Università degli Studi di Cagliari
Servizio di Fisica Sanitaria e Radioprotezione
Danni Biologici da
radiazioni ionizzanti
Qualità delle radiazioni
Dose
Danno biologico
Limiti di legge
Confronto fra esposizioni
Gli ioni nei legami chimici
„
Le radiazioni ionizzanti sono chiamate
così per la loro capacità di ionizzare gli
atomi della materia con cui interagiscono.
+
Il comportamento chimico
di uno ione è diverso rispetto
neutrone a quello di un atomo neutro e
questo altera il materiale di
cui l’atomo ionizzato fa parte.
protone
+
elettrone Ione
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2
Danni biologici da radiazione 1
„
„
„
Il danno biologico, provocato dalle
radiazioni, deriva dalla ionizzazione
degli atomi che compongono le
strutture molecolari alla base delle
cellule negli organismi viventi.
Un atomo ionizzato tenderà a
produrre nuovi legami chimici
all’interno della molecola alla quale
appartiene.
Le funzioni vitali della cellula
possono essere compromesse se la
molecola danneggiata ha una
importanza critica all’interno della
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cellula.
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CELLULA
3
Danni biologici da radiazione 2
„
Il danno biologico:
Molecolare
… Cellulare
… Organico
…
„
Un danno cellulare o organico è
sempre prodotto da un danno
molecolare.
„
L’esposizione a radiazioni ionizzanti di un corpo vivente
ne può alterare il bilanciamento chimico compromettendo
la funzionalità delle cellule.
„
Se il numero delle cellule compromesse è elevato, allora
la funzionalità dell’intero corpo potrebbe essere inibita.
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Danni biologici da radiazione 3
„
Le radiazioni ionizzanti che interagiscono con le cellule
producono ionizzazioni ed eccitazioni sia nelle
macromolecole vitali (DNA) che nell’acqua contenuta
all’interno delle cellule.
„
Nel primo caso viene generato un danno direttamente sulle
macromolecole, nel secondo caso vengono prodotti i radicali
liberi che indirettamente causano danni alle molecole.
Azione diretta
Ionizzazioni prodotte direttamente
negli atomi delle molecole di DNA.
Possono produrre inattività o
alterazione della funzionalità
delle molecole
Azione indiretta
Effetti dovuti alla produzione di radicali
liberi a causa della idrolisi dell’acqua.
Possono produrre la distruzione
delle macromolecole con
conseguente morte della cellula
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Effetti chimici e biologici
„
„
„
Gli effetti chimici e biologici, nel tessuto umano,
dipendono dalla dose assorbita :
(dose assorbita = energia assorbita / massa);
Maggiore è l’energia assorbita maggiore è il
numero di ionizzazioni ed eccitazioni prodotte;
A parità di dose assorbita, il danno biologico può
variare, in quanto dipende:
dalle ionizzazioni subite per unità di cammino
percorso (LET);
„ reazione biologica (RBE);
„ dalla presenza di ossigeno nei tessuti (OER).
„
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Qualità della radiazione
„
„
„
Radiazioni elettromagnetiche (Raggi X , γ)
Particelle cariche (α, β, protoni ecc.)
Particelle neutre (neutroni)
Raggi X e γ
Particella α
+
+
Elettrone (β)
Neutrone
-
„Le
radiazioni sono diverse per massa, carica e energia e questo determina diversi
modi di cedere energia al tessuto biologico
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Trasferimento Lineare di Energia (LET)
„
„
Le radiazioni ionizzanti quando interagiscono con la
materia depositano l’energia lungo il cammino
percorso.
Il LET (Linear Energy Transfer) è l’energia media
depositata per unità di cammino percorso .
 dE 
L∆ = 

 dl  ∆
dE = energia ceduta localmente per collisioni da una
particella carica lungo un segmento dl
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Trasferimento Lineare di Energia (LET)
Le radiazioni possono essere classificate in
funzione della loro capacità di trasferire energia
durante il percorso nel materiale attraversato.
„
Radiazioni basso LET
Raggi X, γ
Radiazioni alto LET
Particelle α, protoni e neutroni
Formazione di radicali liberi
Danni riparabili al DNA
Produzione di ioni
Azione diretta
Azione indiretta
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Efficacia Biologica Relativa (RBE)
„
La RBE tiene conto del fatto che dosi identiche
di radiazioni con LET diversi producono effetti
biologici diversi.
DoseX
RBE =
DoseT
DoseX= dose assorbita dovuta ad una radiazioni di riferimento
(convenzionalmente raggi X) necessaria a produrre un certo effetto
biologico in un dato tessuto.
DoseT = dose assorbita di una radiazione T necessaria a produrre lo
stessa reazione biologica nello stesso tipo di tessuto.
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Effetto ossigeno (OER)
„
„
Il danno biologico viene amplificato in presenza di
Ossigeno.
L’effetto ossigeno (Oxygen Enhancement Ratio)
viene espresso in termini di rapporto di
accrescimento:
Dose in condizioni anossiche per produrre un effetto
OER = ---------------------------------------------Dose in condizioni ossigenate per produrre lo stesso effetto
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Dose assorbita
„
È la quantità di energia assorbita da una
massa unitaria di materiale attraversato:
dE
D=
dm
„
Questa quantità non tiene conto:
„ degli effetti biologici indotti da radiazioni di
diversa qualità;
„ dalla risposta dei diversi tessuti biologici;
„ dall’effetto di accrescimento dovuto alla eventuale
presenza di Ossigeno.
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Dose Equivalente
„
È definita mediante un fattore di ponderazione
wR che tiene conto del LET della radiazione e
Valori di wR
in qualche modo anche della RBE
H = ∑ wR × DT , R
T
R
wR = fattore di ponderazione
per la radiazione R
DT,R = dose assorbita mediata
sull’organo o tessuto T a causa
della radiazione R
Fotoni di tutte le energie
1
Elettroni e muoni di tutte le energie
1
Neutroni, energia < 10 keV
5
tra 10 keV e 100 keV
10
tra 100 keV e 2 MeV
20
tra 2 MeV e 20 MeV
10
> 20 MeV
Protoni tranne quelli di
rinculo, energia > 2 MeV
Particelle alfa, frammenti
di fissione, nuclei pesanti
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5
5
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Dose Efficace
„
Nella Dose Efficace si tiene conto degli effetti
biologici probabilistici in funzione dell’organo o
tessuto irradiato mediante il fattore di Valori di wT
Gonadi
ponderazione wT
E = ∑ wT × H T
T
wT = fattore di ponderazione
per l’organo o tessuto T
HT = dose equivalene nel
tessuto o organo T
Midollo osseo (rosso)
Colon
Polmone
Stomaco
Vescica
Mammella
Fegato
Esofago
Tiroide
Cute
Superfici ossee
Altri tessuti
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0,20
0,12
0,12
0,12
0,12
0,05
0,05
0,05
0,05
0,05
0,01
0,01
0,05
Unità di misura
dE
„ Dose assorbita (D =
)
dm
„
Dose equivalente (H = ∑ wR × DT , R)
Joule
Gray (Gy ) = 1
kg
Sievert ( Sv) = [Gy ]
R
„
Dose efficace ( E = ∑ wT × H T )
Sievert ( Sv) = [Gy ]
T
Quando si parla di Sievert, vuol dire che si sta tenendo conto del tipo di
radiazione incidente
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Azione diretta e indiretta
„
„
Azione diretta: la radiazione crea
ionizzazione negli atomi che
costituiscono le macromolecole
vitali (DNA), quindi la cellula viene
danneggiata direttamente dalla
radiazione.
Azione indiretta: il danno è
prodotto dai radicali liberi dovuti
dalla ionizzazione delle molecole
d’acqua che costituiscono circa il
80% del corpo umano.
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I Radicali Liberi
Sono dovuti alla radiòlisi delle molecole d’acqua presenti
nelle cellule:
Perossido
OH•
OH• + OH• Æ H O
H
O
„
„
„
2
d’Idrogeno
OH-
H+
H
e- + H2O
„
2
HOH+
HOH-
H•
Idroperossido
H• + O2 Æ HO2•
Sono atomi neutri o molecole che hanno un elettrone spaiato nell’orbitale
esterno.
Molto instabili dal punto di vista chimico e molto reattivi, producono
reazioni chimiche indesiderate oppure possono determinare la rottura dei
legami chimici preesistenti.
Si stima che almeno 2/3 di tutti i danni da radiazione sono dovuti ai radicali
liberi che possono viaggiare attraverso le cellule e causare danni a grandi
distanze dalla loro zona di origine.
L’effetto dei R.L. viene amplificato dalla presenza di ossigeno.
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Effetti biologici delle radiazioni
I danni biologici dovuti alle radiazioni ionizzanti sono a
carico della cellula
Rottura della
membrana nucleare
Rottura di un complesso
DNA-membrana
Rottura della guaina
proteica
Rottura di un doppio
filamento di DNA
Rottura della membrana
mitocondriale
Rottura di un singolo
filamento di DNA
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Danno al DNA
Il danno più grave alla cellula è a carico del
materiale genetico nucleare (DNA).
„ Alterazioni del DNA possono causare:
„
Morte istantanea della cellula con conseguente
detrimento dell’organo di appartenenza.
„ Morte riproduttiva, la cellula non è più in grado di
riprodursi.
„ Apoptosi, cioè morte programmata della cellula
„ Induzione di processo neoplastico.
„
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Processi di riparazione
„
Se il danno al DNA è su uno solo dei
filamenti di zuccheri e ortofosfati che
lo costituiscono, allora il danno è
riparabile.
„
Se il danno al DNA è su entrambi i
filamenti, allora si possono avere due
situazioni:
1- la cellula muore (subito o quando
tenta di riprodursi)
2 – la cellula non muore ma la perdita di
informazione si traduce in una
mutazione che potrebbe dare inizio
ad un processo neoplastico.
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20
Radiosensibilità
„
„
„
Le cellule più radiosensibili sono
quelle non specializzate,
indifferenziate.
Tali cellule si trovano in rapida
riproduzione.
In fase di mitosi (suddivisione della
cellula madre in due cellule figlie) la
doppia elica del DNA si divide per
potersi duplicare nelle cellule figlie,
pertanto è sufficiente danneggiare
un solo filamento per produrre gli
stessi effetti della doppia rottura.
Cellule e tessuti
radiosensibili
Cellule basali della
pelle
Tessuto emopoietico
Epitelio intestinale
radioresistenti
Cervello
Fegato
Reni
Muscoli
Ossa
Cartilagini
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Cellule somatiche e cellule germinali
„
Il danno prodotto alle cellule ha una implicazione
profondamente diversa a seconda che le cellule siano
somatiche oppure germinali.
„
Il danno alle cellule germinali (ovociti e spermatozoi)
potrebbe introdurre una mutazione genetica che
potrebbe essere trasmessa all’individuo figlio, mentre il
danno alle cellule somatiche rimane a carico del corpo di
cui queste fanno parte.
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22
Effetti delle radiazioni
„
Gli effetti delle radiazioni sul corpo umano
possono essere riassunti in due grandi tipologie di
effetti:
Effetti deterministici
Effetti stocastici
Sono effetti biologici somatici che
possono essere posti direttamente
in relazione con la dose ricevuta.
Sono effetti probabilistici la cui frequenza
nella popolazione è legata alla dose totale
ricevuta dall’intera popolazione.
Es. eritema da radiazione
Es. tumori
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Danni somatici deterministici
9sono effetti a soglia, al di sotto della quale non si verifica il
danno
9la gravità varia con la dose, maggiore è la dose maggiore è
il danno
9Il periodo di latenza è solitamente breve, quindi gli effetti
sono riscontrabili poco tempo dopo l’irraggiamento (minuti, ore
o settimane)
9Se viene rimossa la sorgente di radiazione gli effetti si
possono ridurre fino a scomparire, si può avere
autoriparazione da parte del corpo
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Esempi di effetti acuti
Probabili
variazioni nel
conteggio del
particolato del
sangue.
0,140
Completa e
irreversibile
distruzione del
midollo osseo
rosso (mortale)
7,000
Sicure
variazioni nel
conteggio del
particolato del
sangue.
0,500
Sindrome
gastrointestinale
(mortale)
10,000
Sindrome
emopoietica
(guaribile)
2,000
Ablazione
reversibile del
midollo osseo
rosso
(guaribile)
4,000
Sindrome del
sistema
nervoso
centrale
(mortale)
20,000
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Dose (Gy)
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Confronto fra dosi
Dose annua massima, derivante
dalla normale attività di ricerca in
un laboratorio dell’Università di
Cagliari:
0.5 mSv
Dose impartita in un breve intervallo di
tempo (secondi, minuti), per la quale
si verificano i primi sintomi di effetti
acuti:
140 mSv
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26
Danni somatici stocastici
9Non esiste una dose soglia, quindi sono riscontrabili anche a
dosi bassissime
9Sono di tipo probabilistico, quindi non su tutti gli individui
hanno lo stesso effetto
9La frequenza della loro comparsa aumenta con la dose
9Hanno lunghi periodi di latenza prima che si verifichino (mesi
o anni)
9La gravità non dipende dalla dose ricevuta
9Anche rimuovendo la sorgente di radiazione gli effetti non
scompaiono
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Danni genetici stocastici
„
„
Sono danni alle cellule germinali (ovociti e
spermatozoi). Se la cellula muore ne deriva un
danno all’organo di appartenenza, se la cellula
sopravvive ma subisce una mutazione, la
mutazione può essere trasmessa alla progenie
degli individui irraggiati.
Non esistono danni genetici deterministici.
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LIMITI DI LEGGE
Dose Efficace
(E)
Categorie
Dose Equivalente
(H)
150 mSv per il
cristallino
20 mSv / anno 500 mSv per la pelle
500 mSv per mani e
piedi
Lavoratori esposti
Lavoratori non esposti e
persone del pubblico
1 mSv / anno
15 mSv per il
cristallino
50 mSv per la pelle
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CONFRONTO TRA DOSI DI
VARIA ORIGINE
Radiazione di fondo in Italia (APAT)
3,4 mSv/anno
Radiaz. di fondo nel mondo (UNSCEAR)
2.4 mSv/anno
Radiografia intraorale
0.9 mSv/lastra
Radiografia colonna vertebrale
Radiografia toracica
1.7 – 3.2 mSv/lastra
0.06 mSv/lastra
TAC addominale
10 mSv
TAC colon
5 mSv
Viaggio in aereo intercontinentale
0,007 mSv/ora
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