Radiazioni: classificazione, effetti

Le radiazioni sono energia corpuscolata o sotto forma di fotoni, che si propaga nello spazio con movimento ondulatorio. Le radiazioni di cui si tratterà nel’articolo sono essenzialmente di 3 tipi: onde elastiche (suoni), radiazioni corpuscolari (trasferimento di materia) e radiazioni elettromagnetiche (a massa non definibile).

Il movimento ondulatorio delle radiazioni su due piani perpendicolari tra loro viene identificato da 3 parametri:

1. frequenza, cioè quanti cicli nel tempo
2. lunghezza d’onda, quanto queste ondulazioni sono vicine. Cioè la distanza tra 2 creste.
3. velocità

velocità = (lunghezza d’onda) * (frequenza)

L’energia è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d’onda e quindi quanto maggiore è la frequenza. Le radiazioni ad alta energia provocano un danno biologico molto maggiore delle radiazioni a bassa energia.

Classificazione in base alla lunghezza d’onda delle radiazioni

• Onde hertziane, lunghezza d’onda lunghissima (da metri a km). Sono prodotte mediante oscillazioni elettroniche e comprendono onde elettriche, frequenze radio, onde radio, microonde e via via che diminuisce la lunghezza d’onda arriviamo agli infrarossi e ai termici. Gli effetti biologici partono da un effetto nullo fino ad arrivare ad un effetto di eccitazione (con le microonde) dove si ha riscaldamento della materia. Se noi sentiamo la radio, veniamo colpiti da onde ma queste non ci fanno nessun effetto, non succede nulla alla nostra materia perché il trasferimento dell’energia è nullo. Siamo sempre nella zona di eccitazione (riscaldamento della materia), non di ionizzazione.
• Onde luminose, lunghezza d’onda da 10^-2 cm a 10⁶ cm ed hanno un’energia compresa tra 10^-2 eV e 10² eV. Per esempio sono quelle che ci fanno abbronzare. Riscaldano, a volte scottano se eccediamo e abbiamo reazioni biologiche che ci piacciono come l’abbronzatura ma poi viene anche il melanoma, un aspetto che ci piace meno.
• Radiazioni ionizzanti, sono quelle che fanno il danno maggiore. Sono i raggi X e i raggi Gamma ed hanno lunghezze d’onda molto brevi. Più sono brevi più hanno energia. L’energia è talmente alta che provocano danno biologico permanente.

Sorgenti radioattive

1) Sorgenti naturali: radiazioni cosmiche, radiazioni che protendono dalla terra, dal radon (che decade emettendo radiazioni). Esempio abitazioni costruite con il tufo che è radioattivo e possono esserci patologie collegate. Quindi l’insieme  delle  radiazioni  della  terra  e  quelle  cosmiche  danno  la  radiazione  di  fondo,  con  la  quale  dobbiamo convivere.

Esempi di radiazioni che riceviamo:

• raggi cosmici –> 28 mrem/year [ mrem significa milli-rem]
• radiazioni che provengono dalla terra –> 26 mrem/year
• radon del tufo–> 200 mrem/year
• corpo umano –> 25 mrem/year perché beviamo e mangiamo anche del materiale radioattivo.

2) Sorgenti artificiali: sono quelle che dovremmo cercare di evitare in qualche modo.

• mediche –> 90 mrem/year
• fall-out (esperimenti nucleari), discariche abusive di materiale radioattivo proveniente da ospedali –> 5 mrem/year
• computer,tv, cellular –> 1 mrem/year
• implant nuclear –> 0,3 mrem/year

Si tratta comunque di onde che hanno poca energia. Possono provocare riscaldamento, cataratta (perché provocano ipercheratosi con esposizioni prolungate, carcinogicità e teratogenicità). E’ fondamentale diminuire il tempo di esposizione, aumentare la distanza dalla fonte di radiazione e aumentare lo “shielding” ovvero la protezione con indumenti, soprattutto nei posti di lavoro dove si viene a contatto con radiazioni.

La radioattività è un fenomeno naturale ed esistono i radioisotopi che formano raggi alfa, beta e gamma che sono ionizzanti. Ci sono anche radioisotopi artificiali creati in laboratorio e sono generalmente altamente instabili.  L’alta instabilità rende l’emivita molto breve.

Radioisotopi che vengono utilizzati sono: carbonio-14 per i marker delle proteine quando facciamo un’elettroforesi e poi con un metodo radioisotopico; il fosforo-32 per marcare proteine e altre sostanze; zolfo-35 per marcare le proteine; iodio come tracciante in tutti i test di laboratorio mentre lo iodio-131(2,5-3gg di emivita) viene utilizzato nella diagnostica tiroidea.

Tutti i radioisotopi decadono progressivamente emettendo particelle ad ogni step di degradazione e trasformandosi in un radioisotopo radioattivo che con tempi diversi a seconda dell’energia necessaria ad iniziare l’operazione di decadimento e si trasformerà in un altro isotopo decadendo.

Come si misura la radiazione?

1. Contatore Geiger: un sensore che emette un ticchettio sempre più veloce man mano che le radiazioni sono più forti. Si usa nei laboratori e in tutti i posti dove possono esserci le radiazioni per difendersi.
2. Beta-count: è un apparato che è molto più grosso del contatore Geiger, che ha un liquido di scintillazione per poter contare i radioisotopi che emettono particelle.

Cosa si misura

1.  Il tipo di attività del radioisotopo quindi gli effetti, e i suoi tempi di dimezzamento.
   Per attività si intende il numero di disgregazioni atomiche che subisce ogni sorgente di radiazione nell’unità di tempo. Si misura in 2 modi: in Bacquerel (Bq) che corrisponde ad 1 dps (disgregazione per secondo) oppure in Curie (Ci) che corrisponde a 3,7 * 10^10 dps. L’attività di una sostanza deve essere espressa in modo relativo a quanta ne abbiamo misurata: Bq/g o Bq/kg oppure Ci/l se è un gas.
   Il tempo di dimezzamento è caratteristico di ogni radioisotopo e corrisponde al tempo necessario per ridurre della metà i suoi atomi radioattivi. I tempi di dimezzamento sono molto importanti, indicano infatti quanta dose ha ricevuto il paziente. Per esempio il carbonio-14, viene usato per la datazione per la datazione dei reperti archeologici, al tempo 0 è radioattivo al 100% dopo 5700 anni è arrivato al 50% dopo 11400 anni è arrivato al 25%, dopo 17000 anni al 12,5%, ecc.. fino a che diventa azoto-14.
2. La dose alla quale siamo sottoposti e tipo di esposizione. Viene definita come quantità di radiazioni X o gamma necessarie per provocare nell’aria a condizioni standard di temperatura e pressione, una ionizzazione di una precisa quantità. Misurata in Roentgen (r).
   La dose assorbita specifica è la quantità di energia ceduta da un fascio di radiazioni di intensità qualsiasi a una determinata massa irradiata. L’unità di misura è il Rad(rad), 1 rad = 100 erg/(gr. di tessuto). Misurata anche in Gray(Gy).
   La dose biologica efficace è la misura della capacità di una radiazione a provocare alterazioni nei tessuti biologici , intesa come multiplo della dose assorbita specifica. L’unità di misura è il rem.

Interazioni fisiche tra radiazioni e materia

Le radiazioni vengono classificate in base alla energia emessa, le distinguiamo in:

1. Radiazioni che hanno meno di 1 eV. Queste hanno solo un effetto termico quindi provocano solo oscillazione e dislocamento degli atomi che costituiscono le molecole perché aumentano i moti vibrazionali, rotazionali e traslazionali. Come se fosse l’acqua che bolle, vi è un cambio di stato ma non vi è un cambio molecolare importante. Infrarossi e microonde.
2. Radiazioni tra 1 e 10 eV. Hanno un effetto eccitatorio dove gli elettroni di valenza (quelli più esterni) si eccitano e innescano reazioni chimiche differenti. Queste radiazioni sono: infrarossi, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Questi ultimi 2 hanno anche azione eccitante ma sono prettamente ionizzanti.
3. Radiazioni maggiori di 10 eV. 10 eV rappresenta esattamente la quantità di energia necessaria per staccare un elettrone. Una radiazione con 10 eV è in grado di staccare un elettrone il quale va a colpire un’altra molecola. Se arrivano 20 eV, 10 staccano l’elettrone e gli altri 10 vengono assorbiti. Vengono eccitati anche gli elettroni più interni, non solo quelli di valenza. Si hanno transizioni nucleari con ionizzazioni atomiche e delle macromolecole biologiche che vengono colpite. Sono: raggi X, raggi gamma, radiazioni alfa e beta, i protoni e i neutroni accelerati. Si possono distinguere in tre gruppi principali: le UV-A(vicino), gli UV-B(medio) e gli UV-C(lontano).

Effetti delle radiazioni eccitanti

L’interazione di una radiazione con la materia è, un fenomeno fisico, l’interazione tra onda elettromagnetica e materia. Il primo contatto produce fenomeni di eccitazione molecolare. Le molecole colpite assorbono l’energia passando da uno stato dibassa energia (stato fondamentale), a uno stato di eccitazione.

L’eccitazione può provocare una trasformazione di questa energia in un’alterazione chimica. Quindi abbiamo: una fase fisica e subito dopo una fase chimica. La fase fisica dura millisecondi, la fase chimica può essere più lunga (perchè non dipende dalla natura della radiazione ma dipende dallo spettro di assorbimento che è una caratteristica fondamentale di ogni tipo di molecola).

Le radiazioni ultraviolette(UV-C) sono assorbite in modo prevalente dagli acidi nucleici nella lunghezza d’onda di un range stretto (intorno ai 260, mentre le proteine hanno il massimo assorbimento a 280).

Il fascio di luce verrà assorbito o rifratto a seconda di quanto materiale c’è dentro: se non c’è DNA il fascio passa attraverso, se c’è molto DNA il fascio cederà l’energia a quel DNA che incontra e quindi la macchina al di là legge che c’è stato assorbimento.

Il fascio di luce viene ovviamente scelto in base ad una lunghezza d’onda a cui sappiamo che reagirà col DNA(260nm); Se invece il fascio scelto ha lunghezza d’onda di 280nm si possono ricavare le proteine.

Le radiazioni dello spettro visibile sono assorbite principalmente dai gruppi cromofori dell’eme dell’emoglobina e dai citocromi e dalle porfirine.

Le cellule il cui DNA è più sensibile a questo tipo di radiazioni sono all’inizio della fase S, sebbene le radiazioni penetrano poco poiché appena vengono in contatto con il corpo umano la radiazione cede energia e si ferma. Altera la struttura, eventualmente, con la quale è stata in contatto ma questo danno non si perpetua nel resto del corpo perché l’energia è terminata. Gli organi più esposti sono quindi pelle e occhi.

Azioni dirette dei raggi UV

Le azioni dei raggi uv sono dirette ed indirette. Un fenomeno caratteristico è la dimerizzazione delle timine(non solo delle timine, anche due citosine o una timina e una citosina). Due timine dimerizzate, infatti, non si possono appaiare più poiché non essendo vicine creano un loop e quindi questo fenomeno prefigura una apparente delezione del tratto di DNA compreso tra esse. La radiazione rompe i ponti tra le due timine, si disappaiano i due filamenti di dna e due timine si possono coniugare formando un dimero. Ovviamente non c’è più complementarietà e in questo punto la catena si separa. Certamente non accade tutto ciò ogni volta che siamo colpiti da una radiazione poiché abbiamo la presenza di meccanismi di riparo che seguono uno schema:

1. UV-C provocano danno sul DNA con dimerizzazione delle timine (danneggiamento momentaneo del DNA);
2. UV-A attiva endonucleasi che riconosce e taglia il pezzo danneggiato per consentire alla dna polimerasi di risintetizzare il pezzo danneggiato usando la base complementare. Inoltre si allunga la fase G1 del ciclo consentendo alle cellule di ripararsi in tempo (fase di “dark repair”).

Effetti sulle proteine ne esistono molti ma il più caratteristico è quello che le radiazioni ultraviolette hanno sulle cheratine perché è lo strato che viene colpito per primo.

La radiazione UV sulla cheratina dà origine a una serie di fenomeni di denaturazione provocando l’ossidazione dei gruppi sulfidrilici della cisteina a ponti disolfuro, quindi c’è sostanzialmente un’alterazione della struttura terziaria delle proteine quando contengono cisteina. Quindi una sorta di denaturazione o alterazione strutturale importante. Questo porta alla caratteristica ipercheratosi(pelle inspessita) che colpisce anziani o chi vive molto all’aria aperta, persone che comunque subiscono danni alle proteine e sono anche a maggior rischio di sviluppare melanoma e basalioma, un tumore che non dà metastasi ma tende a recidivare in sede locale molto frequentemente. Il basalioma è rappresentato da macchie sopraelevate, vere e proprie neoplasie (removibili dai dermatologi con relativa tranquillità ma che localmente tendono a recidivare senza dare mai, mai in nessun caso, metastasi a distanza) Il basalioma è tipica conseguenza di un’eccessiva esposizione ai raggi ultravioletti.

Un effetto biologico protettivo è quello offerto dalla melanina che porta ad iperpigmentazione(abbronzatura).  È un effetto protettivo messo in atto dalla pelle per proteggere gli strati del derma sottostanti dalle radiazioni.

Sugli acidi grassi avvengono fenomeni di perossidazione alterando quindi le membrane delle cellule, in particolare quelle dei globuli rossi con eventuali fenomeni emolitici.

Effetti indiretti delle radiazioni UV

Esistono sostanze fotodinamiche o fotosensibilizzatrici (naturali o di sintesi) che per loro caratteristiche chimiche particolari sono in grado di aumentare l’effetto delle radiazioni ultraviolette. Naturali: il profumo potenzia l’azione dei raggi ultravioletti causando una iperpigmentazione locale quindi una maggiore sintesi di melanina ed una aumentata esposizione dei melanociti. Di sintesi: coloranti contenuti nel trucco o nei fondotinta, possono potenziare l’azione dei raggi ultravioletti.

Gli infrarossi danno effetto termico immediato, l’eritema. L’eritema è dovuto ad una iperemia attiva e cioè una maggiore circolazione a livello superficiale, ciò perché c’è vasodilatazione (dovuta al calore). Superati livelli soglia si può arrivare ad edemacutaneo, un danno vero e proprio della pelle. Superato anche l’edema arriviamo al flittene(bolle) che può risolversi rompendosi e esponendo la delicata epidermide nuova un po’ più rossa. Oltre il flittene si può avere necrosi con carbonizzazione, con formazione di crosta, meccanismi di riparo, cicatrice ma naturalmente il danno subito porterà ad una ipercheratosi.

Riguardo gli aspetti energetici: gli UV-A hanno minore energia, infatti gli effetti si hanno da 8 a 48h, UV-B causano eritema dopo 3-24h dall’esposizione. L’effetto mediato da UV-C avverrebbe ancor prima se solo non fossero direttamente cancerogeni.

Il danno oculare da ultravioletti si manifesta quando lieve con una leggera congiuntivite, ‘congiuntivite da raggi’, mentre l’ipercheratosi a livello degli occhi diventa una cataratta che porta da un opacamento a lesioni ulcerose della cornea (lesioni temporanee o permanenti a seconda del tempo di esposizione fino a cecità temporanea o permanente).

Le lesioni sono dovute soprattutto ad effetti natura termica: gli atomi colpiti assorbono la luce degradandola a calore, provocano la denaturazione delle proteine e poi la natura termica provoca l’evaporazione dei liquidi, cambia la solvatazione delle nostre molecole, delle proteine, dovuta alla sottrazione di acqua.

Effetti positivi dei raggi UV

Stimolano le difese immunitarie probabilmente, ma non si sa con quale meccanismo, aumentano la motilità cellulare e aumentano la fagocitosi. Questo è uno dei motivi anche per cui i neonati, soprattutto i prematuri, vengono messi sotto raggi UV per la loro maturazione. I raggi UV stimolano la sintesi di vitamina D, quindi vengono utilizzati per la prevenzione e la cura del rachitismo, vengono utilizzati in chirurgia per la luce laser, e per la cura della psoriasi (malattia della pelle ad eziopatogenesi autoimmune, altamente debilitante per la quale non ci sono cure tranne che l’esposizione a raggi UV). I raggi UV vengono anche utilizzati per trattare l’ittero neonatale.

Effetti delle radiazioni ionizzanti

Radiazioni che provocano ionizzazione hanno un’energia superiore a 10 eV (necessaria per staccare un elettrone dalla sua orbita). Raggi X, Y e radiazioni corpuscolari alfa e beta.

1. Ionizzazione primaria si ha quando il fotone di energia colpisce una molecola e l’energia superiore a 10 eV porta all’espulsione di un elettrone nell’atomo colpito quindi quella molecola ha perso un elettrone e rimane uno ione positivo.
2.  Ionizzazioni secondarie accadono quando 10 eV staccano un elettrone e gli eV residui vengono trasportati dall’elettrone stesso. L’elettrone colpisce una molecola vicina e cede quanto? 10 oppure ne può cedere 15(il totale residuo dopo la prima ionizzazione).

Gli effetti biologici delle radiazioni quindi dipendono dalla loro energia e dal loro potere di penetrazione. In ordine energetico, le radiazioni a più alta energia sono i raggi gamma, seguono i raggi x e poi le particelle beta o alfa.

Sebbene abbiano maggiore energia, le particelle alfa e beta hanno maggiore massa e vengono bloccate. Il potere di penetrazione aumenta con l’energia delle radiazioni ma quelle corpuscolate hanno appunto il corpuscolo che le blocca.

Gli effetti delle radiazioni sono dose-dipendenti, a dosi più basse, quando la dose della radiazione che subisce il corpo è bassa si ha radiolisi dell’acqua primariamente perché la maggior parte delle molecole incontrate dalla radiazione sono di acqua. La radiolisi dell’acqua interferisce e danneggia il DNA, cambia la solubilità delle proteine e dei lipidi provocando ionizzazioni e danneggiando la cellula fino ad apoptosi della stessa. In generale le radiazioni possono provocare: mutazioni o delezione di una base, rottura di un singolo o di un doppio filamento di DNA, rottura e successiva formazione di legami crociati in una stessa molecola.

La sensibilità dei tessuti alle radiazioni è differente e dipende dalla riproducibilità cellulare, le cellule in grado di riprodursi maggiormente sono decisamente più sensibili. Quindi le cellule più sensibili sono: l’epitelio germinativo delle gonadi, i linfociti, le cellule eritropoietiche o mielopoietiche del midollo osseo, l’epitelio intestinale. Le cellule meno sensibili sono: cellule nervose, muscolari, i globuli rossi.

Il punto è che ciò non è sempre vero perchè qualunque cellula diventa super sensibile a dosi massime. Cellule dal patrimonio genetico normale diploidi sono più resistenti di cellule tetraploidi, esaploidi o poliploidi, in maniera proporzionale al patrimonio genetico posseduto. Più una cellula possiede DNA, più è sensibile, questa è la base culturale per le radioterapie in oncologia. Il trattamento di radioterapia viene prolungato in fase post operatoria poiché non si ha la certezza che sia stato rimosso o quando il chirurgo ha operato ma non è potuto intervenire in modo radicale, oppure ‘di principio’ quando tutta la neoplasia è stata rimossa ma potrebbero esserci microfocolai non rimossi.

La radio-curabilità è un concetto che dipende dalla radio-sensibilità del tumore, dal volume iniziale, dall’estensione locale!