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Leonardo Meomartino » 10.Radiobiologia e Radioprotezione


Radiobiologia e Radioprotezione

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.

Simbolo internazionale di sorgente di radioattività

Simbolo internazionale di sorgente di radioattività


Radiazioni ionizzanti

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:

  • Radiazioni corpuscolari particelle subatomiche che si spostano a velocità prossima a quella della luce (radiazioni α, radiazioni β, neutroni);
  • Radiazioni non corpuscolari fotoni, cioè, radiazioni elettromagnetiche (UV, raggi X, raggi γ, raggi cosmici).

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:

  • Direttamente ionizzanti: particelle corpuscolari elettricamente cariche (elettroni, particelle α);
  • Indirettamente ionizzanti: radiazioni non corpuscolari (raggi X, raggi γ) e particelle corpuscolari neutre (neutroni).

I raggi X sono stati trattati nella Lezione 2 mentre dei raggi γ torneremo ad interessarci nella lezione dedicata alla Medicina Nucleare.

Radiazione α

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.

Rappresentazione schematica di una particella α

Rappresentazione schematica di una particella α

Rappresentazione schematica del decadimento α

Rappresentazione schematica del decadimento α


Radiazione β

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.

Rappresentazione schematica del decadimento β+
Rappresentazione schematica del decadimento β-
Annichilamento di particelle β- e β+. Fonte: Nasa

Linear Energy Transfer (LET)

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.

Rappresentazione grafica del LET di diverse radiazioni ionizzanti

Rappresentazione grafica del LET di diverse radiazioni ionizzanti

Capacità di penetrazione delle radiazioni ionizzanti

Capacità di penetrazione delle radiazioni ionizzanti


Unità di misura utilizzate

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).

Fonti di irraggiamento

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:

  • naturale (4 mSv/anno):
    • cosmica (circa 0.3 mSv/anno);
    • tellurica (circa 0.8 – 0.9 mSv/anno);
    • atmosferica (circa 1 mSv/anno);
    • interna (circa 2 mSv/anno);
  • artificiale (1 mSv/anno):
    • medica (circa 0.7 mSv/anno);
    • fallout (circa 0.02 mSv/anno);
    • voli aerei (circa 0.001 mSv/anno);
    • beni di consumo (circa 0.008 mSv/anno).
      Per un totale di circa 5 mSv/anno
Fig. 1

Fig. 1


Radiosensibilità cellulare

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”.

Schema della radiosensibilità cellulare

Schema della radiosensibilità cellulare


Danni biologici da radiazioni ionizzanti

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.

Rappresentazione schematica dei danni biologici radioindotti

Rappresentazione schematica dei danni biologici radioindotti


Stadi temporali degli effetti biologici

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”.

  • Stadio fisico (durata 10-4 s): comprende i processi di interazione primari tra radiazione e materia durante i quali l’energia viene trasferita dalle radiazioni direttamente o indirettamente ionizzanti agli atomi dei tessuti biologici, generando eccitazioni e ionizzazioni.
  • Stadio fisico – chimico (durata 10-12 s): l’energia inizialmente depositata viene gradualmente termalizzata mediante una riorganizzazione dei livelli elettronici ed una ridistribuzione dell’energia con l’attivazione di moti oscillatori e vibrazionali delle molecole.
  • Stadio chimico (durata 10-6 s): è caratterizzato dalla formazione di radicali liberi. In questo stadio la radiazione può danneggiare le cellule sia direttamente che indirettamente.
  • Stadio biologico (durata 104-109 s): quando le lesioni sono riparate con successo le cellule sono in grado di replicarsi per un tempo indefinito con immutata velocità e si definiscono sopravvissute all’irradiazione. In caso contrario, le cellule potranno andare incontro a vari destini: se le cellule hanno assorbito una dose massiccia di radiazione, le lesioni radioindotte sono gravi e le cellule irradiate muoiono prima della successiva mitosi; se le cellule non hanno assorbito dosi elevate di radiazione, le lesioni subite non sono letali ma possono alterare gravemente il materiale genetico (aberrazioni cromosomiche); se le cellule hanno subito lesioni non gravi del materiale genetico (mutazioni puntiformi, delezioni cromosomiche), tali lesioni possono influenzare la velocità di proliferazione cellulare (induzione di neoplasie, effetti genetici).

Danni biologici da radiazioni ionizzanti

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:

  • dati raccolti in occasione di incidenti (per esempio Chernobyl);
  • studi epidemiologici effettuati sui sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki;
  • studi sulle popolazioni esposte alle esplosioni nucleari effettuate a scopi militari;
  • studi ed esperimenti effettuati su animali da laboratorio.

Attualmente, esiste una abbondante documentazione sugli effetti delle esposizioni acute e ad alte dosi, mentre la conoscenza è limitata per quanto concerne:

  • dosi acute non troppo elevate e non ripetute;
  • basse dosi acute ripetute occasionalmente;
  • bassissime dosi croniche.

Classificazione dei danni biologici

  • Danni somatici deterministici: la frequenza e la gravità variano con la dose; si può individuare una dose-soglia; il periodo di latenza è di solito breve.
  • Danni somatici stocastici: non richiedono il superamento di una dose-soglia per la loro comparsa; sono di tipo probabilistico; la frequenza della loro comparsa è proporzionale alla dose; presentano lunghi periodi di latenza; la loro gravità non dipende dalla dose ricevuta.
  • Danni genetici stocastici: si manifestano nella prole degli individui irraggiati; non richiedono il superamento di una dose-soglia per la loro comparsa; sono di tipo probabilistico; la frequenza della loro comparsa è proporzionale alla dose; possono presentare lunghi periodi di latenza.
Classificazione dei danni da radiazioni ionizzanti

Classificazione dei danni da radiazioni ionizzanti


Danni biologici da radiazioni ionizzanti

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:

  • esiste una relazione lineare dose-effetto per qualsiasi esposizione, da quelle acute a quelle croniche, indipendentemente dalla intensità della dose ricevuta;
  • non vi è alcuna soglia sulla dose da radiazione, al di sopra della quale l’effetto si manifesta, ma al di sotto no;
  • tutte le dosi assorbite da un organo sono completamente additive, indipendentemente dal ritmo di assunzione e dagli intervalli temporali tra una assunzione e le successive;
  • non vi è alcun meccanismo di recupero o riparo biologico alla radiazioni.
Curva Dose-Effetto: nella zona a basse dosi, gli effetti non sono misurabili

Curva Dose-Effetto: nella zona a basse dosi, gli effetti non sono misurabili


Raccomandazioni dell’ICRP

Quanto precedentemente detto ha portato alla enunciazione dei seguenti principi:

  1. Giustificazione: nessuna attività umana deve essere accolta a meno che la sua introduzione produca un beneficio netto e dimostrabile.
  2. Ottimizzazione: ogni esposizione alle radiazioni deve essere tenuta tanto bassa quanto è ragionevolmente ottenibile, in base a considerazioni sociali ed economiche (Principio “ALARA”: As Low As Reasonably Achievable).
  3. Limitazione delle dosi annuali l’equivalente di dose ai singoli individui non deve superare i limiti raccomandati.

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.

Cosa fare per ridurre la radioesposizione

Per ridurre al minimo l’esposizione alle radiazioni ionizzanti sia dei pazienti sia del personale si può intervenire:

  1. Riducendo il tempo di esposizione (se necessario, usare contenimento farmacologico).
  2. Aumentando la distanza dalla sorgente (Legge del quadrato della distanza!).
  3. Adottando delle barriere piombate (schermature) (paratie, vetri schermati; grembiuli, guanti e collari in gomma piombifera; occhiali anti-X).
  4. Effettuando controlli periodici sul personale professionalmente radioesposto (Radioprevenzione) (Visite mediche semestrali/annuali; uso di rivelatori di esposizione ambientali e personali – dosimetri).
Esempi di varie barriere piombate

Esempi di varie barriere piombate

Come NON eseguire una radiografia!

Come NON eseguire una radiografia!


Nella prossima lezione

Ci occuperemo di ultrasuoni ed ecografia: principi fisici e formazione delle immagini ecografiche.


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