inclinazione raggi
nubi - inquinamento
eccitazione atomi e molecole
dissociazione legame C-C (4 eV)
materiali:
vetro opaco
acqua trasparente
benefici...
(penetrazione alcuni cm)
abbronzatura - sintesi vitamina D
azione battericida
... o malefici
eritemi - lesioni oculari
tumori alla pelle
RADIAZIONI AD ALTA ENERGIA
raggi X
produzione artificiale
tubo a raggi X
raggi γ
produzione naturale
emissione γ da decadimento nuclei instabili
(radionuclidi)
produzione artificiale
acceleratori di particelle
Introduzione (1)
• Un mezzo biologicamente significativo esposto in
un campo di radiazioni ionizzanti diviene sede di
una serie di processi, originati dal trasferimento
di energia dalle radiazioni al mezzo, che si
manifestano con vari effetti.
• E’ necessario mettere in relazione gli effetti
prodotti con le caratteristiche fisiche del campo
di radiazione e del mezzo irraggiato.
Introduzione (2)
• Conoscenza delle caratteristiche dei vari tipi di
particelle e radiazioni.
• Conoscenza delle loro interazioni con la materia
attraversata.
• Conoscenza delle grandezze fisiche e delle unità
di misura che servono per descrivere le
caratteristiche dei campi di radiazione e le
caratteristiche dei mezzi materiali relativamente
alle interazioni con le radiazioni ionizzanti.
Introduzione (3)
• La cessione di energia da parte della radiazione
agli atomi del mezzo attraversato ne provoca
l’eccitazione o la ionizzazione.
• Nell’eccitazione l’energia ceduta e’ sufficiente
soltanto per far passare l’atomo dallo stato
fondamentale a un livello energetico eccitato.
• La radiazione ionizzante e’ in grado di produrre
la ionizzazione (espulsione di un elettrone) degli
atomi del mezzo attraversato.
Introduzione (4)
• Radiazioni direttamente ionizzanti : particelle
cariche (elettroni, protoni, particelle α, ioni) la
cui eneria cinetica e’ sufficiente per produrre
ionizzazione per collisione.
• Radiazioni indirettamente ionizzanti : particelle
prive di carica elettrica (neutroni, fotoni) che,
interagendo con la materia, possono mettere in
moto particelle direttamente ionizzanti o dar
luogo a reazioni nucleari.
Sorgenti radioattive
Poiché i decadimenti radioattivi possono essere
molto complessi, si preferisce specificare
l'intensità delle sorgenti radioattive mediante
il numero di disintegrazioni per unita’ di tempo
invece che mediante il numero di particelle o di
fotoni emessi.
Attività di una sorgente
dN
A=
dt
1 Bq (Becquerel) = 1 s-1
1 Ci (Curie) = 3.7x1010 Bq
dN = numero delle trasformazioni nucleari spontanee che
avvengono nella quantità di radionuclide considerata
nell’intervallo di tempo dt.
Sorgenti radioattive
L'attività non fornisce informazioni sulla
quantità di materia radioattiva presente. Si
definisce allora l'attività specifica As, che si
misura in Bqxgr-1, che rappresenta il numero di
disintegrazioni per unità di tempo che avviene
nell’unità di massa.
Attività specifica
As =
λN0
MA
λ = costante di decadimento
N0 = numero di Avogadro
MA = peso atomico
Macchine radiogene
Nel caso degli acceleratori di particelle i
parametri che interessano più direttamente la
radioprotezione sono l’energia delle particelle
accelerate e la potenza media del fascio (che è
il prodotto dell’energia per la corrente media).
Nel caso dei tubi a raggi X sono grandezze
caratterizzanti la differenza di potenziale
applicata al tubo, la filtrazione (sia quella
propria del tubo che quella aggiunta), la
corrente, il primo strato emivalente e la
potenza.
Tubi a raggi X
La differenza di potenziale (che si misura in
kV) applicata al tubo determina l’energia
massima dei raggi X prodotti.
La filtrazione modifica la distribuzione
spettrale del fascio (indurimento, righe
caratteristiche).
La corrente anodica (che si misura in mA)
determina, col tempo (s), l’esposizione (che si
misura in mAs, cioè mAxs), legata al numero di
fotoni emessi.
Particelle direttamente ionizzanti
Trasferimento lineare di energia LET
 dE 
L∆ = 

 dl  ∆
(Jxm-1)
(keVxµm-1)
dE = energia dissipata dalla particella carica
iniziale nel tratto dl in collisioni che comportano
trasferimenti di energia inferiori ad un
prefissato ∆ (eV).
Grandezze relative al deposito di
energia
Dose assorbita D
d<E>
D=
dm
(Gy=Gray)
(1Gy = 1Jxkg-1)
(1Gy=100rad)
d<E>= energia ceduta media in un elemento di volume
di massa dm
Grandezze relative al deposito di
energia
Intensita’ o rateo di dose assorbita D’
dD
D'=
dt
(Gyxs-1)
dD= energia ceduta media in un elemento di volume di
massa dm in un intervallo di tempo dt
Grandezze dosimetriche
• Nessuna delle grandezze finora introdotte e’ idonea da
sola a descrivere gli effetti della cessione di energia
dalla radiazione alla materia vivente.
• La dose assorbita non tiene conto della diversita’ degli
effetti indotti a seconda della qualita’ delle radiazioni
incidenti, a parita’ di dose assorbita.
• In radioprotezione tale ruolo non puo’ essere svolto dalle
grandezze microdosimetrche utilizzate in radiobiologia
(difficolta’ di misura e approssimazioni).
Grandezze dosimetriche
Equivalente di dose
Dose equivalente
H = DQN
(S=Sievert)
(1S = 1Jxkg-1)
(1S=100rem)
• D = dose assorbita
• Q = fattore di qualita’ della radiazione
• N = prodotto degli eventuali altri fattori
correttivi; e’ = 1 nel caso delle irradiazioni
esterne
Grandezze dosimetriche
Fattore di qualita’
• Il fattore di qualita’ serve a tener conto della
distribuzione dell’energia assorbita a livello
microscopico. E’ definito in funzione del LET in acqua
nel punto considerato.
• I valori di Q e <Q> sono stati proposti per essere usati
esclusivamente nel campo della radioprotezione e sono
stati desunti estrapolando i risultati di osservazioni
fatte con elevate dosi assorbite per le quali gli effetti
dannosi sull’uomo sono valutabili.
FATTORI DI QUALITA’
Per elettroni, raggi X e raggi γ Q = 1
Per neutroni e protoni Q da 5 a 20
Per le particelle alfa Q = 20
RADIAZIONI IONIZZANTI
Il passaggio delle radiazioni
ionizzanti attraverso la materia
vivente provoca sempre danni,
per cui il loro impiego è
giustificato, se i vantaggi sono
superiori ai danni.
RADIAZIONI IONIZZANTI
L’entità del danno prodotto dipende da tipo di radiazione
e dalla dose assorbita.
Gli effetti biologici delle radiazioni possono essere distinti
in effetti somatici (che coinvolgono gli individui irradiati)
ed effetti genetici (che coinvolgono la loro discendenza).
È bene prendere tutte le possibili precauzioni per evitare
di essere irraggiati da radiazioni ionizzanti (ad esempio,
usare schermi di piombo)
RADIAZIONI IONIZZANTI
Il passaggio delle radiazioni ionizzanti
attraverso la materia vivente provoca sempre
un danno
Non sempre un danno diventa
un effetto biologico
cioè una variazione morfologica e/o funzionale.
Non sempre un effetto biologico diventa
un danno alla salute
per farlo deve rendere inefficienti i meccanismi
di riparazione.
I LIMITI (1)
Per la popolazione in generale, la legge
stabilisce che la dose assorbita non
superi la quantità di 1 mSv/anno (100
mrem/anno).
In casi particolari di superamento
può essere consentito un valore
annuo più elevato a patto che la
dose media su 5 anni non superi
1 mSv/anno.
I LIMITI (2)
Per le persone professionalmente
esposte, la legge stabilisce che la
dose assorbita non superi la quantità
di 20 mSv/anno (2000 mrem/anno),
come media su periodi definiti di 5
anni, con un limite massimo annuale
di 50 mSv.
I LIMITI (3)
Casi particolari
Massima dose consentita per
addetto di impianti nucleari
in condizioni di emergenza
Massima dose consentita per
addetti di impianti nucleari,
di pronto intervento e vigili
del fuoco in condizioni di
mitigazione di incidente
nucleare
Tipica dose nell’area di
rispetto degli impianti
nucleari
Dose
250 mSv/anno
50 mSv/anno
0.05 mSv/anno
IL FONDO NATURALE (1)
Sorgente
Tipo di
esposizione
Radionuclidi inalati
(principalmente 222Rn
e figli)
INTERNA: epitelio
polmonare
Radionuclidi ingeriti
(principalmente 40K)
INTERNA: corpo
totale
Radionuclidi terrestri
ESTERNA: corpo
totale
Raggi cosmici e
radionuclidi prodotti
ESTERNA/INTERNA
: corpo totale
Dose equivalente
media annuale
(mSv)
%
2.3
65
0.7
19
0.2
5
0.4
11
Media annuale 3.6 mSv
IL FONDO NATURALE (2)
Casi particolari
Fondo naturale sulla
spiaggia Guarapari,
Brasile
Dose media per gli
equipaggi di aerei di
linea
Dose media per un
volo intercontinentale
Dose
10 mSv/anno
7 mSv/anno
0.04 mSv/volo
IL RADON (1)
IL RADON (2)
Sulla base di modelli correnti di esposizione si
applica un coefficiente di conversione pari a
circa 20 Bq/m3 per mSv/anno fra la media
oraria di attività di concentrazione di gas
radon e la dose annua effettiva equivalente
per l'esposizione di persone in ambienti chiusi.
Recenti controlli effettuati negli Stati membri
EU hanno dimostrato concentrazioni medie
all'interno delle abitazioni oscillanti tra 20÷50
Bq/m3, mentre i valori esterni erano
nettamente inferiori.
LE BOMBE & CHERNOBYL
GLI ESAMI MEDICI
ESAME
Dose (mSv)
Torace
0.1
Mammografia
1.5 (*)
Panoramica dentale
2.3
Addome
3.2
Spina lombo sacrale
3.9
CT cranio
10.0
(*) Su 1 milione di donne asintomatiche, ci sono,
naturalmente, 800 cancri occulti (0.08%) e ci aspettiamo un
incremento da 1 a 3 neoplasie (0.0003%)
ASSORBIMENTO DEI RAGGI X
I raggi X sono radiazioni molto penetranti che attraversano
con piccola attenuazione i tessuti molli, ma sono riflessi da
corpi solidi (ossa, mezzi di contrasto, etc.).
I = I oe
− µd
µ: coeff. di assorbimento d:
spessore del materiale
Si definisce lo spessore di dimezzamento (HVT = half value
thickness), cioè lo spessore per cui l’intensità incidente è
dimezzata.
Meccanismi di produzione del danno (1)
Le radiazioni
ionizzanti
possono
danneggiare
direttamente il
bersaglio
molecolare,
oppure ionizzare
l’acqua e quindi
produrre radicali
liberi che
aggrediscono a
loro volta le
molecole.
MECCANISMI DI PRODUZIONE DEL DANNO (2)
Le radiazioni
ionizzanti
possono
danneggiare
direttamente il
bersaglio
molecolare,
oppure ionizzare
l’acqua e quindi
produrre radicali
liberi che
aggrediscono a
loro volta le
molecole.
Radiation biology: in vitro studies (1)
The radiation damage is
connected to the phases in the
life of the cell:
M – cell division. This stage
includes both division of the
nucleus (mitosis) and of the
cytoplasm (cytokinesis). This
phase may last one or two
hours.
G1 – The first “gap” phase. The cell is synthesizing many proteins. The
duration of G1 determines how frequently the cells divide. It varies
from a few hours to 100 days or more.
S – Synthesis. A new copy of all the DNA is being made.This lasts about 8
hours.
G2 – The second “gap” phase, lasting about 4 hours
Radiation biology: in vitro studies (2)
Cellular DNA is organized
into chromosomes.
DNA is packed to give a
chromosome and the
schematic diagram shows, at
different magnifications, a
strand of DNA, various
intermediate structures, and
a chromosome as seen during
M phase (the metaphase
precisely) of the cell cycle.
The size goes from 2 nm for
the DNA double helix to
1400 nm for the
chromosome.
In vitro surviving studies
There is a strong
evidence that the
ionizing radiation,
directly or
indirectly, breaks a
DNA strand.
The cell survival
experiments can
directly measure
chromosome damage.
These are representations of
typical experimental data.
Modelling Cell Survival Curves (1)
If only one DNA strand is broken, there are efficient
mechanisms that repair it over the course of a few hours using
the other strand as a template.
If both strands are broken, permanent damage results, and the
next cell division procedures an abnormal chromosome.
Several forms of abonormal chromosomes are known, depending
on where along the strand the damage occurred and how the
damaged pieces connected or failed to connect to other
chromosome fragments.
Many of these chromosomal abnormalities are lethal: the cell
either fails to complete mitosis the next time it tries to divide,
or it fails within the next few divisions.
Other abnormalities allow the cell to continue to divide, but
they may contribute to the multistep process that, sometimes,
leads to cancer many cell generations later.
Modelling Cell Survival Curves (2)
A simplified model for DNA
damage from ionizing
radiation recognizes two
types of damage.
In type-A damage a single
ionizing particle breaks both
strands of the DNA, and the
chromosome is broken into
fragments.
In type-B damage a single particle breaks only one straND. If
another particle breaks the other strand close enough to the
first break, before repair has taken place, then the
chromosome suffers a complete break.
Modelling Cell Survival Curves (3)
The probability of type-A damage is proportional to the
dose. The average number of cells m with type-A damage
after a dose D is
m = αD
The probability P of number of damage will be a Poisson
distribution
P (0; m) = e
−m
=e
For radiations with higher LET α will be greater
−α D
Modelling Cell Survival Curves (4)
In the type-B damage one strand is damaged by one ionizing
particle and the other by another ionizing particle. The
probability P of fragmenting the DNA molecule is therefore
proportional to the square of the dose. The average number of
cells k with type-B damage after a dose D will be
k = βD
2
The probability P, always Poisson distributed, is
P (0; k ) = e
−k
=e
− βD
2
Modelling Cell Survival Curves (5)
A plot of surviving
fraction vs dose,
showing the type-A
damage curve (dashed
line) and the type-B
damage curve (entire
line).
The dose, at which
mortality from each
mechanism (linear and
quadratic) is the
same, is α/β.
Psurivival = e
−α D − β D 2
Modelling Cell Survival Curves (6)
Surviving fraction is the ratio
of colonies produced to cells
plated, with a correction
necessary for plating
efficiency, i.e. for the fact
that not all cells plated grow
into coloniews, even in the
absence of radiation.
Fractionation Effect
Dose-response
curves for
Chinese hamster
cells (CHLF-line)
grown in vitro
and exposed to
Co60 γ-rays at
various dose
rates.
Radiation Response vs Cell Type
Survival curves for
assays of human cells
show a wide range in
initial sensitivity, but
not too much
difference in final
slope.
The shaded area
labeled “human A-T
cells” is for cells
where repair
mechanism are
lacking.
Radiation Response vs Cell Cycle Phase
Cell survival curves for
Chinese hamster cells
at various stages of
the cell cycle.
The survival curve for
cells in mitosis is steep
and has no shoulder.
The curve for cells
late in S phase is shallower
and has a large initial shoulder. G, and early S
phases are intermediate in sensitivity.
The broken line is a calculated curve expected to
apply to mitotic cells under hypoxia.
Oxygen Effect
Cell survival curves showing the effect of oxygen for low- and high-LET
radiations.
Oxygen Enhancement Ratio (OER) Model
La risposta delle cellule dipende…
1.dalla dose
2.dal rate di dose
3.dal tipo di radiazione
4.dal tipo di cellula
5.dalla fase del ciclo cellulare
6.dalla presenza dell’ossigeno
Come se non bastasse…….la Dosimetria
Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
dipendono, come abbiamo visto, da molteplici
fattori fisici e biologici e riguardo a quest’ultimi
possiamo individuare tre bersagli interessanti:
la cellula
l’organo
l’organismo
Non è immediata la generalizzazione dei
risultati ottenuti su di un bersaglio rispetto
agli altri.
Il problema delle basse dosi
Dosi non letali
dal cGy al Gy in funzione del
bersaglio
Lo studio degli effetti biologici
indotti a seguito di esposizione a
basse dosi di radiazioni ionizzanti,
mostra l’esistenza di effetti “nonlineari”
• Ipersensibilità & Radioresistenza
indotta
• Effetti di bystander
• Risposta adattativa
Esposizione a basse dosi di radiazioni ionizzanti
Principali sorgenti naturali “Terrestri” e loro
vite medie
Contributo delle
varie sorgenti
naturali di radiazioni
ionizzanti alla dose
annuale media
all’uomo negli
U.S.A.
Potassio-40
40K
1.3x109a
Rudio-87
87Rb
5x1010a
Torio-232
232Th
1.4x1010a
Uranio-238
238U
4.5x1010a
Contributo alla dose media annuale delle
principali sorgenti di irraggiamento interno
Contributo relativo
delle varie sorgenti di
radiazioni ionizzanti
alla dose annuale
media all’uomo nel
mondo.
56
F.A. Mettler et al, 1995
Potassio-40
40K
17 mrem/a
Carbonio-14
14C
10mrem/a
Polonio-210
sino a Piombo210
210Po
Totale
210Pb
12 mrem/a
39mrem/a
S.C. Bushong, 1998
Valutazione di rischio alle basse dosi
•
Studi a dosi medio-alte:
- studi in vitro: irraggiamenti a “fascio
largo”
- studi epidemiologici: sopravvissuti di
Hiroshima e Nagasaki, minatori di uranio,
Chernobyl, popolazione medicalmente
esposta
?
+ Estrapolazione alle basse dosi
 assunzione cautelativa in
radioprotezione: andamento lineare
alle basse dosi
(E.J. Hall, Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., Vol. 65, No. 1, pp. 1–7, 2006)
•
Studi epidemiologici diretti a basse dosi
- misura dell’esposizione indoor di radon e correlazione con l’incidenza di cancro ai polmoni
 problemi metodologici nella determinazione dell’esposizione dell’individuo
Effetti delle basse dosi:
Ipersensibilità (HRS) e Radioresistenza indotta (IRR)
Irraggiamenti cellulari con RX:
• Cellule normali e tumorali di ≠ radiosensibilità
• Iper-sensibilità alle basse dosi
• Radioresistenza indotta
Meccanismo protettivo indotto da basse dosi di
radiazioni
Con neutroni e pioni di alto LET:
Andamento lineare (no HRS/IRR)
… Effetti delle basse dosi:
Ipersensibilità e Radioresistenza indotta
at LNL: broad ion beam cell irradiations:
• 60Co γ−rays and 4He2+ ions
of different energies
(59, 79 and 102 keV/µm LET)
• Chinese hamster V79 cells
•
•
Iper-sensibilità alle basse dosi (HRS)
Radioresistenza indotta (IRR)
Effetto “Lazzaro”
…Effetti delle basse dosi
(studi in vitro)
GSI SIS facilty scanned pencil beam
and LNL broad ion beam cell
irradiations:
• 6MV photons and 12C6+ ions of
92.5 MeV/amu on target (27.5
keV/µm LET)
• 60Co γ−rays and 4He2+ ions
of different energies
(59, 79 and 102 keV/µm LET)
• Chinese hamster V79 cells
•
•
Low dose
hyper-radiosensitivity
Induced radioresistance
Effetti delle basse dosi: Bystander effect
By soluble molecules?
By gap-junction?
•
1 cellula colpita all’interno di una popolazione
•
Danno (morte cellulare, apoptosi, induzione di micronuclei, trasformazioni oncogeniche)
espresso in più di 1 cellula (..evidenze sperimentali..)
•
Quali meccanismi di induzione e trasmissione del danno?...
 secrezione di fattori citotossici nel mezzo di coltura da parte delle cellule irraggiate
 comunicazione diretta tra cellule attraverso “gap-junction” ….
 ROS/RNS (NO); ….
Effetti delle basse dosi: Risposta adattativa
1) Priming dose: 5-40 cGy RX
qualche h prima dell’irraggiamento
2) Irraggiamento (Challenging dose)
Osservato:
 in vivo e in vitro (protozoi, alghe, cell
vegetali e di mammifero)
 per diverse linee cellulari
 per diversi end-point biologici (mutazioni,
trasformazioni oncog., micronuclei, danno
cromosomico e sopravvivenza cellulare)
Effetti delle basse dosi (1)
Numerosi dati sperimentali sembrerebbero
indicare che ROS (Reactive Oxygen Species) e
RNS (Reactive Nitrogen Species), in particolare
l’ossido nitrico NO, siano tra le molecole chiave
coinvolte nell’induzione e trasmissione del danno
indotto a basse dosi di radiazioni ionizzanti e
quindi tra i principali mediatori dell’effetto
bystander.
Effetti delle basse dosi (2)
Utilizzando degli “scavenger” di tali molecole si è
osservata una riduzione del livello di bystander,
ipotizzando che questa possa essere dovuto alla
soppressione rispettivamente di radicali che agiscono sul
DNA.
Una delle più importanti sorgenti di ROS nelle cellule di
mammifero è costituita dai mitocondri, suggerendo che
uno dei bersagli cellulari delle radiazioni ionizzanti a
basse dosi sia rappresentato dal DNA mitocondriale
(mtDNA) e che i mitocondri siano coinvolti nella
trasmissione di segnale dopo l’irraggiamento, attraverso
la produzione di radicali liberi reattivi.
Effetti delle basse dosi (3)
ROS/RNS sembrerebbero anche implicati
nell’espressione della risposta adattativa,
sia inducendo direttamente il danno al DNA
che attiva poi la risposta adattativa, sia
producendo la trascrizione/regolazione di
geni
e
proteine
che
conferiscono
radioresistenza alla cellula
Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-conservati (1)
Il metodo di conservazione per lunghi periodi di tempo di
sistemi biologici è la cosiddetta “crio-conservazione”,
ovvero il loro mantenimento, con opportuni trattamenti
preparatori, mediante congelamento, vitrificazione o
ibernazione in opportune installazioni di laboratorio
(dewar per azoto liquido, -196°C, 77 K).
Alle temperature criogeniche i processi biochimici cellulari
sono inibiti e quindi si impedisce la senescenza cellulare
e la degradazione del materiale biologico.
La tecnica è ben conosciuta e praticata (30÷40 anni) ed è
ben misurato il danno prodotto nelle cellule da la
procedura congelamento-scongelamento.
Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-conservati (2)
Dipendendo dall’ambiente in cui i sistemi
biologici crio-conservati vengono depositati,
essi subiranno un irraggiamento protratto
(per anni e spesso per decine di anni, come
nel caso delle “banche” di colture cellulari o
delle “banche” di cellule staminali e/o
germinali) a causa del fondo naturale di
radiazioni.
Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-conservati (3)
Dipendendo dal tempo di conservazione e
mancando l’azione antagonista continua dei
meccanismi di riparazione, i “danni” prodotti
dall’esposizione delle cellule crio-conservate al
fondo
gamma,
in
principio,
andranno
accumulandosi, trasformando l’esposizione a
“dose protratta” (bassissimo rateo di dose del
fondo ambientale) in esposizione a “dose acuta”,
al momento dello scongelamento e rivitalizzazione
delle cellule.
Effetti della radiazione di fondo su Sistemi Crio-conservati (4)
Recenti risultati sperimentali ottenuti
confrontando la risposta a raggi-γ di
diversi sistemi biologici in condizioni
criogeniche e a temperature ambiente,
in termini di vari end-point biologici,
hanno mostrato un “effetto protettivo”
della
crio-conservazione
rispetto
all’azione delle R.I (raggi-γ)
EFFETTI BIOLOGICI DEI CAMPI ELETTROMAGNETICI
NON IONIZZANTI
NIR (1)
Radiofrequenze (RF), microonde (MO), laser ed ultravioletti
(UV) fanno parte delle radiazioni non ionizzanti (NIR),
appartengono alla famiglia delle onde elettromagnetiche
(e.m.) e trasportano energia sotto forma di campo
elettromagnetico; l'energia viene in parte assorbita e in
parte riflessa dagli oggetti che l'onda incontra sul suo
percorso.
L'assorbimento avviene con modalità ed in misura diversa a
seconda dell'oggetto. L'energia o radiofrequenza assorbita
dai tessuti biologici può produrre diversi effetti: il
meccanismo di interazione più semplice da interpretare è a
livelli sufficientemente elevati di potenza - il riscaldamento,
cioè l'innalzamento di temperatura dei tessuti causato dalla
rapida agitazione molecolare. Tale riscaldamento, se intenso
e prolungato, può generare danni ai tessuti e alle funzioni
fisiologiche.
NIR (2)
Non sono noti altri effetti,
i cosiddetti effetti non termici,
che possono insorgere per
esposizioni a livelli di campo
elettromagnetico più bassi e non
in grado di produrre
innalzamento di temperatura.
L’onere della prova (1)
Spesso si chiede allo scienziato di dimostrare
che:
•i cellulari, gli elettrodotti ed i vaccini non sono
pericolosi;
•il mostro di Loch Ness ed i marziani con dodici
mani non esistono;
e quando la scienza rifiuta, correttamente, di
rispondere in termini così assoluti, si obietta
che l’approccio scientifico è debole e quindi
quello alternativo merita almeno la stessa
dignità.
L’onere della prova (2)
In realtà si stanno chiedendo dichiarazioni
scientifiche di non esistenza.
Al contrario l’onere della prova dovrebbe
spettare a chi afferma che un certo
fenomeno si verifica ed è culturalmente
disonesto chiedere a chi è scettico in
proposito di dimostrare che il fenomeno
non c’è.
L’onere della prova (3)
Consideriamo una “bufala” classica: si può dimostrare
scientificamente che lo yeti non esiste?
No, si possono fornire argomentazioni che rendano
molto improbabile la sua esistenza.
Si può induttivamente(*) argomentare che essendo
stato cercato in lungo ed in largo e non essendo stato
trovato, probabilmente non esiste, ma questo
ragionamento non esclude che in qualche caverna
himalayana inesplorata non ci sia uno yeti
particolarmente timido.
(*) INDUZIONE: un ragionamento che, partendo da dati
particolari presenti nel problema, giunge a conclusioni generali
L’onere della prova (4)
Per dimostrare in assoluto che lo yeti non esiste
bisognerebbe esplorare ogni anfratto dell’intero
pianeta: una impresa impossibile e peraltro forse
inutile, perché lo yeti potrebbe giocare a
rimpiattino cambiando nascondiglio.
L’onere della prova (5)
Attenzione alle generalizzazioni:
il ragionamento induttivo, come tutte
le attività scientifiche, richiede il
”cervello acceso”
Nella scienza niente è automatico.
L’onere della prova (6)
C’è un esempio storico. Per circa 1500 anni, da
quando Giovenale parlò del cigno nero come la
proverbiale rara avis, in Europa questo uccello
divenne la metafora di tutto ciò che non poteva
esistere.
Tutti i cigni osservati erano bianchi
e quindi tutti i cigni sono bianchi.
Nel XVIII secolo gli esploratori
europei scoprirono in Australia
dei cigni neri.
INTRODUZIONE EFFETTI BIOLOGICI DELLE NIR (1)
Quando un organismo interagisce con un campo
elettromagnetico, il suo equilibrio elettrico viene
sicuramente perturbato, senza che ciò si traduca
automaticamente in un effetto biologico apprezzabile e
tanto meno in un danno.
Per poter parlare di effetto biologico ci devono essere
variazioni morfologiche e/o funzionali a carico di strutture a
livello superiore, dal punto di vista organizzativo, a quello
funzionale.
Il verificarsi di un effetto biologico non significa
necessariamente la produzione di un danno alla salute,
poiché per poter parlare di danno occorre che l'effetto
biologico superi i limiti di efficacia dei meccanismi di
adattamento dell'organismo, che variano con l'età, lo stato
di salute, ecc.
INTRODUZIONE EFFETTI BIOLOGICI DELLE NIR (2)
La maggior parte degli studi condotti
riguardano gli effetti termici, ossia quelli
connessi con l'innalzamento della temperatura
di un tessuto.
Non esistono tuttavia dati di soglia sugli
effetti nocivi per l'uomo nell'intero intervallo
di frequenza:
la maggior parte dei dati biologici attuali
proviene dall'intervallo di frequenze
comprese fra 900 MHz e 10 GHz.
INTRODUZIONE EFFETTI BIOLOGICI DELLE NIR (3)
Gli effetti termici sono effetti acuti, non stocastici
per i quali l'aumento dell'intensità dell'effetto è
proporzionale all'azione.
L'occhio e le gonadi sono gli organi più sensibili
all'esposizione alle RF ed alle MO.
Il cristallino è la parte dell'occhio che risente
maggiormente dell'irraggiamento con radioonde; questo
organo non è vascolarizzato e quindi, potendo dissipare
calore solo per scambio termico con l'umor acqueo ed il
corpo vitreo, va facilmente incontro al
surriscaldamento.
Altri possibili effetti sull'occhio sono la cataratta,
l'opacizzazione della cornea, la congiuntivite,
l'infiammazione dell'iride, la comparsa di lesioni
INTRODUZIONE EFFETTI BIOLOGICI DELLE NIR (4)
Sono stati inoltre segnalati possibili
effetti sul sistema cardiocircolatorio
come le aritmie ipo-ipercinetiche, stati
di ipo-ipertensione, mentre i possibili
effetti sul sistema neuroendocrino
riguardano le alterazioni EEC, una
diminuita risposta alla fotostimolazione,
l'innalzamento della soglia uditiva-visiva
e l'iperattività tiroidea.
RADIAZIONI TERMICHE
IRRAGGIAMENTO
TERMICO
Q
intensità I =
∆t ∆S
I(λ)
visibile
4000°K
cal/(s•m2)
oppure W/m2
3000°K
LEGGI
DELL'EMISSIONE TERMICA
legge di Stefan
legge di Wien
I = σ T4
2000°K
(W/m2)
λmax = 0.2897/T (cm)
0
Sono radiazioni termiche: microonde, infrarossi
1
2
3 µm
λ
LE MICROONDE
300 MHz < ν < 300 GHz
10–6 eV < E = hν < 10–3 eV
 non ionizzanti
effetti : calore (diatermia)
Riscaldamento di regioni limitate e profonde
in corpi ricchi di acqua.
Uso in terapia: artriti, borsiti, strappi muscolari.
Esposizione limite per l’uomo: I = 10 mW/cm2
(1/10 della massima potenza radiante solare assorbita)
GLI INFRAROSSI
0.7 µm < λ < 20 µm
intensità
relativa
vicino IR
MEDICINA
visibile vicino I.R.
10
emissione termica (Sole)
3000°K
1200°K
Sole
5
0
lontano IR
0.5
1.0
1.5
2.0
λ (µm)
penetrazione
∆x ≈ 10 cm
∆x < 1 mm
effetto termico
λ ≈ 0.7 µm
λ > 1.4 µm
fotografia I.R.
immagine termica
(termografia)
GLI ULTRAVIOLETTI
Produzione naturale: Sole
Produzione artificiale: lampade UV
Assorbimento UV
in alta atmosfera:
Si distinguono in:
UVA: λ = 400-315 nm
UVB: λ = 315-280 nm
UVC: λ = 280-100 nm
(ionizzanti)
Effetti chimico-biologici:
ozono (O3) – inclinazione raggi
nubi - inquinamento
eccitazione atomi e molecole
dissociazione legame C-C (4 eV)
materiali:
vetro opaco
acqua trasparente
benefici...
(penetrazione alcuni cm)
abbronzatura - sintesi vitamina D
azione battericida
... o malefici
eritemi - lesioni oculari
tumori alla pelle
INTRODUZIONE
Nel campo della protezione dai campi e.m.
non ionizzanti si riscontra, talvolta, un uso
improprio dei termini interazione, effetto
biologico e danno, che sembra riflettere un
certo livello di confusione culturale
L’induzione di un effetto biologico, d’altra
parte, non comporta necessariamente un
danno alla salute
EFFETTI BIOLOGI DEL CAMPO MAGNETICO STATICO
Gli effetti di un campo magnetico statico sono stati studiati molto più
di quanto non sia stato fatto per il campo elettrico in particolare
dopo l’uso, medicina, della NMR
Sulla base di questi studi si può escludere l’esistenza di effetti diretti
acuti legati ad esposizioni di breve durata a campi di induzione
magnetica inferiori a 2T (anche 3T).
Nemmeno l’esposizione cronica di animali da laboratorio mostra
effetti diretti su peso corporeo, formula ematica o sulle risposte
immunologiche.
Da studiare meglio ancora:
•Risposta a 5÷8 T
•Effetti in vitro
•Prolungati effetti a bassa intensità
EFFETTI BIOLOGI E SANITARI DEL CAMPO a 50 Hz
Gli individui possono percepire gli effetti della carica superficiale
oscillante indotta sui loro corpi da un campo elettrico a 50 Hz e ciò
può dar luogo a sensazioni di fastidio.
In termini di densistà di corrente la soglia per questi effetti è
dell’ordine dei 100 mA/m2
Delicate funzioni del sistema nervoso centrale (memoria e
ragionamento) possono essere disturbate da densità dell’ordine dei
10 mA/m2
Tra 10 mA/m2 e 1000 mA/m2 si trovano alcuni effetti su colture
cellulari in vitro
Se ne può dedurre che valori di densità inferiori a 10 mA/m2 per
frequenze fino a 1kHz non possono influenzare negativamente
nervi, muscoli e tessuti.
EFFETTI A LUNGO TERMINE DEL CAMPO a 50 Hz
Il problema del rischio cancerogeno associato all’esposizione ai
campi magnetici ed elettrici generati da linee di trasmissione ed
altre installazioni elettriche è stato oggetto di studi epidemiologici a
partire dalla fine degli anni settanta
Alcuni studi trovano un aumento dei fattori di rischio per la leucemia
infantile per valori di 0.2 µT ma non si ha una statistica che supporti
questi dati
In conclusione il rischio dovuto alle linee ad alta
tensione in Italia, se esiste, ammonta a meno di 3
casi l’anno in più di leucemia infantile, uno dei quali
risulterà mortale.
RADIOFREQUENZA E MICROONDE
Per l’assorbimento di energia a radiofrequenza (RF) e microonde
(MO) il meccanismo di gran lunga più importante è quello della
conversione in calore dell’ energia trasferita dal campo
elettromagnetico.
Il rilascio di energia all’interno del corpo è descritto in termini di
SAR (tasso di assorbimento specifico) che è il rapporto tra la
potenza assorbita e la massa del tessuto irradiato [W/Kg].
Può essere riferito all’intero corpo o organo (SAR medio) o ad una
regione specifica all’interno del corpo (SAR localizzato).
Il SAR dipende dalla frequenza del campo e.m. incidente, dalle
caratteristiche dielettriche, dalla dimensione del corpo irradiato e
dall’orientamento di questo rispetto al campo elettrico, al campo
magnetico ed alla direzione di propagazione.
RADIOFREQUENZA E MICROONDE
Si dimostra esiste un particolare intervallo di frequenza in cui
l’assorbimento è maggiore (frequenza di risonanza).
Diminuendo le dimensioni dell’oggetto irradiato aumenta la
frequenza di risonanza e, a parità di densità di potenza incidente,
aumenta il valore del picco di assorbimento.
Per questo motivo , oltre al valore medio del SAR per tutto il corpo,
occorre prestare attenzione alle frequenze di risonanza dei vari
organi, i quali possono presentare un valore di SAR specifico, per
particolari frequenze, diverso da quello medio.
Il SAR dipende dalla frequenza del campo e.m. incidente, dalle
caratteristiche dielettriche, dalla dimensione del corpo irradiato e
dall’orientamento di questo rispetto al campo elettrico, al campo
magnetico ed alla direzione di propagazione.
RADIOFREQUENZA E MICROONDE
Diminuendo le
dimensioni
dell’oggetto irradiato
aumenta la
frequenza di
risonanza e, a parità
di densità di
potenza incidente,
aumenta il valore del
picco di
assorbimento.
EFFETI RF E MO A LUNGO TERMINE
Un ampio studio su operatori radar, comprendente oltre 40000
persone esposte per 2 anni e seguite nel corso di 20 anni, non ha
individuato aumenti nell’incidenza di patologie o mortalità associati
all’esposizione
Vi sono difficoltà di progettazione , di esecuzione e reperimento dati
statisticamente significativi per valutare gli effetti a lungo termine di
esposizioni a RF e MO
TELEFONIA CELLULARE
Un’ antenna di una stazione radio base per telefonini
trasmette potenze dell’ordine delle decine di Watt
I telefoni cellulari irradiano potenze medie decisamente più
basse comprese tra i 125 e 600 mW ma sono a diretto
contatto con la testa dell’utilizzatore
Anche in questo caso si considerano gli effetti termici della
RF nella frequenza di 900 e 1800 MHz e si fa riferimento al
SAR
Il valore di 4 W/Kg è universalmente accettato come soglia
per l’induzione di effetti biologici di tipo termico
potenzialmente nocivi
TELEFONIA CELLULARE
In realtà a causa della diversa frequenza di risonanza degli organi
alla radiazione e.m. occorre fare riferimento ad un valore di SAR
mediato su tutto il corpo pari a 1.6 W/Kg (rispetto ad un grammo di
tessuto).
In pratica i limiti sono scelti aumentando il limite di base del SAR
mediato su tutto il corpo di un fattore 25
TELEFONIA CELLULARE
Dai risultati sperimentali disponibili in letteratura appare che
l’incremento di temperatura necessario per indurre danni sia :
•alle cellule circa 4÷5 °C (per più di 30 minuti)
•al cristallino circa 3÷5 °C per indurre cataratta
•danni termici alla pelle circa 10°C
Per vari tipi di telefono a 900 MHz con potenza media pari a
250 mW si ottiene un riscaldamento di 0.2 °C nell’orecchio
esterno e 0.1 °C nella parte periferica del cervello.
Questi valori vengono raggiunti dopo circa 15 minuti di
esposizione mentre per esposizioni più brevi gli incrementi di
temperatura sono inferiori.
LA LEGISLAZIONE (1)
Nella legislazione italiana si fa riferimento alle
linee guida elaborate dal Comitato Internazionale
per le Radiazioni Non Ionizzanti dell'Associazione
Internazionale per le Protezioni Radiologiche
(IRPA/INIRC) relative ai limiti di esposizione a
campi elettromagnetici nell'intervallo di frequenze
da 100 KHz o 300 GHz.
Le norme di esposizione fissano criteri per
un'esposizione ritenuta sicura tenendo conto di due
fattori: l'intensità dei campi ed il tempo di
esposizione agli stessi. Vengono individuate due
categorie di individui esposti:
•professionalmente esposti
•popolazione in generale.
LA LEGISLAZIONE (2)
Si fa riferimento ai limiti di esposizione che sono espressi in termini di
densità di potenza per frequenze superiori a 10 MHz. L'unità di misura
della densità di potenza nel Sistema Internazionale è il W/m2.
Per frequenze inferiori a 10 MHz, il concetto di SAR acquista un
significato limitato poiché gli effetti biologici risultanti dall'esposizione
dell'uomo sono, in linea di principio, meglio correlati con la densità di
corrente indotta nel corpo. Per frequenze inferiori a 10 MHz, si fa
riferimento ai valori efficaci di campo elettrico, Eeff ed ai valori
efficaci di campo magnetico, Heff incidenti. Le unità di misura nel
Sistema Internazionale di Eeff e Heff sono rispettivamente V/m2 e A/m.
Per frequenze maggiori di 10 MHz ,l'esposizione dei lavoratori deve
esser tale da non superare un SAR di 0,4 W/kg mediato su un qualsiasi
intervallo di 6 minuti e sull'intero corpo, a condizione che non sia
superato il valore di 2 W per 0.1kg nelle estremità (mani, polsi, piedi e
caviglie) e quello di 1 W per 0.1 kg in organi in qualsiasi altra parte del
corpo.
LA LEGISLAZIONE (3)
Nella tabella seguente, sono riportati i limiti di esposizione
per i lavoratori che, per frequenze non superiori a 10 MHz,
si riferiscono ad una media su qualsiasi intervallo di 6 minuti
durante la giornata lavorativa.
INTERVALLO DI FREQUENZA F
(MHz)
10-1 ÷ 1
1 ÷ 10
10 ÷ 4 102
4 102 ÷ 2 103
2 103 ÷ 3 105
INTENSITA' DI
CAMPO ELETTRICO
IMPERTURBATO
(valore efficace) E
(V/m)
INTENSITA' DI
CAMPO MAGNETICO
IMPERTURBATO
(valore efficace) H
(A/m)
614
614/f
61
1.6/f
1.6/f
0.16
3 f
137
0.008 f
0.36
DENSITA' DI
POTENZA DELL'ONDA
PIANA EQUIVALENTE
Peq (W/m2)
-
10
f/40
50
LA LEGISLAZIONE (4)
Per la popolazione e per frequenze <10MHz, i valori medi su
qualsiasi intervallo di 6 minuti, durante l'intera giornata,
non devono superare i valori riportati in tabella.
L'esposizione della popolazione a frequenze >10MHz non
deve superare un SAR di 0,08 W/kg mediato sul corpo
intero e su qualsiasi intervallo di 6 minuti.
INTERVALLO DI FREQUENZA F
(MHz)
INTENSITA' DI
CAMPO ELETTRICO
IMPERTURBATO
(valore efficace) E
(V/m)
INTENSITA' DI
CAMPO MAGNETICO
IMPERTURBATO
(valore efficace) H
(A/m)
DENSITA' DI POTENZA
DELL'ONDA PIANA
EQUIVALENTE Peq
(W/m2)
10-1 ÷ 3
60
0.2
-
3 ÷ 3 103
20
0.05
1
3 103 ÷ 3 105
40
0.1
4
CONCLUSIONI
Tutte le normative dello stato italiano considerano il
cosiddetto principio di precauzione e sono fatte
tenendo presenti le soglie riportate
precedentemente.
La normativa italiana risulta la più severa in Europa
E’ interessante fare un confronto dei dati riportati
in queste slides con l’incidenza dei tumori rispetto ad
altre cause in Italia come ad esempio il fumo e
l’inquinamento urbano prodotto dai gas di scarico.
CONCLUSIONI
Accorciamento medio dell’aspettativa di vita in funzione di
comportamenti a rischio (USA 2011)
Comportamento
Incidenti in auto
Incidenti domestici
AIDS
Jogging per 30 anni
Fondo naturale IR
Raggi X esami medici
NIR
Allarme incendio a casa
Cinture di sicurezza
Giorni
290
74
55
50
38
9
0.00002
-9
-69