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Massimo Massimino e Roberto Siano Roberto
La radiazione in terapia
Laboratorio di Fisica nucleare
Docenti: Ezio Maina e Paola Arnaldi Suria
Contesto
Classe V di un liceo scientifico
Prerequisiti
• Meccanica classica
• Elettromagnetismo
•Cenni di struttura della materia
Obiettivi disciplinari
• Comprensione i meccanismi d’interazione delle varie tipologie
di radiazione con la materia
• Comprensione del concetto di ionizzazione diretta e indiretta
•Comprensione del fenomeno della perdita d’energia e
relazione con la distanza di penetrazione
•Conoscenza degli effetti delle varie tipologie di radiazione sul
corpo umano
•Conoscenza e comprensione dell’uso della radiazione in
diagnostica e in terapia.
Obiettivi generali
• Suscitare interesse per la fisica mostrandone le applicazioni
alla realtà e le implicazioni la vita umana
• Mostrare le notevoli possibilità interdisciplinari della fisica
Metodologia
• Lezione frontale introduttiva di 2 ore
• Discussione in classe di 2 ore
• Attività di approfondimento e di ricerca di gruppo a casa
•Discussione con l’insegnante di 2 ore
•Lezione frontale finale in cui si procede alla formalizzazione
dei concetti.
Meccanismi di assorbimento dell’energia
Fornendo energia ad un atomo (attraverso la collisione con un
fotone o un elettrone veloce) possono aver luogo due fenomeni:
Ionizzazione: l’atomo viene privato di uno dei suoi elettroni.
Essa avviene se la quantità di energia fornita è maggiore
dell’energia di legame dell’elettrone soppiantato.
Eccitazione: vi è il passaggio di un elettrone da un’orbita ad
un’altra più esterna, meno legata al nucleo. Essa ha luogo
quando la quantità di energia fornita è inferiore all’energia di
legame dell’elettrone colpito.
Tipi di radiazione
Radiazioni corpuscolate
Trasportano energia e materia. Tra esse si distinguono:
•Ioni positivi (particelle alfa, protoni)
•Elettroni e positroni (particelle beta)
•Neutroni
Radiazioni non corpuscolate o elettromagnetiche
Trasportano soltanto energia. Si manifestano nella forma di
fotoni.
Radiazioni ionizzanti
Trasportano energia sufficiente a produrre fenomeni di
ionizzazione di alcuni atomi del materiale attraversato. Il loro
passaggio lascia una traccia di atomi elettricamente carichi a
seguito dell’espulsione di un elettrone orbitale in ciascuno di
essi.
Radiazioni direttamente ionizzanti
Sono dotate di carica e di massa (particelle alfa e beta) e
producono coppie di ioni come conseguenza di successive
interazioni con gli atomi e le molecole del materiale cedendo
gradualmente la loro energia fino ad arrestarsi completamente.
Radiazioni indirettamente ionizzanti
(fotoni di alta energia e neutroni)
Cedono la loro energia in una o poche interazioni che danno
luogo alla produzione di particelle cariche, che causano la
ionizzazione degli atomi del mezzo.
Interazione radiazione materia
L’interazione tra una particella carica e la materia avviene
attraverso gli urti con gli elettroni o con i nuclei degli atomi che
la costituiscono.
Essa è causa di
trasferimento di energia cinetica (perdita di energia della
particella e ionizzazione o eccitazione degli atomi del materiale)
emissione di radiazione elettromagnetica legata alla deflessione
subita dalla traiettoria della particella (accelerazione)
Considerazioni sulla perdita di energia di una particella carica
Come mostra il grafico l’energia persa nell’unità di cammino è
massima in corrispondenza delle basse energie e che per le alte
energie tende ad essere costante e quindi indipendente
dall’energia stessa.
Se l’energia della particella è elevata rispetto alle energie di
ionizzazione degli atomi, allora ogni interazione con un
elettrone darà luogo ad una perdita di energia pari ad una sua
frazione minima. Ciò segue facilmente dal principio di
conservazione della quantità di moto. Si pensi all’urto di una
palla da biliardo con una bilia di vetro. La palla perde solo una
minima quantità della sua energia.
Relazione fra massa, energia cinetica e perdita di energia
Alcune considerazioni di natura fisica (principio di
conservazione della quantità di moto) ci permettono di ottenere
la relazione
-ΔEc/Δx è proporzionale a [-(mq2)/[2(Ec/Δx)]
, dove m è la massa della particella, EC la sua energia cinetica e
q la sua carica.
Da essa segue che
Le particelle massive (particelle alfa e protoni) perdono la loro
energia più rapidamente e, di conseguenza, percorrono un
tratto più breve nel materiale.
Elettroni e positroni percorrono nella materia distanze che sono
mediamente 100 volte più grandi di quelle percorse dalle
particelle alfa.
La perdita di energia aumenta al rallentare della particella,
raggiungendo un massimo alla fine del percorso (Picco di
Bragg).
Questo fenomeno è fondamentale per la precisione
nell’irraggiamento con protoni o nuclei più pesanti
Un fascio di particelle cariche può essere impiegato
efficacemente per distruggere cellule cancerogene situate ad
una data profondità del corpo senza distruggere le cellule sane,
soltanto se si sceglie accuratamente l’energia in modo tale che
la perdita di energia abbia luogo alla profondità voluta.
I fotoni
Effetto fotoelettrico (un atomo che assorbe un fotone emette un
elettrone atomico). Alta probabilità ad energie molto basse.
Diffusione Compton (il fotone cede una parte della sua energia
ad un elettrone atomico). Alta probabilità se l’energia del fotone
è grande rispetto all’energia di legame dell’elettrone
( per fotoni gamma 1MeV)
Produzione di coppie. Quando l’energia del fotone è maggiore
dell’energia totale di massa delle due particelle, 2mec2 = 1,02
MeV. In questo processo che si verifica in prossimità del nucleo
si crea una coppia elettrone-positrone
La probabilità che un fenomeno avvenga è data dalla sezione
d’urto.
I neutroni
Interagiscono con i nuclei atomici piccoli
Il loro percorso è molto lungo (con energie di pochi milioni di
elettron-volt possono percorrere distanze dell’ordine di un
metro in acqua o in un tessuto animale).
Subiscono un rallentamento da parte di nuclei o a causa di
reazioni nucleari per diffusione elastica.
In alcune di queste reazioni si produce l’emissione di un
protone o di un raggio gamma.
Effetti della radiazione ionizzante e loro misura
Uso di tre diverse grandezze:
•l’esposizione
•la dose assorbita
•la dose equivalente
Roentgen (R): misura l’esposizione con riferimento alla
ionizzazione prodotta in aria.
Sostituito dal rad (radiation absorbed dose), che misura la dose
assorbita. 1rad è la quantità di radiazione che cede 10-2 J/kg di
energia nella sostanza irradiata.
Nel SI si usa il J/kg) chiamato gray (Gy).(1 rad = 10-2 Gy)
Se un tessuto è esposto in un punto a 1 R, esso assorbirà circa 1
rad.
L’entità del danno biologico dipende anche dalla densità degli
ioni.
Se essi sono vicini come, nel caso della ionizzazione causata da
particelle alfa, l’effetto biologico è amplificato.
L’unità rem (roentgen equivalent in man) è la dose equivalente
che ha lo stesso effetto biologico di 1 rad di radiazione beta o
gamma. In simboli: 1 rem = 1rad ∙ QF, dove QF (il fattore di
qualità) è un fattore che è stato tabulato per le particelle alfa,
per i protoni e per i neutroni di diverse energie. QF vale 1 per i
raggi beta e gamma, vale 4 o 5 per i neutroni lenti, circa 10 per
i neutroni veloci e tra 10 e 20 per le particelle alfa con energie
tra 5 e 10 MeV.
Nel SI si usa il sievert (Sv).
1Sv = 1Gy ∙ QF
Si noti che
1 Gy = 100 rad
1 Sv = 100 rem.
Dosi
•sotto i 25 rem
nell’immediato.
sull’intero corpo non hanno effetti
•sopra i 100 rem danneggiano i tessuti emopoietici (tessuti
preposti alla produzione del sangue).
•sopra i 500 rem causano la morte in un breve lasso di tempo.
Non sappiamo valutare gli effetti a lungo termine conseguenti
all’assorbimento di dosi subletali assorbite in un lungo arco di
tempo.
Molto poco sappiamo degli effetti delle dosi a livelli molto
bassi.
Applicazioni della radiazione in diagnostica
•misure di volume(determinazione della quantità totale di
plasma sanguigno nel corpo) Una proteina ematica marcata
con una sostanza radioattiva viene iniettata nel circolo
sanguigno. La sostanza radioattiva si mescola col plasma in
maniera quasi uniforme. La misura della radioattività di un
campione di plasma permette di determinare di quanto si è
diluita la quantità di radioattività e quindi il volume totale del
plasma.
•studi dinamico-funzionali. Negli studi dinamico-funzionali si
misura la velocità con cui la tiroide, i reni, o altri organi
assorbono o eliminano una certa sostanza. Si può, per esempio,
misurare, attraverso un rivelatore posto in corrispondenza del
collo, la captazione da parte della tiroide, di un composto
marcato con 99mTc. La misura effettuata fornisce una
indicazione della funzionalità dell’organo.
•indagine morfologica con radiazione gamma, detta anche
scintigramma. Attraverso questo procedimento si ottiene
un’immagine bidimensionale dell’organo interessato, rivelando
la radiazione emessa da un radioisotopo assorbito dall’organo
stesso.
•La tomografia computerizzata è una tecnica radiologica
digitalizzata che permette di ottenere sezioni assiali o
paraassiali di spessori definiti del corpo umano con immagini
caratterizzate da un’elevata risoluzione di contrasto. I valori di
densità dei singoli elementi di volume in cui viene suddiviso lo
strato in esame vengono tradotti in corrispondenti valori della
scala dei grigi sull’immagine. In sostanza si produce una
trasformazione della mappa dei valori di attenuazione dei raggi
X in una mappa dei valori dei grigi.
•PET ( Tomografia ad Emissione di Positroni ) fa uso di isòtopi
emittenti del Carbonio, dell’Azoto e dell’Ossigeno che emettono
positroni. Permette studi in vivo di quasi ogni substrato
fisiologico o metabolico evitando di sezionare il corpo. Il
positrone emesso dal radiofarmaco si combina con un elettrone
della materia circostante per trasformarsi in energia
elettromagnetica (annichilazione). Le annichilazioni danno
origine a due raggi di uguale energia (511 KeV) emessi a 180°
l’uno dall’altro. La PET sfrutta questo fatto utilizzando un
sistema che richiede la simultanea rivelazione di entrambi i
fotoni di annichilazione. I rivelatori dei due raggi gamma sono
situati in opposizione all’oggetto contenente emettitori di
positroni. Vengono considerati soltanto gli eventi rivelati in
coincidenza da entrambi i rivelatori. Il sistema è così in grado
di individuare la posizione dell’emissione nello spazio in studio
Applicazioni della radiazione terapia
Radiazione usata per distruggere le cellule cancerose La
radiazione può essere somministrata dall’esterno, con
macchine a raggi X, sorgenti di 60Co, o in alcuni casi
utilizzando acceleratori di elettroni come sorgenti.
Aghi contenenti radio che vengono impiantati nel tumore ,
piccoli semi contenenti gas radon, fili metallici e nastri
contenenti altri nuclidi artificiali.
Meccanismo di azione biologica
delle radiazioni ionizzanti
L’azione biologica di tutte le radiazioni ionizzanti passa per gli
stessi processi: ionizzazione e eccitazione degli atomi e delle
molecole.
 azione biologica relativa: diversi tipi di radiazione hanno
effetti biologici differenti.
 radiazioni debolmente ionizzanti: come i raggi gamma, X ed
elettroni
 radiazioni fortemente ionizzanti: come particelle alfa e protoni.
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Decisivi per l’efficacia delle radiazioni sono anche la potenza di
dose (dose/tempo) e la forma di somministrazione (in un'unica
irradiazione o in tante più piccole).
Non ultimo dipende l’intensità della reazione biologica alla
radiazione dal fattore di ambiente del tessuto, dalle particolarità
del singolo organo, e da una maggiore o minore sensibilità
dell’individuo.
Le tre fasi dell’azione biologica
Le tre fasi dell’azione biologica
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I termini dei processi biologici nei tessuti dopo l’irraggiamento si
devono rappresentare come una reazione a catena, una reazione
così veloce, che solo ipotetici tratti del meccanismo di azione
possono essere assunti.
Il processo di estensione dell’eccitazione nel tessuto è paragonabile
a quello di una superficie d’acqua colpita da una goccia, che funge
anche da portatrice di impulso e genera un certo numero di effetti
secondari.
Questa prima fase della reazione rappresenta l’azione biofisica della
radiazione. Dopo segue il trasferimento di energia all’ambiente con
l’attivazione di processi luminosi e biochimici come espressione
delle azioni indirette della radiazione.
Le prime azioni ad essere state identificate sono state le azioni
biologiche secondarie, che possiamo denominare terza fase e
rappresentano anche lo stato finale stabile del processo, che
possono essere:
danno letale dell’organo con morte immediata o differita delle
cellule o dei tessuti
danno che non conduce inevitabilmente alla morte della cellula, e
che non si possono quantificare
danno della cellula, che però è in grado di autoripararsi senza
effetti negativi successivi
Ipotesi sugli effetti biologici delle radiazioni
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L’ipotesi della dipendenza dell’effetto biologico dalla dose è fin dall’origine
della scoperta della radioattività sembrata plausibile. All’inizio si pensava
“o tutto o niente”, nel senso che la cellula o era colpita o non era colpita,
anche se non si sapeva bene definire cosa significasse “colpita”.
In seguito, almeno nel caso di più celle, si è visto che non c’è alcuna
lineare proporzionalità tra dose e effetto.
Oggi, grazie anche alla meccanica quantistica, non ha più senso parlare
della teoria “tutto o niente”: né il luogo, né il modo dell’interazione può
essere determinato con precisione.
Il fatto che le radiazioni ionizzanti causino modifiche nella struttura
molecolare delle cellule, genera la cosiddetta teoria dell’azione indiretta
delle radiazioni
L’energia assorbita agisce in questo caso dopo il trasferimento alle
macromolecole come un “esplosivo” per i legami chimici.
Questi mutamenti chimici verificabili nei tessuti si ottengono per una dose
sopra il livello di tolleranza, livello che però può essere molto basso.
L’ipotesi più plausibile oggi è una combinazione delle due teorie, diretta ed
indiretta, nella teoria della diffusione: i primi prodotti della ionizzazione
hanno vita molto breve, perché generano prodotti secondari che agiscono
diffondendosi nei tessuti: in questo modello la “probabilità” assume un
ruolo fondamentale.
Differenza di sensibilità tra cellule
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Già dal 1906 è chiaro che cellule diverse hanno una diversa
resistenza alle radiazioni, ma anche cellule in un punto diverso
del loro ciclo di vita hanno diversa resistenza. In generale si può
dire che tessuti con proliferazione veloce e maggiore suddivisione
hanno una maggiore sensibilità.
Differenza di sensibilità tra organi
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Gli organi più sensibili del corpo umano alle
radiazioni sono il midollo, l’apparato linfatico e
le gonadi. A una certa distanza seguono pelle,
intestino e ossa in fase di crescita. Tra i meno
sensibili fegato, reni e cervello, che hanno una
funzione molto specializzata, ma una limitata
attività di suddivisione.
Come tessuti molto resistenti abbiamo i muscoli,
i legamenti e i grassi.
Su questi fatti si basa la forza dell’irradiazione
in una terapia, in modo da adattare l’intensità ai
tessuti da trattare.
Sintomi dei danni cellulari da radiazioni
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Da un danno isolato ad una cellula risultano stati morfologici
conseguenti.
L’eliminazione di cellule ha conseguenze importanti, solo se rimane
un persistente disturbo alla riserva di cellule. Altrimenti il corpo, in
presenza di radiazioni a bassa intensità, raggiunge uno stato di
equilibrio che esprime l’adattamento alle radiazioni da parte delle
cellule.
I cambiamenti intracellulari dopo l’irraggiamento si esprimono con
un danneggiamento del DNA e del RNA con una riduzione
enzimatica: in particolare la sintesi del DNA è più sensibile di quella
del RNA. Inoltre avviene un danno nello scambio di sostanze
energetiche, così come viene influenzata l’attività ormonale.
Anche il sistema immunitario è molto sensibile alle radiazioni, fatto
che si può utilizzare per aiutare a limitare il rigetto nei trapianti.
Un altro effetto delle radiazioni sono le mutazioni: queste sono un
processo irreversibile ed avvengono quando ad essere colpito è il
nucleo cellulare.
Un effetto caratteristico delle radiazioni è la rottura dei cromosomi, i
cui frammenti o si perdono, o si legano ad altri frammenti
Azione sui cromosomi
Dispositivi per la radioterapia
I dispositivi per la radioterapia sono di
diversi tipi: ne abbiamo in esame due, che
sono ad oggi tra i più utilizzati nel mondo
 il 60Co-Gammatron, con radiazione di
fotoni di 1.25 MeV
 il Mevatron, acceleratore lineare per
elettroni da 6 a 21 MeV e generatore di
fotoni da 6 a 15 MeV.
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Il Gammatron
Il Mevatron
Dispositivi per la dosimetria
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Dei vari tipi di rilevatore, descriviamo brevemente la
camera a ionizzazione di Roos: è costituita da due
elettrodi che catturano gli ioni generati dalla
radiazione
La camera a ionizzazione di Roos, si chiama così
perché è stata sviluppata dal Dott. Roos del PTB
(Physikalisch-Technische Bundesanstalt) e viene
impiegata soprattutto per fasci di elettroni, ma può
essere impiegata anche per fasci di fotoni, con
l’opportuna calibrazione.
La camera di Roos ha una capacità di dose molto
alta: se la tensione nella camera è 100 V, la camera è
in grado di reggere 1,2 gray al secondo.
La camera di Roos
Conclusioni
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La radiazione nella terapia è oggi uno dei sistemi più utilizzati
per combattere il cancro. È quindi sempre più necessario
investire in ricerca per migliorare i sistemi esistenti di
irradiazione e per crearne di nuovi, che riducano sempre di
più gli effetti collaterali.
In particolare stanno prendendo sempre più piede le terapie
con radiazioni con ioni pesanti, come nuclei di carbonio o di
ossigeno, che hanno il grande vantaggio, come abbiamo visto,
di rilasciare quasi tutta la loro energia distruttiva in uno
spazio molto limitato: il problema per il loro utilizzo è che
necessitano di acceleratori di notevole dimensione e costo, che
ben poche strutture si possono permettere.
In Italia per esempio non ne esistono ancora, anche se ci sono
già alcuni progetti per costruirne: senza dubbio sensibilizzare i
ragazzi delle nostre scuole a questi problemi non potrà che
favorire una maggiore attenzione di tutta la società, e per
questo sarebbe proprio auspicabile affrontare questo
argomento nei programmi scolastici, argomento che oltre tutto
ha un grande valore trasversale, riguardando fisica, chimica,
biologia e medicina.