Interazione della radiazione ottica
con le strutture biologiche ed effetti
sulla salute
Gianni F. Mariutti
Dipartimento Tecnologie e Salute
Fondazione Sicurezza in Sanità
ISS - Roma
SIMLII, Sezione Apulo-Lucana
Aggiornamento in tema di Radiazioni Ottiche e Stress Lavoro - correlato
Bari, 8 ottobre 2010
Spettro elettromagnetico: Radiazione Ottica
Effetti fotochimici ed effetti termici
della radiazione ottica
Lo spettro della radiazione ottica è suddiviso, in ordine
decrescente di lunghezza d’onda e crescente di energia
fotonica, in 7 intervalli spettrali.
Nella ragione spettrale della radiazione infrarossa gli effetti
prodotti sono di natura termica, mentre nella banda
della radiazione ultravioletta sono di gran lunga
prevalenti quelli di natura fotochimica. La regione
spettrale del visibile rappresenta la banda di transizione
dove coesistono e si sovrappongono sia gli effetti
termici di natura deterministica sia quelli di natura
fotochimica.
Gli effetti fotochimici dipendono dall’esposizione radiante
efficace o “dose”, cioè il prodotto dell’irradianza efficace
o “intensità di dose” per il tempo di esposizione.
Quando un effetto dipende dalla dose e può essere
ottenuto, in alternativa, o mediante una intensità bassa
per un tempo lungo o una intensità elevata per un
tempo breve, purché resti costante il prodotto dei due,
esso soddisfa il principio di reciprocità
Gli effetti di natura termica non seguono il principio di
reciprocità e quindi a parità del prodotto dell’irradianza
per il tempo di esposizione possono corrispondere
risposte molto differenti; da nessun effetto a un danno
grave. Un piccolo aumento di temperatura (0,1° C) che
si protragga anche per un tempo molto lungo di norma
non produce alcun effetto rilevante. Viceversa,
un’esposizione di breve durata accompagnata da un
aumento di temperatura di alcuni gradi può provocare
danni significativi, alle volte irreversibili
Dall’assorbimento del fotone alla risposta
tissutale
Effetti molecolari dell’assorbimento
di radiazione ultravioletta
L’assorbimento di fotoni UV da parte di macromolecole
come il DNA, l’RNA, le proteine e i lipidi può provocare:
danni diretti, dovuti a modificazioni chimiche indotte
dall’assorbimento dei fotoni in dette molecole;
danni indiretti, prodotti attraverso la generazione
fotoindotta di specie ossidanti altamente reattive.
Danni molecolari diretti e indiretti
Danni diretti
Rottura della singola e della doppia elica del DNA;
Produzione di dimeri di pirimidine, in particolare dimeri di timina;
Produzione di fotoaddotti, in particolare il pirimidin 6-4
piramidone.
Alterazioni prodotte in larga misura dall’assorbimento di UV-C e
UV-B e potenzialmente mutageniche (mutazioni di vari
oncogeni e/o di geni oncosoppressori, il P53).
Danni indiretti
I principali bersagli degli ossidanti prodotti dalla RUV, in
particolare UV-B e UV-A, sono i lipidi, il DNA, le proteine, le
melanine.
Bersagli di elezione sono le membrane cellulari
(lipoperossidazione) e i mitocondri (inibizione della
respirazione mitocondriale).
Spettro d’azione
L’efficacia della radiazione nel produrre numerosi effetti
fotochimici e biologici non è uguale all’interno della regione
spettrale della RUV, ma varia in misura notevole con la
lunghezza d’onda.
Si definisce spettro d’azione un concetto fotofisico che stabilisce
la relazione fra un determinato effetto prodotto, nella
fattispecie, dalla RUV e l’efficacia relativa delle differenti
lunghezze d’onda nel produrlo. L’impiego dello spettro
d’azione presuppone che gli effetti prodotti dalla RUV di
differenti lunghezze d’onda siano additivi.
Lo spettro d’azione fornisce elementi importanti per stabilire se il
danno molecolare è di tipo diretto o indiretto.
Lo spettro d’azione non è lo spettro di assorbimento di un
cromoforo o di una struttura biologica.
La prima legge della fotobiologia
Per stabilire se un determinato effetto è direttamente prodotto
dalla radiazione ottica è conveniente fare riferimento alla
prima legge della fotobiologia, detta anche legge di GrottussDraper.
Affinché un determinato effetto fotochimico abbia luogo, è
necessario che il fotone sia assorbito dalla molecola
(cromoforo).
Ad esempio,non ci si può aspettare alcun effetto diretto sulla
retina se la radiazione non può raggiungerla perché assorbita
dalle strutture anteriori dell’occhio.
Riparazione dei danni e
disattivazione delle specie aggressive
–1Ai danni diretti e indiretti provocati dall’esposizione alla RUV
nella pelle irradiata si contrappongono vari fattori e
meccanismi endogeni di riparazione.
Due sono i percorsi che la cellula segue per rimuovere il danno
o le sue conseguenze. Il primo consiste nella riparazione
della molecola del DNA nel punto dove si è formato, ad
esempio, un dimero di timina, il secondo, invece, consiste
nella morte cellulare programmata o apoptosi.
Riparazione dei danni e
disattivazione delle specie aggressive
–2Nella cute è presente inoltre un complesso sistema antiossidante
composto da enzimi e antiossidanti chimici.
Antiossidanti enzimatici:
Superossido dismutasi (SOD);
Catalasi;
Glutatione perossidasi;
Tioredossina perossidasi.
Antiossidanti chimici:
Alfa-tocoferolo (vitamina E);
Acido ascorbico (vitamina C);
Beta-carotene (precursore della vitamina A);
Ubichinoni;
Glutatione;
Zinco-proteine.
Spettri di assorbimento nell’ultravioletto
Effetti della RUV sull’occhio e sulla
pelle
Gli effetti più importanti sull’occhio e sulla pelle che si
manifestano a seguito dell’esposizione alla radiazione UV
sono:
fotocheratocongiuntivite (180÷330 nm);
i danni al cristallino che possono accelerare l’insorgenza della
cataratta (290÷340 nm);
il danno retinico di natura fotochimica negli individui afachici
(300÷550 nm).
la fotoelastosi, effetto associato con il fotoinvecchiamento della
pelle (220÷440 nm);
la fotocancerogenesi cutanea (270÷400 nm);
l’eritema (200÷400 nm);
la pigmentazione adattativa (220÷380 nm);
effetti sul sistema immunitario (270÷340 nm);
le reazioni fototossiche e fotoallergiche (280÷400 nm).
Spettri d’azione: eritemigeno e
pigmentazione fotoindotta
Decorso temporale dell’eritema, della
pigmentazione adattativa e dell’iperplasia cutanea
Spettro eritemigeno normalizzato o
“standard”
AUMENTARE LA CONOSCENZA: ASSORBIMENTO
DELLA RADIAZIONE UV NELLE STRUTTURE OCULARI
Effetti della RUV sul sistema immunitario
Sono diversi, complessi e oggetto di attiva ricerca. Varie
evidenze sperimentali suggeriscono sia effetti
sfavorevoli sulla salute umana, sia utili applicazioni nel
trattamento di particolari patologie (trattamenti
fotodermatologici).
E’ dimostrato che la UV-B provoca immunosoppressione
locale e sistemica, cellulo-mediata, ma anche il rilascio
di citochine che modificano la risposta immunitaria e
infiammatoria.
Implicazioni possibili:
- aumentato rischio di tumori cutanei
- Maggiore suscettibilità a virus e batteri (riattivazione
Herpes Simplex)
Valutazione e controllo del rischio
La RUV può provocare effetti deterministici e stocastici.
Per limitare il rischio da esposizione professionale ci si ispira ai
tre principi basilari della protezione dalle radiazioni ionizzanti.
L’esposizione causata da una determinata applicazione o attività
è giustificata soltanto a fronte di un chiaro beneficio.
Quest’ultimo, evidentemente, non è identificabile con il
profitto;
L’esposizione deve essere mantenuta al livello più basso possibile
in base ad una seria analisi costo-beneficio che consideri
anche il costo complessivo delle misure di protezione;
Debbono essere definiti dei limiti di esposizione coerenti, allo
scopo di controllare ed armonizzare il livello di protezione
offerto a tutti i lavoratori esposti.
Limiti di emissione e limiti di
esposizione
Nella protezione dalla RUV ci si avvale di varie norme che
prevedono, fra l’altro, dei limiti.
Esistono due tipi di limiti: i limiti di emissione e i limiti di
esposizione.
I limiti di emissione riguardano la sorgente e sono, ad esempio,
quelli contenuti nella norma tecnica armonizzata CEI EN
60335-2-27 relativa alle apparecchiature per l’abbronzatura
della pelle.
I limiti di esposizione si applicano al soggetto esposto e sono
quelli, ad esempio, elaborati dall’ICNIRP e fatti propri dalla
Direttiva Europea per la protezione dei lavoratori dalla
radiazione ottica.
Radiazione infrarossa e visibile
L’energia dei fotoni nella regione spettrale del visibile
produce sia effetti fotochimici sia moti molecolari
dissipativi che si traducono in uno sviluppo di calore e
aumento della temperatura delle strutture assorbenti.
La radiazione infrarossa tipicamente innesca nelle molecole
moti vibrazionali, rotazionali e traslazionali che
complessivamente determinano un innalzamento della
temperatura. L’aumento di temperatura prodotto dalla
radiazione infrarossa può influire sulle reazioni
fotochimiche indotte dalla radiazione UV (visibile) e può
aumentare gli effetti dannosi della radiazione UV sulla
pelle.
Effetti della radiazione infrarossa e visibile
I vari tipi di danno da radiazione IR e VIS e le regioni
spettrali in cui essi si manifestano sono:
1. il danno retinico di natura termica (380÷1400 nm);
2. il danno retinico di natura fotochimica nell’occhio
fachico (380÷550 nm);
3. il danno di carattere termico sul cristallino da
esposizione alla radiazione IR-A e IR-B (800÷3000 nm);
4. il danno termico sulla cornea (1400 nm ÷1 mm);
5. le ustioni da effetto termico sulla pelle (380 nm ÷ 1
mm);
6. le reazioni cutanee da fotosensibilizzazione che, in
qualche caso, sono prodotte anche dalla radiazione
visibile (380÷700 nm).
Strutture a rischio nell’esposizione
alla radiazione infrarossa
Le strutture a rischio di effetti negativi da esposizione alla
radiazione infrarossa sono la pelle e l’occhio.
Interazione della radiazione IR
con la pelle
L’eritema “ab igne”
E’ prodotto dall’esposizione cronica o ripetuta a radiazione
IR di notevole intensità. Tale dermatosi è caratterizzata
da:
Iperpigmentazione cutanea reticolare
Teleangectasie
Atrofia epidermica
Vasodilatazione
Accumuli di melanina e emosiderina nel derma
Se croniche, dette lesioni evolvono e presentano
caratteristiche analoghe alle cheratosi e ipercheratosi
prodotte dalla RUV. Esse aumentano il rischio di tumori
cutanei invasivi, in particolare il carcinoma squamoso.
Possibili effetti dannosi della radiazione IR e
Visibile sull’occhio
Diversi sono i possibili effetti dannosi della radiazione infrarossa e
visibile sull’occhio.
Le strutture maggiormente interessate sono la cornea, il cristallino e
soprattutto la retina.
Detti effetti, in ragione della loro natura, possono essere classificati in
due distinte categorie:
Effetti di natura fotochimica
Effetti di natura termica
Gli effetti di natura fotochimica, ivi includendo anche quelli benefici
come la visione, sono prodotti “quasi”esclusivamente dalla
radiazione visibile, mentre gli effetti di natura termica, ovvero
correlati all’aumento della temperatura nelle strutture irradiate, sono
prodotti sia dalla radiazione visibile sia dalla radiazione infrarossa.
E’ necessario tuttavia considerare che l’effetto termico prodotto dalla
radiazione visibile si sovrappone sempre allo stimolo visivo.
Quest’ultimo, viceversa, non si verifica nell’esposizione alla sola
radiazione infrarossa (non visibile).
Fattori che influiscono sul danno oculare da
esposizione alla radiazione
infrarossa e visibile
I fattori che maggiormente influiscono nel determinare la
natura e l’entità del danno, nonché la sua localizzazione,
sono:
La lunghezza d’onda della radiazione
Il valore dell’irradianza
Il tempo di esposizione
Il diametro della pupilla
Le caratteristiche del fascio della radiazione incidente
La collimazione della radiazione etc.
Spettro d’azione del danno retinico da “luce blu”
(ICNIRP - ACGIH)
Conclusioni
Il notevole impiego di sorgenti di radiazione ottica nelle attività
produttive, la larga e crescente diffusione di processi che, a
causa
delle
alte
temperature
in
gioco,
emettono
contemporaneamente radiazione IR, VIS e UV di elevata
intensità ed il rilevante numero di lavoratori che operano in
ambiente aperto e sono esposti alla radiazione solare,
mostrano quanto sia importante considerare con la dovuta
attenzione i problemi di protezione dalle citate radiazioni
nell’ambiente di lavoro e di vita.
I dati scientifici attualmente noti riguardanti l’esposizione umana
alla RUV permettono di affermare che l’esposizione, in
rapporto a: valore efficace, profilo temporale, fattori
individuali di fotosensibilità etc., può produrre vari effetti acuti
di natura deterministica e aumentare il rischio di danni a
lungo termine, alcuni dei quali manifestano un prevalente
carattere stocastico. La rilevanza sanitaria dei danni da
esposizione alla RUV, anche quando essi non sono
adeguatamente quantificati è un fatto innegabile.
