Articolo speciale
Effetti biologici delle radiazioni ionizzanti
J. AnselmoPuerta-Ortiz
JavierMorales-Aramburo
https://doi.org/10.1016/j.rccar.2020.01.005
[NdT: lo studio non ha tenuto conto dell'aggiornamento sulle dosi contenuto in ECRR 2010]
Sommario
Gli esseri viventi hanno interagito fin dall'inizio della loro evoluzione con le radiazioni ionizzanti e non ionizzanti e con gli agenti chimici provenienti da fonti naturali. Queste interazioni sono aumentate con la comparsa di fonti artificiali che vengono utilizzate in diversi settori dell'attività umana: industria, medicina, ricerca e casa. L'importanza di conoscere gli effetti biologici prodotti da questi agenti e se sono o meno benefici per la salute umana è ormai un'esigenza primaria. In generale, in relazione a qualsiasi tipo di radiazione, quando interagisce con le molecole, queste cedono parte della loro energia. Il tipo di radiazione e la sua energia possono essere sufficienti per estrarre un elettrone, un processo chiamato ionizzazione, o per eccitare un atomo costituente passando un elettrone in uno stato di energia superiore, o se l'energia non è sufficiente a trasformare la sua configurazione elettronica, può aumentare la velocità di traslazione, rotazione o vibrazione delle molecole. Di conseguenza, le molecole che compongono il materiale biologico possono subire alterazioni che danno luogo a diverse lesioni. Così, quelle prodotte da radiazioni ionizzanti sono chiamate radiolazioni, e quelle prodotte da radiazioni non ionizzanti sono chiamate fotolazioni. Tra le lesioni indotte da diversi agenti fisici e chimici è la mutagenesi. Le radiazioni ionizzanti e le radiazioni ultraviolette sono considerate agenti mutageni, mentre gli agenti alchilanti, gli intercalanti e i produttori di radicali liberi sono considerati agenti chimici.
Questa revisione riassume i principali effetti prodotti dalle radiazioni ionizzanti a livello cellulare e descrive l'inattivazione cellulare attraverso le curve di sopravvivenza. Successivamente si descrivono i principali effetti deterministici prodotti dalle radiazioni ionizzanti, effetti che si generano a dosi elevate e che sono quindi ben noti. Infine, vengono discussi gli effetti probabilistici, che sono la base fondamentale della radioprotezione.
Parole chiave
Radiazioni ionizzanti
Effetti delle radiazioni
Protezione dalle radiazioni
Introduzione
Una branca speciale della biologia è la radiobiologia [3, 10, 18], che studia gli effetti biologici prodotti dalle radiazioni ionizzanti e le relazioni tra i parametri dell'irradiazione e l'entità dell'effetto. Gli effetti nocivi prodotti dalle radiazioni ionizzanti sono classificati come somatici ed ereditari; sono somatici se si verificano nell'individuo esposto e sono ereditari se si verificano nella prole dell'individuo irradiato. Entrambi gli effetti sono classificati come stocastici e deterministici (non stocastici).
Gli stocastici sono quelli per i quali la probabilità dell'effetto è funzione della dose e non della sua gravità; inoltre non si sa se hanno una soglia. I principali effetti stocastici sono ereditari e cancerogeni; quest'ultimo è un effetto somatico di importanza critica per la radioprotezione.
Gli effetti deterministici sono quelli in cui la gravità dell'effetto è in funzione della dose, e hanno una soglia al di sotto della quale questi effetti non si manifestano; ad esempio, effetti acuti dell'irradiazione, radiodermite e sue sequele, effetti sugli organi prodotti secondariamente dall'irradiazione vascolare, cataratte nel cristallino. Questo tipo di effetto è noto da studi su lesioni acute da radiazioni all'individuo, come Hiroshima e Nagasaki, incidenti da radiazioni, irradiazione deliberata a scopo terapeutico ed esperimenti sugli animali. Alcuni dei più importanti effetti deterministici sui tessuti e sugli organi sono dovuti a lesioni cellulari e perdita di capacità riproduttiva. Il normale funzionamento di organi e tessuti dipende dal grado di differenziazione delle cellule, che dipende dal sistema di rinnovamento di cui fanno parte e che rappresenta un equilibrio tra formazione, proliferazione, differenziazione e morte. I sistemi di rinnovamento rapido sono generalmente i primi a soffrire di effetti deterministici; così, la pelle e i tessuti ematopoietici sono considerati i più radiosensibili, mentre le cellule dei tessuti nervosi e muscolari sono i più resistenti. Allo stesso modo, il successo delle radiazioni per il trattamento di alcuni tipi di cancro è che le cellule di questi tumori si riproducono molto rapidamente e sono quindi molto radiosensibili.
Gli effetti biologici delle radiazioni ionizzanti sono la conseguenza di una serie di fenomeni innescati dal passaggio di radiazioni attraverso un mezzo. Ciascuno degli eventi interattivi tra radiazione e materia comporta il trasferimento di una quantità di energia al mezzo; gli eventi iniziali sono ionizzazioni ed eccitazioni di atomi e molecole del mezzo lungo i percorsi delle particelle ionizzanti. Dal serbatoio di energia si verificano eventi fisico-chimici, in particolare la radiolisi dell'acqua, che portano a danni indiretti o convergono con danni diretti al volume bersaglio. In sintesi, un dato effetto biologico dipende dal tipo di particella, dall'energia della radiazione incidente, dal trasferimento lineare di energia (LET), dalla dose e dalla distribuzione temporale della dose al mezzo biologico.
In termini generici, il bersaglio principale delle lesioni prodotte dalle radiazioni ionizzanti e non ionizzanti e dagli agenti chimici è la macromolecola del DNA [1, 2, 3], ma non è l'unico, poiché anche altre strutture cellulari come la membrana plasmatica, i mitocondri o qualsiasi altro organulo della cellula possono essere presi di mira. Le principali funzioni cellulari come il controllo dei processi metabolici della cellula, la replicazione e la conservazione delle informazioni genetiche dipendono dall'integrità del DNA. Il DNA può essere danneggiato direttamente o indirettamente, come mostrato in Figura 1. I danni al DNA possono verificarsi direttamente come risultato dell'interazione della radiazione con la macromolecola, o possono verificarsi indirettamente come risultato dell'interazione della radiazione con le molecole intermedie.
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Figura 1. Rappresentazione schematica degli effetti diretti e indiretti delle radiazioni ionizzanti.
La radiazione ionizzante, secondo il suo trasferimento lineare di energia, è classificata come alta LET e bassa LET. Le particelle alfa, i protoni, i neutroni e le particelle multi-cariche sono ad alto LET, e le radiazioni X e gamma e gli elettroni sono a basso LET. L'effetto diretto è il processo principale prodotto da particelle ad alto LET, molto raro per una bassa radiazione LET. In questo processo la radiazione può trasferire la sua energia direttamente al DNA e modificare la sua struttura. L'effetto indiretto è il processo più probabile di radiazione a bassa radiazione LET nella sua interazione con la cellula, come si vedrà più avanti.
Il danno al DNA è ripristinato da specifici meccanismi di riparazione e può prevenire la sintesi proteica o la morte delle cellule a causa della perdita di capacità riproduttiva, a causa del blocco della duplicazione del DNA semiconservatore o di disturbi durante la mitosi in presenza di aberrazioni cromosomiche. Le lesioni al DNA possono essere limitate a livello molecolare e riparate, o dare origine a cellule mutate. A seconda della dose, le lesioni del DNA possono generare un'alta percentuale di morte cellulare e causare danni ai tessuti o agli organi.
Effetti indiretti [4]
La maggior parte dei danni causati alla molecola del DNA dalle radiazioni a basso contenuto di LET sono dovuti ad effetti indiretti, soprattutto a causa del processo di radiolisi dell'acqua, che genera prodotti altamente reattivi come i radicali liberi. Nei processi sperimentali è dimostrato che la molecola di DNA è più radiosensibile quando viene irradiata in soluzione rispetto a quando viene fatta in un ambiente secco; in quest'ultimo prevale solo l'effetto diretto. Ci sono diversi metodi per determinare l'effetto indiretto: test di diluizione, test di temperatura, aggiunta di spazzini per i radicali liberi e l'effetto dell'ossigeno.
Nel test di diluizione viene data la stessa dose a diverse concentrazioni di molecole target (enzimi o DNA) e poi si determina il numero di molecole inattive e la loro percentuale. Se l'effetto è esclusivamente diretto, il numero di molecole inattive aumenterà con la concentrazione, ma la percentuale di molecole inattive sarà sempre la stessa (Fig. 2 a e b). Se invece l'effetto è esclusivamente indiretto, il numero di molecole inattivate sarà costante, ma la percentuale diminuirà all'aumentare della concentrazione. Un altro test per distinguere tra effetti diretti e indiretti è il test della temperatura, che consiste nell'irradiare preparati congelati delle molecole bersaglio, diminuendo così la mobilità dei radicali liberi, riducendo gli effetti indiretti senza influenzare gli effetti diretti.
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Figura 2. Test per distinguere gli effetti diretti e indiretti sugli enzimi o sul DNA.
Il test per determinare gli effetti indiretti può essere dimostrato attraverso il cosiddetto effetto ossigeno, che consiste nell'irradiare preparati di enzimi o DNA in un mezzo come l'aria o in un'atmosfera di ossigeno e nel confrontare il risultato con le stesse dosi date a preparati simili in un'atmosfera di azoto o gas inerte. È dimostrato che la radiazione a basso LET è da 2,5 a 3,5 volte più efficace nel produrre effetti indiretti sul DNA, quando il DNA viene irradiato in aria o in un'atmosfera di ossigeno, rispetto a quando viene irradiato in un'atmosfera di azoto. Questo fenomeno è dovuto al fatto che, in presenza di ossigeno, i radicali liberi che si formano sono più reattivi (ossidanti). Nel caso dei neutroni il rapporto di sensibilità per l'ossigeno è dell'ordine di 1,5 e per le radiazioni alfa è di circa 1.
Radiolisi dell'acqua
Considerando che i sistemi biologici sono acquosi, l'assorbimento di energia attraverso le molecole d'acqua può produrre molecole ad alta reattività chimica; questo è un meccanismo indiretto molto importante nell'interazione delle radiazioni ionizzanti con la materia biologica. Un radicale libero è un atomo o una molecola che possiede uno o più elettroni non accoppiati, il che gli conferisce la proprietà di avere un'enorme reattività chimica, in modo che possa rubare elettroni all'ambiente e causare reazioni chimiche in frazioni di millisecondi. L'evento primario per la formazione di un radicale libero nella radiolisi dell'acqua è il rilascio di un elettrone nell'interazione della radiazione ionizzante a basso LET con la molecola dell'acqua:
In un mezzo non ossigenato l'elettrone spogliato viene catturato da un'altra molecola d'acqua, che viene caricata negativamente. Questi ioni formati interagiscono con altre molecole d'acqua e generano una sequenza di reazioni, come quelle mostrate nella Figura 3a, che, come saldo finale della radiolisi dell'acqua, in assenza di ossigeno producono un radicale idrossile. In un mezzo ossigenato l'elettrone rilasciato nell'interazione può essere catturato dall'ossigeno e può interagire con l'acqua e produrre radicali perossidanti (Figura 3b). I radicali perossidanti che si formano in presenza di ossigeno sono tre volte più reattivi dei radicali ossidrilici. Questi radicali possono interagire con le estremità libere delle molecole di DNA rotte dalle radiazioni, impedendo la loro riparazione. L'ossigeno gioca un ruolo fondamentale nella formazione di vari radicali liberi. L'ossigeno, da solo, è un radicale libero (ossidante).
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Figura 3. Radiolisi dell'acqua.
a) Terreno non ossigenato
b) Mezzo ossigenato
Danni causati da radiazioni ionizzanti
Il danno causato dalle radiazioni ionizzanti alle molecole di DNA dipende da fattori quali il tipo di radiazione, le condizioni di irradiazione, le caratteristiche del DNA e la capacità di riparazione. Gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulla molecola del DNA sono le fratture singole e doppie della catena, le alterazioni strutturali delle basi, la rimozione delle basi che generano siti apurinici e apirimidinici (siti AP), i danni allo zucchero, la reticolazione tra DNA-DNA o DNA-proteine e la rottura di ponti di idrogeno. Le doppie fratture risultano da due singole fratture in siti diametralmente opposti, o con un ritardo fino a tre nucleotidi. Le doppie fratture portano alla frammentazione della molecola e danno luogo ad aberrazioni cromosomiche strutturali; sono anche le principali responsabili degli effetti mutageni e oncogeni delle radiazioni ionizzanti (fig. 4).
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Figura 4. Tipi di fratture del DNA.
a) Semplice frattura.
b) Doppia frattura.
c) Rottura dei ponti a idrogeno.
Più alto è il LET, più alta è la proporzione di doppie fratture. Le fratture singole risultano generalmente dalla frattura alla giunzione del fosfodiestero (tra zucchero e fosfato) e costituiscono la maggior parte dei danni causati dalle radiazioni ionizzanti1, 2, 5. L'alterazione della struttura chimica delle basi azotate è dovuta principalmente all'attacco dei radicali liberi, che collocano prodotti di addizione sulle basi. Queste alterazioni producono mutazioni che modificano il contenuto informativo: gli enzimi di riparazione possono rimuovere le basi danneggiate e generare siti AP, o per purificazione spontanea i siti AP si formano per l'attacco dei radicali liberi su zucchero o basi. I siti AP sono una lesione informativa e possono o meno essere riparati. Quando non vengono riparati possono generare mutazioni durante la replicazione del DNA. La reticolazione è probabile che derivi dall'attacco dei radicali liberi al DNA, formando cluster molecolari. Possono verificarsi tra DNA-proteine o tra DNA-DNA. Le fratture dei ponti a idrogeno risultano anche da semplici fratture del DNA (Fig. 5).
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Figura 5. Rappresentazione schematica dei principali prodotti radio.
È possibile che, interagendo con la molecola del DNA, la radiazione rompa alcuni dei suoi legami e in questo caso la cellula colpita non si riproduce. Se le cellule appartengono al sistema di riproduzione, il concepimento non è possibile. Un'altra possibilità che si verifica tra l'interazione della radiazione ionizzante e la molecola del DNA è che quest'ultimo subisca di conseguenza alcune mutazioni, ma possa dividersi, il che porta ad effetti come i disturbi somatici e la comparsa di carcinomi; nel caso delle cellule riproduttive, possono trasmettere tare genetiche ai loro discendenti (fig. 6). Il principale danno alla cellula causato dalle radiazioni è il nucleo della cellula. I cromosomi possono rompersi e influenzare la capacità della cellula di riprodursi portando alla sua morte (lo studio dei danni cromosomici è il principio fondamentale della dosimetria citogenetica) [7, 8].
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Figura 6. Conseguenza del danno al DNA.
La Figura 7 mostra i diversi tipi di aberrazioni cromosomiche e le curve tipiche di questo tipo di dosimetria, che sono importanti negli incidenti radiologici che comportano un'elevata esposizione. Le aberrazioni cromosomiche vengono utilizzate anche come proxy per gli studi di adattamento, che finora non danno risultati conclusivi.
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Figura 7. a) Linfociti metafasici con aberrazioni cromosomiche radio-indotte (DIC = dicentrico, AN = anello centrale, AC = acentrico). b) Curva di risposta della dose per la produzione di aberrazioni cromosomiche [4, 6].
In sintesi, le lesioni del DNA radio-indotte sono diverse, come le rotture della catena, i cambiamenti di base, i cross-link, e in alcuni casi producono aberrazioni cromosomiche. La risposta è la riparazione delle basi danneggiate, con l'escissione di basi o nucleotidi, la riparazione di fratture singole o doppie per escissione di basi, ricombinazione di cromosomi omologhi o unioni di estremità non omologhe. I meccanismi di riparazione variano e dipendono dalla predisposizione genetica alla radiosensibilità o alla radioresistenza, il che spiega anche la differenza di risposta delle diverse popolazioni cellulari.
Curve di sopravvivenza con radiazioni ionizzanti
Gli esperimenti con curve di sopravvivenza sono adatti per esaminare gli effetti di radiazioni LET alte e basse, alte e basse dosi, così come i modificatori cellulari (sensibilizzatori e radioprotettori). Per le radiazioni ionizzanti, vengono normalmente utilizzati raggi X da 250 KeV o 60Co come radiazioni standard. Nel loro libro "Radiobiologia clinica", Duncan e Nias forniscono esempi di curve di sopravvivenza9. La Figura 8a mostra lo schema delle curve di sopravvivenza delle cellule per l'irradiazione singola e per la radiazione a basso LET. In questa curva, la spalla iniziale può essere vista mostrare una certa resistenza alle radiazioni fino ad una dose chiamata quasi-dose o dose di soglia, Dq, seguita da una diminuzione esponenziale caratterizzata da una C, che è la dose necessaria per ridurre la sopravvivenza al 37%. La stessa figura mostra la dipendenza con il tipo di radiazione, dove si verifica che le cellule sono più radiosensibili alle radiazioni LET elevate; la spalla non è presente e la sua risposta è direttamente esponenziale. La sua rappresentazione è mostrata nell'equazione 1.
(1)
Figura 8. Curva di sopravvivenza delle cellule [10].
Dove S è la frazione di sopravvivenza; D è la dose; Do, 37% di dose.
La Figura 8b mostra la differenza nella risposta delle cellule, sia che la dose sia singola o frazionata. In quest'ultima forma, si può notare che esiste la riparazione cellulare, un principio utilizzato nella radioterapia clinica, dove l'intervallo di tempo tra le irradiazioni diventa sufficientemente lungo da consentire la riparazione dei danni subletali. Ci sono due componenti del danno cellulare, quella letale dove si verifica la morte diretta e quella subletale dove, come già detto, ci può essere la riparazione del danno, e dato che la risposta cellulare alle radiazioni ionizzanti dipende da molti fattori, il tipo di particella, il LET, l'energia della particella, nel ciclo cellulare e la distribuzione dei suoi costituenti, un modello che meglio rappresenta la sopravvivenza cellulare è il modello quadratico lineare, espresso nell'equazione 2.
(2)
Dove α e β rappresentano rispettivamente le pendenze della curva iniziale e terminale e il cui quoziente α/β determina la dose alla quale il contributo lineare è uguale al quadratico e permette di determinare il numero di frazioni che devono essere impartite per ottenere un dato effetto biologico, fondamentale nei trattamenti di radioterapia.
Altri parametri importanti in radiobiologia sono la dose biologica efficace (EBD) [11], che dipende dalla frazione α/β e che è caratteristica del tipo di tessuto, del tipo di radiazione e della dose, e il numero di frazioni in cui la dose è ricevuta e che è espressa come:
(3)
In DBE è la dose necessaria per ottenere l'effetto desiderato. Un altro parametro è l'equivalente biologico relativo, ottenuto dalle curve di sopravvivenza cellulare, che indica il rapporto di dose di un tipo di radiazione standard (raggi x di 250 KeV o radiazioni dovute al decadimento di 60Co) e la dose di altri tipi di radiazioni che producono la stessa mortalità cellulare ed è espresso come:
(4)
EBR quantifica l'influenza della qualità delle radiazioni sui sistemi biologici. Ai fini della radioprotezione, l'EBR è considerato una funzione della qualità delle radiazioni, ed è espresso come funzione del LET. Questo parametro non dipende solo dal tipo di radiazione, ma è una funzione della dose, dell'intensità di dose, del frazionamento della dose e dell'individuo esposto.
Un altro importante effetto che si può osservare nell'ottenere le curve di sopravvivenza delle cellule è il cosiddetto effetto ossigeno, che mostra la differenza nel fatto che la popolazione cellulare è stata irradiata in un mezzo ossigenato, come l'aria, o in un mezzo ipossico, cioè in assenza di ossigeno. Si può notare che in un mezzo ipossico è necessaria una dose maggiore rispetto ad un mezzo ossigenato come l'aria per ottenere lo stesso risultato dell'effetto biologico, come mostrato in Figura 8c, e l'effetto è quantificato dal cosiddetto OER (rapporto di miglioramento dell'ossigeno).
Effetti deleteri
Come detto sopra, gli effetti prodotti dalle radiazioni ionizzanti possono essere somatici o ereditari. Quelle somatiche si manifestano nell'individuo esposto, mentre quelle ereditarie si manifestano nei discendenti dell'individuo irradiato. Gli effetti somatici sono classificati come deterministici e stocastici. Gli effetti deterministici sono caratterizzati dal fatto che la gravità dell'effetto è funzione della dose e hanno una soglia al di sotto della quale l'effetto non si manifesta. Gli effetti probabilistici o stocastici sono quelli la cui probabilità di effetto aumenta con la dose e non hanno una soglia; per esempio, tutti gli effetti ereditari sono stocastici.
Effetti deterministici
Alcuni dei più importanti effetti deterministici sui tessuti e sugli organi sono dovuti al danno cellulare e alla perdita di capacità riproduttiva. Il normale funzionamento di organi e tessuti dipende dal grado di differenziazione delle cellule, che a sua volta dipende dal sistema di rinnovamento di cui fanno parte e che rappresenta un equilibrio tra formazione, proliferazione, differenziazione e morte. La frequenza di un particolare effetto deterministico, definito come una condizione patologica clinicamente riconoscibile, viene aumentata in funzione della dose, con differenze tra gli individui irradiati a seconda della loro sensibilità, come mostrato nella Figura 9, in cui questo tipo di risposta è schematizzato3. La soglia implica che, per una dose inferiore a questa, la morte cellulare che si è verificata non è sufficiente a causare danni rilevabili all'organo o al tessuto. In questo senso, si può dedurre che gli effetti deterministici si verificano a dosi superiori alla soglia e la loro gravità aumenta con l'aumentare della dose. Di seguito sono riportati alcuni esempi di effetti deterministici localizzati:
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Figura 9. Relazione tipica tra dose e gravità del danno per scopi deterministici.
Irradiazione della pelle [12]
La maggior parte delle informazioni è disponibile presso la radioterapia clinica. Gli effetti, in ordine di gravità, sono eritema, desquamazione secca, desquamazione umida e ulcerazione cronica, che sono gravi quanto le ustioni comuni. Nel rapporto dose-risposta, C è di circa 1,35 Gy. La manifestazione tardiva delle lesioni cutanee è dovuta al lento rinnovamento degli elementi cellulari e intercellulari del derma; tra gli effetti tardivi vi sono la teleangiectasia, la fibrosi e il cancro. Con dosi comprese tra 3 e 5 Gy appare l'eritema e la desquamazione a secco, e in dosi superiori a 20 Gy nella desquamazione della pelle umida e nell'ulcerazione si presenta. I follicoli piliferi sono radiosensibili, che causano alopecia temporanea a dosi moderate da 3 a 5 Gy, o alopecia permanente a dosi più elevate, superiori a 7 Gy. Con dosi superiori a 25 Gy c'è necrosi. La tabella 1 riassume le reazioni cutanee e mostra la soglia per ogni caso e le settimane di comparsa. Queste informazioni sono essenziali nelle applicazioni cliniche delle radiazioni ionizzanti, e quindi la fluoroscopia, l'angiografia, la tomografia e la digitalizzazione nella diagnosi con i raggi X e la radiografia pediatrica sono di grande preoccupazione.
Tabella 1. Reazioni cutanee
Danni Dose di soglia nella pelle (Gy) Settimane di aspetto
Eritema transitorio precoce 2 < 1
Depilazione temporanea 3 3
Eritema principale 6 1,5
Depilazione permanente 7 3
Pelatura a secco 10 4
Fibrosi invasiva 10
Atrofia dermica 11 >14
Telangiectasia 12 >52
Pelatura a umido 15 4
Eritema tardivo 15 6-10
Necrosi dermica 18 >10
Ulcera secondaria 20 >6
Irradiazione della regione addominale
Il danno più grave causato dall'irradiazione addominale è il rivestimento epiteliale dell'intestino tenue. Le dosi superiori a 15-20 Gy nell'addome sono letali. Dopo una dose inferiore a questo intervallo, la rigenerazione è rapida e ritorna alla normalità in 21 giorni.
Irradiazione gonadica
Ci sono informazioni dettagliate sulla sensibilità radio e sulla cinetica cellulare nel testicolo per dosi comprese tra 0,08 e 6 Gy. Si va da una diminuzione dello spermatogonio ad una diminuzione degli spermatozoi. Dopo una dose di 6 Gy appaiono solo gli spermatozoi dopo 17 mesi e il loro recupero avviene fino a 5 anni dopo. Nelle ovaie, dopo una singola dose di 2-6 Gy, si verifica una sterilità temporanea. Con l'avanzare dell'età le donne sono più suscettibili e la soglia di sterilità permanente diminuisce con l'età.
Irradiazione della testa
L'irradiazione intensiva della testa causa la morte in pochi minuti o ore. L'insorgenza dei sintomi e il periodo di sopravvivenza dipendono dalla dose, dalla qualità delle radiazioni e dall'intensità dell'irradiazione. Da 50 a 1.000 Gy provoca lesioni al sistema nervoso centrale e la morte entro 1 o 2 settimane. Da 20 a 50 Gy c'è una grave necrosi cerebrale, e la morte segue entro mesi o anni; la soglia è di 20 Gy. Da 15 a 20 Gy, la morte avviene dopo 14 giorni, ma se la regione irradiata è l'orofaringe, si suggerisce l'alimentazione artificiale in modo che l'ulcerazione delle mucose scompaia, che richiede tre settimane. Con dosi inferiori a 15 Gy si ha una diminuzione della funzione pituitaria, un basso livello di somatotropina e i valori normali vengono raggiunti dopo 6 mesi fino a 12 mesi; inoltre, la cataratta compare nel cristallino.
Effetti sugli occhi
Di tutti i tessuti dell'occhio umano, il cristallino è il più sensibile alle radiazioni. Ci sono due tipi fondamentali di effetti: l'opacità, che è la conseguenza del danneggiamento delle cellule dell'epitelio della lente anteriore, e la produzione di cataratta. Una singola dose da 0,5 a 2 Gy produce opacità, e 5 Gy e oltre produce cataratta grave.
Sindrome da radiazioni acute dovute alla sovraesposizione di tutto il corpo
Consiste nella risposta di tutto il corpo all'irradiazione dopo una sovraesposizione di tutto il corpo, ed è espressa secondo la dose in: sindrome del midollo osseo (emopoietica) tra 1 e 10 Gy, sindrome gastrointestinale da 10 a 50 Gy e sindrome del sistema nervoso centrale maggiore di 50 Gy. In tutti i casi ci sono quattro fasi: prodromica, i cui sintomi sono nausea, vomito, diarrea, mal di testa, vertigini, tachicardia, irritabilità e insonnia, e possono durare da minuti a giorni; latente, durante la quale non ci sono sintomi e può durare da ore a settimane; critica, c'è la malattia manifesta; e infine il recupero o la morte. I sintomi si manifestano secondo il sistema danneggiato. La dose letale 50/30 è chiamata la "dose che causerebbe la morte del 50% della popolazione in 30 giorni" e il suo valore è di circa 2-3 Gy per gli esseri umani in irradiazione di tutto il corpo.
Sindrome del midollo osseo
Con una dose superiore a 10 Gy, la morte avviene in poche ore o giorni; non esiste una terapia adeguata. A dosi inferiori a 1 Gy, la sindrome del midollo osseo, sebbene letale, è curabile.
Lo stadio prodromico si manifesta con nausea, vomito e diarrea; la latenza si verifica tra i giorni e le tre settimane e poi si verifica la pancitopenia, che si verifica a causa di una diminuzione dei tre tipi di cellule del sangue: anemia (diminuzione dei globuli rossi), leucopenia (diminuzione dei globuli bianchi) e trombocitopenia (diminuzione delle piastrine).
Sindrome gastrointestinale
Sono necessari da 10 a 50 Gy e il danno irreversibile si verifica in due sistemi: la mucosa intestinale e il midollo osseo. I sintomi nella fase prodromica comprendono perdita di appetito, nausea, vomito e diarrea; la condizione migliora dopo due o tre giorni (fase di latenza), poi nausea, vomito e diarrea ricompaiono, e la morte si verifica dopo due settimane.
Sindrome del sistema nervoso centrale del cervello
Dopo una dose compresa tra 50 e 100 Gy in tutto il corpo, la lesione del sistema nervoso centrale si presenta con uno stadio marcio attraverso sintomi come cefalgia, febbre e ipotensione, nausea, vomito e diarrea. Dopo 30 minuti compaiono sintomi psichici, come la confusione e l'irritabilità, e sintomi neurologici con perdita di coscienza. La latenza si verifica solo per poche ore; poi compaiono convulsioni e coma progressivo. La morte avviene entro uno o due giorni. Se la regione cefalica è protetta, la morte è dovuta principalmente a sintomi cardiovascolari e lesioni intestinali (Figura 10).
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Figura 10. Tempo di sopravvivenza dell'individuo irradiato in funzione della dose.
Effetti dell'esposizione prenatale
Con l'aumento del tempo di post-concezione, la sensibilità radio diminuisce. Non è facile stabilire un rapporto di causa ed effetto perché ci sono molti agenti teratogeni; pertanto, gli effetti sono non specifici e non unici per le radiazioni. Per quanto riguarda le radiazioni ionizzanti, esistono tre tipi di effetti: letalità, anomalie congenite (Figura 11) ed effetti molto tardivi (cancro ed effetti ereditari).
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Figura 11. Effetti dell'esposizione prenatale alle radiazioni.
Una dose fetale di 100 mGy può abbassare il QI. Le malformazioni hanno una soglia compresa tra 100 e 200 mGy o superiore e sono tipicamente associate a problemi del sistema nervoso centrale. La dose fetale di 100 mGy non è ottenibile con 3 scansioni pelviche o 20 esami radiografici convenzionali. Questo livello è raggiungibile con procedure di fluoroscopia pelvica interventistica o con la radioterapia. I rischi di esposizione prenatale legati al ritardo mentale sono i seguenti: tra le settimane 8-15 si verifica un grave ritardo mentale con un fattore di rischio di 0,4/Sv, poiché il sistema nervoso centrale è particolarmente radiosensibile e dalla 15a alla 25a settimana si verifica un grave ritardo mentale con un fattore di rischio di 0,1/Sv.
Effetti stocastici
Gli effetti stocastici si verificano dopo l'esposizione a dosi moderate o basse; la probabilità di questi effetti aumenta con la dose, ma a differenza degli effetti deterministici, non è la loro gravità che aumenta con la dose. Gli effetti stocastici non hanno una soglia e risultano da danni subletali ad una o più cellule. Questi effetti possono essere somatici o ereditari. L'effetto somatico stocastico è il cancro e dipende dal tipo di cellula irradiata, dal meccanismo dell'agente cancerogeno che lo induce e dal tipo di cancro che si origina. La conoscenza di questi effetti deriva da studi epidemiologici su popolazioni esposte, come i sopravvissuti a bombe atomiche, incidenti nucleari e radiologici, trattamenti medici o esposizione a radiazioni naturali. Per le radiazioni ad alta SLT gli effetti deterministici sono simili a quelli della bassa SLT ma la gravità e la frequenza sono maggiori, quindi l'EBR(D) aumenta con la diminuzione di D fino ad un valore massimo di mRBER per una data radiazione e tessuto; tuttavia, il valore mRB(deterministico) è inferiore all'EMR(stocastico) (Figura 12a) e per la morte cellulare l'EMR è 2-3 volte (Figura 12b). Le mutazioni possono essere di due tipi: nelle cellule somatiche, che colpiscono l'individuo irradiato stesso, e nelle cellule germinali, che possono colpire la prole dell'individuo esposto. Le mutazioni sono classificate in tre gruppi: mutazioni puntiformi (alterazioni della sequenza del DNA), aberrazioni cromosomiche strutturali (rottura dei cromosomi), aberrazioni cromosomiche numeriche (aumento o diminuzione del numero di cromosomi). La maggior parte delle trasformazioni neoplastiche non progrediscono verso il cancro, il che è attribuito al fatto che quasi tutte le cellule modificate muoiono dopo alcune divisioni cellulari, alcune cellule si differenziano e smettono di dividersi, la sequenza degli eventi di promozione e di progresso può non verificarsi nell'ambiente della cellula, e i meccanismi di difesa dell'ospite impediscono lo sviluppo delle cellule. La probabilità di carcinogenesi dipende dal numero di cloni inizialmente modificati, dalla malignità che è una funzione della dose e dalla gravità di un determinato cancro, che è influenzata dal suo tipo di localizzazione piuttosto che dalla dose. Il periodo di latenza è di diversi anni.
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Figura 12. Forma delle curve di dose-risposta per l'alta e bassa radiazione LET. ad induzione del cancro [3, 13]
Efficienza di dosaggio e fattore di velocità di dosaggio (DDREF)
Ai fini della radioprotezione, la Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica (ICRP) raccomanda l'inclusione di un fattore di riduzione chiamato fattore di efficacia della dose e del tasso di dose (DDREF) nei coefficienti di calcolo della probabilità di induzione del cancro dovuta a basse dosi, inferiore a 0,2 Gy e basso tasso di dose, inferiore a 0,19 Gy/h con radiazioni a basso LET. Il valore DDREF si ottiene dalla curva di risposta-probabilità dell'induzione del cancro rispetto alla dose assorbita per un dato organo o tessuto nell'intervallo di dose e tasso di interesse della dose. Una curva di risposta come quella mostrata in Figura 13 è considerata, ed espressa come
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Figura 13. Curva di risposta della probabilità di induzione del cancro.
Dove αL è la pendenza della linea che regola i dati ottenuti ad alta dose ed alta velocità di dose, e α1 è la pendenza della linea che regola i dati a bassa dose e bassa velocità di dose. Per le basse dosi e il basso tasso di dose è molto improbabile che gli eventi si combinino prima che i meccanismi di riparazione agiscano. La relazione dovrebbe essere lineare, così come la porzione iniziale della curva è lineare per le alte dosi. L'ICRP ritiene che per tutti i valori di dose equivalente e di dose efficace al di sotto dei limiti raccomandati per le radiazioni a basso LET, la relazione tra dose e probabilità di cancro radio-indotto è lineare. L'ICRP raccomanda un valore di 2, riconoscendo che si tratta di una scelta arbitraria ma conservatrice.
Guida ai principali effetti delle radiazioni in Cardiologia Interventistica
La tabella 2, in sintesi, specifica i principali effetti deterministici e la loro soglia negli organi a maggior rischio di subire dosi elevate nelle pratiche interventistiche e cardiologiche e, in generale, nelle pratiche cliniche guidate da radiografie.
Tabella 2. Riepilogo delle reazioni della pelle e del cristallino [14]
Alcuni effetti del tessuto cutaneo Effetti sul cristallino
Dose di soglia della lesione (Gy) Dose di soglia della lesione (Gy)
Eritema transitorio precoce 2 Opacità stazionaria dose singola 0,5 a 2
Depilazione temporanea 3 Cataratta grave progressiva Singole dosi > 5
Depilazione permanente 7 Cataratta grave progressiva Dose acuta > 7,5
Radiodermite essudativa 15 Cataratta grave progressiva Dose frazionata ≥ 14
Come si può vedere nella tabella 2, le dosi soglia nelle regioni della pelle e degli occhi, che sono gli organi più esposti nella pratica della cardiologia interventistica, sono notevolmente elevate e nella maggior parte dei casi nelle esposizioni acute.
Esistono altri tipi di malattie indotte dalle radiazioni, come la cardiopatia ischemica con infarto del miocardio, che sono state provate epidemiologicamente nei sopravvissuti alla bomba atomica e nei pazienti sottoposti a radioterapia, dove il cuore è coinvolto nel trattamento. D'altra parte, in relazione alle malattie cardiovascolari indotte da radiazioni a basse dosi, l'evidenza è complicata da studi epidemiologici e sarà necessario approfondire la loro classificazione [14, 15, 16].
In relazione agli effetti stocastici, che non hanno una soglia, in cardiologia interventistica, sono già stati considerati nelle raccomandazioni della pubblicazione ICRP 103 del 2007 [17] in fattori di peso per tessuto, che sono specificati nella tabella 3, dove il rischio radiologico è considerato negli organi più esposti in questo tipo di pratica clinica, come la tiroide, le ghiandole salivari e il cervello. Per quanto riguarda quest'ultimo, esistono studi statistici in cardiologi interventisti con tumori cerebrali con una maggiore probabilità di incidenza sul lato sinistro, fenomeno non osservato nella popolazione generale [18,19].
Tabella 3. Fattori di ponderazione per tessuto ICRP 103
Tessuto o organo WT ICRP 103
Gonadi 0,08
Midollo osseo rosso 0,12
Colon 0.12
Polmone 0,12
Stomaco 0,12
Vescica 0,04
Seno 0,12
Fegato 0,04
Esofago 0,04
Tiroide 0,04
Pelle 0,01
Superficie ossea 0,01
Cervello 0,01
Ghiandole salivari 0,01
Resto 0,12
Inoltre, i lavoratori esposti per motivi professionali in Cardiologia Interventistica hanno altri rischi professionali che vengono spesso osservati nella pratica, come le lesioni ortopediche derivanti da lunghe ore di lavoro con grembiuli al piombo e le lesioni del collo dell'utero causate da protezioni per la testa progettate per diminuire il rischio di cancro al cervello. Questi aspetti dovrebbero essere considerati nei programmi di salute sul lavoro [19, 20].
Conflitto di interessi
Nessuna.
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© 2020 Sociedad Colombiana de Cardiología y Cirugía Cardiovascular. Pubblicato da Elsevier España, S.L.U.
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