Eziologia delle patologie da agenti fisici: radiazioni ed elettricità

Eziologia e Patologia Generale

Dall'introduzione alla Patologia generale si è capito che l'eziologia è uno dei temi cardine della medicina: sapere qual è la causa della patologia è un passaggio critico sia per fare prevenzione che per effettuare una terapia mirata.

Riconosciamo cause endogene, quando sono originate all'interno dell'organismo stesso (che siano di natura genetica o abbiano altre cause) e cause esogene o ambientali, cioè come l'ambiente esterno riesce ad avere degli effetti sul nostro organismo. L'interazione con il nostro organismo avviene tramite un'azione sulla sua componente di base che è la cellula.

Distinguiamo a grandi linee cause di tipo fisico, chimico e biologico (quelle di tipo biologico non verranno affrontate in questa parte del corso, comprendono batteri e virus).

La prima causa di patologie di tipo fisico si può ricondurre a un trasferimento di energia dall'esterno: questo avviene sempre anche in condizioni fisiologiche, che si tratti di energia termica o di altro tipo.

Questo trasferimento avviene tramite l'energia radiante (radiazioni), un tipo di energia che si propaga nello spazio anche senza alcun tipo di substrato, ed è generata da parte degli atomi che, se diventano instabili, emettono particelle e/o energia al fine di ritrovare una stabilità.

[piccola parentesi del professore sugli atomi "per parlare tutti la stessa lingua": gli atomi compongono tutta la materia e sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. L'atomo ha complessivamente una carica neutra ed è quindi stabile]

Radiazioni e Instabilità Atomica

Se un nucleo è instabile per qualunque ragione emetterà o riceverà particelle e/o energia: l'atomo che assorbe è il bersaglio della radioattività, quello che emette invece sarà radioattivo. Queste radiazioni vengono da ovunque, dal Sole, dalla terra che le assorbe e le riflette oltre ad emetterne di sue, e variano in base all'energia e alla lunghezza di frequenza.

Buona parte delle radiazioni solari vengono assorbite dall'atmosfera, ma comunque circa il 50% raggiungono la superficie. Tra le altre sorgenti di radiazioni ci sono dei gas naturali quali il Radon, che è importante da ricordare perché in alcune zone si raccoglie e potrebbero esserci esposizioni a tale sostanza; anche il corpo umano produce radiazioni, termiche o a infrarossi.

Ma più che la quantità di queste radiazioni, ci interessa la qualità: ci sono radiazioni che hanno come esito solo l'innalzamento della temperatura corporea mentre altre hanno effetti dannosi.

Tipi di Radiazioni

Le radiazioni si possono distinguere in base alla loro natura in:

• Radiazioni di natura corpuscolare, che sono una massa che trasferisce energia cinetica, e sono o cariche positivamente (protoni), o senza carica (neutroni), oppure particelle a e B che sono combinazioni di protoni e neutroni che vengono emesse dall'atomo durante il decadimento radioattivo. Le caratteristiche principali di questo tipo di radiazioni sono di avere una massa e di essere ad alta energia.
• Radiazioni di natura elettromagnetica, che sono emesse sotto forma di perturbazione del campo magnetico e si diffondono attraverso i fotoni. Tra queste radiazioni abbiamo molte delle radiazioni più conosciute: raggi y, raggi X, infrarossi, raggi ultravioletti e luce visibile.

Oltre ad essere di natura diversa hanno anche livelli di energia diversi, che portano due tipi di effetti sul bersaglio. In particolare, riconosciamo:

Radiazioni Ionizzanti ed Eccitanti

• Radiazioni ionizzanti: radiazioni ad alto impatto, poiché l'energia ceduta da queste radiazioni determina espulsione di elettroni dagli atomi (ionizzazione primaria) e sono o ad alta energia elettromagnetica o particelle pesanti. La perdita di un elettrone da un atomo lo farà diventare uno ione a carica positiva e un altro atomo raccoglierà questo elettrone, acquisendo carica negativa. Entrambi questi atomi cercheranno di ristabilizzare la loro carica a uno stato neutro con altri atomi con i quali magari prima non avrebbero mai interagito. Se ciò avvenisse all'interno di una proteina, per esempio, la proteina potrebbe ripiegarsi male e perdere completamente la sua funzione. All'interno del DNA un danno di questo tipo potrebbe causarne la rottura, i lipidi si altererebbero andando a cambiare le caratteristiche delle membrane.
• Radiazioni non ionizzanti (eccitanti), hanno un impatto generalmente più basso e sono radiazioni a energia più bassa, dove l'elettrone non viene espulso dall'atomo ma viene eccitato e raggiunge un orbitale più esterno rispetto a dove sarebbe normalmente.

La soglia di energia scelta per decretare se una radiazione sia ionizzante o meno è basata sulla capacità di ionizzare l'acqua, che avviene a una energia di circa 10 elettronvolt (eV), quindi le radiazioni ionizzanti avranno energia maggiore di 10 elettronvolt e saranno ad alta energia e comprendono le radiazioni corpuscolate (particelle alfa e beta) e i raggi y e X; le radiazioni eccitanti saranno a bassa energia e comprendono le radiazioni infrarosse, luminose, i raggi ultravioletti (anche se i raggi ultravioletti sono ionizzanti in alcuni casi), ma anche onde radio, laser ...

Nella slide vediamo la relazione tra energia, frequenza e lunghezza d'onda delle radiazioni: le radiazioni ad alta energia hanno alta frequenza e una corta lunghezza d'onda, a mano a mano che ci spostiamo verso quelle a bassa energia la lunghezza d'onda si amplifica e la frequenza si riduce. I danni per il nostro organismo cominciano dai raggi ultravioletti e l'attività ionizzante inizia a partire dalle ultime frange degli ultravioletti fino ai raggi X e i raggi gamma.

Effetti delle Radiazioni a Bassa Intensità

Le radiazioni a bassa intensità vengono considerate generalmente non patogene (ci sono poche evidenze di danni subiti da onde radio o da altre sorgenti di questo tipo), ma hanno comunque degli effetti:

• Effetto termico per quanto riguarda gli infrarossi,
• Le radiazioni luminose possono indurre in alcuni casi reazioni fotochimiche (un esempio è l'utilizzo della luce per degradare la bilirubina nel caso di ittero neonatale: i neonati affetti vengono esposti a lampade fluorescenti a una specifica lunghezza d'onda perché la bilirubina la assorbe a quella frequenza).
• Nel caso dell'assorbimento dei raggi UV da parte di componenti cellulari quali acidi nucleici (purine, adenina e guanina) e proteine invece si può parlare di danno (i raggi UV sono le radiazioni a più alta energia tra quelle non ionizzanti). Questi acidi nucleici colpiti dai raggi UV possono ricevere dei danni, in particolare più che una rottura del DNA si creano delle formazioni tra basi adiacenti (dimeri di timina) che portano a un cambiamento della struttura e della flessibilità dell'acido nucleico. Le proteine invece possono essere denaturate dall'assorbimento dei raggi UV. Per questa loro caratteristica potenzialmente nociva, i raggi UV vengono utilizzati con scopo di disinfezione: per eliminare i virus danneggiandone il DNA o anche i batteri che non hanno una capacità di riparazione cellulare come la nostra. Inoltre, si possono utilizzare anche in laboratorio per capire la quantità di DNA o di proteine presenti in soluzione in base a quanti raggi UV vengono assorbiti.

[il professore segue molto le slide e va un po'avanti e indietro tra gli argomenti]

Tornando un secondo sulle onde radio, sulla slide sono presenti gli effetti potenziali che sono abbastanza limitati e comunque solamente a livelli molto elevati. Il principale effetto è di tipo termico ma esistono anche degli studi (seppur ancora non confermati) che fanno sospettare un possibile effetto teratogeno.

Effetti dei Raggi UV sui Tessuti

L'effetto degli ultravioletti avviene principalmente sugli strati superficiali perché non hanno molta energia e non riescono quindi a penetrare i tessuti. Tra i vari effetti ce n'è anche uno buono, ossia trasformare il precursore della vitamina D3 nella vitamina D3. Tra quelli nocivi invece ci sono alcuni già menzionati quale la denaturazione delle proteine che causa inattivazione di enzimi e la formazione di dimeri di Timina (che verrà trattata meglio più avanti), ma anche la perossidazione dei lipidi di membrana. A seguito ad una esposizione prolungata possiamo avere danni diversi: l'eritema solare (arrossamento associato a un processo infiammatorio), aumentata permeabilità dei capillari, edema (gonfiore), formazione di vescicole ripiene di liquido sieroso, necrosi tissutale (il più grave dei danni) e di fronte a un'esposizione veramente a lungo termine può instaurarsi una ipercheratosi (cambiamento dell'epitelio, non lo spiega molto bene). La cute ha anche meccanismi di difesa, come la cheratina che assorbe i raggi ultravioletti impedendogli di raggiungere gli strati più profondi e la melanina che ha lo stesso effetto protettivo.

Alterazioni del DNA da Raggi UV

Il meccanismo di alterazione del DNA causa dei cross-link (legami) tra pirimidine adiacenti, che porta alla formazione dei dimeri di timina. Tra le timine si creano dei legami stabili e si forma una struttura che in natura non esiste: quando il DNA dovrà essere letto la polimerasi si troverà in difficoltà perché non è una base conosciuta. Questo causa o un blocco della polimerasi, che darà quindi proteine tronche, o un inserimento a caso di un'altra base, quindi una mutazione puntiforme, o ancora saltando quella base andrà a fare un frame-shift, uno spostamento della lettura delle triplette che non darà una lettura giusta del DNA. Questo è uno dei motivi per cui i raggi UV sono considerati cancerogeni, questa sua capacità di creare mutazioni a livello della pelle (i tessuti più in profondità non vengono raggiunti da questo tipo di radiazioni). [metto slide riassuntiva sugli effetti degli UV]