Diagnostica per immagini e radioprotezione

Diagnostica per immagini e radioprotezione

Radiazione

Radiazione: insieme di fenomeni caratterizzato dal trasferimento di energia nello spazio.

Eccitazione e ionizzazione

Eccitazione: incremento di energia degli elettroni legati ai nuclei atomici e indica il passaggio di un elettrone ad un livello energetico superiore rispetto al suo stato fondamentale attraverso l'apporto di energia.

Ionizzazione: energia assorbita sufficiente a causare la fuoriuscita di uno o più elettroni dagli orbitali atomici. La ionizzazione consiste nella generazione di una coppia di ioni mediante l’allontanamento di un elettrone orbitale da un’entità molecolare neutra, atomi o molecole, che può essere causata da collisioni tra particelle o per assorbimento di radiazioni. L’atomo che ha perso uno o più elettroni diviene elettricamente carico.

Radiazioni ionizzanti

Radiazioni ionizzanti: radiazioni capaci di ionizzare atomi e molecole del mezzo attraversato. L’energia trasferita per ionizzazione è circa 33 eV, sufficiente per rompere un legame chimico (es.: energia del doppio legame C=C è 4.9 eV).

• Radiazioni elettromagnetiche: includono onde radio, microonde, onde termiche, infrarossi, luce visibile, luce ultravioletta, raggi X e raggi γ. Sono caratterizzate dalla stessa velocità, 3x10¹⁰ cm/s nel vuoto, ma da diversa frequenza. I raggi X sono generati al di fuori dei nuclei atomici, in dispositivi dove gli elettroni sono accelerati ad alta energia e frenati su un bersaglio di tungsteno o oro. I raggi γ sono generati all’interno dei nuclei atomici, emessi dal decadimento di isotopi radioattivi per raggiungere una forma stabile. L’energia è trasferita in fotoni che hanno un’energia E = h · ν, dove h è la costante di Planck e ν la frequenza.
• Radiazioni corpuscolate: si dividono in:
  • Particelle α: dette anche raggi alfa o elioni, sono radiazione corpuscolare ad alto potere ionizzante e bassa capacità di penetrazione dovuta all'elevata sezione d'urto. Consistono di 2 protoni e 2 neutroni legati insieme. Si tratta di nuclei He, indicati anche con il simbolo ⁴He²⁺, con massa elevata e carica positiva. Possono essere accelerate con acceleratori di particelle o emesse da radionuclidi in decadimento α come: uranio e radio.
  • Particelle β: sono elettroni o positroni ad alta energia emessi da nuclei radioattivi come il cobalto-60 in decadimento β.
  • Protoni: particelle con carica positiva di valore uguale e opposto all’elettrone e massa pari a 1800 volte quella dell’elettrone. Sono prodotti da ciclotroni.
  • Neutroni: particelle senza carica elettrica che compongono, insieme ai protoni, i nuclei degli atomi ad eccezione del nucleo dell’H. Al di fuori del nucleo i neutroni sono instabili e decadono con decadimento β. I neutroni sono prodotti per accelerazione di particelle cariche o per fissione di atomi pesanti.

Interazione delle radiazioni con gli atomi

Quando le radiazioni ionizzanti interagiscono con un atomo possono:

• Urtare il nucleo: cedono l’energia che si trasforma in calore.
• Urtare un elettrone: se l’energia ceduta è maggiore rispetto a quella di legame dell’elettrone lo espellono, cioè lo ionizzano.
• Attraversare l’atomo: in base al tipo di radiazione possono
  • Radiazioni corpuscolate: dotate di un campo elettromagnetico, interagiscono con il campo elettromagnetico dell’atomo dal quale sono frenate. L’energia cinetica della particella incidente è emessa come radiazione elettromagnetica, cioè radiazione di frenamento.
  • Radiazioni elettromagnetiche: attraversano l’atomo senza essere ostacolate poiché sono radiazioni più penetranti.

Capacità di penetrazione delle radiazioni

La capacità di penetrazione delle radiazioni dipende da caratteristiche fisiche del mezzo e caratteristiche della radiazione. Per le radiazioni corpuscolate è inversamente proporzionale alla massa e direttamente proporzionale all’energia cinetica. Per quelle elettromagnetiche dipende dalla lunghezza d’onda ed è massima alle alte e basse lunghezze d’onda.

Le particelle α hanno una penetrazione molto ridotta infatti vengono fermate da un foglio di carta. Le particelle β hanno una penetrazione maggiore che arriva a qualche centimetro d’acqua per cui vengono fermate dal corpo umano o da un foglio di alluminio. I raggi X e i raggi γ attraversano carta, alluminio e corpo umano, ma vengono assorbiti e bloccati da uno spesso schermo di piombo. I neutroni attraversano carta, alluminio e piombo, ma sono fermati dal calcestruzzo.

Radiobiologia

Scienza che studia gli effetti di radiazioni ionizzanti ed altri tipi di energia fisica, come ultrasuoni, laser, utilizzati in medicina sui sistemi biologici. Si divide in: radiologia e medicina nucleare, radioterapia, e radioprotezione.

Radiologia e medicina nucleare

Usano gli effetti delle radiazioni ionizzanti per scopi diagnostici.

Radioterapia (RT)

Usa gli effetti delle radiazioni ionizzanti sulle popolazioni cellulari normali e tumorali, con modalità di trattamento locale. Questa tecnica consiste nell’irradiazione, cioè nella somministrazione di energia, dei tessuti per provocare un danno biologico a scopo terapeutico.

Radioprotezione

Studia i problemi connessi all’esposizione cronica a dosi molto piccole di radiazioni ionizzanti ed all’esposizione accidentale a dosi elevate.

Radiobiologia sperimentale

Svolge vari ruoli:

• Valutazione effetti biologici delle radiazioni usate a scopo diagnostico.
• Studio di farmaci radioprotettori per irradiazione accidentale ed aumentare la tolleranza alla radioterapia.
• Identificazione dei meccanismi base della risposta di tumori e tessuti normali alle radiazioni (es.: ipossia, riossigenazione, ripopolazione, riparazione del DNA).
• Strategie di trattamento: sviluppo di nuovi approcci in RT (es.: agenti radiosensibilizzanti, RT ad alto LET, RT accelerata, iperfrazionamento).
• Protocolli: definizione di nuovi schemi di trattamento radioterapico (es.: frazionamento della dose, associazioni chemioterapiche concomitanti o sequenziali).

Unità di misura in radiobiologia

In radiobiologia troviamo unità di misura diverse che misurano diversi valori:

• Bequerel o Bq: unità di misura della radioattività, 1 Bq equivale all’attività di un materiale in cui si ha un decadimento al secondo.
• Gray o Gy: unità di misura della dose assorbita di radiazione A. Un’esposizione di 1 Gy equivale ad una radiazione che deposita 1 J per Kg di tessuto per cui Gy = J / Kg = m²/s².
• Sievert o Sv: unità di misura della dose equivalente di radiazione H. Indica gli effetti biologici della radiazione sugli organismi. Sv = J / Kg = m²/s².
• Dose equivalente H: a differenza della dose assorbita considera i diversi effetti che i vari tipi di radiazione possono causare su un organo o tessuto. Si ottiene moltiplicando la dose assorbita A per il fattore di ponderazione Wr, per cui H = Wr · A.

Classificazione delle radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti possono essere classificate in:

• Direttamente ionizzanti: comprendono radiazioni corpuscolate e particelle cariche come elettroni, protoni, particelle α, ed ioni pesanti. Distruggono in maniera diretta la struttura atomica del mezzo che attraversano.
• Indirettamente ionizzanti: comprendono raggi X, raggi γ e particelle neutre. Quando vengono assorbite dal materiale attraversato, cedono energia producendo particelle cariche che si muovono velocemente ed ionizzano la materia.

Azione delle radiazioni ionizzanti

L’azione delle radiazioni ionizzanti può essere:

• Diretta: la radiazione interagisce direttamente con il target i cui atomi sono eccitati o ionizzati mediante interazioni di Coulomb predominante per radiazioni ad alto LET. Per LET, trasferimento lineare di energia, si intende l'energia trasferita da una radiazione ionizzante ad un materiale. Più il valore del LET è alto, più la radiazione cede energia in un breve percorso. Per cui una radiazione ad alto LET comporterà un maggiore danno biologico ma una minima capacità penetrativa poiché ha perso gran parte dell'energia in un breve percorso.
• Indiretta: la radiazione interagisce con altre molecole ed atomi producendo radicali liberi che diffondendo creano danno al target. Può essere modificata da radiosensibilizzanti o radioprotettori.

Radicali liberi e radiolisi

Radicali liberi: atomi o molecole elettronicamente neutri aventi un elettrone nell’orbitale esterno. Sono molto reattivi e possono essere sia accettori di elettroni, ossidanti, che donatori di elettroni, riducenti. I radicali liberi possono interagire con prodotti della stessa reazione, molecole di H₂O, e molecole organiche che vengono trasformate in radicale.

Radiolisi: rappresenta la scissione di uno o più legami causata da radiazioni ionizzanti. La radiolisi dell’H₂O produce H₂O⁺ ed e^-. L’H₂O⁺ è altamente reattivo e produce ione idrogeno H⁺ e radicale idrossilico OH•. Dalla combinazione di due OH• si ha la formazione di perossido di idrogeno H₂O₂.

Effetti delle radiazioni ionizzanti

Si dividono in:

• Effetti biologici: le radiazioni determinano lesioni, ovvero un danno al DNA, che azionano dei meccanismi di riparazione che portano a risposte precoci che possono avere un diverso esito:
• Patologie tissutali: i meccanismi di riparazione non esplicano la propria funzione portando alla necrosi cellulare in cui la disintegrazione della membrana plasmatica precede la degradazione del DNA.
• Morte mitotica: si verifica durante il processo di divisione.
• Riparazioni fedeli: portano alla sopravvivenza cellulare.
• Alterazioni:
• Apoptosi: morte cellulare programmata che si attiva dopo un danno cellulare radio-indotto con attivazione della caspasi. Tale programma codificato geneticamente porta ad attivazione di nucleasi endogene con: frammentazione del DNA, condensazione nucleare e perdita di integrità della membrana. L’apoptosi post-radiazioni ionizzanti può essere ritardata di 24-48 ore. Le cellule più radiosensibili sembrano andare in apoptosi più precocemente.
• Risposte tardive: si dividono in danni somatici che portano a tumori e danni germinali che causano effetti ereditari.
• Effetti sulle proteine:
• Danni fisico-chimici: tra i quali riduzione del peso molecolare dovute a rotture della catena polipeptidica, variazioni di solubilità, denaturazione, distruzione degli aminoacidi.
• Danni biochimici: rappresentati dall’inattivazione enzimatica.
• Effetti sulle componenti cellulari: causano alterazioni delle funzioni di membrana con aumento della permeabilità ionica, rilascio degli enzimi lisosomiali, autodigestione cellulare, arresto permanente del ciclo cellulare per cui la cellula va in senescenza, alterazione dei processi ossidativi nelle membrane mitocondriali.

Morte cellulare

Si identifica la morte cellulare in base al tipo di cellule:

• Per le cellule differenziate non proliferanti (es.: nervi, muscoli) la morte può essere intesa come la perdita di funzione specifica. Per distruggere la funzione cellulare di queste cellule occorrono dosi di circa 100 Gy.
• Per le cellule proliferanti (es.: cellule staminali emopoietiche o dell’epitelio intestinale) la morte può essere intesa come perdita della capacità di proliferare, cioè morte riproduttiva. Per distruggere la capacità proliferativa di queste cellule occorrono dosi di circa 2 Gy.

Le cellule sono più radiosensibili in fase M ed in fase G2 e più radioresistenti nella fase S. La progressione del ciclo cellulare è controllata da una famiglia di geni, detti geni checkpoint, che assicurano il regolare svolgimento del processo. Le cellule esposte a radiazioni tendono ad essere bloccate nella fase G2 del ciclo. Il rallentamento nella progressione del ciclo serve per controllare l’integrità cromosomica prima del completamento della mitosi.

Danni al DNA

Il target principale del danno da radiazioni è il DNA tra i cui danni ci sono: formazione di radicali, distacco delle basi, rottura della singola elica, rottura della doppia elica, alterazione delle basi, cross-link DNA-proteina cioè formazione di legami crociati tra DNA ed una proteina, cross-link intramolecolare e cross-link intermolecolare. La rottura del doppio filamento è la lesione critica per l’uccisione della cellula.

Sui cromosomi, formati da DNA, gli effetti delle radiazioni spaziano da rotture complete a mutazioni puntiformi. Aberrazioni cromosomiche radioindotte includono: interscambio, intrascambio, rottura inter-braccia, intra-braccio, dicentrici, cromosoma ad anello, delezione interstiziale, traslocazione, inversione pericentrica, inversione paracentrica reciproca.

L’entità del danno genetico dovuto alle aberrazioni cromosomiche dipende da:

• Tipo cellulare
• Numero e tipo di geni danneggiati

Le cellule hanno pathways, cioè percorsi, specializzati per: rilevare, rispondere e riparare i diversi tipi di danno. In risposta ad un danno, la cellula innesca una complessa serie di reazioni, indicata collettivamente con il nome di DDR, DNA Damage Response, attraverso cui tenta di riparare il danno, impedendo che ulteriori divisioni cellulari compromettano l'integrità del genoma. Esistono oltre 700 proteine che possono fungere da substrato dell’ATM, ataxia-telangiectasia mutated, una chinasi che si attiva in risposta al danno del DNA.

Meccanismi di riparazione del DNA

Le cellule non possono tollerare un danno al DNA che comprometta integrità ed accessibilità di informazioni essenziali nel genoma; tuttavia, le cellule restano superficialmente funzionali quando i geni non essenziali mancano o sono danneggiati. Una varietà di strategie di riparo si è evoluta per ripristinare l'informazione perduta, secondo il tipo di danno inflitto alla struttura del DNA. Le cellule utilizzano, come stampo per il ripristino, il filamento complementare non modificato di DNA, oppure il cromosoma fratello. In mancanza di un accesso all'informazione dello stampo, il riparo del DNA è soggetto ad errori.

Il danno al DNA altera la configurazione spaziale dell'elica e tali alterazioni possono essere rilevate dalla cellula. Una volta che il danno è stato localizzato, molecole specifiche di riparo del DNA sono reclutate e vanno a legarsi su o presso il sito di lesione, inducendo altre molecole a legarsi fino a formare un complesso che rende possibile il riparo. I tipi di molecole coinvolte ed il meccanismo di riparo che viene attivato dipendono da:

• Tipo di danno al DNA
• Entrata o meno della cellula in uno stato di senescenza
• Fase del ciclo in cui si trova la cellula

La riparazione è un processo tempo dipendente, ciclo dipendente, dipendente dal dose rate, dipendente dalla dose e dipendente dal ciclo cellulare.

Danno al singolo filamento

In questo caso l'altro filamento può essere usato come stampo per guidare la correzione del filamento danneggiato. Per riparare il danno di una delle due eliche di DNA, ci sono numerosi meccanismi tramite i quali si può realizzare la riparazione. Questi includono:

• Reversione diretta del danno mediante vari meccanismi specializzati: come metilguanina metil transferasi, o MGMT, che rimuove specificamente gruppi metilici dalla guanina; e fotoliasi nei batteri che rompe il legame chimico creato dai raggi ultravioletti tra basi adiacenti di timina. Nessun filamento-stampo è richiesto per questo tipo di riparo.
• Meccanismi di riparazione per escissione: rimuovono il nucleotide danneggiato sostituendolo con uno non danneggiato complementare al nucleotide presente nel DNA non danneggiato. Questi comprendono:
  • Riparazione per escissione di base o BER: si attua in caso di danno ad un solo nucleotide, causato da ossidazione, alchilazione, idrolisi o deaminazione. Il meccanismo enzimatico parte dall'attivazione di una DNA-glicosilasi che riconosce la base alterata e spezza il legame N-glicosidico. Una AP-endonucleasi 1 elimina la base azotata, lasciando fosfato e deossiribosio. Una liasi toglie fosfato e zucchero così che una DNA-polimerasi leghi il nuovo nucleotide e la ligasi lo incorpori nel filamento.
  • Riparazione per escissione di nucleotidi o NER: ripara un danno che coinvolge filamenti lunghi da 2 a 30 nucleotidi. Questi includono danni da voluminosa distorsione dell'elica (es.: dimeri di timina causati da luce UV che provocano mutazioni di un singolo filamento). La sequenza enzimatica prevede: il complesso XPC-hHR23B o Rad23B riconosce il sito da riparare; XPB e XPD, delle elicasi, srotolano l'elica; XPG e XPF, delle endonucleasi, tagliano ed eliminano l'oligonucleotide contenente il danno; DNA-polimerasi sintetizza nuovamente il DNA nel sito del danno; e la DNA-ligasi ricuce il filamento riparato.
  • Mismatch repair o MMR: corregge errori di replicazione e di ricombinazione genetica che determinano la formazione di nucleotidi male appaiati in seguito alla replicazione del DNA. Gli enzimi coinvolti riconoscono il mismatch a cui si legano; ed insieme all’ endonucleasi tagliano il frammento contenente il mismatch dopo che la elicasi ha aperto la doppia elica. La DNA-polimerasi può aggiungere il frammento opportuno e la ligasi unisce gli estremi dei due filamenti.

Riparazione associata alla trascrizione

Esistono meccanismi atti a garantire che le zone di maggior rilevanza del genoma siano corrette prima. La priorità assoluta è data alla correzione delle sequenze che trascrivono per proteine che sono attivamente espresse dalla cellula. Ciò avviene perché le RNA polimerasi possono bloccarsi nei siti coinvolti dalla lesione, dirigendo il macchinario di replicazione in questi siti. Ciò porta ad una riparazione del DNA specifica ed efficiente, che garantisce di riparare prima i danni più gravi e solo dopo procedere a riparare i danni che hanno subito zone non significative per la vitalità.