L'effetto secondario fotoelettronico: Aumento della ionizzazione dei raggi gamma nei tessuti viventi

Capitolo aperto di accesso peer-reviewed

L'effetto secondario fotoelettronico: Aumento della ionizzazione dei raggi gamma nei tessuti da elementi ad alto numero atomico

Di Christopher Charles Busby

Inviato: 3 settembre 2018 Recensito: 10 maggio 2019 Pubblicato: 23 luglio 2019

DOI: 10.5772/intechopen.86779 

Sommario

L'assorbimento dei raggi gamma è approssimativamente proporzionale alla quinta potenza del numero atomico di un elemento. Ciò solleva immediatamente la questione degli effetti di potenziamento della ionizzazione dei tessuti derivanti dalla produzione di fotoelettroni da parte di elementi ad alto numero atomico incorporati nel tessuto vivente. La questione è stata sollevata negli anni '50 in relazione al calcio nelle ossa, ma da allora ha ricevuto poca attenzione. Vengono presentati nuovi risultati, derivati dalla modellazione matematica effettuata presso l'Università dell'Ulster, della fotoemissione da nanoparticelle di oro e uranio. Questi mostrano che possono verificarsi significativi effetti di aumento della ionizzazione quando particelle incorporate di elevato numero atomico sono esposte a radiazioni gamma naturali di fondo, effetti che aumentano fortemente all'estremità inferiore dello spettro energetico, intorno ai 150 keV. Gli effetti devono verificarsi anche per le specie molecolari. Il problema generale è discusso, con riferimento alla letteratura, e sono derivati fattori approssimativi di incremento per l'effetto. Vengono esplorate le implicazioni per la selezione evolutiva degli elementi da parte della vita.

Parole chiave:
 raggi gamma ionizzazione efficacia biologica dose assorbita radioprotezione fotoelettrica secondaria fotoelettrica fotoelettrica effetto evoluzione

Capitolo e informazioni sull'autore

Autore

    Christopher Charles Busby*
        Ricerca ambientale SIA, Riga, Lettonia

*Indirizzare tutta la corrispondenza a: christo@greenaudit.org

DOI: 10.5772/intechopen.86779
Dal volume:
Uso delle tecniche delle radiazioni gamma in applicazioni pacifiche
IntechOpen Edito a cura di Basim Almayahi

 

1. Introduzione

La gamma è una radiazione elettromagnetica ad alta energia fotonica che viene assorbita dai materiali con una serie di conseguenze fisiche diverse. Il suo assorbimento porta alla generazione di tracce di elettroni veloci in grado di rompere i legami chimici nei tessuti viventi con la generazione di specie ioniche reattive e radicali liberi. Questi frammenti energetici possono poi, a loro volta, migrare dalla traccia di ionizzazione per reagire con altre molecole e ioni stabili. I processi complessivi provocano danni alle cellule viventi, sia per interazione diretta con una molecola, sia per effetti indiretti delle specie ionizzate o reattive, e questo può portare o alla morte cellulare o ad effetti genetici e genomici a valle che sono dannosi per la salute dell'individuo esposto. I meccanismi di danno genetico e genomico biologico che derivano dall'esposizione ai raggi gamma e all'esposizione ai raggi X sono descritti in letteratura e sono accettati da tutte le agenzie che si occupano del rischio da radiazioni [1, 2, 3]. In questo capitolo scriverò i raggi gamma, ma è da presumere che i processi di cui parlo si applichino anche ai raggi X.

È oggi generalmente accettato che gli effetti biologici dell'esposizione sono una conseguenza sia del danno diretto al DNA cellulare che dell'induzione di instabilità nel DNA cellulare attraverso un meccanismo che comporta la rilevazione della ionizzazione, espressa come una maggiore concentrazione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), generata dall'interazione dei raggi gamma con l'acqua. In entrambi i casi, il bersaglio biologico essenziale ed efficace per l'assorbimento dei raggi gamma (e in effetti di tutte le radiazioni ionizzanti) non è principalmente l'acqua, ma il DNA cellulare. Storicamente, il metodo sviluppato per valutare l'esposizione dopo il 1950 prevedeva la definizione di quantità basate sull'assorbimento di energia per unità di massa di materiale esposto a queste radiazioni fotoniche ad alta energia. Poiché la rilevazione e la quantificazione delle radiazioni gamma (e dei raggi X) è diventata più facilmente basata sulla ionizzazione dei gas (contatori Geiger Muller, contatori proporzionali e camere di ionizzazione e, successivamente, contatori a scintillazione), è stato un semplice passo quantificare l'assorbimento da parte dei tessuti viventi nello stesso modo. Così, per le radiazioni ionizzanti, la quantità di dose assorbita divenne la prima misura del rischio. Poiché è diventato chiaro che per le radiazioni fortemente ionizzanti, le radiazioni alfa e neutroniche che hanno una ionizzazione più elevata per unità di lunghezza della traccia, si deve tener conto della quantità successiva, dose equivalente, è stato introdotto un fattore di ponderazione, basato sulla densità di ionizzazione o sul trasferimento lineare di energia della radiazione. Tuttavia, ai fini di questo breve capitolo, la preoccupazione riguarda la dose assorbita e il suo calcolo ai fini della radioprotezione.

Chiaramente, dallo schema sopra riportato, è la densità di ionizzazione al DNA che è il fattore chiave che definisce il rischio di radiazioni. Ma la dose assorbita non misura questo. Nel modo in cui è stato impiegato dalle agenzie per il rischio di radiazioni, è una misura della densità di ionizzazione media su masse significative di tessuti e chilogrammi, modellata come acqua. La questione dell'anisotropia della densità di ionizzazione per l'esposizione interna alle particelle alfa e beta dei radionuclidi incorporati è stata affrontata altrove [4].

Il calcolo della dose assorbita presuppone che il tessuto in cui viene dissipata l'energia sia l'acqua o il suo sostituto tissutale equivalente. Poiché tutto l'assorbimento di energia fotonica da esposizione esterna viene convertito in ultima analisi in tracce di elettroni energetici nel tessuto, sia nel caso iniziale che come risultato del riassorbimento di fotoni da altre fonti secondarie (ad esempio Compton, Bremsstrahlung), la media di queste tracce su tutti i tessuti può sembrare ragionevole come un'approssimazione. Ma ciò che questo fa (e questo è il problema qui esplorato) è che non riesce completamente ad affrontare o incorporare aumenti nell'assorbimento delle radiazioni fotoniche da parte di elementi con un numero atomico più alto di Z rispetto all'acqua o al materiale equivalente ai tessuti che è in gran parte assorbito dall'elemento Z più alto in esso contenuto, cioè l'ossigeno (Z = 8). Questo non avrebbe molta importanza se gli elementi di Z più elevati fossero distribuiti uniformemente nel tessuto: in tal caso, poiché l'assorbimento dei raggi gamma e dei raggi X aumenta molto rapidamente con il numero atomico, l'assorbimento complessivo potrebbe essere leggermente aumentato, ma dove un elemento Z elevato incorporato è chimicamente legato al DNA, il trasferimento di energia nel DNA diventa molto più grande di quello che viene assunto dalla dosimetria convenzionale. Un simile aumento della dose locale si verifica vicino alle nanoparticelle ad alta Z incorporate nei tessuti. Questa è un'area di preoccupazione interessante e importante che ha implicazioni sia per la sicurezza delle radiazioni che per lo sviluppo della terapia antitumorale. A parte alcuni lavori iniziali sulla maggiore densità di fotoelettroni vicino all'osso, sembra essere stato completamente trascurato. La questione è importante anche per la radioprotezione nell'industria nucleare e nell'esercito, soprattutto nel caso della contaminazione da particelle di uranio, forse il motivo per cui sono state fatte poche ricerche sull'argomento. Ci sono anche altre aree di interesse, implicazioni per le protesi mediche e anche per le argomentazioni sullo sviluppo dei sistemi viventi in generale.

 

2. L'assorbimento della radiazione gamma da parte della materia e l'effetto secondario del fotoelettrone

La radiazione gamma e la materia interagiscono principalmente attraverso tre diversi meccanismi, la dispersione Compton, la produzione di coppie e l'effetto fotoelettrico. I diversi contributi di questi all'assorbimento dipendono dal materiale assorbente, principalmente dal suo numero atomico Z e dall'energia quantistica E del fotone incidente, proporzionale alla frequenza E = hυ.

Nell'effetto fotoelettrico, l'energia fotonica incidente provoca l'emissione di un elettrone dall'elemento assorbente. L'elettrone ha l'energia del fotone assorbito meno l'energia di legame dell'elettrone. Per la radiazione gamma le energie di legame sono di secondo ordine, e l'elettrone di emissione trasporta quasi tutta l'energia gamma iniziale. Gli elettroni possono anche perdere energia nei processi secondari che avvengono all'interno dell'atomo. Per le energie inferiori a 1 MeV, l'effetto fotoelettrico predomina in gran parte. La figura 1 illustra gli effetti per energia gamma incidente.

 

 

Figura 1.

Contributi relativi dei principali diversi tipi di conversione di energia nei materiali a seguito dell'assorbimento dei fotoni a raggi gamma. Le curve specifiche si differenziano notevolmente per i diversi elementi, spinti dalla struttura elettronica dell'elemento. Si noti che il coefficiente di attenuazione è normalmente dato in cm2 g-1 e quindi incorpora la densità dell'elemento.

 

Così, per energie inferiori a 1 MeV, predomina l'effetto fotoelettrico. La sezione d'urto per l'effetto fotoelettrico è approssimativamente proporzionale al numero atomico Z alla potenza di cinque e all'energia fotonica incidente alla potenza di -7/2 [5]. La forte dipendenza della generazione di fotoelettroni da Z solleva immediatamente l'interesse per la conseguente ampia variazione nell'assorbimento dei raggi gamma da parte di atomi e molecole ad alto numero atomico nei tessuti. Questa preoccupazione è legata alla gamma dei fotoelettroni e alla loro deposizione di effetti di ionizzazione vicino all'atomo. Per i fotoelettroni a bassa energia generati dai fotoni a bassa energia gamma e dai fotoni a raggi X, gli effetti saranno sempre più locali all'atomo, e se l'atomo è locale al DNA, ci sarà un miglioramento dell'efficacia radiobiologica dell'energia assorbita. Questo può essere definito l'effetto secondario del fotoelettrone. La SPE si verificherà anche in prossimità di particelle interne di elementi ad alta Z e in prossimità di strutture protesiche metalliche.

Il punto di partenza per l'esame di questo problema è la gamma di elettroni nel tessuto per l'energia degli elettroni. Questo può essere calcolato sulla base dell'approssimazione del rallentamento continuo (CSDA), e i risultati per le energie più basse per il tessuto muscolare sono riportati nella Tabella 1 [6]. Nelle regioni a bassa energia, gli intervalli di elettroni nel tessuto sono mostrati in Figura 2 .

Tabella 1.
Intervallo di rallentamento continuo r₀ in  g cm⁻² per elettroni di diverse energie in ossigeno, acqua e tessuto muscolare [6].

Figura 2. Sezioni trasversali di assorbimento dei raggi gamma per l'ossigeno (Z = 8) e l'oro (Z = 79).

Per gli elettroni di energia <500 eV, l'intervallo nel tessuto è dell'ordine di 1-10 nm [7]. Questo è dell'ordine delle dimensioni della molecola di DNA.

 

3. Assorbimento di fotoni da parte di elementi chimici

Le sezioni d'urto di fotoionizzazione con energia fotonica di bassa Z (ossigeno 8) e alta Z (Oro 79) sono mostrate in Figura 2 . Dalla Tabella 1 si può vedere che l'ossigeno può essere usato per approssimare l'assorbimento dei tessuti. Nella regione a bassa energia intorno ai 100 keV, è chiaro dalla Figura 2 che l'assorbimento (e quindi la produzione di fotoelettroni) dell'oro è di diversi ordini di grandezza maggiore del tessuto. La tabella 2 fornisce le sezioni d'urto di fotoionizzazione per una sezione di elementi di interesse [8].

Tabella 2. Sezioni trasversali di fotoionizzazione per una selezione di elementi di interesse a diverse energie incidenti nella regione a bassa energia di fondo naturale (granai) (approssimazione Hartree-Fock) [8].

 

Se l'assorbimento dei fotoni dei raggi gamma da parte degli elementi chimici varia così ampiamente, con una sezione d'urto così aumentata per gli elementi a Z più elevati, sembra chiaro che l'incorporazione di elementi a Z elevata nei tessuti viventi sarebbe essenzialmente dannosa. Ci sono prove dell'evoluzione a sostegno di questa idea, e di questo si parlerà più avanti. A parte i problemi di contaminazione dovuti a fonti antropogeniche e la questione delle procedure mediche, il problema si pone a causa della continua irradiazione di creature viventi da radiazioni di fondo naturali (NBR). Lo spettro gamma dell'NBR aumenta rapidamente per abbassare le energie, più o meno come la potenza -7/2 dell'energia. Dalla Tabella 2 , è chiaro che l'assorbimento di energia fotonica nella regione NBR (50 keV) dallo iodio è circa 3000 volte superiore a quello dell'ossigeno o dell'acqua/tessuto. È stato suggerito che questo può spiegare la radiosensibilità della ghiandola tiroidea [9]. Va notato di passaggio che i coefficienti di assorbimento alle energie tabulate non riflettono generalmente le differenze di assorbimento complessivo tra gli elementi a bassa e alta Z su tutto lo spettro energetico a causa delle discontinuità nell'assorbimento da parte degli elettroni d- e f-orbitali negli elementi più pesanti come l'oro e l'uranio. Queste discontinuità per l'oro sono chiare nella Figura 2 . Per l'oro, il fattore di aumento rispetto all'acqua alle quattro energie tabulate (10, 50, 100 e 150 keV) sono 246, 2592, 19.500 e 24.545. Variazioni simili nella sezione d'uranio sono evidenti per l'uranio che ha 45.000 volte la sezione d'urto del fotoelettrone a 150 keV rispetto all'ossigeno nell'acqua.

È chiaro da questo approccio che l'assorbimento determinante del tessuto vivente non è definito dall'acqua ma dagli elementi Z superiori presenti. Ciò è assolutamente vero per il ferro e lo iodio che devono formare centri per l'assorbimento dei fotoni e la produzione di fotoelettroni. Può quindi essere plausibile sostenere che per questo motivo i principali tumori associati alle esposizioni esterne alle radiazioni sono la leucemia e il cancro alla tiroide.

 4. Lo spettro energetico gamma della radiazione di fondo naturale

Poiché i fotoelettroni secondari saranno generati da tutte le esposizioni alle radiazioni gamma e poiché la densità di ionizzazione locale vicino all'atomo assorbente, alla particella o alla protesi metallica è la quantità di interesse, è chiaro che lo spettro energetico della gamma NBR è una componente importante di qualsiasi valutazione. La radiazione gamma esterna si degrada in energia quando passa attraverso i tessuti a causa dei vari processi che si verificano. L'energia viene persa dalla dispersione del Compton con conseguente produzione di un fotone Compton di energia inferiore a quella iniziale. Gli elettroni generati dall'effetto fotoelettrico perdono energia attraverso le collisioni e la generazione di fotoni Bremsstrahlung di bassa energia e così via. Così, più il fotone iniziale viaggia nel tessuto, maggiore è il numero di fotoni a bassa energia che ci sono nel mezzo. Lo spettro della radiazione di fondo naturale a Burnham-on-Sea, Somerset, Regno Unito, è riprodotto nella Figura 3 .

Figura 3. Spettro dei raggi gamma ottenuto sulla spiaggia di Burnham-on-Sea utilizzando un rivelatore 2-in. NaI (Tl) Scionix. Si noti il rollover a circa 60 keV.

Si noti il forte aumento del numero di fotoni a bassa energia: il cut-off è il risultato dell'assorbimento da parte della schermatura del rivelatore a scintillazione di ioduro di sodio drogato di tallio. La degradazione dell'energia fotonica all'interno del corpo umano può essere esaminata collocando un rivelatore di scintillazione isolato all'interno di un contenitore riempito d'acqua e confrontando lo spettro con quello ottenuto in aria. Lo spettro ottenuto in questo modo, che si confronta bene con quello impiegato da Pattison et al. (che ha tentato di modellare gli effetti del fotoelettrone nelle particelle di uranio [10]), è mostrato in Figura 4 . Il cut-off a bassa energia 15 cm all'interno della camicia d'acqua è dovuto all'assorbimento dei fotoni a bassa energia a corto raggio. Per sottrazione è possibile mostrare che il numero di fotoni a bassa energia aumenta all'interno della sfera d'acqua di 30 cm di diametro (usato per approssimare il corpo). Così, la curva di dispersione si sposta verso l'energia inferiore. L'aumento del numero di fotoni per energia è mostrato in Figura 5 .

 

Figura 4. Dispersione di energia nella regione a bassa energia 0-500 keV dei fotoni gamma di fondo naturale a 15 cm di profondità all'interno di un corpo umano. Basato su Pattison et al., Figura 3 e lavori inediti che utilizzano una sonda gamma confezionata con sacchetti d'acqua. Gli effetti di schermatura sulla dispersione primaria in aria sotto i 100 keV sono incerti, e la dispersione di energia dei fotoni all'interno del corpo è molto incerta.

Figura 5. Rafforzamento dell'energia fotonica a diverse energie al passaggio attraverso 15 cm di acqua. Fluenza fotonica interna divisa per fluenza fotonica esterna. Misure non pubblicate.

Ciò che è chiaro da questi risultati è che l'NBR fornisce principalmente fotoni a bassa energia. Risulta che il 60% dei fotoni NBR in aria hanno energia inferiore a 150 keV e il picco del numero di fotoni aumenta a bassa energia al di sotto di 50 keV. I fotoelettroni di questa energia hanno un intervallo CSDA medio ( Tabella 1 ) che è paragonabile alle dimensioni di una singola cellula o del nucleo di una cellula. Pertanto, un atomo ad alta Z in una cella amplifica continuamente l'NBR in proporzione alla sezione d'urto della fotoionizzazione mostrata nella Tabella 2 e fornisce una maggiore ionizzazione a quella cella o nucleo cellulare rispetto a quella calcolata usando il concetto di dose assorbita, che si basa sull'ipotesi che l'assorbitore sia effettivamente acqua (cioè ossigeno). Inoltre, l'efficacia biologica dell'NBR, il suo danno ai tessuti, sarà definita dagli atomi Z più alti del tessuto. Ciò varrà anche per altre esposizioni, per le radiografie, gli esami medici e le esposizioni a fonti antropogeniche, anzi l'intera gamma di esposizioni che sono regolate dalla legge sulla base degli attuali modelli di rischio. Sarà la posizione nel corpo di un atomo o di una particella ad alta Z rispetto al DNA bersaglio a determinare il rischio biologico. Si tratta di una radioattività fantasma: l'atomo è radioattivo in virtù del suo elevato numero atomico e dell'amplificazione della radiazione gamma NBR attraverso l'emissione di fotoelettroni.

 5. Particelle interne

La questione radiobiologica dell'emissione di fotoelettroni da parte di particelle ad alto numero atomico interno è stata sollevata nel 2005 da Busby in relazione alle armi all'uranio impoverito che creano particelle submicroniche respirabili all'impatto [11]. Ricerche in Iraq, dove le armi all'uranio impoverito sono state dispiegate nel 1991 e successivamente nel 2003, hanno dimostrato di aver causato alti livelli di effetti congeniti e cancro in una serie di studi sia di civili in Iraq che di veterani militari [12, 13, 14]. Le preoccupazioni sulla genotossicità delle particelle di UI hanno portato alla ricerca di un certo numero di gruppi nei primi anni 2000. Le ricerche di laboratorio hanno dimostrato che sia l'uranio che le particelle di uranio erano in grado di causare effetti genetici misurabili, rotture cromosomiche e così via [15, 16, 17]. In uno studio sui topi, sia le particelle di uranio che quelle di tungsteno incorporate hanno causato effetti cancerogeni locali [18]. Questi risultati sono stati esaminati a Busby [19, 20] e non saranno provati qui. Quelli che saranno presentati qui sono alcuni risultati di studi di modellazione matematica delle nanoparticelle effettuati presso l'Università dell'Ulster tra il 2009 e il 2012, che hanno esaminato la produzione di fotoelettroni da sfere di acqua, oro e uranio [21, 22].

5.1 Gli studi dell'Università dell'Ulster

L'emissione di fotoelettroni da nanoparticelle di acqua, oro e uranio è stata studiata da Elsaessar, Busby e Howard dal 2009 al 2012. I risultati preliminari sono stati presentati in una conferenza [21], e gli studi hanno contribuito a una tesi di dottorato [22]. È stato utilizzato il codice del CERN FLUKA. La geometria del fascio è mostrata nella Figura 6 , e nella Figura 7 sono riportati i risultati per le particelle di 10 nm di acqua, oro e uranio. Facendo riferimento alla numerazione nella Figura 7 , che è dalla presentazione della conferenza [21], la riga superiore della Figura 2a-c mostra le tracce di fotoelettroni indotte da un fascio di fotoni incidente di 150 keV che coinvolge 1000 fotoni nei casi di particelle d'oro e uranio di 10 nm di diametro, mentre per la particella d'acqua, il numero di fotoni è stato di 10.000. Così, è chiaro che le tracce di fotoelettroni di varie energie (lunghezze) indotte nelle particelle degli elementi ad alto numero atomico oro e uranio sono ordini di grandezza superiori a quelli dell'acqua. L'emissione di tracce secondarie di fotoelettroni dai tre materiali è approssimativamente in accordo con una quarta o quinta legge di potenza. La figura 2d-f mostra la deposizione di energia nelle particelle su una scala colorata data anche nella foto. E' immediatamente chiaro dalla Figura 7 come le particelle interne degli elementi ad alta Z risultino in un aumento dell'assorbimento della radiazione di fondo e la sua riemissione da parte dei fotoelettroni e il conseguente aumento del danno biologico relativo all'assorbimento da parte dei tessuti (acqua). A causa dell'auto-assorbimento dei fotoelettroni indotti, il pericolo esiste principalmente da particelle più piccole. I risultati per le diverse dimensioni delle particelle d'oro e tre diverse energie fotoniche sono mostrati in Figura 8 . Questo mostra la variazione della produzione secondaria di fotoelettroni con energia fotonica (100 keV, 250 keV, 500 keV e 1 MeV) in un bersaglio d'oro. La profondità di penetrazione dei fotoni diminuisce al diminuire dell'energia, ma il numero di elettroni che fuoriescono dal bersaglio aumenta.

Figura 6. Geometria del fascio e del bersaglio per i calcoli FLUKA. Un fascio di fotoni di diametro della sezione trasversale pari a quello di una particella di acqua, oro (Z = 79) e uranio (Z = 92) [21, 22].

 

Figura 7. Produzione secondaria di fotoelettroni in fuga (vista in due dimensioni a seguito di un fascio fotonico incidente di 100 keV in particelle di 10 nm di acqua (Z = 7,5) [ Figura 2a e d ], oro (Z = 79) [ Figura 2b ed e ] e uranio (Z = 92) [ Figura 2c e f ]). Qui sotto: deposizione di energia corrispondente. Calcolo di Montecarlo con 1000 fotoni incidenti per oro e uranio ma 100.000 per l'acqua [21, 22]. I numeri delle singole figure sono a partire da [21].

 

Figura 8. In alto: elettroni secondari / fotoni primari in particelle d'oro di diversi diametri ed energie fotoniche 2, 10 e 100 keV. Inferiore: elettroni per volume target / fotoni per proiezione del fascio per particelle d'oro di diversi diametri ed energie fotoniche di 2, 10 e 100 keV [21, 22].

Per esaminare la deposizione di energia fotoelettrica nel tessuto che circonda le particelle esaminate nell'analisi presentata nelle Figure 7 e 8, le particelle sono state modellate circondate da sfere d'acqua, e la deposizione di energia nelle sfere è stata ottenuta. In Figura 9 , i risultati per diverse energie fotoniche di 100, 250, 500 e 1000 keV sono presentati. Come l'energia fotonica è stata diminuita, anche la penetrazione è diminuita, come previsto, ma la densità di fotoelettroni nel volume locale vicino alla particella è aumentata. Questo non è inaspettato, poiché la gamma dei fotoelettroni sarebbe più corta con i fotoelettroni a bassa energia.

Figura 9. La variazione della produzione secondaria di fotoelettroni con energia fotonica (100 keV, 250 keV, 500 keV e 1 MeV) in un bersaglio dorato. La profondità di penetrazione dei fotoni diminuisce al diminuire dell'energia, ma il numero di elettroni che fuoriescono dal bersaglio aumenta [21].

I risultati dell'Ulster possono essere utilizzati per ottenere fattori di miglioramento per la produzione di fotoelettroni a partire da particelle d'oro e uranio di 10 nm di diametro rispetto ad una particella d'acqua della stessa dimensione. Questo fattore di potenziamento viene confrontato con un confronto della legge di quarta potenza nella Tabella 3 [19].

Tabella 3. Numero di fotoelettroni emessi a seguito dell'esposizione di una particella da 10 nm di acqua, oro e uranio a 100 fotoni keV.
Rapporto tra i numeri di fotoelettroni di oro e uranio e i numeri di fotoelettroni di acqua. Viene anche mostrato il rapporto previsto di Z4 [19].

 

La gamma dei fotoelettroni aumenta all'aumentare dell'energia dei fotoni, ma il numero di fotoni aumenta a bassa energia per la radiazione di fondo naturale, come è stato discusso in precedenza. Il compromesso è mostrato in Figura 10 . L'aumento della dose (energia per unità di massa) diminuisce rapidamente con la distanza dalla particella ad alta Z, ma è significativo nella regione del micron. I risultati per una particella di uranio a 400 nm sono riportati nella Figura 11 [19].

Figura 10. Percentuale di tutti i fotoelettroni con energie pari ai fotoni di radiazione di fondo naturale (diamanti blu) e gamma in tessuto in micron (triangoli rossi) (dai risultati presentati nelle Figure 5 e 6 ). Il trenta per cento di tutti i fotoni NBR ha un'energia <60 keV.

Figura 11. Aumento della dose (energia per unità di massa di tessuto) per distanza in nm da una particella di uranio di 400 nm.

La Figura 11 mostra l'aumento della dose vicino ad una particella di uranio di 400 nm incorporata nel tessuto ed esposta alla radiazione naturale di fondo. Per il metodo per ottenere questo, vedere [19].

5.2 Altri studi di modellazione dell'effetto fotoelettrico secondario

A causa dell'uso sul campo di battaglia delle armi all'uranio e del fatto che esistono altre fonti di particelle di uranio (di cui si parlerà più avanti), vi sono notevoli investimenti finanziari e militari per dimostrare che questi effetti fotoelettrici non sono biologicamente importanti. L'autore è stato membro del Ministero della Difesa britannico del Consiglio di Sorveglianza dell'Uranio impoverito [23] dal 2001 al 2005 e anche del Comitato britannico che esamina i rischi di radiazione da emettitori interni (CERRIE) [24]. Nel 2001 ha anche fornito prove alla Royal Society Committee on Depleted Uranium (Comitato della Royal Society sull'uranio impoverito). Nel 2009 un documento che descrive l'effetto secondario del fotoelettrone dal titolo "Phantom Radioactivity of Uranium" è stato inviato da lui stesso al presidente del Royal Society Committee che aveva pubblicato rapporti sull'argomento nel 2001 e nel 2002. Questi rapporti sostenevano che il DU [UI] non poteva avere effetti negativi sulla salute in quanto le dosi assorbite dalle particelle erano troppo basse [25]. Su suggerimento del presidente, Brian Spratt, il documento sul fotoelettrone è stato presentato al Journal of the Royal Society Interface e inviato per la revisione tra pari. I tre revisori consigliarono tutti che l'idea era importante e che doveva essere pubblicata. Nonostante ciò, il direttore della rivista, William Bonfield, ha rifiutato il giornale per "mancanza di spazio". Ciononostante, l'idea è stata successivamente presentata in una conferenza tedesca [9] ed è stata trattata dal New Scientist in un articolo del 2009 [26]. Poco dopo è apparso uno studio di Monte Carlo sulla stessa rivista che si era rifiutata di pubblicare l'idea originale, il Journal of the Royal Society Interface, di Pattison et al. sostenendo che non vi era alcun aumento della dose di particelle di uranio [10]. Un anno dopo, un altro studio di Monte Carlo è stato pubblicato da Eakins et al. del National Radiological Protection Board del Regno Unito [27]. Entrambi gli studi erano gravemente difettosi per vari motivi che saranno brevemente riassunti.

Pattison et al. hanno effettuato la modellazione di Montecarlo utilizzando un codice diverso da quello utilizzato da Elsaessar, EGSnrc [10]. Hanno modellato due dimensioni di particelle cilindriche e particelle cilindriche cave di 10 μ di diametro e lunghezza. Utilizzando fotoni di ingresso di 200 keV, hanno concluso che il miglioramento della dose era significativo e dell'ordine di uno a dieci volte. A parte il fatto che le particelle da loro modellate erano troppo grandi per rappresentare le particelle UI respirabili trovate in Iraq, e i fotoni in ingresso troppo energici, la chiave per respingere il loro approccio è stata la loro scoperta che l'aumento di dose era maggiore per le particelle più grandi, il risultato opposto a quello ottenuto all'Ulster. Questo perché il loro metodo consisteva nel fissare il volume sferico in cui i fotoelettroni venivano emessi e calcolare l'energia per unità di massa nel guscio anulare dell'acqua. Chiaramente, man mano che il diametro della particella si avvicinava al diametro del guscio d'acqua, la dose sarebbe diventata infinita, dimostrando che il metodo era privo di senso, ed è difficile vedere come il documento abbia superato i revisori.

Lo studio di Eakins et al. è stato condotto da dipendenti del National Radiological Protection Board (NRPB) del Regno Unito [27]. Hanno usato il codice MCNP5 per modellare una disposizione composta da sfere concentriche con la particella al centro e da gusci di tessuto che circondano la particella, come aveva fatto la modellazione dell'Ulster. Tuttavia, come Pattison et al., Eakins et al. hanno fissato il volume in cui l'energia del fotoelettrone è stata convertita in dose assorbita. Gli autori hanno comunque modellato una gamma di particelle di uranio, ottenendo miglioramenti di 3 volte a 100 nm di diametro e 20 volte per le particelle di 2,5 nm di diametro. Come lo studio di Pattison et al., si è trattato di un'analisi assurda, poiché avendo un volume fisso per l'assorbimento della dose, ma aumentando la dimensione delle particelle, il fattore di miglioramento alla fine diventa infinito.

 

6. Elementi ad alta Z e radioterapia oncologica

L'aumento della dose dovuta all'emissione secondaria di fotoelettroni da elementi ad alta Z non è un concetto nuovo; è solo che è stato ignorato ai fini della radioprotezione. L'idea di utilizzare elementi ad alta Z e la loro emissione di fotoelettroni per aumentare le dosi di radioterapia è stata avanzata da Matsudeira et al. che hanno misurato l'effetto di radio-amplificazione dello iodio sulle colture cellulari [28]. Nath et al. hanno incorporato lo iodio nel DNA cellulare con iododeossiuridina in vitro e hanno trovato un miglioramento delle radiazioni di circa 3 volte [29]. Herold et al. hanno iniettato particelle d'oro direttamente in un tumore seguito da irradiazione e hanno trovato che le cellule asportate avevano ridotto l'efficienza di placcatura [30]. Mello et al. hanno trovato che l'iniezione diretta del tumore con mezzo di contrasto iodato seguito da 100 kVp raggi X ha completamente soppresso la crescita dell'80% dei tumori nei topi [31]. Norman et al. hanno modificato uno scanner CT per effettuare radiografie di tumori cerebrali spontanei nei cani dopo l'iniezione di iodio e hanno trovato una sopravvivenza più lunga del 53% [32]. La radiazione di sincrotrone è stata utilizzata in combinazione con il farmaco cisplatino iniettato per il trattamento dei tumori cerebrali nei ratti [33]. La questione del meccanismo del cisplatino è rivisitata di seguito.

Il potenziamento del fotoelettrone con nanoparticelle ad alta Z è stato sfruttato nella radioterapia del cancro da Hainfeld et al. che hanno tentato di aumentare la dose somministrata ai tumori iniettando nanoparticelle d'oro a 1,9 nm nei topi [34]. Gli autori hanno anche fatto del metodo l'oggetto di un brevetto.

 

7. Effetti di aumento della dose radiobiologica da elementi molecolari e atomici ad alta Z

È curioso che storicamente l'emissione di fotoelettroni da parte di elementi interni ad alta Z nei sistemi abitativi abbia ricevuto pochissima attenzione. La questione delle dosi potenziate vicino alle ossa, a causa della maggiore concentrazione di calcio nell'osso, è stata affrontata già nel 1949 da Spiers [35], e lavori più recenti hanno esaminato anche l'emissione di fotoelettroni vicino all'osso [36]. Nel 1988 Castillo ha riportato ustioni e necrosi intorno ai fili ricostruttivi in pazienti affetti da cancro mandibolare [37], e Regulla et al. hanno impiegato un apparato di misurazione molto sofisticato per mostrare un aumento della dose fisica di circa 100 volte e un aumento biologico nel tessuto di 50 volte entro un range di 10μ da lamina d'oro [38]. Nonostante il lavoro sul miglioramento della radioterapia che è stato effettuato, nessun autore sembra aver messo in relazione la questione del miglioramento del fotoelettrone con gli effetti sulla salute. Una domanda ovvia deve riguardare le dosi potenziate di fotoelettroni vicino a strutture protesiche in metallo contenenti zirconio (Z = 40). L'elemento ha una sezione d'urto del fotoelettrone di 3,5E+3 a 150 keV rispetto al ferro (Z = 26) a 5,4 e quindi produrrebbe circa 650 fotoelettroni in più.

La questione principale su cui ci si deve concentrare è il potenziamento della dose al DNA da atomi o molecole ad alta Z che sono attaccati al DNA per affinità chimica. Se un atomo, uno ione o una molecola ad alta Z fossero attaccati al DNA, allora è facile prevedere che questo causerebbe un danno genetico maggiore, misurabile come effetti a valle come il cancro e le malattie congenite, ma anche rotture cromosomiche e aberrazioni cromosomiche. Il candidato ovvio è l'uranio, che come lo ione uranile è noto per legarsi fortemente al DNA fin dagli anni '60, quando iniziò ad essere impiegato come colorante cromosomico. Gli effetti genotossici dell'esposizione all'uranio sono ormai ben consolidati sia nelle popolazioni umane che negli studi in vitro [12, 13, 14, 15, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Non possono essere spiegati con l'attività alfa intrinseca, e infatti un esperimento ha rivelato effetti genetici in assenza di decadimenti alfa [20]. L'affinità dello ione uranile per il DNA è stata misurata, ed è significativa. Così gli effetti dell'uranio (Z = 92) sono una prova evidente degli effetti dei fotoelettroni secondari. Ma ce n'è un altro.

 

8. Cisplatino

Ci sono ulteriori prove dell'agente antitumorale cisplatino, cis-diamina-dicloro-platino (II). Il cisplatino è un agente chemioterapico di scelta dal 1978 e viene somministrato a più della metà dei pazienti affetti da cancro. La sua modalità d'azione è stata variamente descritta come "danneggiamento del DNA nucleare e arresto della divisione cellulare". Una recente revisione afferma: "Quasi 30 anni dopo che i suoi benefici clinici sono stati riconosciuti per la prima volta, gli studi continuano ancora nel tentativo di capire esattamente come funziona il cisplatino" [39].

Il cisplatino aumenta anche la radioterapia, vale a dire che la combinazione di cisplatino e radioterapia produce effetti terapeutici sul cancro molto più elevati rispetto ad entrambi gli agenti da soli. Questo è, naturalmente, un indicatore del meccanismo [33, 39]. Si suggerisce qui, sulla base di quanto scritto sopra, che il cisplatino, un semplice complesso planare diamino-dicloroquadrato di platino (II), si limita a fissare l'atomo di platino (Z = 78) al centro del DNA nucleare, dove le dosi di fotoelettroni secondari sono sufficienti a danneggiare fatalmente il DNA sia a causa della radiazione naturale di fondo che, nel caso della radioterapia, a causa dei fotoelettroni indotti. Se questo è il meccanismo, allora due suggerimenti sono ovvi: in primo luogo, l'uranio come acetato di uranile, per esempio, agirà anche come agente chemioterapico per il cancro e aumenterà la radioterapia allo stesso modo. Poiché si suggerisce che è l'aspetto ad alta Z del cisplatino la ragione della sua azione, altri agenti molecolari ad alta Z potrebbero essere ricercati o sintetizzati per agire come agenti chemioterapici in cerca di DNA.

 

9. Evoluzione

La questione dello spettro di elementi utilizzati dall'evoluzione della vita sulla terra è stata generalmente affrontata dal punto di vista della chimica fisica e più specificamente degli equilibri redox [40]. Ci può essere una spiegazione separata o aggiuntiva per il motivo per cui elementi ad alto numero atomico (ad esempio mercurio, bismuto, piombo, uranio) anche se spesso comunemente disponibili sulla terra non sono utilizzati dagli esseri viventi. Come è stato dimostrato, gli elementi chimici assorbono raggi gamma e raggi X di energia al di sotto di circa 250 keV circa in proporzione alla quarta potenza del loro numero atomico Z, e l'energia viene convertita principalmente in fotoelettroni e in elettroni di rinculo della trivella locale risultanti da riarrangiamenti interni nel caso di elementi ad alto numero Z. Per gli elementi immobilizzati all'interno di tessuti viventi, ciò si traduce in dosi più elevate per i componenti in prossimità di atomi o nanoparticelle ad alta Z rispetto a quanto si verificherebbe per lo stesso tessuto in assenza del contaminante. Pertanto, gli elementi ad alta Z, all'interno del corpo, agiscono come dispositivi per la messa a fuoco e l'aumento delle dosi di radiazioni naturali di fondo e dovrebbero essere visti come sorgenti fantasma di radioattività.

Se il fenomeno è significativo, allora sembrerebbe ragionevole che lo spettro contemporaneo degli elementi chimici utilizzati dai sistemi viventi sia stato prodotto da forze di selezione evolutiva che rispondono a tali danni potenzialmente critici.

È noto che gli effetti delle radiazioni ionizzanti sui sistemi viventi sono mediati dalla genotossicità. Il danno può essere visto come una conseguenza sia delle rotture a singolo che a doppio filo del DNA; la risposta alla dose (D) (E) può essere scritta come [41].

E=aD+bD2     E1

 

Ma per l'effetto fotoelettrico considerato, la dose (cioè la dose locale al DNA) può essere scritta in termini del numero atomico Z o degli elementi:

 
D=αZ4                 E2

e così

E=cZ4+dZ8         E3

 (a, b, c, α e d sono costanti arbitrarie). Per l'evoluzione si può ipotizzare che qualsiasi stress S che impedisca ad un individuo di riprodursi rappresenterà un effetto inibitorio della probabilità di sopravvivenza della specie. S può essere scritto in termini di concentrazione C dell'elemento nell'individuo e dell'effetto di radiazione sul DNA dell'elemento:

S=CE                    E4

 

S=C(cZ4+dZ8)        E5

Così,

C=Constant/(cZ4+dZ8)     E6

 Se il log della concentrazione di tutti gli elementi che si trovano nei sistemi viventi è tracciato contro il log del numero atomico Z, la teoria prevede una relazione approssimativamente lineare con pendenza compresa tra -4 e -8 a seconda dei contributi delle rotture a singolo e doppio filo nel DNA al fotoelettrone complessivo e alla genotossicità del rinculo. Naturalmente, la relazione proposta è per gli elementi non radioattivi o debolmente radioattivi e presuppone che contribuiscano solo gli effetti del fotoelettrone e Auger.

La Figura 12 mostra un grafico log-log della concentrazione degli elementi rispetto al numero atomico Z per l'uomo standard. I dati provengono dalla Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica [42].

 

Figura 12. Trama di log(C) vs. log(Z); indagando la relazione tra la concentrazione di elementi nell'uomo e il numero atomico Z. Nota H, Li, Be e B sono valori anomali significativi da una relazione per la quale la pendenza di log(Z) è -5,6 (R2 = 0,514, F-statistica = 65,23 su 1 e 41 gradi di libertà; p < 10-10).

 

I risultati ( Figura 12 ) per gli elementi di Z > 5 sembrano sostenere l'idea che la conversione fotoelettrica della radiazione naturale di fondo sia stata un effetto significativo nell'evoluzione. La pendenza della correlazione dei log è di -5,6, tra -4 e -8 come previsto, suggerendo che una componente significativa dell'effetto ha comportato rotture a doppio filamento del DNA e quindi una ionizzazione molto locale agli elementi. È curioso, infatti, come pochissimi degli elementi a disposizione della vita siano stati impiegati dai processi biologici: le nicchie evolutive si trovano generalmente occupate, ma chiaramente non quelle che prevedono l'utilizzo di elementi ad alto numero atomico. Ciò non è dovuto al fatto che questi elementi siano scarsi. Le concentrazioni crostali di uranio sono abbastanza elevate; c'è una quantità significativa di uranio nell'acqua di mare, ma il coefficiente di trasferimento per l'intestino (nei mammiferi) assicura che l'elemento sia escluso in modo abbastanza efficiente. Lo stesso vale per molti altri elementi ad alta Z che sono stati esclusi dai sistemi biologici.

È interessante notare che gli elementi litio, berillio e boro sono significativamente fuori dal rapporto, e questo deve essere affrontato dall'interno del concetto generale. Una spiegazione ragionevole è che tutti e tre gli elementi sono associati ad effetti di conversione dei neutroni, sia l'assorbimento di un neutrone in una reazione che produce una particella alfa (boro, ¹⁰B(n, α); cioè ¹⁰B + n = ⁷Li  + α; litio, ⁶Li (n, α)) o l'assorbimento di una particella alfa in una reazione che produce un neutrone (per esempio berillio, Be(α, n); ⁴He + ⁹Be = ¹²C + n). Sia le particelle alfa che i neutroni sono densamente ionizzanti e hanno un peso compreso tra 5 e 20 per l'efficacia radiobiologica nei modelli che valutano il rischio [41]. Le sezioni d'urto dei neutroni termici di questi tre elementi (in Barns, ¹⁰Be = 3840, ⁶Li  = 9400 e ⁷Be = 39.000) sono significativamente più alte di altri elementi Z superiori (²³⁸U = 2,7). La sezione d'urto dei neutroni dell'idrogeno è modesta (0,2), ma la concentrazione atomica dell'elemento nell'acqua garantisce un significativo assorbimento di neutroni e la produzione di protoni energetici per rinculo. La fluenza naturale dei neutroni di fondo a livello del suolo, prodotta dai raggi cosmici, è stata misurata a 46 cm⁻² h⁻¹ equivalente ad una dose di 10 nSv/h circa il 10% della dose complessiva di fondo [43]. Così, lo spostamento della "relazione di radiotossicità" verso sinistra di circa un ordine di grandezza corrisponde all'efficacia biologica relativa media dei neutroni e delle particelle alfa. Non sorprende quindi che questi elementi siano outlier nella correlazione lineare generale dei termini log e questo può essere interpretato come conseguenza dell'esistenza di un background naturale di queste radiazioni di neutroni.

Quindi, in generale, gli elementi ad alta Z non sono impiegati nella vita. Perché allora c'è l'utilizzo da parte dei mammiferi dell'elemento iodio (Z = 53)? I sistemi contenenti iodio (sangue, tiroide) sono quelli clinicamente più sensibili all'esposizione alle radiazioni (per ragioni che emergono chiaramente dalle discussioni di cui sopra). È stato suggerito che la ragione per cui lo iodio è stato impiegato è che l'elemento viene sfruttato per la sua qualità di rilevamento delle radiazioni e che la tiroide media un sistema di indirizzo dei danni da radiazioni indotte attraverso l'upregolazione dei geni associati alla sorveglianza e alla riparazione cellulare [9].

Infine, le relazioni qui discusse si ottengono anche per le piante. Le piante non sono in grado di muoversi per evitare l'esposizione alle radiazioni e ci si potrebbe aspettare che riflettano le risposte agli stress evolutivi. La relazione tra il numero atomico e la concentrazione ottimale degli elementi per far prosperare le piante si è dimostrata conforme alla stessa relazione [9]. La correlazione è data in Figura 13 .

Figura 13. Concentrazioni minime di elementi minerali essenziali per le piante necessarie per una crescita ottimale in funzione della quarta potenza del numero atomico Z. Il punto di dati dell'uranio si basa sul rilevamento dell'uranio in una vasta gamma di piante [9].

10. Osservazioni varie e ulteriori ricerche suggerite

L'amplificazione secondaria del fotoelettrone della radiazione gamma da parte di diversi elementi nei sistemi viventi ha importanza nella dosimetria della radiazione. Per qualche inspiegabile ragione, l'assorbimento degli elementi è stato completamente omesso dai calcoli della dose assorbita pubblicati da agenzie di rischio radioattivo come la Commissione Internazionale per la Protezione Radiologica (ICRP) che basa le sue raccomandazioni dei limiti di dose esterna su fantasmi equivalenti all'acqua e ai tessuti. Inoltre, la radioattività del fotoelettrone fantasma da questo effetto ha una notevole applicazione all'elemento uranio, la cui genotossicità è stata dimostrata in un gran numero di pubblicazioni. Ciò vale in particolare per le particelle di uranio interne, generate dall'uso delle armi, dalle pile delle centrali nucleari, dai test atmosferici nucleari globali, dal ritrattamento del combustibile nucleare e dalla produzione di combustibile di uranio. Tutte le agenzie ufficiali del rischio modellano l'uranio sulla base della sua bassissima radioattività alfa intrinseca e concludono che non può comportare il rischio che chiaramente comporta.

La base dell'attuale modello di rischio di radiazione è lo studio della durata della vita dei sopravvissuti alla bomba atomica giapponese, la LSS. Una delle principali cause di confusione per le coorti della LSS, da cui dipende l'attuale modello di rischio, è stata la pioggia nera post detonazione, che consisteva di particelle di uranio provenienti dalle armi [44, 45]. Sulla base delle argomentazioni e delle prove presentate in questo capitolo, le esposizioni alle particelle di uranio di tutti i diversi gruppi di dose che sono stati utilizzati per costruire una risposta di dose lineare rendono insicuro qualsiasi tentativo di utilizzare questi dati per definire il rischio di radiazioni. I risultati insoliti del cancro che sono emersi già nel 1970 hanno fatto sì che i ricercatori decidessero di scartare i gruppi non esposti non in città che sono anomalmente sani. Si è trattato di un errore, poiché questi erano gli unici gruppi non esposti alla pioggia nera, anche se senza dubbio la contaminazione residua avrà causato esposizioni per inalazione dopo che sono entrati nelle città, alcuni mesi e anni dopo la detonazione. La questione è stata sollevata da Busby 2017 [45]. Studi sui gruppi LSS basati su gruppi di controllo realmente non esposti nelle prefetture vicine effettuati nel 2009 hanno mostrato che i tassi di tumore in tutti i gruppi, specialmente nei gruppi a basso dosaggio nelle coorti LSS, erano significativamente alti [46].

Ciò che viene qui suggerito è che l'intera comprensione dell'interazione dei raggi gamma con i tessuti viventi deve essere ripensata. La ricerca deve essere condotta per quantificare la misura in cui alcuni elementi con elevati coefficienti di assorbimento dei raggi gamma e dei raggi X si legano al DNA e la misura in cui questo causa danni genetici e genomici a livelli di fondo e durante la radioterapia o altre situazioni di radiazioni esterne. È sorprendente che nessuno abbia messo in discussione il metodo che è stato sviluppato per valutare il danno da radiazioni fotoniche esterne, la semplicistica diluizione fisica basata sulla diluizione dell'energia in fantasmi d'acqua. Non è come se non ci fossero prove che questo possa essere un approccio non sicuro. La radiosensibilità della ghiandola tiroidea ricca di iodio avrebbe dovuto fornire indizi. Il meccanismo dell'agente antitumorale cisplatino avrebbe dovuto fornire indizi.

Le particelle ad alto numero atomico sono aumentate nell'ambiente negli ultimi 50 anni o più. Le particelle di platino emergono dai convertitori catalitici, le particelle di torio emergono dai filamenti di luce del gas e le particelle di uranio vengono rilasciate dalle centrali nucleari, dagli impianti di ritrattamento e da molte altre fonti. L'effetto del fotoelettrone secondario ad alta Z viene utilizzato nella terapia del cancro. C'è un intero campo di sviluppo in cui gli agenti antitumorali possono essere sintetizzati per legarsi al DNA e portare una testata ad alta Z.

Infine, si suggerisce che ci sia un semplice esperimento che dimostri e quantifichi questo effetto. Si tratta di contaminare un sistema in cui il danno genetico può essere misurato con un sale di uranile, in modo che il DNA sia contaminato con l'uranio, e poi di irradiare il sistema con diverse dosi di raggi X o raggi gamma e poi misurare il danno genetico. Per escludere gli effetti delle particelle alfa, l'agente cisplatino potrebbe anche essere impiegato in un esperimento simile.

 

11. Conclusioni

Sebbene la forte dipendenza della resa dei fotoelettroni indotti dai raggi gamma e dai raggi X degli elementi dal numero atomico sia nota da più di 100 anni, le implicazioni per la radiobiologia sono state difficilmente affrontate. Questo capitolo mira ad aprire la questione e a richiamare l'attenzione sulla ricerca. In primo luogo, si può concludere che gli elementi ad alta Z, quando si trovano all'interno di tessuti viventi, rappresentano un punto focale per l'assorbimento della radiazione fotonica e che la densità di ionizzazione risultante vicino all'elemento è molto più alta di quella calcolata usando la dosimetria convenzionale come quella impiegata nella radioprotezione della corrente, come ad esempio [41]. Questo effetto, l'effetto secondario del fotoelettrone (SET), è più rilevante per gli elementi che hanno anche affinità per il DNA, bersaglio della genotossicità indotta dalle radiazioni. La radioattività intrinseca di tali elementi non è rilevante, come si può vedere dall'effetto genotossico e cancerogeno del farmaco cisplatino. I risultati della modellazione di Montecarlo effettuata presso l'Università dell'Ulster mostrano che le nanoparticelle ad alto numero atomico interiorizzato possono causare un'elevata ionizzazione locale nei tessuti viventi. Questi effetti sono maggiori per i fotoni a bassa energia come quelli dello spettro delle radiazioni di fondo naturale. Si suggerisce che questa possa essere una spiegazione per l'anomala genotossicità delle particelle di uranio che si trova in molti studi, ma che finora è stata scartata come effetto delle radiazioni sulla base della dosimetria convenzionale. Infine, un esame dello spettro degli elementi impiegati dai sistemi viventi rivela un interessante rapporto che mette in relazione la composizione elementare adottata dalla vita stessa con la sezione d'urto dei fotoelettroni degli elementi a disposizione dell'evoluzione. Questo rapporto, che segue la sezione d'urto del fotoelettrone ed è altamente significativo dal punto di vista statistico, suggerisce che i sistemi viventi sono squisitamente e criticamente sensibili alle radiazioni ionizzanti e hanno dovuto svilupparsi nel corso dell'evoluzione in modo tale da minimizzare i danni da ionizzazione indotti dalle radiazioni di fondo. Ci sono molte importanti conseguenze di questo approccio, ma le principali sono nel campo della valutazione del rischio da radiazioni e nella terapia del cancro. Si suggeriscono alcuni approcci ed esperimenti.

 

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