La Radiobiologia è la branca della Biologia che si occupa degli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla materia vivente.
La Radioprotezione, branca della Radiologia, si occupa della protezione della popolazione dagli effetti dannosi delle radiazioni ionizzanti. Le sue conoscenze vengono applicate mediante leggi, regole e procedure.
Le radiazioni, come abbiamo già avuto modo di dire, sono dei fenomeni in cui avviene un trasferimento di energia dalla radiazione alla materia (compreso quella vivente) mediante ionizzazioni ed eccitazioni. L’energia depositata nei tessuti organici può provocare un danno biologico.
Le radiazioni ionizzanti sono distinte in:
Il loro effetto biologico principale deriva dalle ionizzazioni che producono negli atomi e nelle molecole che costituiscono i tessuti viventi. Per questo, le radiazioni ionizzanti possono essere distinte in:
I raggi X sono stati trattati nella Lezione 2 mentre dei raggi γ torneremo ad interessarci nella lezione dedicata alla Medicina Nucleare.
Le particelle α o raggi α sono una forma di radiazione corpuscolare altamente ionizzante e con un basso potere di penetrazione dovuto all’elevata sezione d’urto. Esse sono costituite da due protoni e due neutroni, in pratica sono nuclei di Elio.
Le particelle α sono emesse da radionuclidi degli elementi pesanti, come ad esempio il plutonio, l’uranio, il torio, etc. Il processo che porta alla loro formazione viene detto “decadimento α”.
I raggi α, a causa della loro carica elettrica (++) e, come abbiamo detto prima, della loro sezione d’urto, interagiscono fortemente con la materia e, quindi, si propagano nell’aria solo per pochi centimetri mentre vengono totalmente attenuati da un foglio di carta o dagli strati più esterni della pelle. Perciò, essi, di solito, non sono pericolosi per la vita a meno che il radionuclide sorgente non venga inalato o ingerito. In questo caso i danni sono sempre superiori a quelli causati da qualsiasi altra radiazione ionizzante e, se il dosaggio è abbastanza alto, compaiono tutti i sintomi tipici dell’avvelenamento da radiazione.
La radiazione β è una forma di radiazione ionizzante emessa da alcuni radionuclidi e radioisotopi.
Le particelle β sono espulse da un nucleo atomico in un processo conosciuto come decadimento β. Esistono due forme di decadimento beta, β- e β+, da cui derivano, rispettivamente, un elettrone e un positrone.
Nel decadimento β-, un neutrone viene convertito in un protone, un elettrone e un antineutrino elettronico (l’antiparticella del neutrino). Nel decadimento β+, un protone interagisce con un antineutrino elettronico per dare un neutrone e un positrone.
La particella β+ (positrone) possiede massa ed energia di riposo uguali all’elettrone ma carica opposta. Il positrone, poco dopo essere stato emesso, si scontra con un elettrone. Da questa interazione si ha l’annichilazione delle due particelle che si trasformano in due raggi gamma secondo la formula postulata da Einstein (E=mc2).
L’interazione delle particelle β con la materia ha generalmente un raggio d’azione dieci volte superiore e un potere ionizzante pari a un decimo rispetto all’interazione delle particelle α. In base alla loro energia le radiazioni β+ possono percorrere in aria tra i 10 e 100 cm, mentre nei tessuti tra 1 e 2 cm. Vengono bloccate completamente da pochi millimetri di alluminio.
Le interazioni tra radiazioni ionizzanti e materia si verificano in sequenza, con piccole deviazioni durante un percorso complessivamente lineare, fino alla attenuazione totale. L’energia depositata dalla radiazione lungo il suo percorso all’interno dei tessuti attraversati viene definita Linear Energy Transfer (LET). Maggiori sono le interazioni, minore sarà la distanza percorsa dalla radiazione.
Le radiazioni corpuscolate, a causa del loro “ingombro” (o meglio massa) cedono progressivamente la loro energia dopo multiple interazioni atomiche. Le radiazioni ionizzanti senza massa (elettromagnetiche) interagiscono con la materia in termini probabilistici, cioè, possono oppure non possono interagire ma, nel caso interagiscano, cedono rapidamente tutta la loro energia.
Viceversa, la capacità di penetrazione delle radiazioni ionizzanti è inversamente proporzionale alla loro massa.
L’effetto biologico delle radiazioni ionizzanti dipende dalla quantità di energia ceduta dalla radiazione al tessuto biologico.
L’energia è misurata in joule (J) o elettronvolt (eV) (1 eV = 1,6 x 1019 J).
La quantità di energia ceduta è detta dose assorbita e la sua unità di misura è il gray (Gy).
L’effetto biologico delle radiazioni oltre alla quantità di energia ceduta dipende anche dalle modalità della sua cessione. Alcune radiazioni, a parità di energia ceduta, presentano effetti maggiori.
Per tener conto di ciò è stata definita la dose equivalente la cui unità di misura è il sievert (Sv).
La radioattività di un radionuclide o un radioisotopo viene misurata in bequerel (Bq).
Le fonti di irraggiamento possono essere distinte in naturali e artificiali, dovute, cioè, alle attività dell’uomo. Nel grafico a torta (fig. 1), le diverse fonti sono rappresentate in percentuale. Come è possibile notare, la radioesposizione conseguente agli studi Diagnostica per Immagini costituisce una fetta importante della torta. Studi più recenti segnalano un significativo incremento della radioesposizione secondaria ad esami di Imaging. Quantità di dose equivalente anno divisa per tipo di fonte:
Si indica con il termine di radiosensibilità cellulare la capacità delle radiazioni ionizzanti di provocare alterazioni biologiche significative nelle cellule (morte cellulare, arresto o aberrazione della proliferazione).
La risposta delle cellule alle radiazioni ionizzanti dipende dalla percentuale di riproduzione cellulare.
L’effetto delle radiazioni ionizzanti sulle cellule dipende dalla cosiddettalegge di Bergonie e Tribondeau: “la sensibilità alle radiazioni da parte delle cellule varia in maniera direttamente proporzionale al tasso di replicazione e al numero delle future divisioni e in maniera inversamente proporzionale al grado di differenziazione morfo-funzionale”.
I danni biologici provocati dalle radiazioni ionizzanti possono essere diretti o indiretti.
I danni diretti provocano la rottura dei legami chimici all’interno delle molecole con prevalente formazione di radicali liberi.
I danni indiretti derivano invece dall’azione dei radicali liberi (ricchi di gruppi OH-) formatisi in seguito ai danni diretti. L’efficacia dell’azione indiretta della radiazione dipende dalla concentrazione di radicali liberi e di ossigeno all’interno della cellula.
Nei tessuti viventi i danni maggiori conseguono all’azione indiretta e le interazioni che portano alla formazione di radicali liberi, avvengono più frequentemente in seguito alla ionizzazione dell’acqua (H+ - OH-) perché, naturalmente, essa è la molecola più abbondante.
Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti si realizzano attraverso 4 stadi, ognuno dei quali è caratterizzato da una durata temporale e per questo detti “stadi temporali”.
Sebbene negli ultimi anni siano stati compiuti considerevoli sforzi per studiare gli effetti delle radiazioni sull’uomo e sulle altre specie animali, non potendo, ovviamente, effettuare esperimenti diretti, le odierne conoscenze sono basate su:
Attualmente, esiste una abbondante documentazione sugli effetti delle esposizioni acute e ad alte dosi, mentre la conoscenza è limitata per quanto concerne:
Quindi, attualmente, al di sotto di determinate dosi di esposizione, non è possibile misurare il danno biologico in maniera certa.
Per questo, l’International Committee for Radiation Protection (ICRP) assume che una dose, comunque piccola, produce un danno: “non vi è soglia, la curva è fatta passare per l’origine” e, in Radioprotezione, vengono fatte le seguenti assunzioni conservative:
Quanto precedentemente detto ha portato alla enunciazione dei seguenti principi:
I tre principi devono essere applicati in sequenza: ad esempio, prima di tutto si verifica se l’indagine che comporta la radioesposizione è giustificata; poi, se il primo principio è soddisfatto, si metteranno in atto tutte le tecnologie e le strategie affinché l’indagine sia condotta al meglio e con la minima radioesposizione possibile; infine, si considera se il paziente o le persone che devono assistere all’indagine siano sottoponibili all’indagine o meno (anamnesi: sono state effettuate altre indagini nell’anno solare? la persona che assiste l’esame è maggiorenne? nel caso che essa sia donna, è in stato di gravidanza certa o presunta?).
Le raccomandazione dell’ICRP sono state accolte dalla legislazione italiana con il D.L. 230/95 successivamente modificato dai DDLL 197/00 e 241/00.
Per ridurre al minimo l’esposizione alle radiazioni ionizzanti sia dei pazienti sia del personale si può intervenire:
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