Si fornisce una sintesi dei principali effetti delle radiazioni ionizzanti sui sistemi viventi, con attenzione agli aspetti fisici e biologici essenziali. Un utile punto di partenza è la stima dell’effetto puramente termico: se 1 gray viene depositato in 1 kg di acqua (che costituisce la quota prevalente dei tessuti biologici), l’incremento di temperatura è dato dal rapporto tra la dose assorbita e il calore specifico dell’acqua. Con il calore specifico dell’acqua pari a \(c_{\mathrm{H_2O}} \approx 4180\ \mathrm{J\,kg^{-1}\,K^{-1}}\), si ha:

ovvero un innalzamento termico dell’ordine di \(2,4 \times 10^{-4}\ \mathrm{K}\), trascurabile ai fini di un effetto macroscopico. L’assenza di un segnale termico apprezzabile spiega perché l’esposizione non sia percepita dai sensi, pur potendo arrecare danni significativi: l’energia non è distribuita uniformemente, ma concentrata lungo le tracce ionizzanti, con trasferimenti locali sufficienti a rompere legami in molecole critiche.

Quando fotoni, elettroni, neutroni o particelle α attraversano la materia, la ionizzazione e l’eccitazione atomico-molecolare dipendono dalla natura della radiazione e dalla sua energia, nonché dalla composizione del mezzo. Nei tessuti acquosi l’azione indiretta è preminente: l’radiolisi dell’acqua genera specie reattive dell’ossigeno (ROS) e radicali liberi con elettroni spaiati, come \(\mathrm{OH\cdot}\), \(\mathrm{O_2^{\cdot -}}\), \(\mathrm{H\cdot}\), altamente reattivi verso lipidi, proteine e acidi nucleici. Poiché l’acqua rappresenta oltre il 65% della massa dei tessuti, questi processi sono ubiqui. Gli eventi fisico-chimici iniziano entro tempi inferiori al nanosecondo; le alterazioni metaboliche e funzionali diventano rilevabili a livello cellulare su scale temporali di minuti-ore (Figura 07.27-01).

Il danno biologico può tradursi in disfunzioni cellulari e tissutali, con compromissione d’organo fino all’exitus, oppure in modificazioni ereditarie del materiale genetico (mutazioni) secondo lo schema a blocchi di (Figura 07.27-02). Si distinguono:

• danni stocastici, la cui probabilità aumenta con la dose senza soglia nota, e che includono effetti somatici (sull’individuo esposto) e genetici (sulla progenie), oggi ritenuti di minore entità rispetto al passato per le gonadi, come riflesso nella riduzione del corrispondente fattore di ponderazione tissutale \(w_T\) (Tabella 07.27-01);
• reazioni tissutali (danni deterministici), per le quali esiste una dose-soglia al di sopra della quale aumentano gravità e frequenza, con tempi di latenza tipicamente di giorni, settimane o mesi, in netto contrasto con la possibile latenza pluriennale dei danni stocastici.

La risposta biologica dipende dalla dose assorbita, dalla densità di ionizzazione della radiazione (LET), dal tasso di dose e dall’ossigenazione tissutale. Radiazioni ad alto LET (ad es. particelle α) inducono lesioni complesse (cluster di danni e rotture a doppio filamento del DNA) con elevata efficacia biologica relativa, mentre radiazioni a basso LET (fotoni X/γ, elettroni) agiscono prevalentemente per via indiretta attraverso ROS. L’ossigeno molecolare amplifica il danno fissando chimicamente le lesioni (effetto ossigeno), rendendo i tessuti ipossici più radioresistenti. Anche il ciclo cellulare influenza la radiosensibilità: cellule in fase G2/M risultano mediamente più sensibili.

La diversa suscettibilità di organi e tessuti è riassunta dai fattori di ponderazione tissutali \(w_T\) (Tabella 07.27-01), che concorrono alla definizione di dose efficace per la radioprotezione. In ambito protettivo i limiti di dose sono stabiliti proprio in funzione della radiosensibilità relativa (Tabella 07.27-02). Tra gli organi più radiosensibili si annoverano il midollo emopoietico, il colon, il polmone, lo stomaco e la mammella (Tabella 07.27-01). A parità di dose totale, il tasso di dose è cruciale: una somministrazione frazionata o a basso rateo consente una maggiore riparazione subletale e può ridurre le reazioni tissutali rispetto a un’esposizione acuta di breve durata.

Gli esseri viventi sono costantemente esposti a sorgenti naturali: radiazione cosmica, radionuclidi terrestri e isotopi incorporati nell’organismo. Ne derivano lesioni spontanee al DNA controbilanciate da sistemi di riparazione quali riparo per escissione di basi, riparo per escissione di nucleotidi, ricombinazione omologa e giunzione delle estremità non omologhe. L’esistenza di tali meccanismi è alla base del razionale radioterapico, in cui il frazionamento di dose sfrutta differenze di riparo tra cellule sane e neoplastiche. Le dosi efficaci per le principali componenti dell’esposizione naturale sono riportate in (Tabella 07.27-03).

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Schema a blocchi delle azioni biologiche provocate dalle radiazioni ionizzanti. In ciascun blocco il dettaglio dei meccanismi è molto complesso e tuttora oggetto di ricerca. Questa figura deve essere associata alla Figura 22.6 per quanto riguarda la scala temporale.

Immagine tratta liberamente da Internet. Se viola i tuoi diritti, contattaci.

L’evoluzione temporale del danno a carico di organi e apparati segue le fasi descritte in (Figura 07.27-01) e si articola secondo lo schema causale di (Figura 07.27-02). Gli effetti clinicamente rilevanti dipendono dalla dose, dalla porzione corporea irradiata e dal tempo di esposizione. In caso di irradiazione acuta dell’intero organismo, la sequenza tipica comprende una fase prodromica, un intervallo di latenza e la fase a manifestazione conclamata, con quadri sindromici differenti a seconda del sistema prevalente interessato. Esempi di effetti osservabili in relazione alla dose acuta assorbita sull’intero corpo sono sintetizzati in (Tabella 07.27-04), mentre l’andamento nel tempo degli esiti sull’essere umano è illustrato in (Figura 07.27-03).

Alcune considerazioni di ordine pratico:

• le reazioni cutanee deterministiche compaiono tipicamente oltre soglie dell’ordine di alcuni gray, con gravità crescente se la dose è elevata o somministrata ad alto tasso di dose;
• l’irradiazione parziale può limitare la severità della sindrome sistemica ma causare danni locali marcati (cute, cristallino, midollo), in funzione del volume irradiato;
• la frazionazione della dose e gli intervalli temporali tra le esposizioni influenzano la riparazione subletale, la ripopolazione cellulare e la riossigenazione, modulando la risposta tissutale.

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Schema a blocchi delle azioni biologiche provocate dalle radiazioni ionizzanti. In ciascun blocco il dettaglio dei meccanismi è molto complesso e tuttora oggetto di ricerca. Questa figura deve essere associata alla Figura 22.6 per quanto riguarda la scala temporale.

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Dosi elevate di radiazioni ionizzanti, in particolare fotoni γ emessi da sorgenti come il cobalto-60, sono impiegate per la riduzione microbica (sanificazione) o per la sterilizzazione, nel rispetto degli standard tecnici di convalida (ad esempio livelli di assicurazione di sterilità, SAL, pari a \(10^{-6}\), e metodiche di dosimetria e mappatura di dose conformi alla normativa di settore). La scelta della dose dipende dal bioburden, dal materiale e dall’obiettivo del trattamento:

• basso intervallo dosimetrico, circa 5–15 kGy, indicato per ottenere sterilità in prodotti o materie prime a bassa carica microbica oppure per la sanificazione quando è richiesta la sola riduzione di muffe e lieviti, come per tappi per bevande o contenitori alimentari;
• intervallo medio, approssimativamente 20–30 kGy, comunemente adottato per dispositivi medici monouso (ad esempio set di dialisi, medicazioni, siringhe), nonché per imballaggi farmaceutici e alimentari;
• dosi molto elevate, dell’ordine di 100 kGy, utilizzate non a fini microbiologici ma per modificare la struttura dei polimeri (reticolazione o scissione di catena, con variazione di proprietà meccaniche e termiche).

In alternativa o in combinazione si impiegano fasci di elettroni (\(\beta^{-}\)) generati da acceleratori: essi consentono alti tassi di dose e cicli produttivi rapidi, ma presentano limitazioni nella profondità di penetrazione, risultando adatti a materiali a bassa densità e spessore contenuto. La scelta tra γ e fascio elettronico considera penetrazione, uniformità di dose, sensibilità del materiale (ad esempio alterazioni del colore o della resistenza) e requisiti regolatori. Per garantire l’efficacia del processo sono necessari la qualificazione dell’impianto, la definizione della “dose minima garantita” al punto più sfavorito del prodotto e il monitoraggio dosimetrico di routine.