Ruolo dei Fattori di
Rischio nelle malattie
MEDICAL CARE:
10%
HEREDITY: 16%
ENVIRONMENT:
21%
LIFESTYLE: 53%
exercise,
smoking, diet…
CAUSE FISICHE DI MALATTIA
RADIAZIONI
ionizzanti
eccitanti
TEMPERATURA
alta
bassa
ELETTRICITÁ
MAGNETISMO
SUONI ED ULTRASUONI
GRAVITA’
PRESSIONE ATMOSFERICA
METEREOPATIE
TRAUMI MECCANICI
RADIAZIONE
FENOMENO FISICO RELATIVO ALLA
PROPAGAZIONE DI ENERGIA NELLO
SPAZIO
EFFETTO PATOGENO SULL’UOMO E SUGLI
ORGANISMI VIVENTI
RADIAZIONI
1) Radiazioni corpuscolate
Trasporto di energia con trasporto di materia
e di carica elettrica
2) Radiazioni elettromagnetiche o
fotoniche
Costitutite da quanti di energia che si
propagano nello spazio con movimento
ondulatorio alla velocità della luce con
trasporto di energia senza trasporto di
materia o di carica elettrica
Radiazioni corpuscolate
Vengono emesse dalla disintegrazione di nuclei
instabili di determinati atomi come prodotto di
decadimento radioattivo spontaneo
Interazione della radiazione con la materia
Sono tanto più pericolose quanto più penetranti
Le particelle alfa formate da due protoni e due neutroni hanno forte
potere ionizzante ma bassa penetrazione a causa delle loro grandi
dimensioni. Di contro le particelle beta sono elettroni emessi dal nucleo e
hanno un minor potere ionizzante, ma una maggiore penetrazione rispetto
alle particelle alfa.
LA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA
La radiazione elettromagnetica è, dal punto di vista
dell'elettromagnetismo classico, un fenomeno ondulatorio
dovuto alla contemporanea propagazione di un campo
elettrico e di un campo magnetico, oscillanti in piani tra di
loro ortogonali. La radiazione elettromagnetica si muove
alla velocità della luce (300.000 Km/s) ma le onde
differiscono nella lunghezza d’onda λ e nella frequenza ν.
Le caratteristiche
Tutte le onde hanno le
seguenti caratteristiche:
Ampiezza: l'intensità della
vibrazione.
Frequenza: il numero di
onde che passano per un
punto in un secondo.
Lunghezza d'onda: la
distanza percorsa dall'onda
tra due picchi.
QUALI EFFETTI POSSONO ESSERE
CAUSATI DALLE RADIAZIONI?
Effetti fisici (esempio: aumento
temperatura)
Effetti chimici (esempio: reazioni di
rottura di legame, formazione di radicali
liberi)
Effetti biologici (esempio: cancerogenesi,
mutagenesi, teratogenesi)
Radiazioni elettromagnetiche
nella vita di tutti i giorni
•
•
•
•
•
•
•
Luce del sole
Linee di energia elettrica
Televisione e radio
Telefoni cellulari
Forni a microonde
Altri elettrodomestici
Applicazioni mediche
RADIAZIONI elettromagnetiche
LEGGE DI PLANCK
e= hn
e = hc/l
e= energia
h= costante di Planck
n=frequenza
l=lunghezza d’onda
c=velocità della luce
Fase fisica: effetti elementari
• Eccitazione: si ha quando la Rx incidente possiede
una energia < a quella del legame tra elettrone e
nucleo. In tal caso la Rx riesce soltanto a spostare
l’elettrone dal suo strato fondamentale ad uno
strato più esterno
• Ionizzazione: si ha quando la Rx incidente possiede
energia > a quella del legame elettronico. In tal
caso l’elettrone viene espulso dal suo atomo.
Eccitanti
La luce visibile, i raggi ultravioletti, i
raggi infrarossi, le µ-onde, le onde
radio
Ionizzanti
Radiazioni α, β
(di natura corpuscolare)
Radiazioni γ
(di natura elettromagnetica)
Radiazioni X
Raggi cosmici
Radiazioni
RADIAZIONI ECCITANTI
Ionizzanti
Eccitanti
Effetto Termico
Che
cos’è
la
luce:
La forma di energia usata per illuminare il mondo
si chiama luce. La luce, così come altre radiazioni
elettromagnetiche, è emessa da oggetti caldi o
ricchi di energia.
E' l'unica parte visibile dello
spettro elettromagnetico Vediamo un oggetto
quando riflette la luce verso i nostri occhi.
La luce si propaga alla velocità di 300.000 km al
secondo nel vuoto: nessuna cosa si muove più
velocemente. E' costituita da piccoli "pacchetti"
di energia chiamati quanti, ma i quanti possono
anche essere rappresentati sotto forma di onde.
Una radiazione elettromagnetica può essere di una singola lunghezza
d’onda (e allora si chiama monocromatica), ma normalmente è un
miscuglio di più radiazioni di diverse lunghezze d’onda e di diversa
energia.
Per provare questo, nel 1666 Isaac Newton fece un esperimento
entrato nella storia della scienza: l’esperimento del prisma, con il
quale dimostrò che la luce non è una entità omogenea, bensì è
composta di entità più semplici (le singole radiazioni monocromatiche).
L’arcobaleno
In natura è possibile vedere lo spettro dei colori dell'arcobaleno,
che si forma dopo una pioggia.
I colori sono visibili perchè la luce del sole passa attraverso le
piccole gocce di pioggia, che fungono da prismi.
Gli arcobaleni compaiono quando il Sole è a un angolo inferiore a 54
gradi sull'orizzonte. Per questo l'arcobaleno si vede di primo
mattino o alla sera.
Onde radio
Occupano la fascia dello spettro a grandi lunghezze
d'onda, sono utilizzate per le trasmissioni radiofoniche e
televisive.
Ripetitori radio e tv ricevono i segnali emessi da una
antenna trasmittente e li irradiano nello spazio dopo averli
amplificati.
Microonde
Le microonde invece, bucano la ionosfera e per questa ragione sono
utilizzate per le comunicazioni con i satelliti.
Si tratta di onde elettromagnetiche
esistenti in natura come le onde radio, ma con
una lunghezza d'onda assai inferiore: da circa
30 centimetri a un millimetro.
Oggi le microonde sono utilizzate in molti modi:
trasportano i programmi televisivi fra stazioni distanti circa
40 chilometri e permettono di scambiare segnali con satelliti,
scongelano e cuociono i cibi nei
forni a microonde
sono anche utilizzate dalle apparecchiature
radar
Il forno a microonde
Come funziona?
Le microonde fanno parte dello spettro elettromagnetico e la loro
frequenza si colloca tra quella delle onde all'infrarosso e quelle
radio e televisive. Gli scienziati, durante la seconda guerra
mondiale, scoprirono che le microonde usate nei sistemi di
communication potevano avere altri impieghi. In questi anni, quella
tecnologia primitiva, si è trasformata in un elettrodomestico da
cucina moderno e sofisticato. Nell'intercapedine del forno, un
magnetron trasforma l'energia elettrica a bassa frequenza in
microonde ad alta frequenza e manda questa forma di energia
concentrata, tramite una guida d'onda, all'interno dell'alimento.
L'energia provoca una vibrazione di 2,5 miliardi di cicli al secondo,
prevalentemente delle molecole d'acqua presenti nell'alimento,
facendo aumentare la temperatura per effetto della loro
rotazione.
Il radar
Il RADAR, acronimo di Radio Detecting And Ranging, è uno
strumento che permette di esplorare da un unico punto di misura
una vasta porzione di atmosfera. Il principio fondamentale del
RADAR si basa sulla riflessione delle onde radio. L'apparato, infatti,
irradia treni di micro-onde e ne riceve gli echi riflessi dagli ostacoli
che le stesse microonde trovano sul loro cammino. Il Radar, quindi,
funziona da trasmittente e da ricevente, e, inoltre, misura le
distanze in funzione del tempo trascorso fra la trasmissione di un
impulso e la ricezione dell'eco determinando infine la direzione
dell'ostacolo, detto in gergo bersaglio.
Nato durante la Seconda Guerra Mondiale
per scopi militari al fine di monitorare la
presenza e lo spostamento di aerei e navi, a
partire dagli '50 e '60 si iniziò ad
impiegarlo anche in campo meteorologico.
Radiazioni infrarosse
Gli infrarossi sono in linea di massima tutte quelle onde
elettromagnetiche che hanno una lunghezza d’onda
compresa tra un millimetro e 700 nanometri (un
nanometro è la milionesima parte del millimetro).
Gli infrarossi sono un sistema molto diffuso per la
trasmissione dei dati, basti pensare al telecomando della
televisione o dei cancelli automatici.
Utilizzano frequenze piuttosto elevate (intorno ai mille
GHz) che sono praticamente molto vicine a quelle della
luce, ed è per questo motivo che non attraversano mezzi
solidi e sono limitati a trasmissioni su brevi distanze.
RADIAZIONI INFRAROSSE
A carico dell’occhio possono causare
congiuntivite cronica.
Altra patologia caratteristica è la cataratta
(causata dall’effetto termico) a lenta evoluzione.
E’ frequente nell’industria del vetro.
Una temperatura di 46°C è sufficiente per la
comparsa di iniziale opacità del cristallino.
Gli ultravioletti
Produzione naturale: Sole
Produzione artificiale: lampade UV
Si distinguono in:
UVA: λ = 320-400 nm
UVB: λ = 280-320 nm
UVC: λ = 100-280 nm
Assorbimento UV
in alta atmosfera:
Effetti chimico-biologici:
ozono (O3) – inclinazione raggi
nubi - inquinamento
eccitazione atomi e molecole
materiali:
vetro opaco
acqua trasparente
abbronzatura - sintesi vitamina D
azione battericida
(penetrazione alcuni cm)
benefici...
... o malefici
eritemi - lesioni oculari
tumori alla pelle
UVC
100
200
UVB
300
UVA
400
Visible
500
600
700
800
DANNI BIOLOGICI
azioni dirette: azioni dirette sulle strutture
sensibili
azioni indirette : azioni mediate da sostanze
fotochimiche
(sostanze come le flavine e le porfirine in grado di
potenziare gli effetti delle radiazioni eccitanti assorbendo
e ridistribuendo energia alle molecole vicine )
Il bersaglio fondamentale delle radiazioni ultraviolette è il DNA
à Formazione dei DIMERI DI TIMINA
Meccanismi di riparazione
Dimerizzazione timina
Endonucleasi di riconoscimento
Endonucleasi di incisione
Endonucleasi di rimozione
DNA polimerasi
DNA ligasi
- Xeroderma pigmentosum
- Disordine ereditario autosomico recessivo.
- Estrema sensibilità ai raggi UV.
- Drammatica incidenza di cancro alla pelle
da esposizione ai raggi UV
- Neurodegenerazione, difetti della crescita.
EFFETTI DELLE RADIAZIONI ULTRAVIOLETTE
SULLA SALUTE UMANA
L’effetto biologico sull’uomo è condizionato dal fatto che pur
avendo una
λ discretamente piccola queste radiazioni hanno un
potere di penetrazione dei materiali biologici ridotto (decimi di
millimetro).
Pertanto gli effetti sono fondamentalmente a carico della cute e
dell’occhio con danni a breve e lungo termine
- EFFETTI PRECOCI:
di breve durata e reversibili
- EFFETTI TARDIVI:
invecchiamento precoce della cute,
tumori cutanei,
patologie dell’occhio
EFFETTI PRECOCI
Eritema da ultravioletto
Vasodilatazione dovuta a liberazione di mediatori
chimici dell’infiammazione (istamina ed altre
citochine).
ü Periodo di latenza (2-8 ore)
ü Persistenza del fenomeno fino a un giorno
ü Graduale comparsa di iperpigmentazione nei giorni
successivi
-occhio:
congiuntiviti
cataratta
retiniti
EFFETTI TARDIVI: cancerogenesi da UV
CARCINOMI CUTANEI: BASALIOMA, CARCINOMA A
CELLULE SQUAMOSE, MELANOMA
UVA hanno scarso potere genotossico mentre UVB sono in
grado di causare lesioni potenzialmente cancerogene
Il grado di rischio dipende da:
§ Tipo di raggi UV
§ Intensità dell’esposizione
§ Entità del “mantello protettivo” di melanina della cute che
è capace di assorbire la luce solare.
Pigmentazione della cute:
• Sintesi della melanina nei melanociti
• Traslocazione lungo i dendriti e trasferimento nei cheratinociti
La cute si difende dall’esposizione agli UV
- strato corneo
• Sintesi di cheratina
• Ispessimento cutaneo
– produzione di melanina
• effetto scavenger anti radicali liberi
• filtro
– produzione di ac. urocanico
• Prodotto metabolico dell’istidina
• filtro biologico
– sistema delle endonucleasi
PATOLOGIE DELL’OCCHIO
Le patologie oculari riguardano sia la parte interna
dell’organo sia le palpebre: carcinoma palpebrale,
irritazioni corneali, essiccamento,
cheratocongiuntivite attinica, cataratta, sono solo
alcune delle malattie che includono come fattore di
rischio, se non scatenante, le radiazioni
ultraviolette.
RADIAZIONI IONIZZANTI
Ionizzanti
Eccitanti
Effetto Termico
I raggi gamma
Quando si parla di onde elettromagnetiche di
lunghezza d’onda inferiore a 0,1 nanometri si
parla di raggi gamma. Questi sono i raggi che
portano le energie più elevate.
Sono devastanti per gli esseri viventi.
Fortunatamente, l’atmosfera terrestre li
blocca e impedisce loro di accedere al suo
interno. I Raggi X e quelli gamma sono
abbondantissimi nello spazio ed è per questo
che là, senza speciali protezioni, non può
sopravvivere alcuna forma di vita.
RAGGI X
Sono invisibili e si propagano nello spazio in tutte le
direzioni con andamento rettilineo, alla velocità di
300.000 km/sec
• Attraversano la materia subendo un’attenuazione
tanto maggiore quanto più elevati sono lo spessore, la
densità ed il numero atomico della materia attraversata
• Impressionano le pellicole radiografiche
• Provocano la fluorescenza di alcune sostanze
(platinocianuro di Bario)
• Nell’attraversamento della materia provocano
fenomeni di eccitazione e ionizzazione
Note storiche
I raggi X vennero scoperti accidentalmente nel 1895 dal
fisico tedesco Wilhelm Conrad Röntgen. Durante lo
svolgimento di alcuni esperimenti, rilevò la presenza di una
radiazione invisibile, ancora più penetrante della
radiazione ultravioletta. Chiamò tali raggi invisibili "raggi
X" alludendo alla loro natura ignota. Successivamente i
raggi X vennero spesso indicati anche col nome di raggi
Röntgen, in onore del loro scopritore.
Roentgen fece una radiografia delle
mani della moglie. Le ossa risaltavano
perchè impedivano ai raggi di
impressionare la lastra posta sotto.
Carcinoma del dorso della mano di
una donna di 57 anni che aveva
lavorato alla produzione di
apparecchiature a raggi X nei primi
anni della radiologia
Le ragazze del radio
SORGENTI
delle radiazioni ionizzanti
NATURALI
Raggi cosmici
Radionuclidi naturali
ARTIFICIALI
• Tubo a raggi X
(diagnostica)
• Acceleratore lineare
(radioterapia)
• Radionuclidi
(Medicina nucleare)
RADIAZIONI IONIZZANTI
Direttamente ionizzanti
(elettroni, protoni, particelle α)
Danno diretto
H 2O
Frammentazione del DNA
H+ + OH
Indirettamente ionizzanti
(neutroni, fotoni X e γ)
Danno indiretto
Generazione di radicali liberi in grado di attaccare
Macromolecole (DNA, RNA, proteine, lipidi…)
I RADICALI LIBERI sono atomi o molecole che possiedono un elettrone spaiato nell’orbita più
esterna.
à SONO INSTABILI
à SONO MOLTO REATTIVI
à TENDONO AD AVVIARE REAZIONI A CATENA
A) L’energia fornita dalle radiazioni può scindere
il legame covalente fra due atomi (scissione omolitica)
in modo tale che un elettrone rimane attaccato ad
una delle due parti.
I RADICAL LIBERI interagendo con una molecola
organica RH produrrà:
RH +OH.
R. + H2O
RH + H .
R. + H2
I RADICALI LIBERI ATTACCANO LE MOLECOLE
BIOLOGICAMENTE IMPORTANTI:
Ø PROTEINE – DNA - LIPIDI
H2O2
• Danno
alle basi
• Danno ai nucleotidi
• SSB
• DSB
• Ponti di collegamento
Principali Tipi di Danno al
DNA
Ionizing Radiation
Effetti delle radiazioni sugli organuli
cellulari
• RNA: l’RNA è radiosensibile, ma il danno che ne
consegue è meno grave, poiché le molecole di RNA
distrutte possono essere facilmente ricostruite
• Membrana cellulare: in seguito ad irradiazione, la cellula
si rigonfia di acqua a causa del danno alla membrana che
regola gli interscambi tra l’interno e l’esterno della
cellula
• Lisosomi: la distruzione dei lisosomi provoca lo
spandimento degli enzimi proteolitici in essi contenuti e
la conseguente autodistruzione della cellula
• Mitocondri: dosi moderate di radiazioni alterano la
struttura e la funzione dei mitocondri
Effetti delle radiazioni sugli organuli
cellulari
• E’ più sensibile il nucleo o il citoplasma?
Sicuramente il nucleo, data la complessità di struttura
degli acidi nucleici e la difficoltà nella riparazione del
danno radioindotto
DNA: la rottura delle catene molecolari può portare alla
perdita di interi “spezzoni”, oppure alla modificazione
della sequenza del messaggio
Effetti delle radiazioni sui tessuti
L’entità del danno è in rapporto:
• alla dose somministrata e al tempo in cui è
stata somministrata
• energia della radiazione
• sede ed estensione del campo irradiato
• pregressi traumi chirurgici e radioterapici
Non tutte le cellule sono
ugualmente sensibili al danno da
radiazioni
La sensibilità delle cellule alle radiazioni è
direttamente proporzionale alla loro
attività riproduttiva e inversamente
proporzionale al loro grado di
differenziazione morfo-funzionale
Radiosensibilità dei diversi tessuti
MOLTO
RADIOSENSIBILE
MEDIAMENTE
RADIOSENSIBILE
SCARSAMENTE
RADIOSENSIBILE
• Tessuto linfatico
• Midollo osseo
• Epiteli
• Gonadi
• Tessuti embrionali
• Pelle
• Endoteli
• Polmoni
• Reni
• Fegato
• Cristallino
• SNC
• Muscoli
• Osso e cartilagine
• Tessuto connettivo
Cos è la riparazione ?
È un processo di difesa nei confronti di un danno
È presente in tutti gli organismi studiati: batteri, lieviti, drosophila,
pesci, anfibi, roditori e uomini.
Riparazione mediante asportazione delle SSBs
Viene asportato il tratto di catena contenente il frammento
deficitario di DNA e viene utilizzata il filamento non alterato
complementare della catena per la risintesi del nuovo tratto di DNA.
• Riconoscimento della sede del danno e
incisione (endonucleasi)
• Risintesi (DNA-polimerasi)
• Asportazione della lesione (esonucleasi)
• Unione (ligasi)
Modi o tipi di riparazione
Riparazione esente
da errore
Riparazione
tendente all’errore
Non causa letalità o
mutazioni
Può provocare
mutazioni non letali o
letali
La cellula sopravvive
Insorgenza di neoplasie
Mancata
Riparazione
La mancata
riparazione è letale
Morte cellulare
Sindromi da irradiazione acuta
dell’intero organismo
L’irradiazione totale corporea si verifica per 3 condizioni:
-Esposizione ad una esplosione nucleare o accidentale
(periodo di latenza, periodo di evoluzione);
-Esposizione a piccole dosi continue per ragioni
professionali
-Radioterapia nel condizionamento al trapianto di midollo
osseo
EFFETTI CANCEROGENI
La più importante fonte di informazione è rappresentata
dall’epidemiologia:
essa infatti, oltre ad evidenziare un nesso causale tra esposizione
a RI ed induzione del cancro, è l’unica a consentire una
valutazione quantitativa del rischio nell’uomo.
Le principali popolazioni oggetto d’indagine
sono rappresentate dai sopravvissuti dei
bombardamenti atomici e incidenti nucleari e
dai pazienti sottoposti a trattamento
radioterapico.
Effetti della guerra nucleare
Chernobyl1986
il peggiore disastro da incidente nucleare nella storia!
Applicazioni in medicina delle radiazioni ionizzanti
… e le radiazioni non ionizzanti hanno molte
applicazioni in medicina
Applicazioni delle radiazioni non ionizzanti nella diagnosi …
Risonanza
magnetica
Ecografia
Imaging basato
sull’assorbimento e
l’emissione di
energia nel range
delle radiofrequenze
Immagini generate
dagli echi prodotti
nell’interazione
coi tessuti di un
fascio di ultrasuoni
… e nella terapia
Radiazione
visibile (laser)
Applicazioni chirurgiche
Radiazione
ultravioletta
Fotochemioterapia
+ Marconiterapia, terapia galvanica, ecc…..
Radiofrequenze
Terapia ”fisica”
