Cos’è la Radiobiologia – Biologia delle radiazioni – Definizione

La biologia delle radiazioni (nota anche come radiobiologia) è una scienza medica che coinvolge lo studio degli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sui tessuti viventi. Le radiazioni sono intorno a noi. Dentro, intorno e sopra il mondo in cui viviamo. È una forza energetica naturale che ci circonda. È una parte del nostro mondo naturale che è stata qui sin dalla nascita del nostro pianeta. Se la fonte di radiazioni è naturale o artificiale, se si tratta di una grande dose di radiazioni o di una piccola dose, ci saranno alcuni effetti biologici. In generale, le radiazioni ionizzanti sono dannose e potenzialmente letali per gli esseri viventi, ma possono avere benefici per la salute in medicina, ad esempio nella radioterapia per il trattamento del cancro e della tireotossicosi. Questo capitolo riassume brevemente le conseguenze a breve e lungo termine che possono derivare dall’esposizione alle radiazioni.

Danno cellulare-Radiobiologia

Tutti gli effetti di danno biologico iniziano con la conseguenza delle interazioni di radiazione con gli atomi che formano le cellule. Tutti gli esseri viventi sono composti da una o più cellule. Ogni parte del tuo corpo è costituito da cellule o è stato costruito da loro. Sebbene tendiamo a pensare agli effetti biologici in termini di effetto delle radiazioni sulle cellule viventi, in realtà, le radiazioni ionizzanti, per definizione, interagiscono solo con gli atomi mediante un processo chiamato ionizzazione. Per le radiazioni ionizzanti, l’energia cinetica delle particelle(fotoni, elettroni, ecc.) di radiazioni ionizzanti è sufficiente e la particella può ionizzare (per formare ioni perdendo elettroni) atomi bersaglio per formare ioni. Semplicemente le radiazioni ionizzanti possono battere gli elettroni da un atomo.

Esistono due meccanismi con cui la radiazione colpisce in ultima analisi le cellule. Questi due meccanismi sono comunemente chiamati:

• Effetti diretti. Gli effetti diretti sono causati dalle radiazioni, quando la radiazione interagisce direttamente con gli atomi della molecola del DNA o qualche altro componente cellulare critico per la sopravvivenza della cellula. La probabilità che la radiazione interagisca con la molecola di DNA è molto piccola poiché questi componenti critici costituiscono una parte così piccola della cellula.
• Effetti indiretti. Gli effetti indiretti sono causati dall’interazione delle radiazioni di solito con le molecole d’acqua. Ogni cellula, proprio come nel caso del corpo umano, è principalmente acqua. Le radiazioni ionizzanti possono rompere i legami che tengono insieme la molecola d’acqua, producendo radicali come l’idrossile OH, l’anione superossido O2 e altri. Questi radicali possono contribuire alla distruzione della cellula.

Un gran numero di cellule di qualsiasi tipo particolare è chiamato tessuto. Se questo tessuto forma un’unità funzionale specializzata, viene chiamato organo. Il tipo e il numero di cellule colpite è anche un fattore importante. Alcune cellule e organi del corpo sono più sensibili alle radiazioni ionizzanti rispetto ad altri.

La sensibilità di vari tipi di cellule alle radiazioni ionizzanti è molto alta per i tessuti costituiti da cellule che si dividono rapidamente come quelle presenti nel midollo osseo, nello stomaco, nell’intestino, negli organi riproduttivi maschili e femminili e nei feti in via di sviluppo. Questo perché le cellule in divisione richiedono informazioni corrette sul DNA affinché la prole della cellula sopravviva. Un’interazione diretta della radiazione con una cellula attiva potrebbe provocare la morte o la mutazione della cellula, mentre un’interazione diretta con il DNA di una cellula dormiente avrebbe meno di un effetto.

Di conseguenza, le cellule viventi possono essere classificate in base al loro tasso di riproduzione, che indica anche la loro relativa sensibilità alle radiazioni. Di conseguenza, le cellule che riproducono attivamente sono più sensibili alle radiazioni ionizzanti rispetto alle cellule che compongono la pelle, i reni o il tessuto epatico. Le cellule nervose e muscolari sono le più lente da rigenerare e sono le cellule meno sensibili.

La sensibilità dei vari organi del corpo umano è correlata alla sensibilità relativa delle cellule da cui sono composti. In pratica, questa sensibilità è rappresentata dal fattore di ponderazione del tessuto, wT, che è il fattore con cui la dose equivalente in un tessuto o organo T è ponderata per rappresentare il contributo relativo di quel tessuto o organo al danno sanitario totale risultante dall’irradiazione uniforme del corpo (ICRP 1991b).

Se una persona viene irradiata solo parzialmente, la dose dipenderà fortemente dal tessuto, che è stato irradiato. Ad esempio, una dose gamma di 10 mSv per tutto il corpo e una dose di 50 mSv per la tiroide è la stessa, in termini di rischio, di una dose di tutto il corpo di 10 + 0,04 x 50 = 12 mSv.

Radiazione high-LET e Low-LET

Come è stato scritto, ogni tipo di radiazione interagisce con la materia in modo diverso. Ad esempio le particelle cariche con alte energie possono ionizzare direttamente gli atomi. Le particelle alfa sono piuttosto massicce e portano una doppia carica positiva, quindi tendono a percorrere solo una breve distanza e non penetrano molto lontano nel tessuto se non del tutto. Tuttavia le particelle alfa depositeranno la loro energia su un volume più piccolo (forse solo poche cellule se entrano in un corpo) e causeranno più danni a quelle poche cellule.

Le particelle beta (elettroni) sono molto più piccole delle particelle alfa. Portano una singola carica negativa. Sono più penetranti delle particelle alfa. Possono percorrere diversi metri ma depositare meno energia in qualsiasi punto lungo i loro percorsi rispetto alle particelle alfa. Ciò significa che le particelle beta tendono a danneggiare più cellule, ma con minori danni a ciascuna. D’altra parte le particelle elettricamente neutre interagiscono solo indirettamente, ma possono anche trasferire alcune o tutte le loro energie alla materia.

Sarebbe certamente semplificare le cose se gli effetti biologici delle radiazioni fossero direttamente proporzionali alla dose assorbita. Sfortunatamente, gli effetti biologici dipendono anche dal modo in cui la dose assorbita viene distribuita lungo il percorso della radiazione. Gli studi hanno dimostrato che le radiazioni alfa e neutroniche causano un danno biologico maggiore per una data deposizione di energia per kg di tessuto rispetto alle radiazioni gamma. È stato scoperto, gli effetti biologici di qualsiasi radiazione aumenta con il trasferimento di energia lineare (LET). In breve, il danno biologico da radiazioni ad alto LET (particelle alfa, protoni o neutroni) è molto maggiore di quello da radiazioni a basso LET (raggi gamma). Questo perché il tessuto vivente può riparare più facilmente i danni da radiazioni che si sviluppa su una vasta area rispetto a quella che è concentrata in una piccola area. Naturalmente, a livelli molto elevati di esposizione i raggi gamma possono ancora causare una grande quantità di danni ai tessuti.

Poiché più danni biologici sono causati per la stessa dose fisica (cioè, la stessa energia depositata per unità di massa di tessuto), un grigio di radiazione alfa o neutronica è più dannoso di un grigio di radiazione gamma. Questo fatto che radiazioni di diversi tipi (ed energie) danno diversi effetti biologici per la stessa dose assorbita è descritto in termini di fattori noti come l’efficacia biologica relativa (RBE) e il fattore di ponderazione delle radiazioni (WR).

Dose acuta e dose cronica

Gli effetti biologici delle radiazioni e le loro conseguenze dipendono fortemente dal livello di dose ottenuta. In radiobiologia, il tasso di dose è una misura dell’intensità della dose di radiazione (o forza). Le dosi a basso livello sono comuni per la vita di tutti i giorni. Nei seguenti punti ci sono alcuni esempi di esposizione alle radiazioni, che possono essere ottenuti da varie fonti.

• 05 µSv – Dormire accanto a qualcuno
• 09 µSv – Vive entro 30 miglia di un impianto nucleare per un anno
• 1 µSv – Mangiare una banana
• 3 µSv – Vivere all’interno 50 miles di una centrale elettrica a carbone per un anno
• 10 µSv – dose Media giornaliera ricevuto dal fondo naturale
• 20 µSv – radiografia del Torace

Dalle conseguenze biologiche punto di vista, è molto importante distinguere tra le dosi ricevuto più brevi e lunghi periodi. Pertanto, gli effetti biologici delle radiazioni sono tipicamente divisi in due categorie.

• Dosi acute. Una “dose acuta” (dose ad alto livello a breve termine) è quella che si verifica in un periodo di tempo breve e finito, cioè entro un giorno.
• Dosi croniche. Una “dose cronica” (dose a basso livello a lungo termine) è una dose che continua per un lungo periodo di tempo, cioè settimane e mesi, in modo che sia meglio descritta da un tasso di dose.

Alte dosi tendono ad uccidere le cellule, mentre basse dosi tendono a danneggiarle o modificarle. Alte dosi possono causare ustioni da radiazioni visivamente drammatiche e / o morte rapida attraverso la sindrome acuta da radiazioni. È improbabile che dosi acute inferiori a 250 mGy abbiano effetti osservabili. Dosi acute di circa 3 a 5 Gy hanno una probabilità del 50% di uccidere una persona alcune settimane dopo l’esposizione, se una persona non riceve alcun trattamento medico.

Basse dosi distribuite per lunghi periodi di tempo non causano un problema immediato a qualsiasi organo del corpo. Gli effetti di basse dosi di radiazioni si verificano a livello della cellula e i risultati potrebbero non essere osservati per molti anni. Inoltre, alcuni studi dimostrano che la maggior parte dei tessuti umani mostra una tolleranza più pronunciata agli effetti delle radiazioni low-LET in caso di esposizione prolungata rispetto a un’esposizione una tantum a una dose simile.

Effetti deterministici e stocastici

In radiobiologia, la maggior parte degli effetti negativi sulla salute dell’esposizione alle radiazioni sono solitamente suddivisi in due ampie classi:

• Gli effetti deterministici sono effetti sulla salute di soglia, che sono correlati direttamente alla dose di radiazioni assorbita e la gravità dell’effetto aumenta all’aumentare della dose.
• Gli effetti stocastici si verificano per caso, generalmente senza un livello soglia di dose. La probabilità di insorgenza di effetti stocastici è proporzionale alla dose, ma la gravità dell’effetto è indipendente dalla dose ricevuta.

Effetti deterministici

In radiobiologia, gli effetti deterministici (o effetti sulla salute non stocastici) sono effetti sulla salute, che sono correlati direttamente alla dose di radiazioni assorbita e la gravità dell’effetto aumenta all’aumentare della dose. Gli effetti deterministici hanno una soglia al di sotto della quale non si verificano effetti clinici rilevabili. La soglia può essere molto bassa (dell’ordine di grandezza di 0,1 Gy o superiore) e può variare da persona a persona. Per dosi comprese tra 0,25 Gy e 0,5 Gy lievi variazioni del sangue possono essere rilevati da valutazioni mediche e per dosi comprese tra 0,5 Gy e 1,5 Gy cambiamenti del sangue saranno notati e sintomi di nausea, stanchezza, vomito si verificano.

Una volta superata la soglia, la gravità di un effetto aumenta con la dose. La ragione per la presenza di questa dose soglia è che il danno da radiazioni (grave malfunzionamento o morte) di una popolazione critica di cellule (alte dosi tendono a uccidere le cellule) in un dato tessuto deve essere sostenuto prima che la lesione sia espressa in una forma clinicamente rilevante. Pertanto, gli effetti deterministici sono anche definiti reazione tissutale. Sono anche chiamati effetti non stocastici per contrastare con effetti stocastici simili al caso (ad esempio induzione del cancro).

Gli effetti deterministici non sono necessariamente più o meno gravi degli effetti stocastici. Alte dosi possono causare ustioni da radiazioni visivamente drammatiche e / o morte rapida attraverso la sindrome acuta da radiazioni. È improbabile che dosi acute inferiori a 250 mGy abbiano effetti osservabili. Dosi acute di circa 3 a 5 Gy hanno una probabilità del 50% di uccidere una persona alcune settimane dopo l’esposizione, se una persona non riceve alcun trattamento medico. Gli effetti deterministici possono in ultima analisi portare a un fastidio temporaneo o anche a una fatalità. Esempi di effetti deterministici:

Esempi di effetti deterministici sono:

• Sindrome da radiazioni acute, da radiazioni acute di tutto il corpo
• Ustioni da radiazioni, da radiazioni a una particolare superficie corporea
• Tiroidite indotta da radiazioni, un potenziale effetto collaterale del trattamento con radiazioni contro l’ipertiroidismo
• Sindrome da radiazioni croniche, da radiazioni a lungo termine.
• Lesioni polmonari indotte da radiazioni, ad esempio dalla radioterapia ai polmoni

Dosi letali di radiazioni

La dose letale di radiazioni (LD) è un’indicazione della quantità letale di radiazioni. Nella protezione dalle radiazioni, la dose letale mediana, LDXY viene solitamente utilizzata. Ad esempio, la dose di radiazioni che dovrebbe causare la morte al 50% delle persone irradiate entro 30 giorni è LD50/30. LD1 è la dose che dovrebbe causare la morte all ‘ 1% delle persone irradiate, di conseguenza, LD99 è letale per tutte le persone irradiate (99%). È anche molto importante, se una persona riceve un trattamento medico o meno. Maggiore è una dose acuta di radiazioni, maggiore è la possibilità che uccida l’individuo. Per un adulto sano, la LD50 è stimata essere da qualche parte tra 3 e 5 Gy.

• 2,5 Sv-Dose che uccide un essere umano con un rischio dell ‘ 1% (LD1), se la dose viene somministrata per una durata molto breve.
• 5 Sv – Dose che uccide un essere umano con un rischio del 50% entro 30 giorni (LD50/30), se la dose viene somministrata per una durata molto breve. La causa della morte sarà la perdita della funzione del midollo osseo.
• 8 Sv-Dose che uccide un essere umano con un rischio del 99% (LD99), se la dose viene ricevuta per una durata molto breve. A circa 10 Gy, l’infiammazione acuta dei polmoni può verificarsi e portare alla morte.

I dati sulla dose letale sopra riportati si applicano alle dosi gamma acute somministrate in un tempo molto breve, ad esempio pochi minuti. Più dose è necessaria per produrre gli effetti sopra elencati, se la dose viene ricevuta per un periodo di ore o più.

Effetti stocastici

In radiobiologia, gli effetti stocastici delle radiazioni ionizzanti si verificano per caso, generalmente senza un livello soglia di dose. La probabilità di insorgenza di effetti stocastici è proporzionale alla dose, ma la gravità dell’effetto è indipendente dalla dose ricevuta. Gli effetti biologici delle radiazioni sulle persone possono essere raggruppati in effetti somatici ed ereditari. Gli effetti somatici sono quelli subiti dalla persona esposta. Gli effetti ereditari sono quelli subiti dalla prole dell’individuo esposto. Il rischio di cancro è solitamente menzionato come il principale effetto stocastico delle radiazioni ionizzanti, ma anche i disturbi ereditari sono effetti stocastici.

Secondo l’ICRP:

(83) Sulla base di questi calcoli la Commissione propone coefficienti di probabilità nominali per il rischio di cancro corretto per il danno come 5,5 x 10-2 Sv-1 per l’intera popolazione e 4.1 x 10-2 Sv-1 per lavoratori adulti. Per gli effetti ereditari, il rischio nominale corretto per il danno nell’intera popolazione è stimato come 0,2 x 10-2 Sv-1 e nei lavoratori adulti come 0,1 x 10-2 Sv-1 .

Riferimento speciale: ICRP, 2007. Le raccomandazioni del 2007 della Commissione internazionale per la radioprotezione. Pubblicazione ICRP 103. Ann. ICRP 37 (2-4).

L’unità SI per dose efficace, il sievert, rappresenta l’effetto biologico equivalente del deposito di un joule di energia dei raggi gamma in un chilogrammo di tessuto umano. Di conseguenza, un sievert rappresenta un 5.5% di probabilità di sviluppare il cancro. Si noti che la dose efficace non è intesa come una misura degli effetti deterministici sulla salute, che è la gravità del danno tissutale acuto che è certo che accada, cioè misurata dalla dose assorbita.

Esistono tre categorie generali di effetti stocastici derivanti dall’esposizione a basse dosi di radiazioni. Questi sono:

• Effetti genetici. L’effetto genetico è sofferto dalla prole dell’individuo esposto. Comporta la mutazione di cellule molto specifiche, vale a dire lo sperma o le cellule uovo. La radiazione è un esempio di un agente mutageno fisico. Si noti che ci sono anche molti agenti chimici e agenti biologici (come i virus) che causano mutazioni. Un fatto molto importante da ricordare è che la radiazione aumenta il tasso di mutazione spontanea, ma non produce nuove mutazioni.
• Effetti somatici. Gli effetti somatici sono quelli subiti dalla persona esposta. L’impatto più comune dell’irradiazione è l’induzione stocastica del cancro con un periodo latente di anni o decenni dopo l’esposizione. Poiché il cancro è il risultato primario, a volte è chiamato l’effetto cancerogeno. Le radiazioni sono un esempio di cancerogeno fisico, mentre le sigarette sono un esempio di un agente chimico che causa il cancro. I virus sono esempi di agenti cancerogeni biologici.
• Gli effetti in utero comportano la produzione di malformazioni negli embrioni in via di sviluppo. Tuttavia, questo è in realtà un caso speciale dell’effetto somatico, poiché l’embrione/feto è quello esposto alla radiazione.

Gli effetti somatici derivanti dall’esposizione alle radiazioni sono considerati dalla maggior parte in modo stocastico. Il modello più ampiamente accettato postula che l’incidenza di tumori dovuti alle radiazioni ionizzanti aumenta linearmente con una dose di radiazioni efficace ad un tasso del 5,5% per sievert. Questo modello è noto come linear no-threshold model (LNT). Questo modello presuppone, che non vi è alcun punto di soglia e il rischio aumenta linearmente con una dose. Se questo modello lineare è corretto, allora la radiazione di fondo naturale è la fonte più pericolosa di radiazioni per la salute pubblica generale, seguita dall’imaging medico come un secondo vicino. L’LNT non è universalmente accettato con alcuni che propongono un rapporto dose–risposta adattivo in cui basse dosi sono protettive e alte dosi sono dannose. Va sottolineato, che un certo numero di organizzazioni non sono d’accordo con l’uso del modello lineare senza soglia per stimare il rischio da esposizione alle radiazioni di basso livello ambientale e professionale.

Radiobiologia e limiti di dose

Nella radioprotezione, i limiti di dose sono impostati per limitare gli effetti stocastici a un livello accettabile e per prevenire completamente gli effetti deterministici. Si noti che gli effetti stocastici sono quelli derivanti dal caso: maggiore è la dose, più è probabile l’effetto. Gli effetti deterministici sono quelli che normalmente hanno una soglia: al di sopra di questa, la gravità dell’effetto aumenta con la dose. I limiti di dose sono una componente fondamentale della protezione dalle radiazioni e la violazione di questi limiti è contraria alla regolamentazione delle radiazioni nella maggior parte dei paesi. Si noti che i limiti di dose descritti in questo articolo si applicano alle operazioni di routine. Non si applicano a una situazione di emergenza quando la vita umana è in pericolo. Non si applicano in situazioni di esposizione di emergenza in cui un individuo sta tentando di prevenire una situazione catastrofica.

I limiti sono divisi in due gruppi, il pubblico e i lavoratori esposti a radiazioni. Secondo l’ICRP, l’esposizione professionale si riferisce a tutte le esposizioni subite dai lavoratori nel corso del loro lavoro, ad eccezione di

1. esposizioni escluse ed esposizioni da attività esenti che coinvolgono radiazioni o fonti esenti
2. qualsiasi esposizione medica
3. la normale radiazione di fondo naturale locale.

La seguente tabella riassume i limiti di dose per i lavoratori esposti a radiazioni e per il pubblico:

Secondo la raccomandazione dell’ICRP nella sua dichiarazione sulle reazioni tissutali di 21. Aprile 2011, il limite di dose equivalente per il cristallino dell’occhio per l’esposizione professionale in situazioni di esposizione pianificate è stato ridotto da 150 mSv/anno a 20 mSv/anno, in media su periodi definiti di 5 anni, senza alcuna dose annuale in un solo anno superiore a 50 mSv.

I limiti della dose efficace sono per la somma delle dosi efficaci pertinenti derivanti dall’esposizione esterna nel periodo di tempo specificato e della dose efficace impegnata derivante dall’assunzione di radionuclidi nello stesso periodo. Per gli adulti, la dose efficace impegnata viene calcolata per un periodo di 50 anni dopo l’assunzione, mentre per i bambini viene calcolata per il periodo fino all’età di 70 anni. Il limite di dose efficace per tutto il corpo di 20 mSv è un valore medio su cinque anni. Il limite reale è di 100 mSv in 5 anni, con non più di 50 mSv in un anno.