Effetti Biologici Stocastici

LEZIONE 7
EFFETTI BIOLOGICI DELLE RADIAZIONI IONIZZANTI
Danni somatici si manifestano direttamente a carico dell’individuo irradiato. Si dividono in
A) Effetti Stocastici
B) Effetti Deterministici
Effetti deterministici
hanno le seguenti caratteristiche :
si manifestano solo se si è superata una determinata soglia ( 1-3 Gy) che dipende
dall’effetto, dal tessuto e dal rateo di dose.
colpiscono tutti gli individui esposti a dosi superiori alla soglia
gravità delle manifestazioni cliniche proporzionali alla dose.
Latenza generalmente breve (giorni,settimana) ma può essere anche tardiva (
Es:cataratta oculare [1-2 y]).
Effetti stocastici La cancerogenesi è il rischio somatico più importante dell’irradiazione a
dosi basse, e costituisce il problema principale della radioprotezione. Effetti sono tardivi.
con carattere tutto-niente (neoplasie o leucemia) con probabilità di accadimento direttamente proporzionale alla dose efficace ricevuta ed estrapolabile alla dose zero.
Poiché non è dimostrata l’esistenza di una dose soglia, si assume che alcune forme di tumore radioindotto possano originare anche dal danno ricevuto da una singola cellula che
malgrado le difese immunitarie in sinergia con altri agenti possa far insorgere effetti dannosi.
*) L’ipotesi di linearità della risposta e di assenza di soglia sono cautelative.
*) Si assume che la probabilità dell’effetto stocastico sia correlabile alla dose indipendentemente dai tempi di somministrazione. In base a questa ipotesi le dosi dei lavoratori si
sommano nell’arco di tutta la vita.
*) In Radioprotezione si tiene conto della dose media all’organo ( la probabilità di effetti
stocastici è considerata la stessa se un organo ha assorbito una dose d oppure se 1/5 di
organo ha assorbito una dose 5d.
Si ritiene che al di sotto di circa 0,1 Sv ( 100 mSv; 10 rem) possano manifestarsi solo effetti
stocastici.
Dopo l’irradiazione c’è un periodo di latenza seguito da un periodo di rischio durante il
quale è attesa la comparsa del tumore.
Per le leucemie e il cancro osseo la latenza è circa 2 anni poi il rischio cresce fino a 510 anni, e quindi decresce lentamente verso i valori naturali di probabilità entro i 30
anni dalla irradiazione.
Per i restanti tumori la latenza minima è di 5 anni seguito da un lento aumento della probabilità fino a 20 anni .
Danno Genetico danno subito dai gameti maschili e femminili che può quindi essere
trasmesso alle generazioni future
Danno diretto è quello provocato dalle R.I. direttamente sulle macromolecole organiche che può essere riparato dalla stessa cellula o attivare meccanismi di riparazione
più complessi. La radiosensibilità della cellula è proporzionale alla sua capacità riproduttiva.
La riparazione avviene in tempi compresi tra 10-5 secondi (meccanismi di natura chimica) e ore- giorni (meccanismi di natura biochimica)
Danno Indiretto è quello provocato dagli ioni H+ e dai radicali liberi OH- prodotti
dalle R.I. con la radiolisi dell’acqua. L’instabilità chimica degli ioni e dei radicali danneggia la cellula.
Molti degli effetti stocastici studiati su animali da laboratorio mostrano che la relazione tra l’effetto E e dose
D è del tipo
E = αD + βD
2
2
Dove compare una componente lineare (αD) ed una quadratica (βD ) da cui il nome di legge linearequadratica.
La teoria dell’azione duale di Keller e Rossi sostiene che le lesioni letali nascono dalla combinazione di due
sub-lesioni che possono combinarsi tra loro se la distanza media è di circa 1µ
µm.
E’ quindi importante l’energia specifica ( eV/µm) ceduta alle cellule. (dimensione cellula è circa 5 µm);
Il termine quadratico prevale per dosi e ratei di dose elevati ( 1 Gy; 1 Gy/min.) ed è associato alla probabilità
che nello stesso bersaglio cellulare si formino e poi si combinino, due sub-lesioni provocate da due differenti
fotoni.( Teoria Keller- Rossi).
La parte lineare, domina a bassi livelli di dose e ratei di dose, è associata alla probabilità che le due sublesioni siano prodotte dal medesimo fotone nello stesso bersaglio cellulare.
Se una dose a basso LET è fornita a basse dosi le sub-lesioni prodotte in ogni esposizione sono riparate
senza che possano combinarsi quelle prodotte in successive frazioni di dose.
La riparazione ha un ruolo più rilevante per le radiazioni a basso LET che per quelle ad alto LET
effetto
1
2
Dose
1) ipostesi lineare (conservativa) adottata da ICRP;
Per gli scopi della radioprotezione viene adottato cautelativamente il modello lineare che ipotizza un rapporto
dose/effetto di tipo proporzionale. Ogni dose comunque piccola comporta la possibilità di un effetto dannoso
e quindi non c'è una dose-soglia.
I punti della curva dose-effetto riguardano dosi elevate ( 0,5- Gy di fotoni). La curva che interpola questi
punti è poi estrapolata rettilineamente verso l’origine ed è quella utilizzata nell'ipotesi di linearità senza soglia.
La pendenza della retta dose-effetto è diversa a seconda dell’effetto considerato e del rateo di irradiazione.
Esempio:
• La pendenza è circa 3 volte più elevata per la cancerogenesi che per gli effetti ereditari di prima e seconda generazione.
• All’interno della cancerogenesi, la pendenza è più alta per il tumore mammario, per le leucemie e i tumori polmonari che per i tumori tiroidei mortali e per i tumori ossei.
• La pendenza della retta è circa 3 volte più elevata per irraggiamenti ad alto rateo ( incidenti) rispetto ad
irraggiamenti a basso rateo (esposizione per lavoro).
• La pendenza è più elevata per radiazioni con QF( wR) superiore a 1.
Per valutare il rischio di radiocancerogenesi nell’uomo, disponiamo attualmente di tre
fonti di informazione:
1. gli studi in vitro su cellule
2. gli esperimenti su piccoli mammiferi
3. le indagini epidemiologiche
I dati epidemiologici
Le fonti epidemiologiche più affidabili di cui disponiamo (in attesa di dati Chernobyl)
sono
• sopravvissuti di Hiroshima e Nagasaki;( esposizione acuta)
• malati in radioterapia ;(esposizione in 1-4 sedute)
• gruppi particolari di lavoratori (minatori, nucleare)
I dati epidemiologici hanno fornito chiare indicazioni sulla curva causa-effetto fra le
popolazioni esposte a dosi annuali medio-alte (0,1-1 Sv)
Non sono disponibili informazioni sufficientemente attendibili per esposizioni a basse
dosi: dell’ordine di 0,01 Sv.
Ciò però non ha alcuna influenza sulle norme di radioprotezione che ( vedi dopo) adottano coefficienti di rischio ampiamente cautelativi per rette passanti per l’origine.
(ICRP 26) Gli effetti stocastici somatici attesi in una popolazione di 106 individui adulti (maschi e
femmine), dopo irradiazione “acuta” del corpo intero di 0,01 Sv sono costituiti da circa 126 tumori
mortali, distribuiti nell’intervallo tra 5 e 40 anni dopo l’irradiazione.
Questi 126 tumori mortali sono così ripartiti:
25 carcinomi mammari femminili,
20 carcinomi polmonari,
20 leucemie
5 carcinomi tiroidei mortali
5 tumori ossei
1 tumori cutanei mortali
50 tumori rimanenti organi del corpo.
0,25 10-2 tumori mammari / Sv persona
0,20 10-2 tumori polmone / Sv persona
0,20 10-2 leucemie
/ Sv persona
0,05 10-2 tiroide mortale / Sv persona
0,05 10-2 tumori osseo
/ Sv persona
-2
0,01 10 tumori cute
/ Sv persona
0,5 10-2 tum.riman. organi / Sv persona
Se la popolazione irradiata fosse costituita da bambini l’incidenza sarebbe 2-3 volte maggiore.
Se la popolazione fosse costituita da anziani l’incidenza sarebbe minore.
Tenendo conto di queste situazioni, la stima dell’incidenza degli effetti stocastici mortali in una
popolazione mista è di circa 100 casi per 106 persone che abbiano ricevuto 0,01 sievert a persona, sul corpo intero.
Coefficiente di Rischio =
100 casi
casi
= 10 − 2
+6
Sv ⋅ Persone
0, 01Sv ⋅ 10 Persone
Questi casi sono distribuiti nei 5 - 40 anni successivi alla singola irradiazione acuta, ma se l'esposizione fosse cronica ( per 30 anni), a regime, i casi si manifesterebbero ogni anno.
(ICRP60/90) L’aggiornamento dello studio degli effetti sui sopravvissuti di H. e N. ha portato alla
revisione delle stime di rischio per carcinogenesi che erano state introdotte con la ICRP-26.
ICRP60 ha chiamato il Coefficiente di rischio Coefficiente nominale di probabilità di
mortalità. Esso mostra differenza fra Lavoratori e Popolazione generale
Coeff. Di Rischio passa da 10−2
casi
Sv ⋅ Persone
a
5, 6 Adulti − 7, 3Popolazione ⋅ 10 −2
L’esplicitazione dei tumori mortali per i lavoratori è riportata nella tabella.
Tumori letali
Vescica
Midollo osseo
Superficie ossea
Mammella
Colon
Fegato
Polmone
Esofago
Tiroide
Altri tessuti
TOTALE
gonadi
Tumori Letali/Sv_persona
0.3
1.0E-02
0.5
1.0E-02
0.05
1.0E-02
0.2
1.0E-02
0.85
1.0E-02
0.15
1.0E-02
0.85
1.0E-02
0.3
1.0E-02
0.08
1.0E-02
0.5
1.0E-02
4
1.0E-02
Prob. Danni ereditari gravi
1
1.0E-02
IN SINTESI IL COEFFICIENTE DI RISCHIO PASSA DA:
1 10-2
casi/Sv.uomo
5,6Adulti - 7,3Popolazione 10-2
casi/Sv.uomo
casi
Sv ⋅ Persone
Nell’ipotesi di linearità e considerando un coeff. di rischio di 10-2 casi/Sv.uomo (corpo intero), è
possibile stimare i casi mortali imputabili alle dosi da fondo naturale di radiazioni e alle dosi da impieghi medici delle radiazioni.
Esempio:
1)
Se la dose media efficace da radiazioni naturali fosse di 3 mSv/anno uomo; una
popolazione di 55 milioni di abitanti (Italia) riceve 165.103 Sv.uomo/anno che corrisponderebbero 1650 casi di tumori mortali distribuiti su 10-30 anni.
Poiché l'esposizione è cronica i 1650 casi sono all'anno.
10−2 casi
Sv ⋅ man
g165 ⋅ 103
Sv ⋅ man
anno
= 1650
casi
anno
Con i nuovi fattori si deve moltiplicare per 7
2)
Se la dose media efficace da radiazioni a scopo diagnostico è di 0,5 mSv/anno pro
capite; i casi di tumori mortali che conseguirebbero sarebbero 275.
10−2 casi
Sv ⋅ man
g 27,5 ⋅ 103
Sv ⋅ man
anno
= 275
casi
anno
Con i nuovi fattori si deve moltiplicare per 5,6 - 7
•
Le caratteristiche di casualità e bassa incidenza degli effetti richiedono che la loro valutazione sanitaria siano sempre riferita ad un gruppo numeroso.
•
I tumori costituiscono oggi circa il 20% delle cause di morte e una irradiazione “cronica”
(TB) di 1 Sv/persona produrrebbe l’1% circa di morti per tumore radioindotto.
casi
casi
10−2
g1Sv = 10−2
= 0, 01 ovvero 1%
Sv ⋅ persona
persona
Con i nuovi fattori si deve moltiplicare per 5,6 – 7,3
Le morti da tumore in quella popolazione irradiata (pesantemente) passerebbero dal 20 al 21%,
un incremento non facile da far emergere, perché entro le fluttuazioni statistiche, se la popolazione
non è vasta e le registrazioni non sono fatte con cura.
I tumori sono in aumento negli ultimi decenni per cui è cresciuto l’effetto di mascheramento.
Se la dose invece d’essere 1 Sv fosse 1/100 di Sv ( 10 mSv-dose naturale), l’incremento atteso sarebbe così piccolo da non essere rivelabile anche con attenti metodi statistici.
Fonti ordinate secondo il loro effettivo contributo ai decessi negli USA ( Decision Research
Valutazioni di tre categorie di Elettori