EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI: Reazioni tessutali Effetti stocastici Giuseppe De Luca ISPRA

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Le radiazioni ionizzanti, interagendo con la materia vivente, possono trasferire la loro energia direttamente su macromolecole costituenti essenziali delle strutture biologiche o indirettamente su molecole di acqua, provocando la formazione di specie radicaliche molto reattive I radicali, a loro volta, reagiscono in tempi brevissimi con le molecole vicine provocando la rottura di legami chimici o l’ossidazione delle molecole interessate Azione diretta Azione indiretta

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Il bersaglio critico dell’azione lesiva delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare è la molecola del DNA nucleare Anche una singola traccia radiante (fotone o particella) che impatta sulla molecola del DNA può danneggiare uno o entrambi i filamenti della doppia elica

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Le radiazioni a basso LET (fotoni X, γ, ecc.) tendono ad essere più penetranti, ma il danno è prodotto pressoché esclusivamente per azione indiretta ed è più facilmente riparabile (es.: SSB) Le radiazioni ad elevato LET (part. α, frammenti di fissione, neutroni, ecc.) meno penetranti, hanno maggiore probabilità di produrre danno per via diretta, più cospicuo e meno facilmente riparabile (es.: DSB) Un’elevata quota del danno indotto da radiazioni al DNA è rappresentata da un insieme complesso di alterazioni chimiche derivante da una combinazione di danni indotti dalle tracce principali, da elettroni secondari e da specie radicaliche secondarie reattive SSB DSB

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Le cellule hanno una grandissima capacità di riparare il danno al DNA L’efficienza dei processi riparativi è tra i maggiori fattori determinanti gli effetti cellulari legati all’irradiazione Una volta che il danno è stato localizzato, vengono reclutate specifiche molecole di riparo del DNA (enzimi) che vanno a legarsi presso il sito di lesione I meccanismi di riparo sono vari: per i danni alle basi prevalgono i meccanismi di Excision Repair (Base Excision Repair (BER); Nucleotide Excision Repair (NER); Mismatch Repair (MMR)) ciascuno caratterizzato da uno specifico corredo enzimatico

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Nel caso della rottura del singolo filamento (SSB) o del doppio filamento del DNA (DSB) per il ripristino si utilizza, come stampo, il filamento complementare non modificato di DNA, oppure il cromosoma fratello Nella quasi totalità dei casi il danno al DNA indotto dalle radiazioni ionizzanti viene perfettamente riparato (riparazione senza errore) ad opera dei sistemi cellulari a ciò deputati e la cellula colpita può quindi continuare a funzionare e a riprodursi senza problemi In mancanza di un accesso all'informazione dello stampo, la riparazione del DNA può però essere soggetta ad errori

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Il danno radioindotto può essere così grave che la cellula non è più in grado di sopravvivere (morte in interfase, apoptosi) In altri casi la cellula è danneggiata in maniera importante ma è ancora in grado di riprodursi; le cellule figlie tuttavia potranno mancare di alcuni sistemi fondamentali per la riproduzione e la linea cellulare andrà incontro a morte (morte riproduttiva) Infine, la cellula irradiata può andare incontro a trasformazioni del genoma che, pur non conducendola a morte, producono delle mutazioni che a loro volta potranno essere trasferite nelle successive generazioni cellulari

Effetti delle radiazioni ionizzanti a livello cellulare Riparazione senza errori del danno cellulare 2. Morte cellulare in interfase 3. Morte riproduttiva 4. Riparazione imperfetta (con mutazioni) del danno

Effetti sanitari dannosi delle radiazioni ionizzanti La maggior parte degli effetti sanitari dannosi conseguenti all’esposizione alle radiazioni ionizzanti può essere raggruppata in due categorie: Reazioni tessutali avverse (Effetti deterministici) Effetti stocastici Altri effetti sanitari (patologie non neoplastiche tra cui patologie cardiache, ictus, disordini digestivi, patologie respiratorie) associati all’esposizione alle radiazioni ionizzanti non sono ancora sufficientemente ben compresi per poterli univocamente assegnare all’una o all’altra delle due categorie

REAZIONI TESSUTALI AVVERSE (Effetti deterministici )

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Si può affermare – anche se in modo un po’ semplicistico – che l’esposizione a dosi elevate di radiazioni ionizzanti, al di sopra di livelli noti, conosciuti come “soglie”, provoca l’insorgenza di reazioni tessutali avverse, spesso ad insorgenza precoce e con carattere di acuzie A questi effetti era stato attribuito il termine di “effetti deterministici ” con il significato di effetti determinati causalmente da eventi precedenti (ICRP Pubblicazione n. 60, 1991)

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) I progressi nelle conoscenze circa le modalità di reazione dei vari tessuti ed organi all’azione lesiva delle radiazioni e sulla possibilità di modificare l’andamento della risposta tessutale attraverso la somministrazione di specifiche sostanze (fattori modificatori della risposta biologica), hanno indotto a sostituire il termine di effetti deterministici con quello di “reazioni tessutali avverse” precoci o tardive del tessuto e dell’organo (ICRP Pubblicazione n. 103, 2008)

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Il meccanismo biologico elementare alla base delle reazioni tessutali avverse è rappresentato dalla morte di una quantità significativa di cellule di un determinato organo o tessuto, sufficiente a dar luogo a reazioni rilevabili Perché l’effetto raggiunga la rilevabilità clinica deve essere quindi eliminata o danneggiata una frazione definita di cellule del tessuto/organo: ciò determina l’esistenza di una dose - soglia caratteristica per lo specifico tipo di danno Superata la dose - soglia, via via che la dose assorbita aumenta si accresce la gravità degli effetti risultanti Morte cellulare in interfase Morte riproduttiva

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Si distinguono: Reazioni tessutali precoci (da alcune ore ad alcune settimane): si può trattare di reazioni infiammatorie (variazioni di permeabilità cellulare con edema tessutale, rilascio di istamina, ecc.) come ad es. l’eritema, ovvero di reazioni conseguenti alla perdita di cellule (es.: desquamazione degli epiteli, depressione del sistema emopoietico) per distruzione delle cellule staminali e progenitrici nei tessuti colpiti con conseguente riduzione transitoria o permanente delle cellule mature. Questo secondo meccanismo è tipico della risposta alle radiazioni di sistemi di cellule in fase di rapido rinnovamento (epidermide, mucose, sistema emopoietico, cellule germinative dell’apparato riproduttivo)

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Reazioni tessutali tardive (mesi, anni): sono definite generiche se avvengono a seguito di una lesione indotta direttamente nel tessuto bersaglio (es.: occlusioni vascolari che provocano la necrosi profonda di un tessuto) o consequenziali se avvengono come esiti di reazioni immediate (es.: necrosi cutanea conseguente ad ulcerazione ed infezione; occlusioni intestinali da ulcerazioni mucose, ecc.)

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Tra i tessuti più radiosensibili ci sono le gonadi (ovaio e testicoli), il midollo osseo ed il cristallino In generale per questi tessuti la relazione tra dose assorbita e incidenza dell’effetto sarà sigmoidale, con la frequenza (e la gravità) dell’effetto che aumentano al crescere della dose in presenza di una soglia di dose al di sotto della quale l’effetto non si manifesta Dose soglia

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Dose in grado di produrre l’effetto nel 100% degli esposti 100 50 Dose assorbita Dose Soglia: Dose in grado di produrre l’effetto nell’1% degli esposti Dose in grado di produrre l’effetto nel 50% degli esposti Frequenza percentuale dell’effetto

Reazioni tessutali (Effetti deterministici) Le soglie di dose per alcune reazioni a carico dei tessuti e organi maggiormente radiosensibili sono ben conosciute in quanto ricavate da esperienze in radioterapia ed in occasione di esposizioni accidentali alle radiazioni Si ritiene che nessun tessuto possa andare incontro ad una compromissione funzionale rilevante sotto il profilo clinico per assorbimento di dosi comprese nel range fino a circa 100 mGy (sia in forma acuta che in forma protratta e frazionata)

Tessuto ed effetto Soglia Dose totale ricevuta in una singola esposizione acuta (Gy) in esposizioni fortemente frazionate o protratte nel tempo Rateo di dose annua se ricevuta annualmente in esposizioni fortemente frazionate o croniche per molti anni (Gy/anno) Testicoli Sterilità temporanea 0,15 NA (non applicabile) 0,4 Sterilità permanente 3,5 - 6 NA 2 Ovaie Sterilità 2,5 - 6 6 >0,2 Cristallino Opacità visibili 0,5 – 2 5 >0,1 Riduzione del visus (cataratta) Soglia nell’intervallo tra 2 –10 Sv nel caso di irradiazione acuta >8 >0,15 Depressione dell’emopoiesi 0,5 >0,4

Reazioni tessutali (Opacità del cristallino) Nel corso degli ultimi anni sono stati pubblicati numerosi studi che suggeriscono come la lente possa essere molto più radiosensibile di quanto in precedenza stimato e che le opacità possano quindi verificarsi per esposizione a dosi molto inferiori alle soglie proposte In particolare risultati suggestivi sono stati ottenuti da studi su popolazioni esposte a radiazioni per motivi sanitari (diagnostici: CT scan o terapeutici: radioterapia); per motivi professionali (astronauti, piloti di aerei, “liquidatori” di Chernobyl; tecnici di radiologia; cardiologi interventisti) ovvero per motivi “ambientali” (coorte dei sopravvissuti alle esplosioni atomiche di Hiroshima e Nagasaki; bambini di Chernobyl; individui residenti a Taiwan in edifici costruiti con materiale di costruzione contaminato da Co 60)

Reazioni tessutali (Opacità del cristallino) Prendendo atto dei risultati degli studi più recenti, l’ICRP in una pubblicazione del 2012 (ICRP Statement on Tissue Reactions and Early and Late Effects of Radiation in Normal Tissues and Organs – Threshold Doses for Tissue Reactions in a Radiation Protection Context. ICRP Publication 118) ha, tra l’altro, rivisto al ribasso la soglia di dose (cumulativa) proposta per l’induzione di cataratta fissandola a 0,5 Gy ed ha inoltre proposto la drastica riduzione da 150 mSv/anno a 20 mSv/anno del limite di dose equivalente per il cristallino a seguito di esposizione professionale

(divisi per gli anni di esposizione) Tessuto ed effetto Soglia Dose totale ricevuta in una singola esposizione acuta (Gy) in esposizioni fortemente frazionate o protratte nel tempo Rateo di dose annua se ricevuta annualmente in esposizioni fortemente frazionate o croniche per molti anni (Gy/anno) Testicoli Sterilità temporanea 0,15 NA (non applicabile) 0,4 Sterilità permanente 3,5 - 6 NA 2 Ovaie Sterilità 2,5 - 6 6 >0,2 Cristallino Cataratta (riduzione del visus) ~0,5 (divisi per gli anni di esposizione) Depressione dell’emopoiesi 0,5 >0,4

Reazioni tessutali (Sindrome acuta da radiazioni) In caso di esposizione omogenea di tutto il corpo ad elevate dosi di radiazioni si può giungere alle conseguenze più gravi, fino alla morte dell’individuo per sindrome acuta da radiazioni La Sindrome Acuta da Radiazioni (SAR, nota anche come Malattia da raggi) si manifesta negli individui esposti ad alte dosi (> 1 Gy) di radiazioni ionizzanti al corpo intero o a parti estese del corpo con ratei di dose relativamente elevati (esposizione acuta) La morte è generalmente il risultato di una grave deplezione cellulare o di una grave disfunzione nei tessuti di uno o più organi vitali del corpo a seguito dell’irradiazione Per un essere umano adulto normale il valore mediano di LD50/60, è di circa 4 Gy, ma in letteratura ci sono stime che vanno da 3 Gy a 5 Gy. Cure mediche di sostegno possono incrementare il valore di LD50/60 fino a circa 5 Gy e probabilmente fino a circa 6 Gy se vengono impiegati anche i fattori di crescita

Reazioni tessutali (Sindrome acuta da radiazioni) Sindrome ematologica Il tessuto emopoietico (il midollo osseo e il timo, insieme con i tessuti linfatici secondari (linfonodi) e terziari (tonsille, milza, placche del Peyer, ecc.) è il sistema più critico e più sensibile in caso di esposizioni a dosi elevate di radiazioni che portano allo sviluppo di una SAR Il danno principale è conseguente all’arresto dell’emopoiesi: la deplezione delle cellule progenitrici conduce alla riduzione fino alla scomparsa dei granulociti funzionali a vita breve con aumentata suscettibilità alle infezioni, e possibili emorragie conseguenti alla piastrinopenia

Reazioni tessutali (Sindrome acuta da radiazioni) Sindrome gastrointestinale A dosi superiori a circa 5 Gy, si presentano effetti supplementari, compresi gravi danni gastrointestinali (colpite in particolare le cellule staminali delle cripte e cellule endoteliali dei capillari) che uniti al danno al midollo osseo emopoietico, possono portare a morte in 1 –2 settimane. Se una parte del midollo osseo e la maggior parte dell'intestino sono stati risparmiati (in caso ad es. di irradiazione non uniforme), allora dosi acute superiori ai 10 Gy ai polmoni, possono provocare un’infiammazione acuta (polmonite) potenzialmente letale. Nello stesso intervallo di dosi, si presenta anche il danno renale, se i reni sono stati irradiati.

Reazioni tessutali (Sindrome acuta da radiazioni) Sindrome cerebrovascolare A dosi ancora più elevate, superiori ai 15 - 20 Gy, si verifica danno acuto nei sistemi nervoso e cardiovascolare e la vittima muore per shock dopo pochi giorni Il danno vascolare e l’aumentata permeabilità capillare provocano un edema cerebrale ingravescente con aumento della pressione intracranica ed ulteriore danno tessutale, il risultato finale è il danno irreversibile a carico del sistema nervoso centrale con coma e morte nel giro di poche ore / pochi giorni

EFFETTI STOCASTICI

Effetti stocastici Mentre - come abbiamo finora visto - l’esposizione a dosi elevate di radiazioni dell’intero organismo o di parti di esso (organi, tessuti) provoca l’insorgenza di reazioni tessutali avverse spesso di natura acuta, sia le dosi elevate che le basse dosi di radiazioni possono provocare effetti stocastici caratterizzati, a livello di popolazione, da un aumento dell’incidenza di neoplasie o di effetti ereditari

Riparazione imperfetta (con mutazioni) del danno Effetti stocastici A seguito dell’assorbimento di dosi basse di radiazioni, la morte di una o poche cellule non determinerà nella maggior parte dei casi apprezzabili conseguenze per i tessuti. Per contro modificazioni genetiche o trasformazioni in cellule singole, conseguenza di danni al DNA non riparati o di riparazioni con errore, possono avere conseguenze anche gravi a medio - lungo termine (effetti stocastici) Esiste una probabilità finita che gli effetti stocastici si manifestino anche a dosi molto piccole e pertanto non si considera l’esistenza di alcuna dose-soglia per la comparsa degli stessi. Via via che la dose aumenta, aumenta la frequenza degli eventi ma non la loro gravità Riparazione imperfetta (con mutazioni) del danno

Effetti stocastici Gli studi epidemiologici e sperimentali forniscono, anche se con alcune incertezze, per gli effetti stocastici evidenze di rischio (aumento dell’incidenza di neoplasie e/o di effetti ereditari) connesso con l’esposizione a radiazioni a livelli di dose ≥ 100 mSv Pur non essendovi evidenze epidemiologiche e sperimentali di un aumento del numero di casi di neoplasie o di effetti ereditari indotti dall’esposizione alle radiazioni nel range corrispondente all’intervallo delle cosiddette basse dosi (< 100 mSv), l’ICRP ritiene tuttavia scientificamente plausibile assumere che l’incidenza delle neoplasie e degli effetti ereditari aumenti in modo direttamente proporzionale con l’aumento della dose assorbita negli organi e tessuti interessati a partire da qualsiasi dose diversa da zero

? Dati ottenuti dagli studi sui sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki (LSS)* e da altri studi epidemiologici *Follow up 47 anni per mortalità; 41 anni per incidenza ?

Effetti stocastici Il sistema pratico di radioprotezione raccomandato dall’ICRP e su cui è basato l’intero corpus di norme e regolamenti attualmente vigenti è fondato sull’ipotesi che - anche per dosi inferiori a circa 100 mSv - un dato incremento della dose produce un incremento direttamente proporzionale della probabilità di insorgenza di una neoplasia o di effetti ereditari attribuibili alle radiazioni. Questo modello dose-risposta è generalmente noto come relazione “lineare senza soglia” (modello o ipotesi LNT “Linear No Threshold”)

LNT

Meccanismi dello sviluppo tumorale da radiazione Il complesso processo multistadio della cancerogenesi può essere suddiviso nel modo seguente: Iniziazione: Entrata di una cellula normale in un percorso cellulare aberrante (stadio preneoplastico) che può condurre al cancro Promozione: Potenziamento della crescita e sviluppo di un clone prenoplastico di cellule iniziate Conversione maligna: Cambiamento da uno stato preneoplastico ad uno in cui lo sviluppo del cancro è probabile Progressione: Fasi successive di sviluppo neoplastico in cui le cellule acquisiscono proprietà che permettono uno sviluppo più rapido e l’acquisizione di caratteristiche invasive

Meccanismi dello sviluppo tumorale da radiazione Dati ricavati da modelli animali forniscono l’evidenza che il ruolo principale delle radiazioni nel processo multistadio di cancerogenesi si ha nella fase precoce (iniziazione) del processo tumorale, mentre le radiazioni sarebbero soltanto un debole promotore nello sviluppo del tumore. In linea di massima, l’elevato tasso spontaneo di instabilità e di danno al genoma che spesso caratterizza le fasi post-iniziazione tenderebbe a rendere queste fasi successive meno dipendenti dalle mutazioni indotte dalle radiazioni In generale sia i dati raccolti da popolazioni di individui esposti alle radiazioni ionizzanti che i risultati di studi sugli animali non suggeriscono che il processo tumorale radioindotto si sviluppi in modo insolito; manca attualmente l’evidenza della presenza di “firme mutazionali” specifiche da radiazione

Coefficienti nominali di rischio per neoplasie Sulla base dei risultati di studi epidemiologici su popolazioni esposte, sfruttando in particolar modo i dati di incidenza per particolari sedi oncologiche, sono stati calcolati i coefficienti nominali di rischio conseguenti all’esposizione a dosi note di radiazioni per ogni sito di interesse I rischi specifici di tutte le sedi e quelli totali sono calcolati facendo la media sui sessi e sulle stime di rischio esteso a tutta la vita dall’età dell’esposizione, in popolazioni rappresentative

Effetti stocastici genetici Con il termine “rischi genetici” si descrive la probabilità che effetti genetici dannosi si manifestino nella discendenza di una popolazione esposta a radiazioni Gli effetti sono espressi come aumenti delle frequenze di base di malattie genetiche nella popolazione per unità di dose Le malattie genetiche d’interesse sono sia quelle dovute a mutazione di singoli geni (malattie mendeliane) che quelle dovute a fattori multipli genetici ed ambientali (malattie multifattoriali) Sono prese inoltre in considerazione le malattie cromosomiche dovute ad evidenti alterazioni numeriche o strutturali dei cromosomi

Effetti stocastici genetici Esiste la consolidata evidenza che la classe predominante delle mutazioni radioindotte sia costituita da ampie delezioni multiloci del genoma E’ più probabile quindi che i principali effetti genetici avversi assumano la forma di anomalie a sviluppo multisistemico piuttosto che di malattie legate ad un singolo gene (malattie mendeliane) Soltanto una parte di tali eventi di delezione sarà compatibile con lo sviluppo embrionale/fetale e con la vitalità del prodotto del concepimento

Effetti stocastici genetici Dai vari studi epidemiologici su popolazioni umane esposte alle radiazioni ionizzanti, non emerge alcuna evidenza diretta che l’esposizione dei genitori alle radiazioni possa condurre ad un eccesso di malattie ereditarie nella progenie Vi sono tuttavia prove certe che l’irradiazione provoca effetti ereditari in animali di laboratorio Per questo motivo l’ICRP giudica prudente continuare ad includere il rischio di effetti ereditari nel sistema di radioprotezione

Effetti stocastici genetici La stima del rischio genetico da radiazioni è stata rivista al ribasso nella Pubblicazione ICRP n. 103, 2008 rispetto alle stime di rischio delle precedenti Raccomandazioni (Pubblicazione n. 60, 1991). Si stima ora che il rischio di effetti ereditari nell’intera popolazione correlabili con la dose alle gonadi sia intorno a 20 casi per 10000 persone per Sv, rispetto ai circa 100 casi per 10000 persone per Sv indicati nelle precedenti Raccomandazioni

Coefficienti nominali di rischio per neoplasie radioindotte In conclusione Sulla base dei dati di incidenza delle neoplasie radioindotte, la ICRP propone coefficienti nominali di rischio per neoplasie pari a: 5,5 x 10-2 Sv-1 per l’intera popolazione 4,1 x 10-2 Sv-1 per i lavoratori adulti (18 – 64 anni)

Coefficienti nominali di rischio per neoplasie radioindotte Il rischio nominale per gli effetti ereditari è invece stimato pari a : 0,2 x 10-2 Sv-1 per l’intera popolazione 0,1 x 10-2 Sv-1 per i lavoratori adulti (18 – 64 anni)

GRAZIE PER L’ATTENZIONE! giuseppe.deluca@isprambiente.it